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.

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.

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。

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.

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。

结合遗传算法的水库汛限水位动态控制模型研究

针对水库汛限水位动态控制问题,提出一种新的自适应交叉变异遗传算法,解决了水库防洪效益与发电效益之间的矛盾问题,实现了水库水位的调整,缓解了防洪效益与发电效益的冲突。遗传算法使原始汛期水位提升了0.7m,蓄水量提升了2947m^(3),同时增加了发电量233.33×10^(4) kW·h。基于峡山水库实例试验的研究结果表明,结合遗传算法的水库汛限水位动态控制模型,不仅可对水位进行实时性调节,还能提升水库效益,研究结果可应用于各水库防洪系统。

基于汛期水位动态控制的洪水资源化利用研究

洪水是一种重要的水资源,洪水资源化利用在水资源较少地区显得尤为重要。以河北刘家台水库为例,通过HEC-HMS水文模型软件,对汛期水位动态控制的防洪效果以及地下水转换效率加以评价。结果显示,采用该方法后,海河流域部分河段5天可增加地下水量约9.02×10^(6) m^(3),多拦截洪水1.58×10^(8) m^(3),表明汛期动态水位控制具有良好削峰防洪作用,研究成果可为洪水资源化利用提供参考。

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。

梯级水库汛期运行水位协同浮动调度模型方法

水库汛期运行水位协同浮动旨在不增加防洪风险前提下,挖掘中小洪水利用潜力,提升流域水资源利用水平和供水保障能力,已成为防洪与水资源高效利用领域的研究热点和难点。从防洪库容置换与风险防控出发,基于动态预见期和预泄能力约束,嵌套运用预泄预蓄法和库容补偿法,解析了梯级水库汛期运行水位协同浮动关系;考虑帕累托最优解集和最优前沿的动态变化特性,建立了面向动态多目标的梯级水库汛期运行水位协同浮动调度模型;把环境变化检测、随机再生种群和基于参考点的帕累托前沿预测策略引入智能算法,提出求解调度模型的动态多目标智能算法,基于风险效益评价指标以评估调度方案,为梯级水库汛期运行水位协同浮动运用提供技术支撑。

低水头大型水利枢纽汛期运行水位动态控制方法研究与应用--以长洲水利枢纽为例

水库汛期运行水位动态控制是促进雨洪资源利用、缓解水库防洪与兴利之间矛盾、提高水电站综合效益的重要手段。本文以长洲水利枢纽为例,针对低水头大型水利枢纽调度过程中面临库区上游淹没制约、下游尾水顶托、机组出力受限等多约束问题,构建了适用于此类工程的防洪与发电多目标联合优化调度模型,提出基于淹没临界控制线的调洪演算方法和发电流量逐次分配优化求解方法。通过长系列模拟演算和多方案对比分析发现,与常规方案相比,采用运行水位动态控制方案可以使枢纽汛期平均发电水头提升6.88%、平均发电量增加8.75%,经济效益显著。研究方法对低水头大型水利枢纽防洪与发电联合优化调度具有借鉴意义。

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。

嘉陵江亭子口水利枢纽汛期运行水位动态控制研究与实践

在国家双碳战略背景下,科学利用洪水资源是水库电站提高水能利用率,实现提质增效的重要措施。笔者系统地论述了亭子口水利枢纽汛期运行水位动态控制的研究思路和技术路线,基于下游防洪能力现状和预报预泄技术,研究了动态控制约束边界及启动条件,提出了风险控制策略和建议。在2022年“7·14”洪水过程中,亭子口水库通过实施汛期运行水位动态控制,累计拦蓄利用洪量10.65亿m3,增发电量1.84亿k W·h,成效显著。实践证明:该研究技术路线正确,启动条件科学,运用方式安全,具有重大的实用价值和广阔的推广应用前景。

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。

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。

考虑入库洪水不确定性的三峡水库汛限水位动态控制域研究

汛限水位动态控制域是水库实施汛限水位动态控制的基础与关键。考虑影响防洪调度风险的最重要风险源,即入库洪水预报误差及洪水过程线形状的不确定性,提出风险约束条件及其量化分析方法。将入库洪水不确定性、风险分析与汛限水位动态控制域的确定过程有机结合起来,利用预泄能力约束法和Monte-Carlo模拟方法推求三峡水库汛限水位动态控制域。在不增加防洪风险的前提下,三峡水库实施汛限水位动态控制可有效地提高中小洪水资源的利用效率,利用1～3d的洪水预报信息,三峡水库汛期可增发电量6.99×108～14.45×108kW·h。研究方法对其他水库实施汛限水位动态控制也有借鉴意义。

基于贝叶斯定理与洪水预报误差抬高水库汛限水位的风险分析

水文气象预报技术的发展为水库防洪调度动态控制汛限水位提供了可能。抬高水库汛限水位可提高水库兴利效益,但有一定防洪风险。该文基于贝叶斯定理与洪水预报误差特性,提出确定汛限水位动态控制域上限的风险分析方法。以清河水库为实例,当汛限水位动态控制域上限遭遇设计频率洪水时,该文分析在不同洪水预报误差范围内,调洪最高水位超过各设计频率特征水位的概率,并应用贝叶斯定理得出各设计频率洪水发生时遭遇不同洪水预报误差的风险。结果表明,清河水库实施预报调度方式确定的汛限水位动态控制域上限127.80 m是安全的。该文提出的风险分析方法弥补了目前预报调度方式风险分析中不能直接得知不同洪水预报误差的风险的不足,充实了水库调度风险分析的理论基础,具有一定的理论意义和实用价值,可供同类型水库参考应用。

水库汛限水位实时动态控制模型研究

现行的汛限水位方法一般未能考虑预报信息,因而严重制约了水库汛期兴利效益的发挥。通过对实时调度中的可接受风险的研究,在调度期内控制防洪风险在可接受水平内;讨论实时调度与传统汛限水位之间的关系,由调度末水位耦合汛限水位,由此建立了带有机遇约束的水库汛限水位实时动态控制模型。结合三峡水库围堰发电期的汛期调度,进行了实例研究,结果表明,在不同的预报来水以及预报精度情况下,水库汛限水位实时动态控制模型能在不降低防洪标准的前提下,显著提高水库的兴利效益。

水库汛限水位动态控制方法研究及其应用

在对水库汛限水位动态控制管理运用中涉及到的几个关键问题进行研究分析的基础上,提出在不降低水库原防洪标准的前提下,考虑短时气象降雨和洪水实时预报信息的汛限水位动态控制方法。该方法考虑了预报误差的规律,能在降雨和洪水发生、发展及消退的演进过程中,按预报信息种类和精度分阶段、分层次地判断洪水量级,并及时作出合理调度决策,既利用了不同预报信息,又考虑了各自的误差风险率,具有可操作性强、洪水资源利用率高的特点,可用于汛期全过程实时调度,运用于隔河岩水库,每年平均增加发电量3900万kW·h。