基于防洪調(diào)度的流域梯級水電站決策系統(tǒng)

張仁貢，錢鏡林，黃林根，廖亞洲，巫地祿，鮑 敏

（1.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310009；2.浙江水利水電學院，浙江 杭州 310000）

1 總述

1.1 水系概況

衢江為錢塘江南源的干流，發(fā)源于安徽省休寧縣青芝埭尖（海拔1 144 m）東麓，東南流至齊溪進入我省，開化縣馬金以下稱馬金溪；與池淮溪在華埠匯合后，稱常山港；常山港由西向東行，左納芳村溪，至衢州市柯城區(qū)雙港口與江山港匯合后稱衢江；衢江沿東北方向下泄，接納了眾多支流，呈羽狀水系，其中較大的有右岸的烏溪江和靈山港，左岸的銅山源、芝溪，至蘭溪市上華，右納金華江后稱蘭江；蘭溪市以下折向北流，至建德市梅城與新安江匯合（表1）。

表1 主要河流特征值

1.2 工程概況

衢州市水庫眾多，到目前為止，全市共有小（二）型以上水庫458座（表2），其中大型水庫有湖南鎮(zhèn)、銅山源、碗窯、白水坑、沐塵5座，中型水庫有黃壇口、周公畈、社陽、峽口、芙蓉、千家排、獅子口、齊溪、茅崗9座，小（一）型水庫73座，?。ǘ┬退畮?71座。全市有1～10萬m3山塘1 687座，1萬m3以下山塘約2.2萬座，堰壩3 011條。各主要江河上都興建了水利樞紐工程，其中常山港上有長風、天馬、恒豐等水利樞紐工程，江山港上有雙塔、棠村水利樞紐工程，衢江上有塔底、安仁鋪、紅船豆、小溪灘水利樞紐工程。另外，衢州市建有防洪堤480多km，其中50年一遇標準城市防洪堤88.16 km。

表2 大中型水庫工程

1.3 水雨情觀測系統(tǒng)

衢州市自2003年7月開始建設(shè)衢州市中小型水庫自動測報系統(tǒng)工程，2004年5月完成工程建設(shè)。2007年年初開始建設(shè)重要?。ǘ┬退畮旌椭匾×饔蜃詣訙y報系統(tǒng)。到目前為止，已經(jīng)建成251個自動雨量站，146個自動水位站，形成了一個較為完善的水雨情觀測體系。

1.4 各主要支流洪水情況

各主要支流一般洪水情況下，洪峰傳播時間大致如下：

烏溪江：湖南鎮(zhèn)水庫至黃壇口水庫為1 h，黃壇口水庫至樟樹潭為2.5 h；

江山港：白水坑水庫至峽口水庫為3 h，峽口水庫至江山雙塔底水文站為5 h，碗窯水庫至江山雙塔底水文站為3 h；

常山港：齊溪水庫至開化水文站為3 h，開化水文站至常山水文站為6 h；

衢江：常山水文站至衢州水文站為6 h，江山水文站至衢州水文站為6.5 h，衢州水文站至樟樹潭為2.5 h，樟樹潭至龍游水文站為5.5 h。

衢江最不利的洪水組合有：常山港與江山港最大洪峰疊加；烏溪江與衢江最大洪峰疊加；暴雨中心隨洪峰向下游移動和復(fù)峰洪水等。如1992年“7.4”洪水、1998年“7.24”洪水等災(zāi)情較重的洪災(zāi)，均由上游兩港洪峰疊加和暴雨中心長時間跟著洪峰移動所形成，使下游洪峰越來越大，且難以用常規(guī)的水文預(yù)報方法作出準確的洪水預(yù)報。而1955年“6.20”洪水是復(fù)峰洪水，對大中型水庫防洪調(diào)度極為不利。

1.5 歷史洪水

衢州市是洪災(zāi)多發(fā)地區(qū)，歷史上曾發(fā)生1895、1915、1942年特大洪水，其中1895年洪水衢江衢州市水文站洪峰流量11 600 m3/s，超過百年一遇洪水標準。1915、1942年洪水達到或接近50年一遇洪水標準。建國后衢江出現(xiàn)超危急水位洪水的共有13 次，分別為 1952（6.1 m）年、1955 年（6.20 m）、1967年（6.20 m）、1971 年（6.3 m）、1973 年（6.26 m）、1982 年（6.21 m）、1992 年（7.4 m）、1993 年（6.20 m）、1994 年（6.11 m）、1995年（6.24 m）、1997年（7.9 m）和 1998年（6.19 m、8.24 m）。其中1955年洪水為最大，衢江（衢州市水文站）實測的洪峰流量為8 500 m3/s（包括德坪壩、亭川分洪流量880 m3/s），洪峰水位達65.68 m（吳淞高程67.56 m），超過衢州危急水位2.06 m，超過20年一遇洪水標準。其次是1967年“6.20”洪水和1998年“7.24”洪水，衢州市水文站洪峰流量分別為7 070 m3/s和7 080 m3/s，略高于10年一遇洪水標準。

1.6 必要性分析

（1）“防洪水”是“五水共治”中的主要內(nèi)容，也是歷來水利工作的重要部分。本項目從非工程措施出發(fā)，以衢江流域為研究對象，開發(fā)衢江流域?qū)崟r水雨情信息共享系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)對流域的防洪形勢進行分析，對未來的洪水形勢進行實時預(yù)報，建立一套統(tǒng)一的衢江流域防洪調(diào)度方案，為“防洪水、排澇水”決策提供有力的技術(shù)支持。

（2）實時水雨情信息存在行政區(qū)劃內(nèi)“壁壘”。在過去較長時間內(nèi)，水文資料按《水文專業(yè)有償服務(wù)收費管理試行辦法》進行收費，盡管2001年9月17日，水利部頒發(fā)了《關(guān)于公開提供公益性水文資料的通知》，規(guī)定了提供公益性水文資料的范圍和收取印刷工本費的原則，但總的來說比較籠統(tǒng)，具體實施還有一定的困難，縣與縣之間水文數(shù)據(jù)還不能有效共享。因此，建立一套衢江流域?qū)崟r水雨情信息共享系統(tǒng)，讓客觀上互聯(lián)互通的衢江水，通過互聯(lián)網(wǎng)的形式達到上下游水雨情情勢互聯(lián)互通，真正意義上實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+衢江流域防洪調(diào)度”。

（3）目前衢江上已建的水文數(shù)據(jù)信息還不夠完善。近年來，通過不斷投入，一些大中型水庫、小（1）型水庫、重要的小（2）型水庫和重要小流域內(nèi)均建立了自動水雨情測報設(shè)施。但由于流域綜合開發(fā)，在河道內(nèi)建設(shè)了大量的橡膠壩或翻板門型堰壩，這些工程中的絕大部分均未建設(shè)配套的水雨情設(shè)施。由于這些工程泄放水過程對下游影響較大，甚至會危及到下游工程以及人民生命財產(chǎn)安全。因此，有必要補充建設(shè)相應(yīng)的水雨情設(shè)施提供實時水雨情信息和預(yù)警信息。

（4）經(jīng)過多年建設(shè)，流域內(nèi)水利工程梯級開發(fā)已初具規(guī)模，大大促進了當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展。這些水利工程雖然也制定了相應(yīng)的調(diào)度原則，但由于開發(fā)具有先后性，到目前為止并未形成一個統(tǒng)一的蓄放水調(diào)度原則。上游水庫放水往往具有隨意性，這使得下游水庫的調(diào)度非常困難。這種調(diào)度方式，不僅不能達到整體水利工程興利效益最優(yōu)，而且還可能危及到下游水庫的防洪安全。因此，有必要以整個衢江流域為研究對象，制定一套衢江流域綜合調(diào)度方案，建立衢江流域洪水預(yù)報及防洪調(diào)度系統(tǒng)，在對各重要防洪工程和控制斷面進行實時洪水預(yù)報的前提下，以綜合調(diào)度方案為依據(jù)進行科學調(diào)度、整體調(diào)度。

（5）衢江上經(jīng)過梯級開發(fā)，修建了多座電站，發(fā)電調(diào)度從計劃制定到實時調(diào)度均采用經(jīng)驗調(diào)度，上游電站放水發(fā)電往往以“友情提示”的方式告知下游電站，下游電站因此作出相應(yīng)的蓄放水決策。這種調(diào)度方式不僅預(yù)見期較短、而且難以從流域的角度綜合考慮。同時，由于信息的“不可強制性”，也為下游的水利工程埋下了嚴重的安全隱患。因此，有必要建立一套興利調(diào)度信息共享和決策系統(tǒng)，以規(guī)范各工程的興利調(diào)度方式。

（6）本項目的實施可以提高水利工程科學管理及調(diào)度水平，為流域充分利用水資源、促進流域或地區(qū)社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，進一步為“治污水、保供水”提供重要的技術(shù)支持。

2 研究目標

補充完善重要控制斷面的水雨情監(jiān)測設(shè)施，整合已有水雨情監(jiān)測設(shè)施，建設(shè)衢江流域?qū)崟r水雨情信息共享系統(tǒng)；建立重要水利工程（14座大中型水庫以及塔底、安仁鋪、紅船豆、小溪灘水利樞紐）及水文站（江山站、常山站、衢州站和龍游站）洪水預(yù)報系統(tǒng)；開展衢江流域水庫群聯(lián)合調(diào)度研究，制定統(tǒng)一的流域防洪調(diào)度原則和興利調(diào)度原則。通過上述研究，以達到衢江流域統(tǒng)一調(diào)度，科學調(diào)度，從而充分保障衢江流域防洪安全。

3 研究內(nèi)容

3.1 實時水雨情信息共享系統(tǒng)建設(shè)

本系統(tǒng)建設(shè)主要包括兩方面內(nèi)容：①接入已建的實時水雨情監(jiān)測信息；②通過現(xiàn)場調(diào)研，掌握已建的翻板門和橡膠壩等水利工程，建立可以反映其運行特征的實時水情監(jiān)測設(shè)施，同時具備預(yù)警功能。

3.2 開發(fā)洪水預(yù)報系統(tǒng)

開發(fā)洪水預(yù)報系統(tǒng)的基本出發(fā)點是致力于提高洪水預(yù)報精度、增長洪水預(yù)報的有效預(yù)見期、擴大預(yù)報范圍，提高預(yù)報作業(yè)速度，為各級防汛抗旱部門提供預(yù)報精度和預(yù)見期均滿足防洪調(diào)度決策要求的洪水預(yù)報成果。

本次進行系統(tǒng)研究、開發(fā)的目標，是在相對獨立的計算機網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，開發(fā)衢江流域內(nèi)14座大中型水庫、塔底、安仁鋪、紅船豆、小溪灘水利樞紐以及江山水文站、常山水文站、衢州水文站和龍游水文站洪水預(yù)報系統(tǒng)，以達到及時準確地提供流域的實時暴雨洪水情報，更好地為防洪決策提供支持。

洪水預(yù)報系統(tǒng)的功能組成如下：

（1）預(yù)報模型。預(yù)報模型是預(yù)報系統(tǒng)的核心，目前在實時洪水預(yù)報方面，比較實用的是確定性概念模型。按照模型對象的不同可分為流域產(chǎn)流模型、流域匯流模型、河道匯流模型等。

（2）模型參數(shù)率定。基于建立的預(yù)報模型，選用一定時間的連續(xù)資料進行模擬計算，根據(jù)計算結(jié)果與實測結(jié)果進行比較，求出誤差。再調(diào)整參數(shù)值，比較其結(jié)果和誤差，直到誤差滿足精度要求。

（3）實時預(yù)報。洪水預(yù)報涉及信息讀取、處理、計算、分析、發(fā)布等各環(huán)節(jié)，實時預(yù)報就是在計算機上完成洪水預(yù)報各環(huán)節(jié)，加快預(yù)報作業(yè)速度。

（4）實用模塊。完成洪水預(yù)報、提高預(yù)報精度，需要許多輔助實用模塊，如數(shù)據(jù)查錯、數(shù)據(jù)等時段化處理、數(shù)學優(yōu)化方法、實時校正方法、圖形交互技術(shù)等。

3.3 建立水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度方案

防洪調(diào)度系統(tǒng)的主要任務(wù)是在保證防洪工程安全的前提下，以損失最小、可操作性好為原則，根據(jù)單個水庫防洪最優(yōu)、從而分析流域整體防洪最優(yōu)的原則，確定流域整體調(diào)度方案。

以設(shè)計洪水為研究依據(jù)，以歷史典型洪水確定洪水地區(qū)組成，建立數(shù)學模型，通過優(yōu)化算法計算出水庫群最優(yōu)調(diào)度方案。

對于n個水庫，n個防洪點，考慮區(qū)間來水的防洪系統(tǒng)的最大削峰準則的目標函數(shù)為：

qi(t)為第i庫第t時段的出庫流量演算到防洪斷面的過程；

Q區(qū),i(t)為第i庫到自身防洪點之間的區(qū)間流量過程；

βi為第i庫到自身防洪點的重要性系數(shù)；

αi為第i庫調(diào)度模式指示變量。

考慮如下約束條件：

（1）水量平衡約束

式中：T為調(diào)度期時段數(shù)；

式中：V(t)、V(t? 1 )為第t時段始末的水庫蓄水量；Q(t)、Q(t? 1 )為第t時段始末的入庫流量；q(t)、q(t? 1 )為第t時段始末的出庫流量；?t為時段長。

（2）水庫最高水位約束

式中：Z(t)為第t時段末的計算水庫水位；Zm(t)為第t時段末的允許最高庫水位。

（3）調(diào)度期末水位約束

式中：Zend為調(diào)度期末計算庫水位；Ze為調(diào)度期末的控制水位。

（4）水庫泄流能力約束

式中：q(t)為第t時段末的出庫流量；q(Z(t))為第t時段末相應(yīng)于水位Z(t)的下泄流量；（5）上下庫之間的水力聯(lián)系

式中：Qj(t)為下游水庫的入庫流量；qz(t)為上游水庫的下泄流量；Q區(qū)，Z(t)為區(qū)間流量。

3.4 建立水庫群聯(lián)合興利調(diào)度方案

為建立梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度模型，要把實際的流域水資源系統(tǒng)概化為由節(jié)點和有向線段等元素構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。計算單元是基本而重要的節(jié)點，各種水源的供水都是在計算單元的基礎(chǔ)上進行的。有向線段則代表了河道或渠道，它們反映了節(jié)點之間的水流傳輸關(guān)系。本項目概化原則是以水庫為計算單位，以衢江干流為主線，涵蓋整個興利調(diào)度研究范圍。

（1）目標函數(shù)

根據(jù)梯級水庫調(diào)度實際，以供水量和發(fā)電效益最大為目標：

2）發(fā)電目標：

式中：gsit、gdit、fdit分別為水庫t時段的供水量、谷電量和峰電量；

qi(t)、gi(t)、ri(t)分別為第i水庫第t時段的入庫量、供水量和下泄量；

TN=Ta×T0，TN為分析計算的總時段數(shù)，Ta為分析計算年數(shù)，T0為每年內(nèi)的時段數(shù)，確定每天為一個時段；

a為峰電單價；b為谷電電價。

（2）約束條件

2）水電站出力約束

3）水量平衡約束

Qi(t)、EFi(t)分別為第i水庫第t時段入庫總水量、蒸發(fā)滲漏量。蒸發(fā)損失由壩址以上流域蒸發(fā)及水庫水面面積求得，滲漏損失采用經(jīng)驗公式求得。

4）保證率約束

式中：p(k)、p0(k)分別為第k行業(yè)供水計算保證率和設(shè)計保證率。

5）非負約束

上述各式中的各決策變量大于等于零。

4 結(jié)論

通過探索和研究，筆者認為建設(shè)該系統(tǒng)是可行的，也是必要的，可以達到以下成果：

（1）可以建立衢江流域?qū)崟r水雨情共享系統(tǒng)。

（2）可以建立衢江流域重點控制斷面洪水預(yù)報系統(tǒng)。

（3）可以建立衢江流域水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度系統(tǒng)。

（4）可以建立衢江流域水庫群聯(lián)合興利調(diào)度系統(tǒng)。