（水文學(xué)及水資源專業(yè)論文）二灘水電站中長期入庫徑流智能預(yù)測系統(tǒng).pdf

二灘水電站中長期入庫徑流智能預(yù)測系統(tǒng) 水文學(xué)及水資源專業(yè) 碩士研究生：嚴秉忠指導(dǎo)老師：馬光文教授 中長期預(yù)測是充分利用水資源、真正實現(xiàn)水庫優(yōu)化運行、發(fā)揮電站經(jīng)濟效 益的有力手段和重要環(huán)節(jié)。尤其是在電力市場環(huán)境下，水電參與競價上網(wǎng)，為 了能夠較為準確合理的上報發(fā)電計劃，對來水的預(yù)估則顯得更加重要。有了準 確可靠的徑流預(yù)測就可以用確定性的預(yù)測值及其估計誤差來描述未來徑流，在 水電站優(yōu)化運行的初始軌跡( 由多年歷史水文資料通過優(yōu)化方法擬定的運行策 略和調(diào)度規(guī)則) 基礎(chǔ)上，有效擬定接近實際的電站運行策略，從而為水電站參與 電力市場發(fā)電預(yù)計劃的編制提供依據(jù)。 然而，由于水文情勢變化受多種不確定因子( 如氣候變化、人類活動和地形 地貌變化等) 的影響，因果規(guī)律并不完全清楚，水文資料信息也不是很充分，表 現(xiàn)出隨機性、模糊性、灰色性等復(fù)雜特性，因此準確的預(yù)測出未來年、月的水 文徑流量，一直是水文預(yù)測研究難度較大的課題。 為了更好的把握二灘水電站未來徑流變化情況，本文為了從以下方面進行 了較為深入的研究： ( i ) 通過對二灘水電站多年年、月平均流量變化過程進行統(tǒng)計分析，主要 包括年平均流量多年變化情況分析、豐水期各月徑流變化情況分析、枯水期各 月徑流變化情況分析，找n - 灘水電站年、月徑流變化的規(guī)律。采用小波分析 方法進一步闡述了不同時間尺度下年、月徑流的頻譜特性，最后通過小波方差 圖求得序列的主要周期成分。 ( 2 ) 對不同的數(shù)理模型，本文打破傳統(tǒng)的參數(shù)估計方法，采用優(yōu)化算法( 本 文采用遺傳算法) 對模型參數(shù)進行優(yōu)化計算，形成參數(shù)智能化擬定的預(yù)測方法。 ( 3 ) 對年、月平均流量預(yù)測采用了多種數(shù)理方法，包括：最近鄰抽樣回歸 模型、門限回歸模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、 函數(shù)模型、投影尋蹤回歸模型等多種模型。 預(yù)測成果來看，效果較好。 自回歸模型、灰色動態(tài)模型、均生 通過比較分析，得出推薦結(jié)果，從 ( 4 ) 考慮到徑流實測值在不斷的更新，對月平均流量提出了滾動預(yù)測方法， 即：根據(jù)實際發(fā)生值不斷修正后續(xù)結(jié)果，為水電站滾動調(diào)度提供依據(jù)。 ( 5 ) 采用w e bs e r v i c e 技術(shù)對程序模塊進行封裝，保證了代碼的安全性，可 移植性更強。 ( 6 ) 以a s p n e t 作為開發(fā)工具，應(yīng)用w e bs e r v i c e 技術(shù)開發(fā)了二灘水電站 中長期徑流智能預(yù)測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用b s 模式，可以通過網(wǎng)絡(luò)直接訪問，靈活 性和可移植性強；系統(tǒng)可以和o f f i c e 建立直接聯(lián)系，繪制的圖表可以直接導(dǎo)入 o f f i c e 系列軟件之中，更方便靈活。 通過對雅礱江流域二灘水電站中長期徑流進行預(yù)測，對傳統(tǒng)預(yù)測方法和新 理論進行了系統(tǒng)的闡述和分析，總結(jié)了各種模型的優(yōu)缺點和適用性；開發(fā)的徑 流智能預(yù)測系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)應(yīng)用程序的局限性，將分布式應(yīng)用程序從企業(yè)級擴 展到i n t e m e t 的范圍，隨著i n t e m e t 的迅速發(fā)展，這種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)因其靈活性 強、方便等特點，因此具有很好的前景。 關(guān)鍵詞：中長期、徑流預(yù)測、智能系統(tǒng)、遺傳算法、小波網(wǎng)絡(luò)、二灘水電 站、w e bs e r v i c e 、數(shù)理模型 ld栩1罨_f=jj， r m i d - l o n g r u n o f fi n t e l l i g e n tf o r e c a s t i n gs y s t e mo f e r t a np o w e rs t a t i o n m a j o r ：h y d r o l o g ya n dw a t e r r e s o u r c e s m s c a n d i d a t e ：y a nb i n g z h o n gs u p e r v i s o r ：m ag u a n g w e np r o f e s s o r m i d l o n gr u n o f ff o r e c a s ti sa na d v a n t a g em e a s u r ea n di m p o r t a n ts t e po ff u l l u s i n gw a t e rr e s o u r c e ，i m p l e m e n t i n gr e s e r v o i ro p t i m a lr u na n dc o m p l e t i n ge c o n o m i c b e n e f i t e s p e c i a l l yu n d e rt h ee l e c t r i c i t ym a r k e tc i r c u m s t a n c e ，h y d r o p o w e rt a k e sp a r t i nc o m p e t i t i v eb i d d i n g s ot h a t f o rs e tt h eg e n e r a t i o ns c h e d u l i n gr e a s o n a b l ea n d a c c u r a t e l y ，f o r e c a s t i n gt h ef o m a r er u n o f fl o o k sv e r yi m p o r t a n t i fw eh a v ea c c u r a t e r e s u l to fr t m o f ff o r e c a s t ，w ec a nu n d e r s t a n df u t u r er u n o f fb yu s i n gt h ea c c u r a t e f o r e c a s t i n gr e s u l ta n dt h ec e r t a i ne s t i m a t ee r r o r , t h e r e f o r e ，w ec a ng e tt h ep o w e r s t a t i o n sr u ns t r a t e g yw h i c hi sc l o s eo ft h ef a c to nt h eb a s eo ft h eb e g i n n i n gt r a c ko f m a n a g e m e n t ( g e t r u ns t r a t e g ya n ds c h e d u l e rr u l eo nt h eb a s eo f m a n yy e a r sd a t ab y u s eo fo p t i m a la r i t h m e t i c ) s ot h a tw ep r o v i d ef o ri n c r e a s i n gg e n e r a t ee l e c t r i c i t y b e n e f i ta n dd r a w i n gp l a no f t a k i n gp a r ti nf u t u r ep o w e rm a r k e t h o w e v e r ，b e c a u s eh y d r o l o g ys t a t ec h a n g i n gh a se f f e c t e db ym a n yk i n d so f u n c e r t a i n t yf a c t o r ( f o re x a m p l e ，c l i m a t ec h a n g e ，h u m a na c t i v i t ya n dp h y s i o g n o m y c h a n g e ) ，t h er u l e i sn o tc o m p l e t e l yc l e a ra n dh y d r o l o g yi n f o r m a t i o ni sn o t s u f f i c i e n c y ，w h i c ht a k e so nr a n d o m 、b l u ra n dg r a ya n ds oo n s ot h a tf o r e c a s t i n g t h ef u t u r er t m o f fo f ) r e 甄m o n t ha c u t e l yi sa l w a y st h em o s td i f f i c u l to fh y d r o l o g y f o r e c a s t f o rb e t t e rh o l dt h ef u t u r er u n o f fc i t e so fe r t a nr e s e r v o i r ，i nt h i sp a p e r ，s u b j e c t s m a i n l yf o c u s e da r ea sf o l l o w s ： b ya n a l y z i n gt h ey e a r l ya n dm o n t h l ym e a nr u n o f f i nm a n yy e a r s ，t h ep a p e rg e t s t h et r e n da n dc h a r a c t e r so fy e a r l yr u n o f fa n dm o n t h l yr u n o f fi nf l o o da n dd r o u g h t p e r i o d a tl a s tt a k i n gw a v e l e tm e t h o d t oa n a l y z et h ec h a n g e so f f r e q u e n c ya n dr a n g e i nm u l t i p l et i m es c a l e s ，t h ep a p e rg e tt h em a i np e r i o d i cp o r t i o nb yw a v e l e tv a r i a n c e m e t h o d t a k eo p t i m a la r i t h m e t i ct oo p t i m i z et h ep a r a m e t e ro ft h em o d e l s ，w h i c hb r e a k t h r o u g ht h et r a d i t i o nm e t h o d ，s ot h a tf o r m n op a r a m e t e ra n di n t e l l i g e n tm e t h o d t a k em a n ym a t h e m a t i c sm e t h o d st of o r e c a s t ，i n c l u d i n g ：n e a r e s tn e i g h b o r b o o t s t r a p p i n gr e g r e s s i v em o d e l ，t h r e s h o l dr e g r e s s i o nm o d e l ，a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r km o d e l ，a u t or e g r e s s i o nm o d e l ，d y n a m i cg r e ym o d e l ，n l e a ng e n e r a t i n g f u n c t i o nm o d e l ，p u r s u i tp r o j e c t i o nm o d e la n ds oo n b ya n a l y z i n g ，g e tt h eb e s t r e s u l t f r o mt h er e s u l t ，t h ee f f e c ti sv e r yg o o d t a k er o l lf o r e c a s t i n gm e t h o dt om o n t h l ym e a nr u n o f f ，w h i c ht a k e sa c c o u n to f t h er e n o v a t eo ft h er e a l i t yd a t a t h a ti s ，c o n t i n u a l l ya m e n dt h ef o l l o w i n gr e s u l t a c c o r d i n gt ot h er e a l i t ys ot h a to f f e rg i s tt or o l lo p t i m i z i n go fp o w e rs t a t i o n t a k et h et e c h n o l o g yo fw e bs e r v i c et oe n c a p s u l a t i o nt h ep r o g r a m ，w h i c h e n s u r et h es a f e t yo f t h ec o d ea n dm a k et h et r a n s p l a n t i n gb e t t e r am i d l o n gi n t e l l i g e n tf o r e c a s t i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d ，w h i c ht a k e st h et o o lo f a s p n e ta n dt h et e c h n o l o g yo fw e bs e r v i c e i tt a k e st h eb sm o d e l t h i ss y s t e m c a nb ev i s i t e da n dm a n a g e df r o ml o n gt h o u g hi n t e m e t ，w h i c ha r ef a c i l i t y 、w i d e o p e n i n ga n ds t r o n gt r a n s p l a n t a b l e ；t h es y s t e mi sc o n n e c t e dw i mo f f i c ea n dt h e c h a r ta n dt h et a b l em a yb ee x p o r t e dt oo f f i c es ot h a ti ti sm o r ec o n v e n i e n c ea n d a d v a n t a g e t h r o u g hf o r e c a s t i n gt h em i d - l o n gr u n o f f , w ea n a l y z ea n de x p a t i a t et h en e w m e t h o da n dt h et r a d i t i o nm e t h o d s ，a tt h es a m et i m ew es u m m a r i z et h ea p p l i c a b i l i t y , t h em e r i ta n dd e m e r i to fk i n d so fm e t h o d s ，a n dt h e nc h a n g et h ep r o g r a mf r o m e n t e r p r i s el e v e lt oi n t e m e tl e v e l t h er u n o f ff o r e c a s t i n gi n t e l i g e n ts y s t e mb r e a k s t h r o u g ht h ed i s a d v a n t a g eo ft r a d i t i o n a lp r o g r a m f o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n to f i n t e m e ti tm u s tb eh a v ew o n d e r f u lf o r e g r o u n db e c a u s eo fi t sc o n v e n i e n c ea n ds t r o n g a g i l i t y k e yw o r d s ：m e d i u m a n d l o n g t e r m 、r u n o f ff o r e c a s t 、i n t e l l i g e n ts y s t e m 、 g e n e t i ca l g o r i t h m s ，w a v e l e tn e t w o r k ，e r t a nh y d r o p o w e rs t a t i o n 、w e bs e r v i c e ， a n a l y t i c a lm o d e 第一章緒論 1 緒論 1 1 引言 水文現(xiàn)象，屬于自然現(xiàn)象的一種，是由自然界中各種水體的循環(huán)變化所形 成的，比如降雨、蒸發(fā)、河流中的洪水、枯水等。它和其它自然現(xiàn)象一樣，是 許許多多復(fù)雜影響因素綜合作用的結(jié)果。這些水文因素的時空變化具有高度的 非線性特點，正是由于這些影響因素的復(fù)雜變化導(dǎo)致了對水文現(xiàn)象的準確把握 變得十分困難【“】。 徑流，作為水文要素之一，受氣候、流域自然地理及人類活動等多種因素 影響，其變化特性和規(guī)律也錯綜復(fù)雜，表現(xiàn)出隨機性、模糊性、灰色性、非線 性等復(fù)雜特征。同時由于天氣氣候的復(fù)雜多變，加上中長期預(yù)測的預(yù)見期較長 等因素，導(dǎo)致徑流預(yù)測難度增加，預(yù)測精度往往不是很理想。如果僅從線性角 度或者近似線性角度去研究本質(zhì)上是非線性的水文變化問題，必然有其局限性。 近幾年非線性科學(xué)的迅速發(fā)展及其在應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，為我們能更深刻的 理解水文現(xiàn)象提供了重要工具。 因此，本文將以雅礱江流域二灘水電站的多年年、月徑流資料為基礎(chǔ)，采 用線性方法和非線性方法，進行中長期預(yù)測研究，進而以n e t 為開發(fā)工具， 開發(fā)二灘水電站中長期徑流智能預(yù)測系統(tǒng)。 1 2 徑流預(yù)測的意義 徑流情勢的長期預(yù)測，已成為當今水資源開發(fā)和利用中不可缺少的非工程 措施之一。對于科學(xué)治水、防洪調(diào)度、減少災(zāi)害等方面，都起到不可替代的作 用。一次準確的預(yù)測信息能夠收到可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。建國后在長江、 黃河、海河、松花江等江河流域多次大洪水的抗洪斗爭中，都已顯露出徑流預(yù) 報的巨大威力。特別是在抗御1 9 9 8 年長江、嫩江、松花江三江大水中，充分發(fā) 揮了徑流預(yù)測的科學(xué)性、主動性作用，為減少經(jīng)濟損失做出了巨大貢獻。隨著 電力市場改革不斷深化，水電站參與竟價上網(wǎng)是未來電力市場發(fā)展的必然趨勢， 而影響水電站確定上網(wǎng)電量的關(guān)鍵因素之一就是對來水的準確預(yù)估，因此，準 確的中長期徑流預(yù)測是實現(xiàn)水庫優(yōu)化運行、增加水電站發(fā)電收益、降低水電競 四川大學(xué)碩士論文 價上網(wǎng)風(fēng)險的重要基礎(chǔ)。 ( 1 ) 徑流預(yù)測是充分利用水資源，真正實現(xiàn)水庫優(yōu)化運行，發(fā)揮電站的經(jīng) 濟效益的有利手段和重要環(huán)節(jié)，有了準確可靠的徑流預(yù)測就可以用確定性預(yù)測 值及其估計誤差來描述未來徑流有效擬定接近實際的電站運行策略和調(diào)度計劃 【2 】【卯。 徑流預(yù)測的準確性不僅是水電廠防洪渡汛的重要依據(jù)，而且在電力市場運 營模式下，也將直接影響水電廠豐、平、枯期電量的安排和發(fā)電收益，它是水 電廠運營管理中正確決策的重要依據(jù)。尤其對于庫容小、調(diào)節(jié)性能較弱的徑流 式水電站，水情預(yù)測的準確性將直接影響到發(fā)電公司電量安排的合理性和可行 性，與電廠的經(jīng)濟效益密切相關(guān)。徑流預(yù)測作為水電站優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)，其預(yù) 報結(jié)果的準確與否，將成為水電站的最優(yōu)調(diào)度方式能否發(fā)揮作用的關(guān)鍵。有效 擬定接近實際的電站運行策略和調(diào)度計劃，不僅可作為發(fā)電用水的預(yù)分配、提 高發(fā)電效益，而且還可達到為防洪安全服務(wù)的目的。 ( 2 ) 徑流預(yù)測是減少我國洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，保證正常供水和水資源合理 開發(fā)利用的重要手段。隨著我國洪澇災(zāi)害的頻繁發(fā)生和國民經(jīng)濟的快速發(fā)展， 流域內(nèi)各部門對防洪和供水的預(yù)見期也越來越重視，預(yù)見期越長，管理和調(diào)度 起來就越得心應(yīng)手，否則就會對國民經(jīng)濟造成巨大的損失。 ( 3 ) 預(yù)報精度影響著水資源系統(tǒng)調(diào)度規(guī)則的經(jīng)濟性和安全性的統(tǒng)一，對水 資源系統(tǒng)來說，有些調(diào)度規(guī)則雖然從長遠的利益來說是經(jīng)濟的，但是，由于在 某些時候受到安全性的制約，無法付諸實施。只有提高徑流預(yù)報的技術(shù)水平， 經(jīng)濟性和安全性才有可能在更高水平上達到統(tǒng)一。 ( 4 ) 徑流預(yù)測對我國國民經(jīng)濟可持續(xù)健康發(fā)展具有重要的意義。隨著國民 經(jīng)濟的發(fā)展，對“水”的要求則顯得日見突出，準確的預(yù)估未來很長一段時間 內(nèi)的徑流量，可以根據(jù)國民經(jīng)濟發(fā)展對水的需要，合理的制訂蓄放水量，提高 水資源的利用效率。 1 3 徑流預(yù)測的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其存在的問題 徑流的變化受氣象因素、自然地理因素、流域特性因素等多因素的綜合影 響，導(dǎo)致其變化極其復(fù)雜，因此，準確預(yù)測中長期徑流的變化規(guī)律變得相當困 難，這也成為自然與科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的一項研究難題。從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看， 第一章緒論 對其研究仍處于探索階段，尚未形成較為成熟的理論和方法 5 - 7 1 。 目前廣泛應(yīng)用于徑流中長期預(yù)測的數(shù)學(xué)方法o 】大致可分為成因預(yù)測和統(tǒng) 計預(yù)測兩大類型。 ( 1 ) 成因預(yù)測。所謂成因預(yù)測是基于研究大氣環(huán)流、長期天氣過程的演變 規(guī)律和流域下墊面物理狀態(tài)的確定性預(yù)測模型。成因預(yù)測按其預(yù)測途徑可以分 為以下兩種方法： 主要是以大量歷史天氣圖、衛(wèi)星云圖、流域氣候及地形條件、現(xiàn)實和過 去的天氣形式，并結(jié)合氣象專業(yè)部門的指導(dǎo)信息綜合診斷天氣特性，主要是高 空環(huán)流的逐月平均形式，或直接從前期環(huán)流與水文要素之間建立一定關(guān)系或分 析旱、澇、正常年前期的環(huán)流特性及其演變過程，找出本流域的旱澇的關(guān)鍵區(qū)、 關(guān)鍵時間環(huán)流特性，建立起旱澇前期環(huán)流的模式，挑選反映這些環(huán)流特性異常 的指標組成預(yù)測方程進行預(yù)測。 在一定的初始條件和邊界條件下，對大氣熱力一動力方程組對時間進行 數(shù)值積分，從而得到環(huán)流形式和天氣要素的預(yù)測結(jié)果，再根據(jù)這些預(yù)測結(jié)果， 建立預(yù)測方程進行預(yù)測。 以上兩類方法是基于氣象分析的方法，是徑流預(yù)測的一個重要發(fā)展方向， 但是由于其基本理論、計算技術(shù)、資料條件等的限制，離實際應(yīng)用尚有較大差距， 因而實現(xiàn)起來較為困難。 ( 2 ) 統(tǒng)計預(yù)測。所謂統(tǒng)計預(yù)測，就是基于模擬實測徑流變化過程來建立預(yù) 測模型，統(tǒng)計預(yù)測方法是目前最常用的方法。 統(tǒng)計預(yù)測按預(yù)測因子組成可以分成兩種方法： 單要素預(yù)測，即分析預(yù)測要素本身隨時間變化的規(guī)律，然后利用這種規(guī) 律進行預(yù)測。 多要素綜合預(yù)測，即分析預(yù)測對象同多個與成因規(guī)律有關(guān)的影響因子 ( 如氣溫、極渦、副高、海溫、環(huán)流指數(shù)、太陽黑子等等) 之間的統(tǒng)計相關(guān)關(guān)系， 然后利用數(shù)理統(tǒng)計方法加以綜合進行預(yù)測。 采用最多的是單因子預(yù)測方法。 按預(yù)測性質(zhì)，統(tǒng)計預(yù)測又可以分為以下幾種： 定性預(yù)測法，根據(jù)徑流變化的基本規(guī)律采用馬爾可夫轉(zhuǎn)移概率預(yù)測未來 年份徑流變化概率分布情況，可以采用馬爾可夫模型和權(quán)馬爾可夫模型。 四川大學(xué)碩士論文 時間序列分析預(yù)測法，主要是根據(jù)系統(tǒng)對象隨時間變化的歷史資料，通 過系統(tǒng)時間序列的自相關(guān)分析、譜分析等，對系統(tǒng)發(fā)展趨勢進行外推，如白回 歸滑動平均模型方法等。 歷史經(jīng)驗分析法，即找出歷史上與當前流域的水文水情氣象要素相似的 案例，進行分析預(yù)報。這種方法雖有較好的應(yīng)用意義，但是缺乏明確的數(shù)學(xué)理論 和有效的計算方法。 動力預(yù)測方法，其基本思想是將河流當作一個由流域氣象、水文等自然 地理狀況要素控制的多維非線性動力系統(tǒng)，其中徑流量是一個重要的狀態(tài)因子， 認為系統(tǒng)的未來狀態(tài)存在于歷史數(shù)據(jù)中，從中找出和當前系統(tǒng)狀態(tài)最為相似的 狀態(tài)點，即搜索時間序列歷史數(shù)據(jù)所確定的狀態(tài)向量空間中與當前狀態(tài)向量最 為鄰近點，并利用得到的距離和鄰近點的后續(xù)狀態(tài)來估計系統(tǒng)的未來狀態(tài)。 非線性方法，主要采用非線性模型進行預(yù)測，主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、 灰色系統(tǒng)和模糊邏輯模型等。此類方法有較好的適用性，但是也有明顯的不足之 處，即高度參數(shù)化，為了改善擬合效果，需要大量地增加參數(shù)。例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中增 加網(wǎng)絡(luò)的隱含層數(shù)和節(jié)點數(shù)，這樣雖然使內(nèi)插效果良好，但導(dǎo)致其外延能力不 足。 組合預(yù)測方法，主要是基于單種預(yù)測方法的局限性和近似性，通過對多 種不同的預(yù)測方法進行適當組合( 一般是線性加權(quán)) ，形成組合預(yù)測方法，以便 綜合利用各種預(yù)測方法所提供的信息，從而提高預(yù)測的精度和可靠度，如可以 將定性預(yù)測方法與定性預(yù)測方法進行綜合，定量預(yù)測方法與定量預(yù)測方法進行 綜合，以及定性預(yù)測方法與定量預(yù)測方法進行綜合。 這些模型有各自的特點，其核心在于充分挖掘歷史資料的豐富信息，尋求 預(yù)測對象本身與影響因子之間的變化規(guī)律，從而用這些規(guī)律對未來的水文過程 變化進行預(yù)測。 雖然中長期預(yù)測采用的方法很多，但是目前徑流預(yù)測仍然是一件很困難的 事情，主要表現(xiàn)就是預(yù)測精度偏低，原因是多方面的，主要是因為： 水文系統(tǒng)是一個高度非線性系統(tǒng)，水文以降水為輸入，徑流為輸出，中 間包括蒸發(fā)、產(chǎn)流、匯流等復(fù)雜過程，還受到地形、地貌、流域下墊面和人類 活動等因素的影響，因此它是一個十分復(fù)雜的高度非線性系統(tǒng)。 無法建立描述徑流變化本質(zhì)的精確數(shù)學(xué)模型，徑流是一個涉及氣象、地 第一章緒論 理、地質(zhì)、地貌等多方面的復(fù)雜動力學(xué)系統(tǒng)。無法用數(shù)學(xué)物理方程嚴格地描述 每一個子過程，它要受許多假設(shè)條件的限制和借助于概念性元素模擬或經(jīng)驗函 數(shù)關(guān)系來描述，這樣的模擬往往只是對實際徑流過程的近似模擬，因而模擬精 度不高，由此可以看出，傳統(tǒng)的預(yù)報模型很難解決像徑流預(yù)測這樣的復(fù)雜問題。 在徑流過程中，存在研究對象發(fā)生與否的不確定性( 隨機性) 、研究對象 概念的不確定性( 模糊性) 、研究對象信息量不充分而出現(xiàn)的不確定性( 灰色性) 等不確定特征，這些不確定性因素的綜合影響使得預(yù)測模型很難全面的描述其 變化規(guī)律。 1 4 徑流預(yù)測的發(fā)展趨勢 ( 1 ) 資料不足或資料代表性不好是制約中長期水文預(yù)報發(fā)展的重要原因之 一。應(yīng)積極開展中長期水文預(yù)報所需資料的觀測與積累，特別是人類活動影響、 全球氣候變暖等預(yù)報因子及影響因素的變化，對中長期水文預(yù)報影響很大，對 它們的監(jiān)測無疑是提高預(yù)報精度的有效途徑7 罐】。 ( 2 ) 一切水文要素的變化有其特定的物理機制，從物理成因上解釋預(yù)報因 子的合理性，在嚴格的物理成因基礎(chǔ)上建立數(shù)理模型。同時注意把握厄爾尼諾、 拉尼娜等重要現(xiàn)象的變化規(guī)律，可能對提高中長期水文預(yù)報的準確性起到重要 的作用。 ( 3 ) 不能單獨局限于采用單一的方法進行預(yù)測，可以將線性和非線性方法 有機結(jié)合在一起進行預(yù)測，特別是將反應(yīng)不同水文性質(zhì)的模型比如模糊模型、 灰色動態(tài)模型、隨機模型等有效的結(jié)合，嘗試來提高徑流預(yù)測的精度。 1 5 論文研究目的、內(nèi)容 電力市場環(huán)境下，對二灘水電站的經(jīng)濟運行提出了更加嚴格的要求，本文 依托二灘水電站競價上網(wǎng)課題，對二灘水電站的徑流預(yù)測進行研究，其主要內(nèi) 容包括： ( 1 ) 第二章介紹雅礱江流域概括，使我們對雅礱江流域的基本情況有初步 了解。 ( 2 ) 第三章對二灘水電站的入庫徑流特性進行分析，找到徑流變化的內(nèi)在 規(guī)律，為準確預(yù)測其變化規(guī)律提供參考。 四川大學(xué)碩士論文 ( 3 ) 第四章采用線性和非線性方法對二灘水電站的入庫徑流進行預(yù)測，同 時采用優(yōu)化算法優(yōu)化模型參數(shù)，最后對各模型的預(yù)測結(jié)果進行評價。 ( 4 ) 第五章采用w e b s e r v i c e 技術(shù)，以n e t 為開發(fā)工具，開發(fā)二灘水電站 智能預(yù)測系統(tǒng)。 ( 5 ) 第六章對本次研究的成果做出總結(jié)，同時對論文的后續(xù)工作提出一些 設(shè)想。 本課題研究旨在用目前的方法理論充實中長期徑流預(yù)測的內(nèi)容。課題研究 不僅與人類的生存和社會經(jīng)濟的發(fā)展密切相關(guān)，具有重大的現(xiàn)實意義，而且對 二灘水電站中長期徑流的準確把握和合理調(diào)度提供了重要的參考。 1 6 研究的技術(shù)路線和研究方法 徑流預(yù)測系統(tǒng)的核心是預(yù)測技術(shù)方法，即預(yù)測數(shù)學(xué)模型。徑流是一種隨時 間而變的物理量，經(jīng)過長期觀測可獲得依時間順序排列的大量數(shù)據(jù)，即獲得徑 流時間序列。徑流預(yù)測主要建立在徑流時間序列及其影響因素時間序列的綜合 分析的基礎(chǔ)上。因此預(yù)測技術(shù)路線為： ( 1 ) 根據(jù)水電站的入庫徑流資料，深入分析其徑流變化的基本規(guī)律，為預(yù) 報模型和影響因子選擇打下基礎(chǔ)。 ( 2 ) 建立在徑流時間序列本身演變規(guī)律基礎(chǔ)上的外推途徑。 ( 3 ) 針對多種數(shù)理模型參數(shù)復(fù)雜化的問題，采用遺傳算法對參數(shù)進行優(yōu)化， 形成參數(shù)自適應(yīng)的動態(tài)數(shù)理模型。 ( 4 ) 經(jīng)過模型的檢驗和誤差分析，根據(jù)“多種方法，綜合分析，合理選用” 的原則，并考慮預(yù)報模型概念清楚，結(jié)構(gòu)簡單，計算和使用方便，優(yōu)選一套精 度高的預(yù)測方案。 ( 5 ) 采用c # 語言，對各種模型進行封裝處理，最后編制出智能預(yù)測系統(tǒng)。 近幾十年里，水文科技人員對徑流預(yù)測預(yù)報進行了大量的研究，獲得了較 多的預(yù)測方法。常用的主要方法 1 1 - 1 4 1 有回歸分析法、時間序列分析法、灰色分 析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、最近鄰抽樣回歸方法、分期平穩(wěn)自回歸、多階季 節(jié)性自回歸模型、組合模型和投影尋蹤模型等等。 第一章緒論 參考文獻 1 陳守煜中長期水文預(yù)報綜合分析理論模式與方法 j 水利學(xué)報1 9 9 7 ，( 8 ) 1 5 2 1 2 嚴秉忠，馬光文冶勒水庫年、月徑流預(yù)測模型研究 j 四川水力發(fā)電。2 0 0 3 年第2 2 卷第4 期 3 劉素一，廖家平徑流預(yù)測中的非線性分析方法 j 湖北工學(xué)院學(xué)報2 0 0 3 年2 月 4 劉素一小波分析理論在徑流預(yù)測中的應(yīng)用華中科技大學(xué)2 0 0 3 年2 月 5 馬光文，王黎水電競價上網(wǎng)優(yōu)化運行成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社 m 2 0 0 3 6 楊東方電力市場環(huán)境下水電站中長期徑流預(yù)測及優(yōu)化調(diào)度研究四川大學(xué)2 0 0 3 7 朱聰徑流中長期預(yù)測模型研究四川大學(xué)2 0 0 5 8 秦蓓蕾清江流域水文中長期預(yù)測研究四川大學(xué)2 0 0 4 9 藍永超，丁永建，王書功等l o c a lm o d e l 模式及其在月徑流預(yù)測中的應(yīng)用 j 中國沙 漠2 0 0 4 ，2 4 ( 3 ) l o 張力平，王德智，夏軍等混沌相空間相似模型在中長期水文預(yù)報中的應(yīng)用 j 水力發(fā) 電，2 0 0 4 ，3 0 ( 1 1 ) 1 1 袁秀娟，夏軍徑流中長期預(yù)報的灰色系統(tǒng)方法研究武漢水利電力大學(xué)學(xué)報1 9 9 4 ，2 7 ( 4 ) 1 2 何新林，宋玲，鄭旭榮徑流中長期預(yù)報的灰色預(yù)測方法 j 石河子大學(xué)學(xué)報( 自然科 學(xué)版) 1 9 9 7 1 ( 3 ) ：2 3 4 2 3 7 1 3 莊一鴿，林三益水文預(yù)報 m 北京：水利電力出版社。1 9 8 6 1 4 金菊良，丁晶水資源系統(tǒng)工程 m ，四川科學(xué)技術(shù)出版社2 0 0 2 ：6 5 6 7 1 6 2 1 6 3 7 四川大學(xué)碩士論文 2 雅礱江流域自然地理及水文特性 2 1 流域概況 雅礱江是金沙江第一大支流，發(fā)源于青海省玉樹縣境內(nèi)的巴顏喀拉山南麓， 自西北向東南流，在呷依寺附近流入四川省，至兩河口納入支流鮮水河后轉(zhuǎn)向 南流，經(jīng)雅江至洼里上游約8 公里處右岸有小金河流入j 其后折向東北方向繞 錦屏山，至巴折形成長約1 5 0 k m 的大河灣，巴折以下繼續(xù)向南流，至小得石下 游3 k m 處左岸有安寧河流入，至攀枝花市下游的倮果流入金沙江。干流河長 1 5 7 0 k i n ，流域面積1 3 6 萬k m 2 。 本流域位于青藏高原東部，東西兩側(cè)分別與金沙江、大渡河相鄰，北與黃 河上游分界。全流域呈南北走向條帶形 狀，河系為羽狀發(fā)育，流域東、北、西 三面大部分為海拔4 0 0 0 m 以上的高山 包圍，南面為滇東北高原，分水嶺高程 約2 0 0 0 m 。洼地以上流域平均海拔高 程為4 0 8 0 m 。雅礱江河道下切十分強 烈，沿河嶺谷高程相差懸殊，相對高差 一般在5 0 0 一15 0 0 m 。河源至河口海拔 高程從5 4 0 0 m 降至9 8 0 m ，落差競達 4 4 2 0 m ，其中呷依寺至河口河道長 1 3 6 8 k m ，落差競達3 1 8 0 m ，平均比降 為2 3 2 o 。 雅礱江流域南北跨7 個緯度，且區(qū) 域內(nèi)部地形地勢變化懸殊，使本流域自 然景觀在南北及垂直兩個方向上具有 明顯的差異。 甘孜、道孚一線以北地區(qū)，地勢高 亢，山頂多呈現(xiàn)波狀起伏的淺丘，河谷 寬坦，水流平緩，呈現(xiàn)一片高原的現(xiàn)象。圖2 1 雅礱江流域圖 第二章雅礱江流域自然地理及水文特性 甘孜、道孚一線以南至大河灣之間，主要為高山峽谷區(qū)。本段河谷異常狹 窄，谷坡陡峻，部分河段兩岸巖層破碎，坡堆積層，容易坍塌。本段干支流曾 經(jīng)發(fā)生山坡垮塌以至堵江事故。 大河灣以南至河口地區(qū)，具有寬谷盆地與山地峽谷的復(fù)雜地形特點。寬谷 盆地處于幾條支流上，干流仍處于高山峽谷，但河谷開闊。 2 2 水文氣象 2 2 1 水文情況 二灘水電站位于雅礱江下游，流經(jīng)數(shù)道險灘。二灘位于峽谷區(qū)的第二道險 灘處，故此得名。 河流徑流主要來自上游降雨和融雪。因此徑流年內(nèi)分配與季節(jié)降雨一致。 根據(jù)工程水文資料，壩址多年平均流量1 6 7 0 m 3 s 。豐水期( 6 到1 0 月) 平均流量 3 2 4 0 m 3 s ，枯水期( 1 1 月到次年5 月) 平均流量4 5 0 m 3 s 。 庫區(qū)最大支流鰳魚河，多年平均流量6 9 8m 3 s 流域洪水多在7 、8 月發(fā)生，流量大、歷時長。資料記載最大洪量1 1 1 0 0m 3 s 。 2 2 2 氣象 雅礱江流域處于青藏高原東側(cè)邊緣地帶，屬于川西高原氣候區(qū)，主要受控 高空西風(fēng)環(huán)流和西南季風(fēng)的影響干濕分明。每年1 1 月至次年4 月為旱季，降水 很少，只占全年的5 1 0 ，旱季日照多、濕度小、日溫差大。5 月至1 0 月為雨 季，氣候濕潤、降雨集中，雨量約占全年雨量的9 0 _ 9 5 ，雨季日照大、濕度 大、日溫差小。 流域多年平均降雨量為5 0 0 2 4 7 0 m m ，分布趨勢由北向南遞增。甘孜、道 孚以北多年平均降雨量為5 0 0 6 5 0 m m ；甘孜、道孚以南至大河灣為6 0 0 9 0 0 m m ；大河灣以南為7 0 0 2 4 7 0 m m ；高植被覆蓋區(qū)在安寧河上游及流域南部。 流域多年平均氣溫4 9 c 1 9 7 c ，其分布趨勢由南向北遞減。甘孜、道孚 以北多年平均氣溫一4 9 。c 7 8 c ，極端低溫為一4 2 9 c ，極端高溫為3 2 c 。甘孜、 道孚以南至大河灣多年平均氣溫為3 o 。c l o 8 c ，極端最低氣溫為3 2 2 c ，極 端最高氣溫為3 5 9 。大河灣以南多年平均氣溫1 1 5 c 1 9 7 ，極端低溫一1 0 7 9 四川大學(xué)碩士論文 ，極端高溫4 1 2 。c 。流域內(nèi)多年平均相對濕度5 3 7 3 。甘孜、道孚以北為 5 7 6 7 ，以南至大河灣為5 3 6 1 ，大河灣以南為5 7 7 3 ，相對濕度上下 游差別不大。 工程所在地亦屬于川西高原氣候地帶，區(qū)內(nèi)日照充足，旱、雨季分明，氣 溫年較差小，日較差大。一般6 1 0 月為雨季，雨量充沛，氣候濕潤，1 1 月到 來年5 月為旱季，氣候溫暖、干燥、少雨。 據(jù)可靠資料統(tǒng)計，壩址處多年平均氣溫1 9 7 c ，年平均降雨量1 0 0 3 m m ， 年平均降雨天數(shù)1 0 9 天，多年平均相對濕度6 6 。 2 3 徑流及暴雨洪水特性 2 3 1 徑流特性 雅礱江徑流主要來源于降水，徑流的年際、年內(nèi)變化及地區(qū)分布與降水的 變化和分布基本一致。雅江以上流域，由于深居內(nèi)陸，海拔高，東南及西南暖 濕氣流不易輸入，故降水量不大，多年平均徑流模數(shù)僅9 9 6 l ( s ，k i n ，其來水 量僅占小得石站年水量的3 9 8 ( 集水面積占5 6 5 ) ；雅江小得石區(qū)間，因 受東南及西南季風(fēng)影響，降水豐沛，為本流域的多雨區(qū)，多年平均徑流模數(shù)為 1 9 6 l ( s k r n 2 ) ，來水量占小得石站年水量的6 0 2 。 據(jù)小得石站1 9 5 3 年6 月1 9 9 4 年5 月流量系列計算，多年平均流量為 1 6 5 0 m 3 s ，折合年徑流量為5 2 0 億m 3 ，年徑流模數(shù)為1 4 2 l ( s k m 2 ) 。 徑流的年際變化較平穩(wěn)，小得石站實測最大年平均流量為2 4 9 0 m 3 s ( 1 9 6 5 年6 月1 9 6 6 年5 月) ，最小年平均流量為1 1 9 0 m 3 s ( 1 9 8 3 年6 月1 9 8 4 年5 月) ，分別為多年平均流量的1 5 1 、0 7 2 倍，歷年實測最大流量為1 1 l o m 3 s ( 1 9 6 5 年8 月1 0 日) ，實測最小流量為3 5 3 m 3 s ( 1 9 6 2 年3 月1 9 日) ，二者相差3 0 倍。 由于本流域降水集中，致使徑流年內(nèi)分配不均，豐枯變幅大。按徑流量及 補給來源可大致劃分為：豐水期6 1 0 月，主要為降雨補給，水量占全年的 7 6 8 ；豐枯過渡期1 1 月，主要為河槽蓄水補給，水量占全年的5 8 ；枯豐過 渡期5 月，主要為融雪及春雨補給，水量占全年的4 1 ；枯水期1 2 月翌年4 月，主要為地下水補給，水量占全年的1 3 3 。 由于本流域枯水期降雨量少，枯水期徑流主要由流域蓄水補給，故枯水期 1 0 第二章雅礱江流域自然地理及水文特性 徑流呈穩(wěn)定消退，退水規(guī)律明顯，年際變化較小。其中的4 月，由于流域可能 出現(xiàn)少量降水，加之氣溫增高，山區(qū)積雪開始融化，致使流量過程有時出現(xiàn)小 的起伏。 2 3 2 暴雨特性 雅礱江的洪水主要由暴雨形成。每年夏季季風(fēng)強盛時期，由西南季風(fēng)將印 度洋和孟加拉灣的水汽源源不斷地輸入流域。同時西太平洋副高北移，冷空氣 在副熱帶高壓前受阻，在這種大氣環(huán)流下，使本流域常發(fā)生( 大) 暴雨。暴雨一 般出現(xiàn)在6 9 月，主要集中在7 、8 月。一次降雨過程一般在三天左右，兩次 連續(xù)過程一般在5 天左右或更長一些，主要降雨時段多在l 2 天。 本流域6 9 月為汛期，上游甘孜、雅江等站最大洪水6 月即可見；中、下 游最大洪水多發(fā)生在7 、8 月。雅礱江的較大洪水多為兩次以上的連續(xù)降雨形成。 若河流底水已較高，在發(fā)生1 3 日較為集中的暴雨，即可形成較大洪水。洪水 過程線形狀多為雙峰形或多峰形狀。一般單峰型洪水過程線歷時6 l o 天，雙 峰過程1 2 1 7 天。由于流域大部分地區(qū)降雨強度不大，加之流域形狀呈狹長帶 狀。不利于洪水匯集，故洪水一般具有洪峰相對不高、洪量大、歷時長的特點。 據(jù)洼里站實測資料統(tǒng)計，年最大流量最早發(fā)生在6 月最晚發(fā)生在9 月，歷年實 測流量的最大值8 0 2 0 m 3 s ( 1 9 8 0 年8 月1 8 日) ，年最大流量的最小值3 0 5 0 m 3 i s ( 1 9 6 7 年7 月2 3 日) 。 本流域還發(fā)生過異常洪水，1 9 6 7 年6 月8 日，雅江縣孜河區(qū)唐古棟附近發(fā) 生大滑坡堵塞河道，形成3 5 0 余m 的天然壩，阻塞河流9 晝夜，蓄 水約6 8 億m 3 。于6 月1 7 日漫頂潰決，潰決后最大流量約5 3 0 0 0m 3 s ，主 要泄洪歷時1 3 小時，泄洪量約6 0 億m 3 。 因為二灘的水庫庫容與徑流相比較小，工程開發(fā)任務(wù)無防洪要求。但是 1 9 9 8 年，二灘大壩尚未建成，長江發(fā)生特大洪水。在此期間，感魚河與雅礱江 同時發(fā)生特大洪水使洪水危害加劇。雖然工程尚未完工，但中央政府要求二灘 攔蓄部分洪水，以削減武漢及長江下游的洪峰流量。通過水庫運行的精確控制， 二灘水庫6 次洪峰供攔蓄洪水3 3 億m 3 ，削減了長江下游的洪峰流量。對長江 防洪起到了重要作用。 四川大學(xué)碩士論文 3 二灘水電站入庫徑流變化規(guī)律分析 所謂徑流的變化規(guī)律就是指徑流隨時間尺度的變化而呈現(xiàn)出不同變化特 性。本章將根據(jù)二灘水電站的入庫控制站小得石站的基本徑流資料，深入分析 徑流變化的基本規(guī)律，包括徑流的年際變化規(guī)律、年內(nèi)變化規(guī)律、枯季和汛期 徑流變化規(guī)律，以及徑流序列的成分分析，通過上述分析可以對二灘徑流的變 化情況有全面的把握，從而為準確預(yù)測提供必要的參考依據(jù)。 3 1 基本資料情況 本章分析的基礎(chǔ)是二灘水電站1 9 5 3 2 0 0 3 年共5 1 年的逐年月平均流量資 料。 3 2 徑流變化規(guī)律 3 2 1 年際變化規(guī)律 徑流的年際變化規(guī)律主要是指徑流量在年際之間的變化情況。圖3 1 ，3 2 ， 3 3 ，3 4 分別列出了年平均流量、枯水期代表月1 2 月、豐水期代表月8 月、過 渡期5 月的平均流量在年際之間的變化情況。 2 9 0 0 2 4 0 0 1 9 0 0 1 4 0 0 9 0 0 4 0 0 1 9 5 31 9 5 81 9 6 3 1 9 6 8 1 9 7 31 9 7 81 9 8 31 9 8 81 9 9 3 1 9 9 8 2 0 0 3 年份 圖3 1 年平均流量年際變化情況圖 1 2 第三章二灘水電站入庫徑流變化規(guī)律分析 1 0 0 0 9 0 0 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 1 9 5 3 1 9 5 81 9 6 3 1 9 6 81 9 7 31 9 7 81 9 8 31 9 8 8 1 9 9 31 9 9 82 0 0 3 年份 圖3 2 枯水期1 2 月平均流量年際變化情況圖 1 9 5 3 1 9 5 81 9 6 3 1 9 6 81 9 7 31 9 7 8 1 9 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