丹江口水庫防洪優(yōu)化調(diào)度模型簡介

1、丹江口水庫防洪優(yōu)化調(diào)度模型簡介王厥謀（水科電力部水夫水利調(diào)度中心 1994-2012 China Academic Journal Electronic Pul ng 1 louse. All :eserved, hfl ： y 1994-2012 China Academic Journal Electronic Pul ng 1 louse. All :eserved, hfl ： y 丹江口水庫防洪調(diào)度模型是以丹江口水庫 與丹江口至皇莊區(qū)間洪水進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)對漢江 中、下游取得最優(yōu)防洪效果的調(diào)度模型，既可 利用歷史洪水模擬調(diào)度，又町利用預(yù)報洪水進(jìn) 行實時調(diào)度.為使防洪調(diào)度達(dá)到圾優(yōu)（即要求洪

2、水造成 的損失疑?。?，模型采用了系統(tǒng)工程的方法， 首先要確立所研究的系統(tǒng)并按照防洪的要求建 立目標(biāo)函數(shù)；其次要根據(jù)工程、河道特性和調(diào) 度規(guī)程建立約束條件，址拆進(jìn)行數(shù)學(xué)上的求解, 求解出我們所筒耍的啟優(yōu)變世，即推求出丹江 口水庫最優(yōu)的下泄扯及其相應(yīng)的水澤水位和下 游的流吊過程.我們這次采用了線性規(guī)劃的求 解方法，因此耍求目標(biāo)函數(shù)和約束條件均按線 性方程來表示這種求解方法是一種迭代計算, 特別是在變址和約束條件較多的悄況下，用于 算是很難完成的，必須借助電子計算機(jī)來進(jìn)行 計算.本模型是中國和意大利合作的“漢江洪水 預(yù)報和調(diào)度運(yùn)用”唄目的應(yīng)用軟件之一，該軟 件目前巳安裝在水電部水文水利調(diào)度巾心的 S

3、P644 （相當(dāng)于PDP11-44）計算機(jī)上.現(xiàn)就 模型如何建立目標(biāo)函數(shù)、約束條件以及計算的 成果作簡單的介紹.一、防洪系統(tǒng)的流程丹江口入庫流供經(jīng)水庫控制調(diào)蓄以后下 泄.泄流.過程經(jīng)河道調(diào)薔與丹江口SUE 間就忙過程合成后形成皇莊渝璉過程，皇莊流 帛若超過皇莊的燮全泄吊就必須在皇莊上、下 游的民垸分、蓄洪水，皇莊流竝匯流至杜家臺, 若超過杜家臺以下河道的安全泄吊就必須利用 杜家臺分洪.這一系統(tǒng)的流程見圖1nttn川佛說績過程線x（ih一一丹江n 至從朮區(qū)間流從過程級幾（D）塑莊沅M過陰 線Q,"）；©出廉訛吊經(jīng)河逍匯流到達(dá)幾莊的從 赴過世線H（n）為河過匯汕曲級, jn為時

4、段R號二、目標(biāo)函數(shù)這個防洪系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)必須從皇莊站的 流最、丹江口水庫的水位及泄流三個部分加以 研究.（一）皇莊站流從皇莊站的角度看，防洪的主要目標(biāo)是要 盡世壓低皇莊站流蚩，使它與本站的安全泄量 的差距盡量大.參照圖2,主要目標(biāo)函數(shù)的表 達(dá)式為F SCQ4（I）+C,（ 1 ）式中，F(xiàn)主要目標(biāo)函數(shù)：sc 皇莊站安全泄Qi（n呈莊站流雖過程線；C任意常數(shù)，為保證SC-QNI）不 為負(fù)值.安全泄附又加進(jìn)了第二個目標(biāo)Fdv = DV,求其最小. 第二個目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為DV=CT-EE =±DS 1DS(I)WDM-QJI)DS(I)WC（二）丹江水庫水位從水庫水位的角度看，水位不允許無

5、限抬 高，要盡量壓低.按規(guī)定20年一遇的洪水不得 超過157.0米，千年一遇設(shè)計洪水位為160.0 米.為保證最高庫水位盡量低又加進(jìn)了第三個 .目標(biāo)Ffv=VV,求其最小，參照圖3,第三 J個目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為VVV（I）z 、VVVL ，（ 4 1994-2012 China Academic Journal Electronic Pul ng 1 louse. All :eserved, hfl ： y SLG(/)圖2里莊站流墾過程示這圖式中：VV最髙庫水位的相應(yīng)蕃水晴； V（I）庫水位過程線的相應(yīng)蓄水殺，I VL起調(diào)水位（即洪水入庫前水位）的相應(yīng)蓄水雖. 1994-2012 China

6、 Academic Journal Electronic Pul ng 1 louse. All :eserved, hfl ： y VL將安全泄駅加上任意常數(shù)C,即DM = SC +C,則式（I ）可寫成FDM-Q.d）,可 求出主要的目標(biāo)函數(shù)F的最大值.無限地加大F,勢必要抬高水庫水位，因 此要加以適當(dāng)?shù)南拗疲?令FWDMSL,（ 2 ）式中S乙為不致造成損失的泄帚（在皇村采用 了平灘流量5,000米$/秒）.式（2 ）表示當(dāng)Q4（I）SL時不再考慮壓 低.皇莊的安全泄笊在來量為5年一遇的情況 下為11,00012,000米$/秒，不需要分洪；在 20年一遇的情況下為20,00021,00

7、0米'/秒， 需用杜家臺分洪，不需要用民垸分蓄洪.當(dāng)皇 莊流慌超過20年一遇的安仝泄量時就必須用民 垸分蓄洪水.當(dāng)F最大時，原則上民垸分蓄水量（DV ） 會小，但由于分配過程不同等原因，不一定是 最小,為進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)使民垸分蓄水量達(dá)到最小,時間I圖3丹江1水用庫水位過那示總圖為保證二十年一遇的洪水位不超過157.0 1米又加進(jìn)了第四個口標(biāo)Fhs = MS,求其最大. “參照圖3,第四個目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為 ?MSWVM-VV-MSWVM-VS j '（ 5 ）式中:VM允許最高水位的相應(yīng)蓄水量；VS相應(yīng)于157.0米水位的水庫蒂 水量. 1994-2012 China Academ

8、ic Journal Electronic Pul ng 1 louse. All :eserved, hfl ： y 另外，為考慮時段末的水位不要太爲(wèi)，加 進(jìn)了笫五個目標(biāo)幾"嚴(yán)V(T),求其最小. V(T)為過程時段末水位相應(yīng)蓄水量.(三) 丹江水庫下泄流*根據(jù)上述五個目標(biāo)，原則上已經(jīng)可以求得 最優(yōu)的丹江口水耶的下泄流鈕過程.但從水庫 管理運(yùn)用的要求，閘門啟閉不能太頻繁，即要 求泄流要比較平穩(wěn)，不能時大吋小.岡此,對 下泄流量要作平滑處理.數(shù)學(xué)上平滑處理方法 很多，但這個欖型是利用線性規(guī)劃方法求解, 必須用線件的辦法來解決.為此，又加進(jìn)了第 六、第七個PI標(biāo)FMXX = MXX,

9、FMSXX = £msxx,求其相鄰兩時段的變差的絕對值I及總和址小.這兩個H標(biāo)函魏的表達(dá)式為MXX= |X(! + 1)-X(I)| 1MSXX=±MXXI *( &)由于絕對值符號處理不便，式(6可改寫 為MXX 全 XX(J)，XX 沙(J + 1) - X(T)-X(I + 2)XX 亙 X(I) + X(I + 2)-2X(I + !)丨(7 ) 式中X(I + l)、X(I + 2)為錯過1個和2個 時段的出庫泄流過程.(四) 系統(tǒng)的總目標(biāo)函數(shù)系統(tǒng)的總H標(biāo)函數(shù)OBF,采用求總冃標(biāo) 函數(shù)的址小值為最優(yōu)，凡求最大的目標(biāo)均采用 員號總H標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為OEF=

10、 -F+aUWMS + VDV+ 卩 MXX + "MSXX + >V(T),(8 ) 式中的B、丫、0、e、F稱為罰款系數(shù)， 也可以理解為在系統(tǒng)總目標(biāo)中的權(quán)匝系數(shù).防洪城優(yōu)調(diào)皮的問題，最后歸結(jié)于求解 min(OBF)的問題，可以通過優(yōu)選求得符合要 求的系數(shù).如。增大，就壓低曲蓄水位，但 其它項(下泄駅、分洪量等)增加；B值加大就 使更大洪水才能允許最高蓄水位超過157米，以此類推.三. 約束條件系統(tǒng)的總冃標(biāo)函數(shù)建立后，還必須考慮由 于水庫工程的特性、河道特性和調(diào)度規(guī)程等要 求，在求解F1標(biāo)函數(shù)時加以約束.(一) 約束條件I約束條件】為X(I)NP,( 9 )式中P為發(fā)電址小流

11、肚、航運(yùn)要求的扯小 流量.(二) 約束條件II約束條件II為X(I)x(D,(10)式中兀(I)為水庫満流建笙物相應(yīng)各級水位的 泄流能力.#(1必須以線性方程表示，一般水庫具有 水位用容、水位泄流能力曲線，這些亠般 是非線性曲線，但可將這兩條曲線組介成一條 近似的應(yīng)線(如圖4 ).其方程式為X(I) = EMV(J)+EB.( 1!)求得丹江口水用的EM = 0.142,以及EB =一2.59,符合橋哎要求.(三) 約束條件III約束條件IU是水庫水蚩平衡，具體條件是 v -V(一 I)X(I)"-丄匸,(12) 式中 皿為單位時段的秒數(shù).(四) 約束條件IV約束條件IV為vvvG,

12、（13）卩為允許敲低水位相應(yīng)的蓄水量，一般可用 防洪限制水位相應(yīng)的蓄水量，但如考慮預(yù)報而 進(jìn)行預(yù)泄，也可用低于防洪限制水位相應(yīng)的蓄 水量.四、建立計算機(jī)的輸入文件建立計算機(jī)輸入文件，其目的是要將上述 的目標(biāo)函數(shù)、約束條件以及原始數(shù)據(jù)等安裝在 內(nèi)，以作為求解的依據(jù).按我們使用的求解程 序的要求,只要用Fortran語言的格式和符號來 書寫上述的方程，即可組成輸入文件.若用歷史洪水進(jìn)行模擬調(diào)度，可將歷史洪 水的原始數(shù)據(jù)立接輸入文件中（編者注由 于篇幅所限，輸入文件實例從略，需參考者可 與水電部水文水利調(diào)度中心聯(lián)系）若用實時洪水預(yù)報來進(jìn)行調(diào)度，可用一個 聯(lián)接程序，從預(yù)報成果的文件中取丹江口入庫 和丹

13、皇區(qū)間的預(yù)報洪水過程，并用人機(jī)對話的形式將一些需要變動的值（如起調(diào)庫容、允 許最小庫容、下游安全泄量等）輸入進(jìn)去，自 動形成實時輸入文件.實時輸入文件與歷史洪 水的輸入文件形式完全相同.-五、成果分析有了輸入文件，用一個線性規(guī)劃的程療進(jìn) 行求解，一般運(yùn)行十多分鐘就可得到輸出文件 或調(diào)度圖.圖5為以1935年洪水進(jìn)行調(diào)度的成 果，其內(nèi)容有最優(yōu)的丹江口水庫泄流過程 X（I）、丹江口水膵水位過程的相應(yīng)蓄水竝過 程V（I）、皇圧站的流輦過程Q,（I）和民垸的分 洪量DU.1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing 1 louse. Al

14、l rights reserved.S圖中JT容與詼*采用同一坐標(biāo)，換算式為雁容V1 -（億米'）1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing 1 louse. All rights reserved.S1 .從1935年洪水調(diào)度的結(jié)果看，址高庫水 位達(dá)16U.0米，最大泄量為16,860米+秒，皇 莊站的最大流鈕為28,720米'/秒，需要分入民 垸的分洪量為14.69億立方米，比原來的調(diào)度 計算成果有所壓低，驚計算的民垸分洪亙接近 25億立方米.另外我們還計算了 1935年型的 500年一遇洪水,1964年洪水

15、和1964年型的20 年一遇洪水等歷史洪水，其結(jié)果，20年一遇洪 水水庫最髙水位不會超過157.0米，民垸也不 需分洪.所得成果都比較合理，與調(diào)度規(guī)程也 是一致的.由于本模型采用優(yōu)化技術(shù)，一般來 講，比原來的調(diào)度計算無論對分洪量還是皇莊1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing 1 louse. All rights reserved.S1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing 1 louse. All rights reserved.S福建塔土壩滑坡情況及處理

16、措施的調(diào)查與分析林佑文 黃英華（福建省水利水電廳水利管理技術(shù)服務(wù)中心）© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing 1 louse. All rights reserved. httpY jj© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing 1 louse. All rights reserved. httpY jj1、概 述建國以來，祐述省已建成庫容10萬立方米 以上水庫2,288®,其中土壩約占90%,這些水 庫在灌溉、發(fā)電、防洪

17、、綜合經(jīng)營等方面都發(fā) 揮了巨大作用，促進(jìn)了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展.但 是，山于過去有些水庫的土壩設(shè)讓、施工不注 意標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)母，加上投入運(yùn)行后管理不善，往往 造成上壩滑坡，嚴(yán)巫地威協(xié)若水庫工程和下游 人民生命財產(chǎn)的安全，影響了工程效益的 發(fā)揮.據(jù)初步統(tǒng)計，我省從1972年1981年,小 （1 ）型以上水庫土壩計有14座發(fā)生滑坡.其 中中型水庫2座，占現(xiàn)代中型水用土壩20座的 10%;?。? ）型水庫12座，占現(xiàn)管?。?型 水斥土壩245座的4.9%,小（2 ）型水庫上壩 滑坡未作全面調(diào)査統(tǒng)計.據(jù)實地調(diào)杏的中型水庫嶺里.紅五一.小的流馱都右所壓低.2. 對1983年&月的二次洪水用實時預(yù)報洪 水也

18、進(jìn)行了初步的調(diào)度運(yùn)算，（山于計算機(jī)正 在調(diào)試過程中，就不能作為正式成果），從初 步成果看，也是合理的若按所算成果調(diào)度， 庫水位要比實際的庫水位壓低1米多.3. 本模型存在的最大問題足在實時防洪調(diào) 度中，需要有7天的入庫及丹皇區(qū)間的洪水過 程預(yù)報，這樣長的預(yù)見期目前還是很難達(dá)到的 （除非雨停以后進(jìn)行預(yù)報）.因此在實際調(diào)度 中，必須預(yù)估未來降水的可能性，作出幾種可 能的調(diào)度方案，以供決策時參考，然后再進(jìn)行 逐步修止調(diào)度.但必須注盍，如果連續(xù)若干時58（1）型水庫溪兜、九龍巖、牛柘一級、廷 洋、三溪、將溪、扮頭、英雄、院洋、隔坑、 牛廠、觀口等14座水庫，在搶護(hù)滑坡處理中均 忌費(fèi)了大飛的勞力和經(jīng)費(fèi).由于水庫大壩質(zhì)璉 差,逍成滑坡事故，庫水放空處理，限制蒂水， 因而影響效益的發(fā)揮.例如閩請縣嶺里水庫， 于971年5月開工興建，1