基于防洪预报调度的水库汛限水位设计与控制研究

摘要

我国不仅洪涝灾害频繁，洪灾损失严重，而且水资源短缺和水环境恶化问题突出。面对这一系列的水问题，依赖科技进步，充分发挥水利工程体系的作用，在确保防洪安全的前提下，提高洪水资源利用率是重要的缓急之举。对水库而言，科学合理的汛限水位控制方法是提高洪水资源利用率的关键技术。本文从规划设计和实时调度两个角度出发，将优化方法、模糊优选方法、信息熵、遗传算法等理论融合入水库汛限水位控制理论与方法中，系统研究了水库(群)防洪预报调度方式的确定方法、水库防洪预报调度方式的风险分析方法、汛限水位实时动态控制方法以及水库防洪多目标决策方法。主要研究内容和成果如下： (1)研究了利用防洪预报调度方式抬高汛限水位的风险分析方法。首先，基于不同预报误差对调洪结果的影响程度，将水库洪水预报误差域划分为超设计风险误差域、不超设计风险误差域和决策不变误差域。并依托仿真模拟调度法，给出不同预报误差域的推求方法。其次，在比较分析防洪预报调度方式的防洪风险与原规划设计风险的基础上，给出不同汛限水位时采用防洪预报调度方式的超设计风险率定义。结合不同预报误差域，建立相应的计算方法。最后以白龟山水库为例验证此方法的合理性，并对风险分析方法在实际调度中的应用进行探讨。 (2)针对防洪预报调度方式确定过程中忽略预报误差随机性的问题，将风险分析引入防洪预报调度方式的确定过程中，从洪水资源安全利用的角度出发，给出一种从多个可行预报调度规则中选取满意预报调度规则的方法。结合于桥水库和昭平台水库的防洪预报调度方式研究进行实例应用，并对两库采用防洪预报调度方式抬高汛限水位的关键性条件进行讨论。 (3)针对库群联合防洪预报调度方式规划设计比较复杂的难点，将优化调度与规划调度方式相融合，提出一种确定梯级水库联合防洪预报调度方式的优化方法。首先，对于选定的调度目标，采用优化手段寻求梯级水库不同频率设计洪水的最优联合泄流方式，综合归纳最优泄流方式的特点。其次，对各库的防洪预报调度潜力进行分析，结合最优泄流方式的特点选择预报判别指标，在不考虑预报误差的情况下拟定理想联合防洪预报调度规则。然后对预报判别指标的误差进行分析，在理想联合防洪预报调度规则的基础上制定满意的联合防洪预报调度规则。将此方法应用到昭平台～白龟山梯级水库的联合防洪预报调度方式规划设计中，结果表明此方法有效减弱了确定库群联合调度方式的复杂性，而且使制定的调度规则更切合实际优化调度过程，增强了调度规则的实效性。 (4)提出一种汛限水位实时动态控制方法，并给出相应的风险计算方法。基于汛限水位实时动态控制的新理念，利用退水预报计算入库洪量，根据上、下游面临时刻的工情、雨情、水情、灾情预测洪水预见期内的预蓄预泄能力。同时，依托短期降雨预报，在保证大坝与下游防洪不成灾的前提下估算后续起调水位。在此基础上，将实时预蓄预泄能力与后续起调水位相耦合，建立汛限水位实时动态控制模型。最后利用概率组合法对其可能产生的风险进行计算。 (5)针对水库多目标评价决策中指标权重确定的难点，引入熵权法确定各指标的数学权重，将其与经验权重线性组合，建立基于熵权的水库多目标模糊综合评判模型。改进已有的由熵值推求熵权的计算式，并从数学推导和实例计算两方面验证改进式的合理性，结果显示改进式解决了当熵值处于一定区间时，其相互间的微小差别可能引起熵权成倍数变化，使熵权与熵值所传递的信息不一致的问题，增强了熵权计算式的适用性。对指标经验权重的灵敏度分析方法进行探讨，确定指标经验权重在什么范围内变化会对方案的排序结果产生影响及如何影响。 最后对全文作以总结，并对有待进一步研究的问题进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1选题背景

1.2研究现状与进展综述

1.2.1水库汛限水位控制方法

1.2.2水库防洪调度的风险分析

1.2.3防洪调度多目标决策方法

1.2.4存在的问题及发展趋势

1.3论文主要内容

1.4论文研究框架

2水库防洪预报调度方式的风险分析

2.1引言

2.2水库防洪预报调度方式的风险定义及计算方法

2.2.1洪水预报误差域的划分定义及计算方法

2.2.2防洪预报调度方式的超设计风险率定义

2.2.3超设计风险率的不同计算方法分析

2.3应用实例

2.3.1白龟山水库防洪预报调度方式研究现状

2.3.2白龟山水库预报误差分布规律分析

2.3.3水库防洪预报调度方式的超设计风险研究

2.3.4不同计算方法结果比较分析

2.3.5不同汛限水位的防洪风险率

2.4不同预报误差域的应用讨论

2.5小结

3基于风险分析的水库防洪预报调度方式确定

3.1引言

3.2水库防洪预报调度规则的确定方法

3.2.1判别指标的选取及推求

3.2.2可行预报调度规则的拟定

3.2.3满意预报调度规则的选择

3.3应用实例一——于桥水库防洪预报调度方式研究

3.3.1工程概况及研究现状

3.3.2洪水预报信息的可利用性分析

3.3.3防洪预报调度方式研究

3.3.4不同确定方法的结果比较

3.4应用实例二——昭平台水库防洪预报调度方式研究

3.4.1工程概况及研究现状

3.4.2洪水预报信息的可利用性分析

3.4.3防洪预报调度方式研究

3.4.4不同确定方法的结果比较

3.5防洪预报调度方式抬高汛限水位的限制条件分析

3.6小结

4确定梯级水库联合防洪预报调度方式的优化方法研究

4.1引言

4.2确定梯级水库联合预报调度方式的优化方法

4.2.1优化调度模块

4.2.2制定理想联合预报调度规则

4.2.3制定满意联合预报调度规则

4.3应用实例

4.3.1昭平台～白龟山梯级水库的研究背景

4.3.2昭平台～白龟山梯级水库的联合防洪预报调度方式研究

4.3.3确定梯级水库联合预报调度方式优化方法与常规方法的对比分析

4.4昭平台～白龟山梯级水库汛限水位动态控制域研究

4.4.1基于联合防洪预报调度方式的汛限水位抬高上限分析

4.4.2基于库容补偿法的汛限水位动态控制域上限分析

4.5小结

5水库汛限水位动态控制方法及风险分析

5.1引言

5.2汛限水位动态控制模型及求解

5.2.1汛限水位动态控制模型

5.2.2汛限水位动态控制模型求解

5.3汛限水位动态控制风险分析

5.3.1汛限水位动态控制的风险因素分析

5.3.2汛限水位动态控制风险率及计算

5.4应用实例

5.4.1于桥水库基本概况

5.4.2退水预报和降雨预报的可利用性分析

5.4.3汛限水位动态控制期望值计算

5.4.4汛限水位动态控制的风险分析

5.4.5不同方法计算结果对比分析

5.5小结

6基于熵权的水库防洪调度多目标评价决策方法研究

6.1引言

6.2基于熵权的模糊综合评判模型

6.2.1水库多目标决策的模糊综合评判模型

6.2.2熵权法确定综合权重

6.2.3熵权计算式的改进

6.3经验权重灵敏度分析

6.4应用实例一——于桥水库汛限水位动态控制方案评价决策

6.4.1评价指标

6.4.2计算及评价结果分析

6.4.3不同方法结果对比

6.4.4经验权重灵敏度分析

6.5应用实例二——桓仁水库防洪调度方案评价决策

6.5.1桓仁水库基本概况

6.5.2实例洪水背景资料

6.5.3方案评价计算及结果分析

6.5.4经验权重灵敏度分析

6.6小结

7结论与展望

7.1全文结论

7.2展望

参考文献

创新点摘要

攻读博士学位期间参加课题和发表学术论文情况

致 谢