Risk analysis of dynamic control of reservoir limited water level by considering flood forecast error

Flood control forecast operation mode is one of the main ways for determining the upper bound of dynamic control of flood limited water level during flood season. The floodwater utilization rate can be effectively increased by using flood forecast information and flood control forecast operation mode. In this paper, Dahuofang Reservoir is selected as a case study. At first, the distribution pattern and the bound of forecast error which is a key source of risk are analyzed. Then, based on the definition of flood risk, the risk of dynamic control of reservoir flood limited water level within different flood forecast error bounds is studied. The results show that, the dynamic control of reservoir flood limited water level with flood forecast information can increase the floodwater utilization rate without increasing flood control risk effectively and it is feasible in practice.

考虑生态流量约束的梯级水库分期消落水位多目标优化调度

针对如何表征枯水期季节性特征、优化分期消落水位来指导水库群消落调度的科学问题,提出了考虑生态流量约束的梯级水库分期消落水位多目标优化调度模型。以金沙江中下游6座水库与三峡水库为研究对象,综合运用多种数理统计方法划分流域枯水期;采用逐月滑动计算法推求梯级水库分期消落水位;以生态和发电效益最大为目标函数,利用NSGA-Ⅱ算法求解调度模型,得到不同来水情景下梯级水库枯水期消落调度方案。研究结果表明:不同来水情景下,相较于常规调度方案,选定的优化调度方案可增加梯级水库发电量30.20亿~52.27亿kW·h(增加2.3%~5.0%)和供水量83.15亿~87.14亿m3(增加5.8%~7.4%),并提高河道生态流量保证率2.6%~22.9%。研究成果可为协调梯级水库生态和发电调度提供技术支撑。

基于系统协调度模型的汛限水位分期控制

为协调防洪与兴利的矛盾,提高洪水资源化利用效益,基于改进模糊集方法进行汛期分期,建立系统协调度模型并计算得到汛限水位的动态控制域。以思林水库为例,前、后汛期的汛限水位与发电效益协同贡献度成正比,与防洪风险协同贡献度成反比;为实现系统协调度最大,前、后汛期的汛限水位动态控制域应分别为[435,437]m和[435,438]m,前、后汛期可分别增发电量2169.907×10^(4)、6509.722×10^(4)kW·h,水资源利用量可分别提高0.716×10^(8)、1.079×10^(8)m^(3)。研究成果可提高洪水资源利用效率,为水库安全合理运行提供参考。

梯级水库运行期设计洪水及水位联合优化调控变革与启示

我国水资源时空分布不均,年际、年内变差大,洪涝和干旱并存,流域防洪与兴利需求并重。随着大规模水库群建成投运,流域下垫面条件及产汇流机制明显变异,水库及引调水工程运行等人类活动对设计洪水影响显著,梯级水库群运行管理中如何分析和应用设计洪水成为亟待解决的新问题,水库群联合优化调控、水资源高效利用的现实要求十分迫切,已列入中国科学技术协会2023年十大产业技术问题。经过多年探索实践,我国在梯级水库运行期设计洪水及水位联合优化调控方面已取得一定研究进展和成果,但仍存在对暴雨洪水季节性变化规律认识不足、梯级水库群系统中各水库运行相互影响考虑不足、现代水文气象实时预报信息运用不足等问题,亟须系统开展运行期设计洪水及水位联合优化调控体系研究,实现风险可控条件下水资源高效利用,保障防洪安全、供水安全、能源安全、生态安全,推进新阶段经济社会高质量发展。

碧流河水库调整汛限水位的防洪风险评价

根据碧流河水库1984—2022年入库洪水的统计数据,应用标准化P-Ⅲ型分布的AR(1)模型对入库洪水进行模拟,通过入库洪水特征分析、洪水系列特征值随机模拟、洪水过程推求等计算,验证了碧流河水库调整汛限水位的可行性。结果表明,碧流河水库68.8 m的汛限水位还有适当调整的空间,预设汛限水位为69.2、69.6、69.8 m时,防洪风险值小于设计风险值,可增加蓄水量约2100万、3900万、6000万m3,实现防洪与兴利综合效益最大化,为水库汛限水位动态控制提供数据支撑。

再论水库汛期水位动态控制的必要性和可行性

汛限水位是水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位,在防洪中具有法定地位,是协调水库防洪与兴利的关键参数,直接影响水库效益发挥。近年水利和应急管理部门落实强监管措施的过程中,出现了强制要求水库汛期不超汛限水位的情况,导致相当多的水库汛期过度弃水、汛后无水可蓄。我国许多省份发生干旱时出现无水可供的困局,2022年长江流域历史性特大干旱情况尤甚。本文通过回顾汛限水位动态控制试点工作,论述汛限水位设置依据和实际监管中存在的问题,阐述开展汛期水位动态控制的必要性和可行性;归纳总结梯级水库运行期设计洪水、分期汛限水位和汛期水位动态控制的理论及方法;提出需要继续深入研究的科学问题和关键技术;最后建议加强水利工程基础措施建设,修改完善现有的法律法规和设计洪水计算等规范,建立符合新阶段水利高质量发展的运行机制,统筹协调防汛抗旱和洪水资源高效利用,实现水库汛期水位动态控制。

Floodwater utilization of the Three Gorges Project

Floods are both risks and resources. Floodwater utilization is an important part of flood management. Considering the rising shortage of water resources, serious water pollution, and undersupply of electric power, it’s imperative to strengthen flood management. In light of the hydrological characteristics of the Three Gorges Project (TGP) on the Yangtze River in P. R. China, we investigated the necessity and feasibility of TGP floodwater utilization, proprosed dynamic control of limited water level during flood season of the reservoir and basin-wide integrated floodwater management as strategies, and identified problems that might occur in practice.

考虑城市-水库整体风险的汛限水位调整方法研究

针对城市化发展造成水库职能变化的背景下水库汛限水位设置不合理的问题,通过建立通用的优选指标体系,采用基于熵权细化主观权重的指标权重确定方法,构建了综合考虑水库防洪风险和城市供水风险的汛限水位调整方案模糊优选模型。该模型在考虑决策者不同偏好的基础上,根据模糊理论中最大隶属度原则进行方案优属度的计算,从而确定最佳调整方案,并以郑州市尖岗水库为例进行了汛限水位的优化调整。结果表明:在拟定的6个汛限水位方案中,当决策者对防洪目标、供水目标具有不同的偏好时,如两者重要度之比为6∶4、4∶6,则最优汛限水位方案分别为151.35、151.55 m。

溪源水库汛限水位调整与防洪调度影响分析

溪源水库下游河道行洪能力的改变,使原有汛限水位难以保证防洪供水等效益的发挥。依据溪源水库实际情况,借助风险理论对水库的防洪供水风险因子进行识别,并从防洪度汛、经济效益等方面论证水位调整的可行性。结果表明,当水库的主次汛期汛限水位增至88.0m时,其最高水位和泄流量均低于设计标准,且其防洪风险率低于0.03%,工业供水效益和生活供水效益增量明显。今后应更加注重水库水资源调度的科学性和合理性,加快溪源泄洪洞建设。

富水水库汛限水位研究

合理的汛限水位能协调防洪与兴利之间的矛盾,产生防洪和兴利的双重收益。富水水库汛限水位及调度规程自1996年一直沿用至今,因此有必要对富水水库汛限水位进行研究。根据新形势下流域防洪需求拟定富水水库不同的汛限水位调整方案,基于近30年6-7月的富水水库入库径流序列和8个典型洪水年的下游洪水过程,建立模型对富水水库调蓄和下游洪水演进进行模拟计算,统计并比较各调度方案的防洪效益与蓄水效益。最终,通过结果对比分析,得出本文所采取的汛限水位研究方法对于下游有重要防洪任务的水库的汛限水位研究较为适用。

水库汛限水位动态控制的实现途径

水库汛限水位动态控制是洪水资源利用的主要方式之一,提高水库洪水预报精度和延长有效预见期是实现水库汛限水位动态控制的关键所在。针对水库实时防洪调度的特点和流程,概述了新一代天气雷达、气象卫星及相关应用系统的技术进展,评价了这一技术进展在水库实时防洪调度中的重要作用,据此提出了综合应用新技术改进水库洪水预报、洪水量级判断和蓄水时机选择的技术途径。在此基础上,以海河流域潘家口水库为例,综合论证了水库汛限水位的动态控制范围,提出了汛期蓄水的控制策略与调控方法。

水库汛限水位调整与运用

基于对水库汛限水位主要影响因素的系统分析,从洪水资源安全利用的角度出发,阐明了水库汛限水位调整综合分析论证所应遵循的原则,提出了风险设计分析论证的框架、定量分析方法和汛限水位合理调整的论证。最后以海河流域潘家口水库为分析实例,从设计洪水、预报预泄、洪水预报调度方式、上下游防洪设计标准、上游移民淹没及土地退赔线、水库长期运行的风险和效益等多个方面分析论证了水库汛限水位的合理调整方案。

水库分期汛限水位的优化设计研究

水库分期汛限水位方法利用洪水的季节性特征,能有效地缓解水库汛期防洪和兴利间的矛盾。从分期频率和年频率的关系出发,探讨现行分期汛限水位方法往往不能达到指定防洪标准的问题,指出分期汛限水位设计中存在的最优性。在不降低水库防洪标准的前提下,基于分期设计洪水调洪演算结果,提出了优化设计分期汛限水位的模型与解法;结合五强溪水库分期汛限水位设计实例,说明了分期汛限水位优化设计模型通过稍微降低主汛期的汛限水位,可获得一定的防洪效益,换取汛前期、汛末期汛限水位的较大幅度抬高,从而提高水库整个汛期的兴利效益,在不降低水库防洪标准的前提下,实现洪水资源利用率的最大化。

水库防洪预报调度关键问题研究及其应用

为使水库防洪功能与兴利功能尽可能结合起来,更好地提高洪水资源利用率,本文探讨了利用水文和气象等预报信息来指导水库实时调度。研究了实施防洪预报调度方法的内涵、机理、需要满足的基本条件等几个关键问题,结合碧流河水库的应用实例来说明该方法的实用性和可行性。实例证明,碧流河水库采用以累积净雨总量控制的防洪预报调度运用方式,可提高洪水资源可利用量约4000万m3。

三峡水库动态汛限水位与蓄水时机选定的优化设计

阐述了三峡水库运行初期的调度规则,建立了实时调度模型。提出了防洪、发电和航运等指标体系,在此基础上,建立了用于动态汛限水位和蓄水时机优化的混合规划数学模型,并设计了一种混合编码方式,运用遗传算法对该模型进行优化求解。利用宜昌站1882～2001年实测日流量资料进行模拟优化,生成了一系列非劣解;然后运用模糊决策的方法,得到了相对合理的动态汛限水位与蓄水时机方案。结果表明,优化设计能权衡防洪与兴利之间的关系,充分挖掘汛初与汛末的潜力,提高三峡水库运行初期的综合效益。

水库汛期限制水位控制理论与观念的更新探讨

传统的水库汛限水位的控制,只利用了洪水的统计信息,使水库在汛期要时刻预防设计与校核洪水事件的发生,致使一些水库在汛期不敢蓄水而汛后又无水可蓄,造成洪水资源的浪费。提出水库汛限水位动态控制的新理念及其综合推理模式,适应当前预报技术的发展水平,考虑降雨径流洪水预报与一定时间内的短期降雨预报,排除不可能发生的洪水事件,预报可能发生的洪水,实施水库汛限水位的动态控制。但预报不可避免地存在误差,当小概率预报误差事件发生时,仍可采取弥补措施以确保大坝的防洪安全。

三峡水库动态汛限水位洪水调度风险指标及综合评价模型研究

汛限水位是综合利用水库运行和调度的重要参数之一,也是协调防洪和兴利矛盾的焦点所在。现行的汛限水位过多地考虑了小概率洪水事件,不能充分挖掘水库汛期的兴利效益,因此,采用动态汛限水位进行调度,对综合利用水库的运行具有重要的理论意义和实用价值。根据三峡水库围堰发电期的调度规程,建立预报预泄调度模型,采用宜昌站1882-2001年汛期实测日流量资料,实现了考虑预报信息的动态汛限水位洪水调度模拟;提出了多目标风险指标体系;计算了9种动态汛限水位方案下的风险指标值,通过综合评价模型对各方案进行比较和优选,得到了相对合理的动态汛限水位方案。

梯级水库汛限水位动态控制模型研究及运用

结合流域实时洪水预报及梯级水库防洪库容信息,提出基于预报及库容补偿的梯级水库汛限水位动态控制逐次渐进补偿调度模型。该模型包括三个模块,其一是考虑预报及库容补偿作用的补偿调度模块;其二是保证不降低原防洪标准的预报预泄模块;其三是关联变量协调模块。该模型运用贝尔曼的逐步逼近思想,通过多次迭代计算,最终得到最佳的梯级水库汛限水位方案。清江梯级水库的应用结果表明,在不降低库群原有防洪标准的前提下,丰、平、枯水年平均增加发电量1.68亿kW.h,减少弃水量6.89亿m3,可显著提高发电效益和洪水资源利用率。

水库汛期分期及其评价方法

【目的】对2种不同汛期分期方法进行实例应用,并对其相应分期结果进行对比分析与评价。【方法】在介绍分形理论与模糊集合理论的基础上,以安康水库为例,应用上述2种理论方法对水库进行汛期分期的求解;首次提出了考虑权重因子的均方差评判指标S,并对2种方法的分期结果进行了对比与分析。【结果】利用分形理论得到安康水库的汛期分期结果为:前汛期05-01-06-20,主汛期1 06-21-07-20,主汛期2 07-21-08-20,后汛期08-21-10-10;基于模糊集合理论的汛期分期结果为:前汛期05-01-07-15,主汛期07-16-08-20,后汛期08-21-10-31。在设定不同分期段不同权重因子组合下,计算出的S分形值都较S模糊小。【结论】基于分形理论的汛期分期结果更为具体、准确;而应用模糊集合理论所得到的汛期分期结果虽较为粗糙,但可以依隶属度值为系数进而推求汛期的分期汛限水位。

黄河中下游水库汛限水位与防洪体系风险分析

黄河中游四库(三门峡、小浪底、陆浑和故县水库)在中下游的防洪体系中有着重要的地位,也对黄河中下游的水资源分布产生很大的影响。根据黄河中下游水库及黄河中下游防洪工程体系的运行调度规则,考虑设计洪水典型选择、洪水预报误差和水库调度滞时的不确定性影响,利用蒙托卡罗法模拟洪水过程,实现了洪水典型选择、洪水预报及调度滞时不确定性因素影响的定量转化,分别计算了前、后汛期8种汛限水位方案下的黄河中下游水库及下游的防洪风险指标值,在对各方案的风险进行比较和评价的基础上,推荐了小浪底水库、陆浑水库和故县水库前、后汛期相对合理的汛限水位方案,为定量考察水库防洪调度及下游防洪风险率、合理选择动态的汛限水位提供参考依据。