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.

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。

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。

重庆市向阳水库滑坡稳定性分析与评价

为研究近坝库岸滑坡堆积体对水库建筑物及附近居民安全的影响,采用基于极限平衡理论的传递系数法,查明重庆市向阳水库工程滑坡堆积体的稳定边界条件,对自重、自重+度汛水位由386 m降至367.24 m、自重+度汛水位由386 m降至367.24 m并叠加暴雨等3种工况下滑坡体的稳定性进行分析与评价。结果表明:该滑坡在3种工况下处于基本稳定、欠稳定和不稳定状态,结果与现场实地调查情况一致,建议采取工程治理措施。

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。

江河断面分级分期旱限水位(流量)确定方法

江河断面旱限水位(流量)是流域干旱预警的重要指标,可作为启动流域抗旱应急响应、指导水利工程开展抗旱调度的重要依据。本文针对江河断面旱限水位的相关概念和技术问题,完善了江河断面旱限水位(流量)的内涵,指出其是表征河流进入低枯状态即将产生社会经济与生态环境缺水风险的水位(流量)阈值。考虑不同干旱程度及干旱期用水规律,从分级分期的角度提出适用于不同类型河段的江河断面分级分期旱限水位(流量)确定方法。通过对渭河临潼断面和抚河廖家湾断面的实例应用,验证了算法对资源约束型和综合约束型断面的适用性和合理性。本研究为水旱灾害防御部门制定江河断面旱限水位(流量)提供了通用算法,能够为干旱预警决策提供科学依据和技术支撑。

1950~2022年鄱阳湖汛期最低水位演变分析

针对2022年鄱阳湖汛期出现的干旱事件,基于非一致性水文频率计算原理,分析了1950~2022年鄱阳湖汛期最低水位的变化情况。结果显示:受变化环境的影响,鄱阳湖汛期最低水位于1999年出现了跳跃向下的中变异,均值由变异前的12.32 m演变为变异后的10.15 m,降幅17.6%。采用基于跳跃分析的非一致性水文频率计算方法,以工业、生活取水保证率为典型频率,鄱阳湖汛期最低水位变异前、变异后P=97%的保证水位分别为9.3 m和7.13 m。

大埔水电站抬高汛限水位研究

在水库或水电站工程设计时,为减少无防洪任务的水电站库区淹没损失,一般会考虑设置汛限水位,即在汛期降低控制运行水位。一些水库经过多年的实际运行后,发现汛期有条件地抬高控制运行水位,库区淹没范围也可控制在初步设计提出的淹没补偿范围内,同时满足流域、区域防洪调度要求。本研究在分析《广西融江大埔水电站初步设计报告》提出的大埔水电站调度方式及近年来水电站实际运行调度情况的基础上,研究了大埔水电站抬高汛限水位的可行性,并进一步提出了抬高汛限水位后水库的动态运行调度方式,分析了抬高汛限水位的风险。

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。

考虑径流非一致性的水库分期旱限水位优化研究

【目的】分析变化环境下水文序列的非一致性,为龙羊峡水库分期旱限水位优化调度模型的建立提供参考。【方法】采用Mann-Kendall检验法、有序聚类分析法和水文序列振动中心重构法,对龙羊峡水库年径流序列进行一致性分析及修正,然后利用水库旱限水位分级和Fisher最优分割法,对径流序列修正前后不同干旱等级下的水库分期旱限水位进行确定,最后通过耦合分期旱限水位建立以缺水指数最小为目标函数的龙羊峡水库优化调度模型,对径流序列修正前后两种情况下的分期旱限水位进行对比研究。【结果】一致性检验发现,龙羊峡水库径流序列具有明显下降的趋势,并在1989年发生突变。经一致性修正后计算龙羊峡水库7-10月、11-12月、1-4月、5-6月4个分期的旱限水位,在轻旱条件下分别为2530.00,2534.91,2539.10和2535.13 m,中旱条件下分别为2530.00,2535.44,2539.80和2536.70 m,重旱条件下分别为2530.00,2535.87,2540.35和2537.89 m;特旱条件下分别为2530.00,2536.06,2540.58和2538.12 m。采用不同调度模型对龙羊峡水库进行优化调度,结果显示修正后的调度效果较好,其总缺水量、缺水指数相比修正前分别降低5.37%和6.03%,其中枯水时段平均缺水量降低了10.71%,缺水程度改善明显。【结论】非一致性径流对龙羊峡水库旱限水位的确定有一定影响,一致性修正后的径流使水库旱限水位的确定更加可靠,水库的抗旱能力得以提升,可为水库供水、抗旱应急管理决策提供参考。

汛限水位动态控制对水电-新能源互补能力的提升研究

在水能富集地区,丰水期来水量大,水电发电量大,调节能力不足,水电-新能源消纳矛盾突出,互补调度困难较大。为了缓解汛期水电-新能源消纳矛盾,创新地将汛限水位与新能源消纳相结合,探讨汛限水位动态控制对水风互补能力的提升效果。建立了一定弃电率条件下源荷匹配度最大的水风互补模型,以旬为计算周期、小时为计算时段,采用遗传算法对雅砻江下游“两库五级”梯级电站及周边风电场组成的互补系统开展模拟计算,通过对比分析发现汛限水位动态控制方案相比静态控制方案可多消纳2.55%的风电。结果表明,通过汛限水位的动态控制可以动态增加水电可利用的调节库容,从而提升水电调节新能源的能力。

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。

广西干旱特征及水库旱警水位确定

为了做好旱灾防御确保供水安全工作,推进全区水库旱警水位划分,本文以贵港市平龙水库为例,考虑一定枯水情景下重要供水对象的保障程度,提出逻辑清晰、可操作性强的水库旱警水位指标,探讨旱警水位成果应用前景。根据量化指标及早预报旱情作出水源应急调度安排,为地方政府提前谋划应急抗旱水源提供科学依据。

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。

南欧江流域梯级水电站联合防洪调度研究

结合南欧江流域梯级水电站水文气象条件、工程特性及流域防洪要求,开展了流域梯级水电站联合防洪调度研究工作。根据流域重点防洪对象防洪能力、防洪标准及地区洪水组成分析成果,从基本不影响流域梯级水电站发电运行同时又能兼顾流域防洪要求的角度,研究提出了梯级汛期控制运行水位及控泄流量方案。模拟调度分析显示,提出的防洪调度方案操作简单,易于实现,梯级电量虽略有减小,但减小幅度不大,可为南欧江流域梯级防洪提供一定的指导。