A quantitative model for danger degree evaluation of staged operation of earth dam reservoir in flood season and its application

Based on the natural disaster risk evaluation mode, a quantitative danger degree evaluation model was developed to evaluate the danger degree of earth dam reservoir staged operation in the flood season. A formula for the overtopping risk rate of the earth dam reservoir staged operation was established, with consideration of the joint effect of flood and wind waves in the flood sub-seasons with the Monte Carlo method, and the integrated overtopping risk rate for the whole flood season was obtained via the total probability approach. A composite normalized function was used to transform the dam overtopping risk rate into the danger degree, on a scale of 0-1. Danger degree gradating criteria were divided by four significant characteristic values of the dam overtopping rate, and corresponding guidelines for danger evaluation are explained in detail in this paper. Examples indicated that the dam overtopping danger degree of the Chengbihe Reservoir in China was 0.33-0.57, within the range of moderate danger level, and the flood-limiting water level （FLWL） can be adjusted to 185.00 m for the early and main flood seasons, and 185.00-187.50 m for the late flood season. The proposed quantitative model offers a theoretical basis for determination of the value of the danger degree of an earth dam reservoir under normal operation as well as the optimal scheduling scheme for the reservoir in each stage of the flood season.

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.

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。

面向多区域防洪的珠江流域水库群协同调度模型研究

珠江流域洪水组成与遭遇复杂多变,防洪保护对象多而分散,且兼顾供水、生态、发电、航运、库区安全等多种任务,水库群防洪调度面临多区域、多目标协同调度技术难题。以位于西江、北江、东江上的水库为研究对象,基于流域防洪格局和防洪任务阐明了水库群多区域协同防洪的调度节点和角色定位,提出了嵌套式多维属性的模型功能结构,构建了珠江流域水库群多区域协同防洪调度模型。以流域防洪极为不利的2005年6月中下游型大洪水为例进行流域水库群防洪调度模型研究,结果表明,通过龙滩水库加大拦蓄,岩滩水库、百色水库、西津水库、飞来峡水库等西江、北江水库群协同调度,可将西江梧州站洪峰流量削减至安全泄量50 400 m^(3)/s以下,较原设计调度方案多削减3 200 m^(3)/s,将三角洲思贤滘(马口+三水)断面洪峰削减至62 700 m^(3)/s,较原设计调度方案多削减4 500 m^(3)/s,有效保障了粤港澳大湾区城市的防洪安全。

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。

基于深度学习集合预报的水库闸门防洪优化调度

为了减轻洪水灾害的损失,有必要开展水库防洪预报调度的研究。针对目前水库防洪调度研究较少考虑闸门实际运行及调度方案可执行性的问题,提出以泄放闸门状态与状态持续时长为决策变量的精细化防洪优化调度模型,并且考虑入库流量预报不确定性的影响,将集合了Long Short-Term Memory(LSTM)、Gated Recurrent Unit(GRU)与Transformer深度学习模型的不确定性集合预报作为调度模型输入,在浙江省椒江流域开展实例研究。结果表明:集合预报精度较单一模型提高了4.6%,其不确定性预报结果可用于水库调度;精细化防洪优化调度相比常规调度优势明显,能降低平均最高坝前水位0.43 m,降低下游控制断面平均洪峰流量32.9 m^(3)/s,方案效果受入库流量不确定性的影响更小,方案可执行性高,对水库防洪调度决策有重要的参考价值。

洞庭湖四水流域水库群联合防洪优化调度

针对多防洪控制点的混联水库群联合防洪调度中防洪目标难以协调的问题,构建了以多流域协调条件下合成洪水洪峰流量最小为目标的水库群联合防洪调度模型,并采用逐步优化-逐次渐进算法(POA-SA)优化求解。在洞庭湖四水流域开展实例研究,基于防洪需求及各水库的特性,以四水流域下游尾闾控制站洪峰流量最小和四水汇流至洞庭湖的合成洪水洪峰流量最小为目标,提出典型年四水流域水库群联合防洪优化调度方案。结果表明:①针对1998年和2017年两场洪水,水库群联合优化调度后的四水合成汇入洞庭湖的洪峰削峰率比四水单独优化调度分别提高了9.4%和4.5%;②资水的柘溪水库和沅江的五强溪水库通过补偿调节,较好地实现了入湖洪水的错峰。对洞庭湖四水流域水库群联合调度可以保障四水流域自身防洪安全,并为洞庭湖防洪减压,研究成果可为流域水库群联合防洪调度提供参考。

基于MOLA的水库群实时防洪多目标优化调度模型

水库群实时防洪优化调度作为一种重要的非工程措施,可以通过较少的投入降低洪水灾害带来的损失,起到流域防洪减灾作用。考虑了各水库自身安全和下游防洪点安全,以下游防洪控制断面最大过水流量最小、各水库最高水位最低为目标函数,建立了水库群实时防洪多目标优化调度模型;引入“滤波算子”,提出一种改进多目标利希滕贝格算法(Multi-Objective Lichtenberg Algorithm,MOLA),进行模型求解,得到水库群实时防洪调度多目标方案集,增强优化调度解在防洪调度实际应用中的可操作性;最后,提出一种基于层次聚类和Pareto前沿物理意义的综合筛选法,对Pareto前沿上的众多调度方案集进行聚集和筛选,选取有限代表解供决策者进行选择,增加防洪决策的聚焦性。研究以淮河史灌河水系为例,进行了水库群实时防洪多目标优化调度模型的应用研究,结果表明:基于改进MOLA的水库群实时防洪多目标优化调度模型计算效率高、实用性较强;采用梯度分析法定量分析了鲇鱼山水库最高水位、梅山水库最高水位、蒋家集断面最大过水流量之间的多目标互馈关系,结果表明梅山水库水位变化对蒋家集断面的组合流量影响更为显著,梅山水库可作为史灌河流域防洪风险调控的优先考虑对象。研究成果可为水库群实时防洪调度提供技术支持和决策参考。

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。

金沙江下游梯级联合调度对川渝河段防洪效果评价

金沙江下游四级梯级水库联合调度为长江川渝河段提供了防洪安全保障,对其防洪调度效果进行评价,可以科学衡量与评估川渝河段防洪调度效果,促进流域洪水资源化利用。基于金下四级联合防洪调度方案,建立防洪、发电、生态和航运4个准则下的评价指标体系,采用改进的层次分析法和熵权法,构建川渝河段梯级水库防洪调度效果评价模型,综合考虑防洪和兴利效益,评估不同来水频率和不同起调水位的梯级水库防洪调度效果;对比溪-向两库联合调度与金下四级联合调度效果,分析乌东德、白鹤滩水库建成投产对于川渝河段防洪调度及洪水资源化利用的综合效果。结果表明:①随着乌-白两库起调水位升高,金下四级防洪调度效果系数呈现先升高后降低的趋势。②对于20,30,50 a一遇和100 a一遇洪水,乌东德和白鹤滩水库分别从(965 m和795 m)、(975 m和790 m)、(955 m和790 m)、(952 m和795 m)起调时,金下四级防洪调度效果系数最大,梯级水库联合防洪调度方案最优。③乌东德、白鹤滩水库建成投产后,川渝河段洪水资源化利用效果提升。研究成果可用于多功能、多保护对象的梯级水库防洪调度效果评价,为地区防洪调度决策提供依据。

基于改进智能算法水库群防洪优化调度研究

水库群防洪优化调度通过合理安排水库群的蓄泄水量,最大程度减轻洪水灾害。针对水库群防洪调度目标难以分解以及“维数灾”等问题,构建基于最大削峰准则的水库群防洪优化调度模型,利用轮库法有效降低维度并结合粒子群智能算法优化求解。以黄河花园口以上干支流的5座大型水库组成的混联水库群为例,开展典型年水库群联合优化调度,结果表明:相较于常规调度,优化调度方案能够削减防洪控制点的洪峰流量,平稳泄流过程,提高控制性水库的防洪可靠性,大大减轻黄河下游的防洪压力。

丹江口水库运行期非一致性洪水频率分析

汉江流域上游已建成投运诸多水库及引调水工程,显著改变了汉江流域径流的时空分布,导致洪水资料序列的非一致性。现将洪水系列资料延长至2023年,开展非一致性洪水频率分析,以水库系数和调水工程系数作为协变量,建立时变P-Ⅲ分布模型,定量估算丹江口水库运行期的设计洪水,并与原设计成果对比。结果表明:所选协变量符合水文客观规律,均可反映上游水利工程调蓄对丹江口坝址设计洪水的影响;丹江口水库运行期1000 a一遇设计洪峰流量和7 d洪量较原设计成果均削减31%左右;汉江上游水库调蓄对设计洪水的影响比调水工程更加显著。由于丹江口水库运行期设计洪量显著减少,在防洪标准不变的前提下可酌情提高水库的运行水位,这不仅有利于增加发电量,还可提高水资源利用效率和水库蓄满率。

基于入库洪水识别模型的洪水资源利用潜力评估

洪水资源利用潜力评估是合理调配流域水资源与储水空间的前提。针对我国水资源时空分布不均问题,基于Kolmogorov-Smirnov检验、改进超定量法与带时畸参数的泊松标值过程模型,构建入库洪水识别模型,实现非一致性径流时间序列向“独立同分布”样本的转化,识别与推求入库洪水代表性线型;综合流域调蓄能力与用水需求等约束,提出水库群洪水资源利用潜力评估方法,定位关键制约因素,界定预留防洪库容与水位上浮空间均衡防洪与兴利功能。以金沙江下游乌东德、白鹤滩、向家坝与溪洛渡四座水库(金下四库)为研究对象,结果表明:1998与2002年为向家坝水文站6-11月序列一致性变更点;入库洪水以矮胖型为主,3日洪量是比洪峰更应优先考虑的联合调度决策特征参数;受限于储水空间,遭遇百年一遇及以下设计标准洪水,金下四库洪水资源利用潜力为37.27亿m^(3),为持续优化调蓄空间,建议依次上浮运行水位至952.26、806.77、576.31与373.99 m。研究成果以期为变化环境流域水资源与储水空间优化配置提供参考。

清江梯级配合三峡水库对城陵矶防洪调度方式探究

为充分挖掘清江梯级水库10亿m^(3)防洪库容的防洪效益,构建了长江上游水库群与清江梯级水库联合防洪调度模型,定量分析了清江梯级水库配合三峡水库对荆江河段实施联合防洪调度的防洪作用和库容使用情况,探讨了清江梯级水库配合三峡水库对城陵矶联合防洪调度的必要性;在此基础上,开展了不同水库群联合防洪调度方案防洪效果的比较分析,提出了清江梯级水库配合三峡水库对城陵矶防洪调度的分级拦蓄方式。研究表明:提出的分级拦蓄方式为当来水小于4000 m^(3)/s,清江梯级水库各拦蓄流量为2500 m^(3)/s;当来水不小于4000 m^(3)/s,清江梯级水库各拦蓄流量为3000 m^(3)/s;拦蓄时机与三峡水库同步,在拦蓄过程中兼顾了发电因素。该方案可有效发挥清江梯级水库的防洪作用,减少长江上游水库群动用防洪库容。研究成果量化了清江梯级水库的防洪作用,可有力支撑长江水库群联合防洪调度方案编制。

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。

我国水库大坝安全挑战与运维思考

水库大坝是国家水网的重要调蓄结点,是防御水旱灾害、优化水资源配置、复苏河湖生态环境、提升国家水安全保障能力的“重器”。新形势下我国水库大坝运行管理面临的潜在风险日益突出,针对运行管理信息化、智能化水平不高,安全保障技术装备存在薄弱环节,应急管理水平与技术能力不足等问题与挑战,从大坝防洪韧性、安全管理、诊断加固、应急处置等方面提出安全对策,旨在为提升大坝安全水平提供有益思路。

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。

基于未来降雨的水库实时优化调度研究

为了充分利用未来降雨信息指导水库调度,构建了以最大削峰为目标的水库实时调度模型,提出了一种考虑未来降雨信息的水库优化调度方法,基于水箱模型利用24 h降雨量预报信息预测入库流量并建立每个时段的泄洪指标求解模型。以山美水库防洪调度为例进行研究,与降雨启发信息优化调度方法进行比较,结果表明,此优化调度方法在目标函数上表现更好,与利用洪水预报的优化调度方法效果相近,能较好地解决来水不确定性的问题。

汛期水库调度对小江水华的影响

为研究三峡水库汛期调度对支流水华的抑制效果,于2022年6月24日—7月3日,跟踪监测三峡水库调度前期、调度期、调度后期代表性支流小江的藻类群落结构与水体理化因子,采用Kruskal-Wallis秩检验分析调度前后的水环境变化,采用Pearson相关分析和逐步回归分析探究藻类与环境因子的关系,采用RDA分析探究不同环境因子对藻类群落结构变化的贡献度,构建结构方程模型解析水库调度对水华的影响。结果显示,调度前期小江常年回水区发生蓝藻水华,以叶绿素a浓度表征的藻类生物量最高达到58.33μg/L;通过调度水位抬升后,藻类生物量降至6.41μg/L。回水区水温、pH值、总氮(TN)浓度降低,总磷(TP)浓度、硝酸盐(NO_(3)^(-)N)浓度升高(p<0.01);逐步回归分析结果表明藻类生物量受水位变化过程中的TN、NO_(3)^(-)-N、磷酸盐(PO_(4)^(3-)-P)、水温、电导率(Cond)和化学需氧量(COD)的影响,共解释了79%的生物量变化。结构方程模型表明,水位抬升能降低COD浓度,显著降低支流水体的叶绿素a含量。研究结果表明通过适当的水库调度能够有效抑制三峡支流水华,这可为水库生态环境管理和保护提供依据和新的解决方案。

通用型水库洪水全过程预演仿真模型构建技术

水库洪水全过程预演仿真模拟是水利工程防灾减灾领域的重要研究方向,模型是支撑预演仿真模拟的核心,也是构建现代化水库运行管理矩阵重要的支撑技术。从水库洪水灾害链演化过程出发,围绕上游洪水形成过程、库坝区洪水控制过程以及下游洪水演进过程三个阶段,从水库上游的水文产汇流模拟,坝址区域的水库洪水调度模拟、大坝安全性态综合模拟、溃坝过程模拟,以及水库下游的洪水演进模拟、致灾后果分析等角度出发,探讨了各环节的研究近况,梳理了当前各环节模型构建的主要技术和存在问题。围绕当前构建现代化水库运行管理矩阵中对洪水预演仿真模型的需求和建设现状,总结分析了目前平台模型构建运用过程中存在的模型整体性规划不足、缺乏模型和模拟标准、各模型衔接困难等问题。结合工程实践,从加强顶层设计、统一建设标准、模型计算微服务部署等方面提出平台模型构建建议,并对下一步研究进行了展望。