水库分期旱限水位设计与控制研究

摘要

随着全球气候持续增温，区域干旱化趋势愈发严重，干旱灾害已经成为经济社会可持续发展的重要阻碍；因此，亟需开展干旱事件与合理抗旱的科学研究。本文旨在发挥水库的调蓄能力以实现抗旱减灾目标，针对区域供需失衡引起的干旱缺水现象，构建社会经济干旱指标评估流域干旱情势的演变过程；以黄河上游干流梯级水库工程为调控目标，运用最优分割法对流域干旱时段进行分期：根据分期旱限水位的设计理念和控制模型的理论搭建，建立以水库优化调控前后旱情等级的最优转化为目标函数的梯级水库抗旱优化调度模型；并通过对水库调控前后不同干旱时段分期旱情优劣转化的统计分析，确定各水库分期旱限水位的控制值。主要研究内容及结论如下： (1)以缺水破坏深度(WSD)作为社会经济干旱指标，对黄河上游逐月的干旱情势进行干旱等级评估，其结果表示：80年代流域旱情最轻，90年代及2000年后旱情相对较为严峻；而年内汛期基本无旱，仅少数时段发生轻微干旱和中等干旱，非汛期尤其是1-4月流域干旱程度较重。 (2)综合考虑降水、径流、潜在蒸发、水位等因素对干旱的影响，运用Fisher最优分割法对干旱时段进行划分，确定干旱分期结果如下：龙羊峡水库分为7-8月、9-10月、11-3月、4-6月，刘家峡水库分为7-8月、9-10月、11-2月、3-6月。 (3)以抗旱减灾为目标，论述了基于梯级水库联合抗旱优化调度的分期旱限水位的设计理念，并依据该设计理念对抗早模型中两大控制模块旱情评估模块以及目标函数模块进行了理论搭建；最后以水库调控前后各分期时段内旱情向着最优方向发展时的干旱转化程度以及干旱转化等级最大为目标函数，构建梯级水库抗旱优化调度模型。 (4)实施抗旱调度后，对水库调控前后各干旱时段分期旱情的干旱等级评估结果进行统计分析，可知：相比于水库调控前，水库调控后7-8月有个别时段被破坏，发生了中等及以上干旱事件，但发生频率均较小，最大为7.5％;9-10月所有干旱事件转化为无旱；11-3月中等及以上干旱事件均转化为轻度干旱和无旱的情况，其中无旱时段占比为52.5％;增大了40％;4-6月无旱时段增加了37.5％，轻度干旱及以上干旱时段明显减少，尤其是中等干旱时段，减少了22.5％。综上所述，水库调控后流域旱情很大程度上都得到缓解，梯级水库联合抗旱调控效果显著。 (5)对水库调控前后，不同干旱分期时段内无旱以及其他四种等级干旱之间的转化程度以及转化等级的长序列变化过程进行统计分析，根据分期旱限水位的优选步骤以及修正原则等，确定各水库分期旱限水位值。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 分期旱限水位研究进展

1.2.2 水库优化调度研究进展

1.2.3 水库抗旱调度研究进展

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 黄河上游流域概况及基本资料

2.1 黄河上游流域概况

2.1.1 地理位置概况

2.1.2 水文气象概况

2.1.3 重要水利工程

2.1.4 流域历史旱情

2.2 基本资料数据

2.2.1 水文气象资料

2.2.2 历史径流资料

2.2.3 流域需水资料

2.2.4 水库性能资料

2.2.5 水量损失资料

2.3 本章小结

3 黄河上游社会经济干旱情势评估

3.1 社会经济干旱评估指标

3.1.1 社会经济干旱指标的选取

3.1.2 社会经济干旱指标的计算

3.1.3 常规干旱指标的计算

3.2 社会经济干旱情势评估

3.2.1 社会经济干旱等级的划分

3.2.2 社会经济旱情评估的结果

3.3 本章小结

4 水库分期旱限水位的设计

4.1 流域干旱时段分期

4.1.1 最优分割法原理

4.1.2 干旱时段分期结果

4.2 分期旱限水位设计

4.2.1 设计理念

4.2.2 控制模块

4.3 本章小结

5 梯级水库联合抗旱调度模型

5.1 黄河上游梯级水库的调度规则

5.2 流域节点概化

5.3 模型的建立

5.3.1 目标函数

5.3.2 约束条件

5.4 模型的求解方法

5.5 本章小结

6 梯级水库分期旱限水位的确定

6.1 干旱时段分期旱情评估

6.1.1 水库调控前的分期旱情评估

6.1.2 水库调控后的分期旱情评估

6.2 梯级水库联合调控的抗旱作用分析

6.3 分期旱限水位的确定

6.3.1 分期旱限水位的确定方法

6.3.2 分期旱限水位的确定结果

6.4 抗旱减灾控制策略

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果