基于綜合集成平臺的洪水演進(jìn)及錯峰調(diào)度

解建倉，張 剛，魏 娜，羅軍剛

（西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048）

0 引言

洪水災(zāi)害是當(dāng)今世界最主要又頻發(fā)的災(zāi)害之一。就災(zāi)害發(fā)生的時空范圍、強度，以及對人類生存與發(fā)展的危險程度而言，洪水災(zāi)害是一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害[1]。近年來，我國洪水災(zāi)害頻發(fā)，從 1998 年長江洪災(zāi)，到 2003 年渭河洪災(zāi)，再到 2010 年南方地區(qū)多條河流洪災(zāi)，可以看出洪災(zāi)發(fā)生頻率逐年遞增，災(zāi)害造成的損失越來越大。對洪水進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，減少洪水災(zāi)害迫在眉睫。對洪水進(jìn)行調(diào)節(jié)主要方式有工程和非工程 2 種措施，由于非工程措施具有投資小、見效快、易于實施等特點，研究較多。洪水錯峰調(diào)度作為防洪的有效措施之一，近幾年越來越被人們所關(guān)注[2-5]。洪水錯峰調(diào)度主要是基于河道洪水演進(jìn)和水庫洪水調(diào)度來實現(xiàn)的。目前，洪水演進(jìn)方面已經(jīng)取得諸多成果[6-10]，理論和實踐都趨于成熟，而洪水調(diào)度目前只局限于單任務(wù)和目標(biāo)[11-12]，很難應(yīng)用于實際。縱觀洪水演進(jìn)和錯峰調(diào)度的相關(guān)文獻(xiàn)[13-14]，不難發(fā)現(xiàn)：1）一方面眾多學(xué)者在研究洪水演進(jìn)時，只側(cè)重于洪水演進(jìn)參數(shù)的估計和模擬精度的提高，往往只用幾場洪水估計參數(shù)，并用 1 場洪水模擬，研究始終停留在理論階段，而實際應(yīng)用錯綜復(fù)雜，1 條河流一般會有多條支流，需要同時估計參數(shù)，這就需要 1 個能解決整個流域洪水演進(jìn)的模式；另一方面眾多學(xué)者將洪水演進(jìn)參數(shù)定性為不變化的，而隨著歷史數(shù)據(jù)的增加，參數(shù)應(yīng)該是變化的，且應(yīng)該是實時變化的。2）當(dāng)今的洪水錯峰調(diào)度僅僅停留在尋找 1 種錯峰調(diào)度的規(guī)則，即類似于水庫調(diào)度圖，試圖通過此規(guī)則來解決錯峰調(diào)度問題。而洪水千變?nèi)f化，規(guī)則只能使用于大方向，對于具體問題則無從下手，即使可解決，結(jié)果也比較粗糙；并且，各個水庫情況差異很大，1 套規(guī)則往往只適用于 1 個流域，換 1 個流域，必須重新制定規(guī)則，增加了錯峰調(diào)度的困難性。

針對以上問題，基于國家 863 項目“面向水利信息化的高性能計算與網(wǎng)格應(yīng)用”中研發(fā)的水利信息化綜合集成服務(wù)平臺，本文將洪水演進(jìn)和調(diào)度及其參數(shù)估計封裝成組件，在綜合集成平臺下，采用知識圖和組件構(gòu)建流域洪水演進(jìn)及錯峰調(diào)度系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于渭河流域。同時，通過人工實時調(diào)節(jié)水庫放水實現(xiàn)洪水錯峰調(diào)度，并針對人工調(diào)節(jié)的隨意性，提出洪水錯峰調(diào)度求解模型，通過優(yōu)化算法尋優(yōu)的方式解決錯峰調(diào)度問題。

1 河道洪水演進(jìn)

河道洪水演進(jìn)是進(jìn)行洪水錯峰調(diào)度的前提條件，洪水演進(jìn)主要是計算上游各支流和干流洪水經(jīng)過疊加和演進(jìn)之后到達(dá)下游防洪對象時的洪水過程，洪水演進(jìn)計算是否精確，直接決定錯峰調(diào)度的方式和最終的防洪效果。

1.1 洪水演進(jìn)模型

當(dāng)前洪水演進(jìn)模型較多，主要有馬斯京根法、特征河長法、一維及二維等洪水演進(jìn)模型。馬斯京根法自 20 世紀(jì) 30 年代中期創(chuàng)立以來，已在世界上眾多河流的洪水演算中得到了廣泛應(yīng)用，該方法計算快捷，對河道地形和糙率資料要求低，且在一般的河道洪水中演算效果較好，因而成為河道洪水驗算中廣泛應(yīng)用的一種方法。

河道洪水演算是根據(jù)河道上游水情推求下游水情的一種洪水預(yù)報方法，馬斯京根模型演算的基本方式是：

式中： W 為河段的槽蓄量；t 為時間；I，Q 分別為河段的入流量和出流量；Q′ 為示蓄流量； x 為流量比重因子，無因次；K 為槽蓄系數(shù)。將式 (1) 的微分方程離散化后得到離散的差分解為：

式中：Qyani，Qi分別為第 i 個演算時段的演算和實際出流量；Ii為第 i 個演算時段的入流量；n 為演算時段個數(shù)；C0，C1，C2為流量演算系數(shù)，都是 K，x 和Δt 的函數(shù)，Δt 為進(jìn)行河段匯流水文觀測的時間間隔長度，其中

式 (4)、(5) 組成了傳統(tǒng)的馬斯京根模型流量演算公式。顯然馬斯京根模型在實際應(yīng)用中的 1 個關(guān)鍵問題是模型參數(shù) x 和 K 或 C0，C1，C2的估計。

1.2 洪水演進(jìn)模型參數(shù)估計

參數(shù)估計是馬斯京根模型計算精確與否的關(guān)鍵。目前常用的馬斯京根模型參數(shù)估計方法有最小二乘法、非線性規(guī)劃法、混沌模擬退火法、遺傳算法、蟻群算法和免疫克隆選擇算法等[15]。與水庫調(diào)度類似，將這些算法進(jìn)行組件化，形成洪水演進(jìn)參數(shù)估計算法組件庫，應(yīng)用時可以采取 1 種或多種算法同時對馬斯京根模型參數(shù)進(jìn)行估計。

1.3 洪水演進(jìn)概化模型

當(dāng)流域內(nèi)發(fā)生大面積降雨時，可能在河道中形成洪水，而洪水就會沿著河道自上游向下游傳播。這種洪水沿著河道自上而下傳播的過程就是洪水演進(jìn)。而流域上游地區(qū)發(fā)生降雨時，也會使支流發(fā)生洪水；當(dāng)上游地區(qū)發(fā)生大面積降雨時，就會使多個支流同時發(fā)生洪水，各支流的洪水同時向干流匯集，就可能造成洪峰的疊加，形成新的洪水過程。

眾多學(xué)者研究洪水研究模型時，往往針對幾場洪水進(jìn)行參數(shù)估計，側(cè)重于洪水演進(jìn)模型的模擬精度，而輕視了洪水演進(jìn)模型的實際應(yīng)用。由于 1 個流域往往有多條支流匯入，使得流域的洪水演進(jìn)異常復(fù)雜，且不同支流都需要估計參數(shù)，因此洪水演進(jìn)模型往往很難應(yīng)用于實際流域，針對流域洪水演進(jìn)問題，建立了如圖 1 所示的概化模型。在概化模型中，A，B，C，D 分別代表河道干流的控制斷面，洪水演進(jìn)時不但要進(jìn)行干流的洪水演進(jìn)，同時還要進(jìn)行支流的洪水演進(jìn)。

圖1 流域洪水演進(jìn)概化模型

2 水庫洪水錯峰調(diào)度

錯峰調(diào)度是指洪水在演進(jìn)的過程中，可能在下游測站或在干流的注入處和多條支流注入的交會處發(fā)生洪峰疊加，洪峰疊加的結(jié)果是形成更大的洪水，使洪峰的峰值增大，這樣的洪水就具有很大的危害性。為了避免在多條支流的交會處發(fā)生洪峰疊加，需要對可以控制的支流或上游干流的洪水過程進(jìn)行調(diào)節(jié)，使它們的洪峰到達(dá)交會處的時間錯開。通過調(diào)節(jié)各支流的洪水過程，來避免匯流處發(fā)生洪峰疊加就是洪水錯峰。當(dāng)前解決洪水錯峰調(diào)度的基本方法是根據(jù)多年的洪水和調(diào)度資料，制定各個水庫洪水的調(diào)度規(guī)則。但是，每個水庫洪水的來水量不相同，且各水庫的基本情況也不相同，上次和下次洪水亦不相同，因此，制定好的規(guī)則往往不適用，而且，如果換個流域，就需再制定相應(yīng)的調(diào)度規(guī)則，非常麻煩。鑒于此，提出 2 種錯峰調(diào)度模式，一種是“人機交互”模式，另一種是優(yōu)化調(diào)度模式。

2.1 “人機交互”模式

“人機交互模式”的基本原理是，在可視化界面的基礎(chǔ)上搭建洪水調(diào)度和河道洪水演進(jìn)模型，上游水庫首先按照預(yù)先制定的規(guī)則進(jìn)行調(diào)度，若進(jìn)行演進(jìn)后的洪峰流量超過下游防洪標(biāo)準(zhǔn)，則重新人為調(diào)節(jié)放水過程，看結(jié)果是否符合要求，直到得到滿意結(jié)果為止?！叭藱C交互”模式流程如圖 2 所示。

圖2 “人機交互”模式流程

根據(jù)“人機交互模式”中人工調(diào)節(jié)的類型不同，可以將其分為正向和反向調(diào)節(jié) 2 種錯峰調(diào)度模式。正、反向調(diào)節(jié)的基本原理都是水量平衡，水量平衡關(guān)系式如下：

式中：Qt,in為 t 時刻水庫的入庫流量；Qt,ot為 t 時刻水庫的出庫流量；ΔV 為水庫的變化量。根據(jù)預(yù)先制定的規(guī)則進(jìn)行調(diào)度后，水庫有初始的 Qt,ot和 ΔV ，Qt,in的值是不變的，那么，改變 Qt,ot和 ΔV 中的任何 1 個值，另 1 個值就會隨之而變。改變水庫的水位（或庫容）ΔV，下泄流量 Qt,ot就會隨之改變，經(jīng)過演進(jìn)后改變下游的洪峰流量，稱之為正向調(diào)節(jié)，當(dāng)然 1 次調(diào)節(jié)往往不能達(dá)到預(yù)期目的，需要多次調(diào)節(jié)來實現(xiàn)；改變下泄流量 Qt,ot，水庫水位（或庫容）ΔV 亦隨之改變，進(jìn)而改變下游洪峰流量，稱之為反向調(diào)節(jié)。正向調(diào)節(jié)是間接調(diào)節(jié)洪峰流量，反向調(diào)節(jié)是直接調(diào)節(jié)流量，各有優(yōu)勢。

2.2 優(yōu)化錯峰調(diào)度模式

優(yōu)化錯峰調(diào)度以洪水調(diào)度基本模型為基礎(chǔ)，洪水調(diào)度基本模型如下：

以最大削峰準(zhǔn)則，則目標(biāo)函數(shù) F 為：

式中： qt為待求的泄流過程；T 為計算時段數(shù)。其約束條件如下：

1）水庫蓄水量狀態(tài)約束

式中：Vt為 t 時段內(nèi)的庫容；Vmin、Vmax分別為 t 時段水庫允許的最小和最大庫容。

2）泄洪能力約束

式中：qt為時段 Δt 內(nèi)的平均下泄流量；Zt為 t 時刻水庫蓄水位；Bt為溢洪道的操作方式。

3）水庫水量平衡約束

式中：Qt為 t 時段內(nèi)的平均入庫流量。

“人機交互”模式可以直觀地反映洪峰的變化過程，對于有經(jīng)驗的調(diào)度人員來說可以很快調(diào)節(jié)到較優(yōu)值；而對于無經(jīng)驗的人來說，調(diào)節(jié)的隨意性太大，往往不易尋找到最優(yōu)值，為此，在洪水調(diào)度基本模型和洪水演進(jìn)的基礎(chǔ)上，本文提出優(yōu)化的錯峰調(diào)度模式。

設(shè)有 n 個上游水庫需要調(diào)度，對于時刻 t，各個水庫的下泄流量為 qt1，qt2，…，qtn，各個下泄流量經(jīng)過演進(jìn)后下游的洪峰流量為 Qpeak，而滿足下游防洪的最大洪峰流量為 Qpeak,max，只要滿足條件 Qpeak,max＜Qpeak即可，且 Qpeak越小，值越優(yōu)。根據(jù)此原理，可以采用優(yōu)化算法對每個水庫按照式 (7)～(10) 所建的洪水調(diào)度模型進(jìn)行隨機尋優(yōu)，初始種群可采用庫水位或庫容來建立，目標(biāo)函數(shù)如下：

通過優(yōu)化算法隨機尋優(yōu)的方式尋找錯峰調(diào)度的最優(yōu)解，對于是否有調(diào)度經(jīng)驗的操作人員來說均可行，但由于每個流域的情況不盡相同，水庫的個數(shù)和洪水時段的個數(shù)亦不盡相同，導(dǎo)致種群的數(shù)量不相同。對于水庫較多的流域，初始種群的數(shù)量非常大，這就要求算法必須比較優(yōu)秀，否則很難尋找到最優(yōu)解。

3 實例應(yīng)用

渭河是黃河的第 1 大支流，洪災(zāi)頻繁，為此在知識可視化綜合平臺基礎(chǔ)上以陜西省渭河流域魏家堡到華縣段為例進(jìn)行洪水演進(jìn)及錯峰調(diào)度仿真。渭河流域魏家堡到華縣干流上共有 4 個大型水庫，分別是馮家山、金盆、羊毛灣和石頭河水庫，分別對這 4 個水庫采用 POA，DP 和 ICSA 算法進(jìn)行調(diào)度，并采用調(diào)節(jié)馮家山水庫調(diào)度方式來削減下游洪峰流量，渭河流域洪水演進(jìn)及錯峰調(diào)度系統(tǒng)主界面如圖 3 所示。

圖3 中，左半部分為渭河流域洪水演進(jìn)及的錯峰調(diào)度的知識圖界面，圖中每個方框代表1 個業(yè)務(wù)節(jié)點，并分別對應(yīng)相應(yīng)的組件，箭頭代表數(shù)據(jù)流向，點擊知識圖上的節(jié)點，就可以查看該節(jié)點的相關(guān)信息，可分別通過表格或圖形的方式展示。系統(tǒng)中的洪水演進(jìn)是按照洪水演進(jìn)的概化模型來實現(xiàn)的，將林家村洪水過程演進(jìn)到魏家堡，并與支流的演進(jìn)過程疊加得到魏家堡水情，依次進(jìn)行可分別演算出咸陽、臨潼和華縣的洪水過程。在平臺上，可以對洪峰流量、洪量進(jìn)行統(tǒng)計，還可以同應(yīng)急預(yù)案相關(guān)聯(lián)，看洪水是否超過警戒值，而后啟動相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。圖 4 是渭河流域洪水演進(jìn)結(jié)果界面。在該界面上同時展示出了魏家堡、咸陽、臨潼和華縣的洪水演進(jìn)過程。

圖3 渭河流域洪水演進(jìn)及錯峰調(diào)度系統(tǒng)主界面

圖4 渭河流域洪水演進(jìn)結(jié)果界面

圖5 是渭河流域洪水演進(jìn)及錯峰調(diào)度系統(tǒng)主界面、馮家山水庫調(diào)度過程及錯峰調(diào)度后華縣的洪水過程的集成展示界面。圖中“馮家山水庫庫水位過程”是通過人工調(diào)節(jié)后水庫的調(diào)度過程，“華縣預(yù)報流量過程”是馮家山水庫錯峰調(diào)度后，再經(jīng)過逐段洪水演進(jìn)計算出來的洪水過程，也就是錯峰調(diào)度后的洪水過程。具體計算過程是先以最大削峰準(zhǔn)則為目標(biāo)對各個水庫進(jìn)行洪水調(diào)度，然后進(jìn)行洪水演進(jìn)和疊加，看疊加后的洪峰流量是否滿足要求，若不滿足，則對馮家山水庫錯峰調(diào)度，而且，這種以組件搭建方式構(gòu)建的洪水演進(jìn)及錯峰調(diào)度系統(tǒng)有很強的移植性，在不同的流域上，采用知識圖和組件，在綜合集成平臺上可快速搭建出適合于該流域的錯峰洪水演進(jìn)及調(diào)度系統(tǒng)。

圖5 渭河流域錯峰調(diào)度結(jié)果界面

4 結(jié)語

本文在知識可視化綜合集成平臺基礎(chǔ)上，將水庫調(diào)度模型和相關(guān)算法封裝成組件，建立水庫調(diào)度算法組件庫；同時，將馬斯京根模型及其參數(shù)估計算法封裝成組件，建立馬斯京根模型參數(shù)估計方法庫。在水庫調(diào)度和洪水演進(jìn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行洪水的錯峰調(diào)度，提出正向和反向調(diào)節(jié) 2 種洪水調(diào)節(jié)模式，并將其應(yīng)用于渭河流域洪水演進(jìn)及錯峰調(diào)度當(dāng)中，應(yīng)用結(jié)果表明，這 2 種調(diào)節(jié)方法能夠有效削減洪峰，從而達(dá)到防洪減災(zāi)的目的。

在知識可視化綜合集成平臺基礎(chǔ)上，將洪水演進(jìn)模型及其參數(shù)估計算法按照組件的封裝標(biāo)準(zhǔn)封裝成組件，且提出洪水演進(jìn)概化模型，并搭建渭河流域洪水演進(jìn)系統(tǒng)；同時，在洪水演進(jìn)和洪水調(diào)度的基礎(chǔ)之上提出“人機交互”和優(yōu)化調(diào)度 2 種錯峰調(diào)度模式，前者可以充分發(fā)揮調(diào)度人員的主觀能動性，后者可以提的調(diào)度過程進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到削峰的目的。從馮家山水庫錯峰調(diào)度前后華縣的洪水過程對比可以看出，經(jīng)過調(diào)節(jié)后的洪水洪峰值有所減小。實例仿真結(jié)果表明，在知識平臺上搭建的洪水演進(jìn)及錯峰調(diào)度系統(tǒng)，可以很容易實現(xiàn)流域的洪水演進(jìn)及高錯峰調(diào)度的速度和精度，2 種模式互補，實際應(yīng)用中也可以將 2 種模式相結(jié)合應(yīng)用，從而為洪水錯峰調(diào)度提供 2 種切實可用的調(diào)度模式。

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