華科大水電能源學課件第7章 水庫防洪調度

第七章水庫防洪調度水電能源學

水庫防洪是在保證水工建筑物安全的前提下，用足夠的庫容來攔蓄洪水，水庫通過防洪庫容或預泄，留出部分庫容來攔蓄洪水，以削減洪峰，改變天然洪水過程，滿足下游防洪要求，而且蓄留一部分洪水，在枯水期供興利使用。第七章水庫防洪調度

7.1水庫防洪概述第七章水庫防洪調度水電能源學

要解決防洪與興利之間的矛盾，是防洪調度中首先遇到的一個問題。防洪要求汛期騰空庫容，以防可能出現的洪水；而興利要求汛期多蓄水，二者之間的矛盾集中反映在爭奪利用庫容上。

由于大多數水庫都需要同時服務于幾個用水部門，所以水庫的防洪任務總是與不同的用水任務同時存在、同時運用的。第七章水庫防洪調度水電能源學

考慮水庫下游防洪時，就要求水庫盡量減少下泄流量，這樣就往往會給水庫上游防洪和水利樞紐本身防洪造成壓力；

要解決水庫下游防洪、水利樞紐本身的防洪和水庫上游防洪三者之間的矛盾，是防洪調度中遇到的第二個問題：

反之，考慮水庫上游防洪時，就要求水庫減少蓄水，這樣就可能會對水庫下游的防洪不利。第七章水庫防洪調度水電能源學

在進行水庫防洪調度前，必須掌握水庫的基本信息，如水庫的防洪標準、防洪庫容、泄洪能力和下游堤防的安全泄量等；

在進行水庫洪水調度時，必須了解水庫所在流域的洪水預報和預測的洪水情況。第七章水庫防洪調度水電能源學

水庫防洪調度的方法按所引用的理論可以分為常規(guī)調度和優(yōu)化調度二類：

常規(guī)調度方法是以歷史運用的實測資料為依據，利用古典的水文學，水力學和徑流調節(jié)的基本理論，研究洪水調度的方式和規(guī)則。

優(yōu)化調度方法是以運籌學為理論基礎，利用現代的計算技術和最優(yōu)化方法，尋求滿足防洪調度原則的最優(yōu)調度方案。第七章水庫防洪調度水電能源學7.2防洪庫容與興利庫容的關系

防洪庫容與興利庫容的結合方式，可以概括地分為以下三種情況：一、防洪庫容與興利庫容完全不結合

在這種情況下，防洪限制水位與正常蓄水位重合，防洪庫容全部置于正常蓄水位以上。第七章水庫防洪調度水電能源學

這種方式適用于洪水出現不定期，或全年中有多次洪峰，必須在整個汛期預留相同的防洪庫容。例如山區(qū)全年多暴雨，如何時候都應留出防洪所需的庫容，不能借作它用，此時防洪庫容應全部置于調節(jié)庫容之上。正常蓄水水位防洪高水位死水位防洪庫容興利庫容第七章水庫防洪調度水電能源學二、防洪庫容與興利庫容完全結合

在這種情況下，防洪高水位與正常蓄水位重合，防洪限制水位可能與死水位重合，防洪庫容全部置于正常蓄水位以下。這種方式適用于洪水變化規(guī)律較穩(wěn)定的河流，對防洪與興利的結合非常有利。正常蓄水水位（防洪高水位）死水位（防洪限制水位）興利庫容（防洪庫容）第七章水庫防洪調度水電能源學三、防洪庫容與興利庫容部分結合

在這種情況下，防洪限制水位介于正常蓄水位與死水位之間，防洪庫容部分置于正常蓄水位以下。正常蓄水水位防洪高水位死水位防洪限制水位興利庫容防洪庫容重復庫容第七章水庫防洪調度水電能源學

這種方式適用于汛期洪水在發(fā)生時間上雖然不穩(wěn)定，但仍然有一定規(guī)律可循的河流，不同時期預留出不同的防洪庫容，由于后期預留庫容要小一些，可多蓄興利用水，做到防洪與興利部分結合。第七章水庫防洪調度水電能源學7.3水庫防洪的常規(guī)調度

水庫洪水調度與天然入庫流量和水庫的防洪標準、防洪庫容、泄洪能力有關。

由于受天氣系統(tǒng)、地理位置和地形地貌等自然因素的影響，水庫入流量的信息是具有不確定性的。洪水預報的應用，可以提高水庫洪水調度的性能。第七章水庫防洪調度水電能源學

防洪調度原則為：（1）水庫的起調水位為防洪限制水位;（2）當入庫流量小于或等于下游安全泄量時，按來水泄放，其中含發(fā)電流量。若，且水庫水位低于時，暫停泄洪;第七章水庫防洪調度水電能源學（3）當入庫流量超過下游安全泄量，且水庫水位低于防洪高水位時，水庫按下游安全泄量泄放；第七章水庫防洪調度水電能源學（4）當入庫流量超過下游安全泄量、水庫水位高于防洪高水位時，水庫按如下規(guī)律控制泄放且有和12………n

泄放規(guī)律反映了水庫在防洪調度中，水庫上、下游損失的某種協調關系。第七章水庫防洪調度水電能源學第七章水庫防洪調度水電能源學（5）當水庫水位超過設計洪水位時，水庫由控制泄流改變?yōu)榘葱顾ㄖ锏男沽髂芰ψ杂尚沽?；?）各水位控泄流量應遵循逐漸增大，避免泄量突變的原則；（7）為避免給下游造成人為災害，在汛期防洪時原則上水庫下泄流量應不超過本次洪水的入庫流量。第七章水庫防洪調度水電能源學7.4水庫防洪的優(yōu)化調度一、防洪優(yōu)化調度的目標函數1、考慮水庫下游防洪時的最大下泄流量最小

根據水庫所承擔的下游防洪、上游防洪和水利樞紐本身防洪任務，常見的調度目標函數有以下幾種：第七章水庫防洪調度水電能源學3、考慮水利樞紐本身防洪時的水庫高水位持續(xù)時間最短2、考慮水庫上游防洪時的最高庫水位最低

若在制定洪水優(yōu)化調度方案時，僅考慮一個目標，稱為單目標優(yōu)化調度；否則稱為多目標優(yōu)化調度。第七章水庫防洪調度水電能源學

約束條件是指防洪優(yōu)化調度決策取值的范圍或必須滿足的條件。二、防洪優(yōu)化調度的約束條件

常見的約束條件包括：防洪限制水位、設計水位、泄洪建筑物的泄洪能力，發(fā)電引用流量、允許的最大泄流量變化值、下游防護點的安全泄量等。第七章水庫防洪調度水電能源學

常見優(yōu)化計算方法有：非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、并行遺傳算法、多目標規(guī)劃、蟻群算法、人工神經網絡等。三、防洪優(yōu)化調度的計算方法

在選擇優(yōu)化計算的方法時，應考慮算法的計算效率、計算規(guī)模和收斂性。第七章水庫防洪調度水電能源學

對于多目標優(yōu)化調度問題求解方法的研究，一直受到了廣泛重視，近年來出現了幾十種求解方法。

根據多目標決策問題的主觀決策規(guī)則和客觀的決策規(guī)則，可以將多目標規(guī)劃問題分三類，分別是：非劣解的生成技術、結合偏好的評價決策技術和結合偏好的交互式生成決策技術。第七章水庫防洪調度水電能源學四、水庫洪水多目標調度的線性綜合優(yōu)化算法

對于擔負有上、下游防洪任務水庫洪水調度問題的一般提法是，在滿足各種等式和不等式約束的前提下，綜合考慮水庫上、下游防洪安全及大壩安全，制定使防洪損失最小的調度方案。1、水庫洪水多目標優(yōu)化調度模型

針對擔負有上、下游防洪任務的水庫，建立其非線性、多目標洪水優(yōu)化調度問題的數學模型：

為目標向量，其中為目標空間；

為最高水庫水位；為調洪過程中水庫上游的損失；第七章水庫防洪調度水電能源學1）目標函數式中：為最大下泄流量；為調洪過程中水庫下游的損失；

為調度時段，為調度步長，其中為洪水過程的調度期；為水庫下泄流量序列（決策變量），其中為決策空間。

第七章水庫防洪調度水電能源學2）約束條件水量平衡約束：

下泄流量約束：

水庫水位約束：

且且式中，和分別為時段水庫入庫流量和下泄流量；

為發(fā)電引用流量；為下泄流量容許最大變幅；為汛限水位；為最高洪水位。

為在水位時的水庫蓄水；為在水位時的泄洪建筑物最大下泄流量；第七章水庫防洪調度水電能源學2.水庫洪水多目標調度的智能優(yōu)化算法

常用的多目標智能優(yōu)化算法是通過模擬某一自然現象或過程而建立起來的優(yōu)化算法，對多目標決策進行不斷搜索和進化的過程，即針對每一代種群，尋找當前的非劣解，所有非劣解的集合構成非劣解集；然后通過各種遺傳操作和非劣解集的更新和升級，使非劣解集逐漸逼近多目標最優(yōu)解的前端，最終達到最優(yōu)；而算法的輸出結果則是最終的非劣解集。

第七章水庫防洪調度水電能源學

設在洪水調度多目標進化搜索過程中，第代和第代進化的非劣解決策集分別為和，其對應的目標集分別為和。上述兩代非劣解集的目標空間分布如圖所示。進化過程第七章水庫防洪調度水電能源學

若水庫洪水多目標優(yōu)化調度問題的最優(yōu)解集是已知的，在非劣解目標集前端上均勻地取若干（個）點，如圖所示。分別計算這些點與最優(yōu)解的目標集之間的最小距離（），將所有這些最小值的平均值作為性能指標。非劣解最優(yōu)解第七章水庫防洪調度水電能源學

對于兩代非劣解集和，分別計算相應的性能指標和，若有成立，則是非劣解的進化種群。智能優(yōu)化算法則通過一個反復迭代的搜索過程，使非劣解的種群不斷進化，最終得到問題的最優(yōu)解集（非劣解的前端）。第七章水庫防洪調度水電能源學3.水庫洪水多目標優(yōu)化調度的線性綜合算法

水庫洪水優(yōu)化調度的多目標函數通常具有如下特性：目標函數與相互沖突，它們中任意一個目標性能的改善都將會引起另一個目標性能的降低；

難以建立目標函數和的數學表達式；

目標函數和是其變量和連續(xù)、可導的單調增函數。

第七章水庫防洪調度水電能源學

根據上述特性，將水庫洪水優(yōu)化調度的多目標函數

在和附近做一次近似

式中：；；；；第七章水庫防洪調度水電能源學

上式反映了在洪水調度過程中的水庫下游損失與最大下泄流量成正比，以及水庫上游損失與最高水庫水位成正比的客觀規(guī)律。采用線性加權函數法，將非線性、多目標函數綜合為線性、單目標函數第七章水庫防洪調度水電能源學

上式可等價為式中，。

當分別取兩個端點值和時，線性綜合目標函數就蛻化為最高水庫水位最低和最大下泄流量最小的單目標優(yōu)化函數；當時，表示了目標函數對水庫上、下游損失的某種協調關系。第七章水庫防洪調度水電能源學

將在區(qū)間內離散為個點分別對線性綜合目標函數進行次優(yōu)化計算，可得其最優(yōu)解集（）。

由于和具有連續(xù)、可導、單調的特性，對于某一，當線性綜合目標函數時，則在水庫上、下游損失的某種協調關系下，有非線性多目標函數成立。第七章水庫防洪調度水電能源學

因此，與相對應的最優(yōu)決策集即為水庫洪水多目標優(yōu)化調度的最優(yōu)解集，其目標空間分布如圖所示。圖中，為水庫的安全下泄流量；為水庫的最大下泄流量；為水庫的防洪高水位。A區(qū)D區(qū)B區(qū)C區(qū)第七章水庫防洪調度水電能源學

在目標空間分布圖中，分別按水庫的安全下泄流量和最大下泄流量繪制垂線；按水庫的防洪限制水位、防洪高水位和校核洪水位繪制水平線，這樣就將目標空間劃分A、B、C、D四個區(qū)域。其中：在A區(qū)所對應的調度方案中，由于水庫水位超過了防洪高水位，而下泄流量還未達到安全下泄流量，故沒有充分利用水庫的泄洪能力，對上游防洪和水庫大壩安全不利，應屬于劣解；第七章水庫防洪調度水電能源學

在C區(qū)所對應的調度方案中，由于水庫下泄流量超過了安全下泄流量，而水庫水位還未達到防洪高水位，故沒有充分利用水庫的蓄洪能力，對下游防洪安全不利，亦屬于劣解；在D區(qū)所對應的調度方案中，由于洪水規(guī)模較小，其最優(yōu)解集中的所有調度方案都對水庫上、下游的防洪都不構成威脅，因此均為最優(yōu)解；第七章水庫防洪調度水電能源學

在B區(qū)所對應的調度方案中，由于洪水規(guī)模較大，水庫上、下游安全都將會受到影響，其最優(yōu)解集中的不同調度方案，針對了各目標之間不同的協調和權衡關系。在實際調度中，則應根據當時的具體情況和決策者的偏好，從最優(yōu)解集中選擇使用。上述方法即為水庫洪水多目標優(yōu)化調度的線性綜合算法。由此可見，其最優(yōu)解集的目標空間分布曲線清晰、直觀地表達了當前洪水狀況下優(yōu)化調度解的分布，以及各目標的關系，對洪水優(yōu)化調度決策具有重要意義。第七章水庫防洪調度水電能源學

給定相同的初始條件，分別取三種不同規(guī)模的洪水過程、和，且其中為對應的洪水過程時間。應用上述線性綜合優(yōu)化算法對該水庫進行洪水多目標