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.

Scheme optimum selection for dynamic control of reservoir limited water level

Dynamic control of reservoir limited water level is important to reservoir flood control operation.A reasonable limited water level can best utilize flood water resources in addition to flood control.This paper is a trial application of the fuzzy information entropy matter-element evaluation method(FIEMEM) as an optimal selection of dynamic control of limited water level.In this method,compound matter elements are established first,followed by establishment of an evaluation model and choice of the optimal scheme on the basis of fuzzy information entropy.In determining weights,a combined weighting method in game theory is adopted to combine experiential weights and mathematical weights so as to eliminate one-sidedness of the single weighting method.Finally,the feasibility of this optimization method is verified by citing dynamic control of Biliuhe reservoir limited water level as an example.

Binary Level Set Methods for Dynamic Reservoir Characterization by Operator Splitting Scheme

In this paper,operator splitting scheme for dynamic reservoir characterization by binary level set method is employed.For this problem,the absolute permeability of the two-phase porous medium flow can be simulated by the constrained augmented Lagrangian optimization method with well data and seismic time-lapse data.By transforming the constrained optimization problem in an unconstrained one,the saddle point problem can be solved by Uzawas algorithms with operator splitting scheme,which is based on the essence of binary level set method.Both the simple and complicated numerical examples demonstrate that the given algorithms are stable and efficient and the absolute permeability can be satisfactorily recovered.

水库防洪调度模型研究与应用——以浙江省珊溪水库为例

以浙江省飞云江流域1617号台风“鲇鱼”洪水为例,针对珊溪水库防洪调度需求,结合预报成果,构建了珊溪水库防洪指令调度、水位控制调度、泄量控制调度和错峰补偿调度模型,并应用在珊溪水库防洪调度模拟计算中。其中,指令调度模型能够快捷简便地计算出指定下泄流量情况下水库水位、库容的变化;水位控制调度模型能够控制水库最高调洪水位不超过防洪高水位等特征水位或者某一指定水位;泄量控制调度模型能够控制水库最大出库流量不超过指定流量;错峰补偿调度模型能够充分利用水库防洪库容进行蓄泄,控制下游重要防洪控制断面流量尽可能不超过安全流量,达到干支流洪水错峰调节的目的。结果表明,4种模型相较于规则调度均能实现较高的削峰率,其中错峰补偿调度方式对于控制下游重要断面安全流量的效果最好。

乌江中下游干流梯级水库汛期联合调度运行水位动态控制策略研究

在国家“双碳”战略背景下,合理的水库汛期运行水位动态控制可在兼顾流域防洪安全前提下提高洪水资源利用率,充分发挥水利枢纽的综合效益。构皮滩、思林、沙沱水电站是乌江中下游干流梯级电站,由于现有防洪库容是基于单库调洪计算,并未考虑水库联合调度运行,汛期运行水位静态控制,电站机组出力受限,汛期综合效益尚未得到充分发挥。研究基于预报预泄和库容补偿作用,统筹乌江中下游多区域防洪风险,构建梯级水库汛期运行水位动态控制调度模型,对基于构皮滩水库的拦蓄作用下抬升思林、沙沱水库运行水位的动态策略及其风险进行研究。研究结果表明:实施梯级水库联合防洪预报调度可以抬升思林、沙沱水库前汛期(6-7月)运行水位2.10~3.86 m、6.09~6.42 m,后汛期(8月)可分别抬升4.17~4.86 m和6.21~6.42 m,并可以减轻梯级枢纽、乌江中下游保护对象(思南县和沿河县)和长江中下游的防洪风险。研究结果可为构皮滩、思林、沙沱梯级水库汛期防洪及洪水资源利用的安全运行提供技术参考。

龙羊峡水库汛期运行水位动态控制方案研究

龙羊峡水库已具备开展汛期运行水位动态控制的工程安全、洪水预报等条件,可利用与上游玛尔挡电站间的库容补偿关系,开展汛期运行水位动态控制。龙羊峡水库的预泄模式宜采用多级固定预泄方式,洪水预报的有效预见期为7d,预泄判别流量为1000m^(3)/s、1200m^(3)/s、1500m^(3)/s,预泄流量为1000m^(3)/s、1500m^(3)/s、2000m^(3)/s、2500m^(3)/s,相应的汛期运行水位动态控制域为2594~2594.6m,并随着玛尔挡水库水位的提升而逐步降低。当水库水位低于汛限水位2594m时,下泄流量以发电要求为主,当水库水位达到或>2594m时,视上游来水预报和水库蓄水情况,判断进入动态运用或防洪运用,当上游来水>2500m^(3)/s时,水库按设计防洪运用方式运用。

面向新时期新需求的三峡水库运行方案研究

本文回顾三峡水库设计洪水、特征水位、运行方案变化调整过程,综述三峡水库运行调度关键技术研究进展和分析来水来沙变化情况。分别采用最可能洪水地区组成法和非一致性洪水频率分析两种途径,推求考虑上游水库群调蓄影响的三峡水库运行期设计洪水及特征水位。结果表明:近10年三峡入库泥沙量比初设成果减少了84.4%,宜昌站水文情势IHA-RVA综合指标为74%、发生了重度改变,三峡水库运行期1000年一遇7~15 d洪量减少了约81.5亿~142.8亿m^(3),初设确定汛限水位的主要制约因素(防洪、泥沙)发生了很大的变化。原单站设计洪水及确定的三峡水库175-155-145 m运行方案,已无法满足新时期水资源高效利用和生态环境保护的新需求。建议把三峡水库运行方案调整为175-160-155 m,主汛期水位在155~160 m区间动态控制运行,长江中下游梅雨结束后应考虑提前蓄水,8月底蓄至163 m左右,9月底蓄至165 m,10月底蓄满。该方案在保证大坝和下游防洪安全的前提下,汛期减少弃水并增加枯水期补水量,预计可增发10%左右的发电量;抬高运行水位也有利于库区航运和减少消落带;9月份尽量不蓄水或少蓄水,可减少蓄水期对下游河道及两湖生态环境的不利影响,具有巨大的经济、社会和生态环境等综合利用效益。当预测预报长江流域可能发生流域性大洪水时,尽快将库水位消落至汛限水位145 m,确保大坝和下游防洪安全。

构建现代化水库运行管理矩阵与发展水利新质生产力

加强水库安全管理具有极端重要性。分析了构建现代化水库运行管理矩阵、发展水利新质生产力对保障水库高水平安全的重大意义,从高科技、高效能、高质量三个维度阐释构建现代化水库运行管理矩阵与发展水利新质生产力的内在联系,提出强化“四全”管理、“四预”措施与信息技术深度融合等加快构建现代化水库运行管理矩阵、助力发展水利新质生产力的主要路径。

万家寨水库排沙效果及影响因素分析

降水冲刷是恢复水库库容的有效手段。2011年以来万家寨水库在排沙期多次开展降水冲刷运用,取得了较好的排沙效果。基于实测资料,分析了2011年以来万家寨水库排沙效果及其影响因素。结果表明:2011—2021年(不含2016年)万家寨水库累计排沙7.173亿t;排沙主要集中在排沙期;2018—2020年来水较丰,水库降水冲刷历时长,3 a累计排沙4.840亿t;水库排沙影响因素众多,长历时大流量洪水过程有利于水库排沙;运用水位降低时,蓄水量减小,沿程冲刷距离长,壅水输沙距离缩短,有利于提高水库的排沙效果。通过回归分析,建立了不同水位下出库输沙率与主要影响因素的关系。

考虑非汛期库水位动态控制的水-光互补中短期调度研究

为解决大规模水-光互补系统在非汛期的多时间尺度耦合调度难题,阐明了库水位动态控制调度模式下的水-光中短期互补的基本原理,分别构建了考虑非汛期库水位动态控制的水-光互补中期和短期多目标优化调度数学模型,并以青海省黄河上游班多水-光互补系统为例验证模型有效性。结果表明,与传统调度模式相比,库水位动态控制调度模式下水库非汛期日初库水位平均增高0.94~1.17 m,水电日均发电水头平均提高0.06%~0.80%;非汛期水-光互补系统发电量提高0.221%,弃光电量降低0.025%。因此,非汛期库水位动态控制调度可提高水-光中短期互补性能。

三峡水库应急抗旱补水调度对下游水位的影响及效益评估

近年来三峡水库针对长江中下游干旱已多次开展应急抗旱补水调度,但补水流量对下游断面水位影响尚不明确,水库抗旱补水效益指标体系尚未建立。本文构建了基于长短时记忆神经网络的断面水位模拟模型,模拟了不同补水方案长江中下游典型断面水位变化过程;从供水、生态、航运和发电4个方面构建了水库抗旱补水效益评估指标体系。结果表明:2022年8月三峡水库按加大流量500、1000和2000 m^(3)/s三种方案补水后,长江中下游主要控制站水位和流量均有一定程度抬升,可挽回灌溉面积0.29万ha,增加灌溉经济效益1355万元;发电效益分别增加1400万元、2725万元和3225万元;由于抬升幅度较小,生态和航运效益没有显著变化。该研究可为科学制定三峡水库抗旱补水方案提供技术支撑。

汛期水风光多能互补动态调度模型研究

为充分利用水电站水库汛期在预报无洪水或小洪水时的调节能力,将汛期运行水位动态控制域对应库容作为调节风光运行的可用库容,在提高水库调节能力的基础上给出了考虑入库洪水实时状态的汛期水电站水库动态消纳风光调度模式,以风光出力期望值加水电出力之和与负荷偏差最小为目标,结合风光出力不确定性建立了汛期水风光多能互补动态调度模型,并以福建省水口水电站为例进行模拟调度计算。结果表明:所提动态消纳风光调度模式能够在保证防洪安全的前提下充分合理利用水位动态控制域内的调节能力来调节风光出力,使失负荷时段数和发电量缺口期望值相较于传统调度模式分别降低约37%和32%,水电站水库平均发电水头提高约4.39%,不仅可提高系统出力可靠性,且能增加系统运行效益。研究成果可为汛期调节风光出力提供参考。

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。

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。

不确定来水条件下龙羊峡水库年末水位优化

以黄河上游多年调节水库龙羊峡及下游刘家峡水库为研究对象,考虑来水不确定性影响,建立梯级水库群多目标随机优化模型,并基于理想点法(technique for order preference by similarity to an ideal solution,TOPSIS)决策方法,求解当年发电量与年末水位Pareto方案集中最佳方案,探讨来水频率及起调水位对年末水位和发电量的影响,验证年末期望水位保证多年调节水库发电效益的可靠性。结果表明:在不确定来水条件下,龙羊峡水库年末期望水位与龙羊峡水库、刘家峡水库年期望发电量之间存在竞争关系;龙羊峡水库来水频率越低、起调水位越高时,龙羊峡水库年末水位越高,龙羊峡水库、刘家峡水库发电量越大;基于提出的年末水位优化方法可大幅缩减龙羊峡水库现行调度方式下年末水位范围,且保障发电效益的可靠性在98%以上。

高洪水期运行水位对三峡水库泥沙淤积的影响

三峡水库泥沙问题直接关系到水库库容的长效保持。选取典型高洪水期,基于数值模型探究入库水沙量级、水沙异步及运行水位对三峡库区沙峰输移和淤积排沙的影响。结果表明:入库洪峰的增大抑制了涪陵沙峰比的衰减,并导致更多泥沙输运至坝前,使得坝前沙峰降幅受运行水位的抬升更为显著;变动回水区较常年回水区更易受到入库水沙异步影响,且随着来沙系数的增大,由低水位抬升时淤积占比更高;水库排沙比受入库水沙异步影响有限,且随着入库洪峰、沙峰的增大,排沙比增加的同时对运行水位抬升导致的衰减更为敏感。研究成果初步揭示了入库水沙异步及运行水位对库区沙峰运动与淤积的影响,可为三峡水库汛期优化沙峰排沙调度提供参考。

三峡水库对城陵矶防洪补偿控制水位研究Ⅰ——需求分析与优化条件

城陵矶地区是长江中下游洪灾最频发的区域之一,是长江水库群防洪的重点保护对象。金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4座梯级水库与三峡水库组成的巨型水库群防洪能力巨大,显著改变了流域防洪调度格局。在概括分析城陵矶地区防洪需求,回顾三峡水库对城陵矶地区防洪补偿控制水位不同阶段成果的基础上,剖析了优化防洪补偿控制水位的研究要点,研究了金沙江下游梯级防洪库容投入情况,进而明确了提高防洪补偿控制水位的有利条件。研究结果表明:在三峡水库水位达到城陵矶防洪补偿控制水位158.00 m后,金沙江下游梯级水库在预留40.93亿m^(3)防洪库容的基础上,尚有30亿~60亿m^(3)富余防洪库容可配合运用,为进一步提高三峡水库对城陵矶防洪补偿控制水位创造了良好条件。

边水气藏型储气库运行动态参数计算方法及应用

基于“罐式”概念的传统物质平衡方法无法定量计算储气库采气阶段的水侵区残余气量,也无法定量分析边水非稳态水侵过程中的工作井运行动态参数变化规律。为了解决该问题,文中首先建立了考虑水侵区残余气量的改进物质平衡方程,并在此基础上根据气水非稳态渗流理论推导了工作井采气阶段关键运行动态参数解析模型;然后采用某边水气藏型储气库工作井的基础资料,定量分析了其在采气阶段运行动态参数的变化规律,并对计算结果进行了对比验证;最后讨论了该计算方法的特点和适用性。研究表明:该方法能够定量分析边水气藏型储气库非稳态水侵过程中时变井控参数变化规律,掌握不同区域压力变化特征,量化计算水侵区残余气量,明确工作井有效井控库容量。运行动态参数计算结果表明,随着生产时间的增加,时变井控半径逐渐减小,水侵区残余气量逐渐增大;在相同水侵量下,相较于采气末期,采气初始阶段的时变井控参数与残余气损失的增加量较小,体现了储气库采气能量由早期主要依靠弹性能驱动向晚期依靠边水补能的转变过程。研究成果对同类边水气藏型储气库运行规律探究、库容参数及运行动态分析、工作井合理工作制度制定具有明确的现实意义与实用价值。

密云水库高水位运行工程性态分析与评价

密云水库是首都北京重要的地表饮用水源地和水资源战略储备基地,自2021年以来持续处于高水位运行状态,且连续刷新水位新高纪录。文章结合近年水库高水位运行渗流、变形监测数据及历史监测资料,通过趋势性、相关性、对比性分析,得出结论:各建筑物渗流场、渗透、变形已趋于稳定,符合土石坝变形规律。在此基础上,结合历次安全鉴定和检查情况,对重点建筑物进行专项分析和复核计算,结果表明:白河主坝斜墙渗透稳定性符合安全运行要求,第二溢洪道闸首抗滑稳定满足规范要求,密云水库工程安全状况总体良好。

基于预报预泄的五强溪水库主汛期运行水位优化

汛期调度方式优化是提升五强溪水库综合效益的重要抓手。在确保防洪安全的前提下,基于预报预泄的方法,研究了五强溪水库主汛期运行水位动态控制范围、启动条件和预报预泄调度方式,计算分析了汛期运行水位上浮方案产生的综合效益。以1996年和2019年汛期调度实践为例,实施汛期运行水位动态控制,分别可提高发电水头0.48、0.54 m,减少弃水量8.53亿、9.56亿m^(3),增加发电量1.26亿、1.34亿kW·h。结果表明结合来水预报,在风险可控的条件下动态控制五强溪水库汛期运行水位,可在减少机组出力受阻几率和弃水的同时,显著提高水库的发电效益。