多閘多時段聯(lián)合防洪的閘群防洪體系優(yōu)化調度研究

多閘多時段聯(lián)合防洪的閘群防洪體系優(yōu)化調度研究

1原河網(wǎng)水利工程對表現(xiàn)的防洪系統(tǒng)設計平原河網(wǎng)交錯，水系混亂，洪水開發(fā)過程相當復雜。此外，隨著經濟的發(fā)展和人口眾多，洪水災害造成的經濟損失和社會影響極為嚴重。防洪調度是防洪實踐活動中的一項重要內容,防洪系統(tǒng)的合理調度可以充分發(fā)揮整體防洪能力,保護人民生命財產安全,最大限度削減洪澇災害損失。近年來,防洪優(yōu)化調度在理論和實踐上已日趨成熟,但研究工作主要集中在水庫防洪方面,對于平原以閘群為主要防洪措施的防洪系統(tǒng)的優(yōu)化調度還研究甚少。因此,開展平原河網(wǎng)水力計算和閘群防洪體系優(yōu)化調度研究具有重要的理論意義和實際應用價值。本次研究的平原河網(wǎng)防洪體系由河道、堤防工程、閘群體系和下游出口外海組成,其系統(tǒng)構成如圖1所示。河道和堤防工程構成河網(wǎng)主干,是整個防洪系統(tǒng)相互聯(lián)系的紐帶,充分發(fā)揮其槽蓄作用,可有效控制洪峰流量,提高整體防洪效益;閘群由內河閘及外河閘組成,均為一孔或多孔節(jié)制閘或擋潮閘,主要通過閘門的啟閉調度對整個河網(wǎng)水系的洪水過程進行優(yōu)化調度,進而實現(xiàn)防洪體系防洪效果的整體最優(yōu)。2計算最優(yōu)的工況下進行選優(yōu)閘群防洪體系優(yōu)化調度,就是在滿足防洪體系各種約束條件的前提下,通過閘群的合理調度,使綜合防洪效果(或目標函數(shù))達到最優(yōu),并獲得相應的閘群運行最優(yōu)策略。根據(jù)閘群調度多階段非線性以及水力約束較多等特點,同時參照文獻在相關領域的研究成果,本文采用水力學方法和動態(tài)規(guī)劃方法建立了基于一維河網(wǎng)水動力模型的閘群防洪體系優(yōu)化調度模型,可以進行TN個時段洪水過程、R條河道、N個閘組成的閘群防洪體系的優(yōu)化調度計算及常規(guī)調度計算。2.1第k至第k+1階段本文研究的平原防洪體系以閘群為調度對象,在優(yōu)化模型建立過程中有下列基本假定:(1)不考慮閘孔開啟時間。如在第k階段,若閘門i的第j號閘孔處于開啟狀態(tài),而第k+1階段該閘孔關閉,則認為在第k到第k+1階段內該閘孔始終開啟,只在進入第k+1階段時瞬間關閉。(2)假定河道堤防具有一定高度,洪水始終在河道內行進,不發(fā)生破堤。也就是說,當河道洪水水位不超過相應堤防堤頂高程時,洪水將在主河槽及灘地內行進,本模型可以模擬此種情況;而當河道洪水水位高于相應堤防堤頂高程時,洪水將四處漫溢,水流流態(tài)已不再屬于一維非恒定流的研究范疇。2.2計算時段及狀態(tài)變量建立動態(tài)規(guī)劃優(yōu)化模型的關鍵之一是各類變量的合理選取,這將直接影響到整個模型的可行性、收斂性及其計算精度。(1)階段變量。考慮到各類變量的關聯(lián)性和協(xié)調性,以及河網(wǎng)水力計算逐時段計算的特性,本模型以計算時段作為階段變量,記為k,k=1,2,……,TN。(2)狀態(tài)變量。結合決策變量的需要,本模型選定閘群中各閘當前計算時段開啟孔數(shù)作為狀態(tài)變量。當閘門總數(shù)大于1時,該狀態(tài)變量即為多維向量,記為,N為閘群中閘門總數(shù)。(3)決策變量。根據(jù)閘群優(yōu)化調度實際運行的要求,在模型中選取閘門調度孔數(shù),即當前計算時段某閘門開啟孔數(shù)較之其前一計算時段開啟孔數(shù)的變化量作為決策變量。當閘門總數(shù)大于1時,該決策變量即為多維向量,記為。2.3目標函數(shù)的設定參考文獻,結合平原閘群防洪體系的特點,本文以洪水期河網(wǎng)水系下泄水量最大為目標,故優(yōu)化模型的目標函數(shù)可表示為:式中k為階段變量,這里即為計算時段數(shù);TN為計算時段總數(shù);Vk(Sk,dk)為第k階段整個河網(wǎng)水系下泄水量,m3;Sk,dk為各階段的狀態(tài)與決策。F為洪水期結束時,滿足所有約束條件的河網(wǎng)水系最大下泄水量,也即是優(yōu)化調度的最優(yōu)值。2.4水動力模型及約束平原河網(wǎng)閘群防洪體系優(yōu)化調度的約束條件應從河網(wǎng)水力計算、閘邊界過流計算、閘孔調度數(shù)目和閘門調度方式等方面加以考慮。對于第k階段而言,其主要的約束條件如下。(1)無調蓄能力節(jié)點水量平衡約束。河網(wǎng)水力計算中,通常將河道交接處概化為幾何節(jié)點。當節(jié)點面積近似忽略不計時,該節(jié)點即為無調蓄能力節(jié)點,必須滿足流量銜接條件和動力銜接條件:式中為河道j匯入節(jié)點i的流量,m3/s;為節(jié)點i的平均水位,m;為與節(jié)點i相連的河道j相應斷面的水位,m,i=1,2,…,N0;Ai為節(jié)點i的蓄水面積,m2;t為時間,s;N0為與節(jié)點i相連的河道數(shù)。(2)閘邊界水力約束。平原水網(wǎng)地區(qū),基本河網(wǎng)內部用于溝通不同級別河道的節(jié)制閘以及排水河道與出口排水閘間的水力聯(lián)系常通過過閘流量方程(堰流公式)表示:式中Q為過閘流量,m3/s;為第k階段閘上游水位,m;為第k階段閘下游水位,m;Z0為閘底高程,m;B為閘門開啟總凈寬,m。(3)閘門開啟數(shù)目約束。閘門可以開啟孔數(shù)給出了決策變量的允許決策集合,同時也為多維狀態(tài)變量各維向量的確定給出了范圍。該約束可表示為:式中為第k階段第n個閘門開啟閘孔數(shù);為假定閘門所有閘孔均可用,即為第n個閘門設計閘孔數(shù)。(4)過閘設計流量約束。過閘流量由式(3)計算得到,但不得超過水閘設計流量,若超過,則只能按照水閘設計流量限流。式中第k階段閘門i的過流量,m3/s;為閘門i設計流量,m3/s。(5)閘門開啟方式約束。根據(jù)工程經驗和一般運用要求,本模型考慮了2項約束:①閘門僅存在全關和全開兩種狀態(tài),即每孔閘門若開啟,則開啟高度必在水面以上全開位置;②隔孔交替或自中孔開始對稱均勻開啟。(6)河道水位約束。無論是外河道還是內河道,各計算斷面在任一階段的水位必須高于斷面處的河底高程,防止河道出現(xiàn)斷流,保證水動力模型的有效性。式中為第k階段第i個計算斷面的水位,m;為第i個計算斷面處對應的河底高程,m。(7)汛末河網(wǎng)水位約束。根據(jù)實際調度要求,一般要求汛末回復到汛前水位附近,也即是說洪水期內河網(wǎng)下泄總量應與天然來水總量持平或略大于天然來水總量。式中Wd為洪水期末河網(wǎng)下泄洪水總量,m3;AWin。為洪水期內天然來水總量,m3,包括山區(qū)洪水入流和平原內部產水兩部分;A為經驗放大系數(shù),略大于1。實際洪水有大有小,若遇較低頻率洪水,汛期內河網(wǎng)泄洪總量將小于來洪總量,汛末河網(wǎng)平均水位必然高于汛末限制水位,優(yōu)化模型自動滿足該約束條件;若遇較高頻率洪水,汛期內河網(wǎng)泄洪總量將大于來洪總量,河網(wǎng)有能力下泄掉洪水期內所有天然來水,該項約束條件將自動添加到本文所建立的優(yōu)化模型中。2.5水力要素的初始計算本模型選用各閘開啟孔數(shù)為狀態(tài)變量,通過水動力模型的計算方程實現(xiàn)狀態(tài)在不同階段的變化。因此,優(yōu)化模型中的狀態(tài)轉移方程也就是水動力模型中離散化的圣維南方程組:式中為k斷面i階段的水位,m,k=j、j+1,i=n、n+1;為k斷面i階段的流量,m3/s,k=j、j+1,i=n、n+1;Cj、Dj、Ej、Fj、Cj、Hj為常數(shù),均由各個時段水力要素的初值計算得到。綜上所述,整個閘群防洪體系優(yōu)化調度模型基于變量的合理選擇,在滿足各類約束條件的前提下,應用狀態(tài)轉移方程式(8),逐段進行擇優(yōu)計算,以獲得目標函數(shù)的最優(yōu)值及其相應的最優(yōu)策略。3基于新時代動態(tài)規(guī)劃前向遞推的求解方法考慮到本模型選擇的狀態(tài)變量與決策變量本身是離散的,其可行域是有限的,同時結合階段變量的時間特性,本文選擇一般動態(tài)規(guī)劃前向遞推方法進行求解。計算步驟如圖2所示。4獨立水系分布本文以寧波市北侖區(qū)作為研究背景,區(qū)內水系貫通,交織成網(wǎng),依據(jù)地形大致分為兩大獨立水系,之間由一節(jié)制閘控制,各水系均自西南流向東北入海?，F(xiàn)狀河道總長259.1km,在常水位時,水面面積554.0萬m2,總蓄水量898.8萬m3。4.1聯(lián)合開啟試驗根據(jù)北侖區(qū)防洪體系概況及其目前的工程現(xiàn)狀,區(qū)內閘群防洪體系優(yōu)化調度的任務是在洪水期各種洪潮遭遇條件下,依據(jù)河道行洪能力及汛末對河網(wǎng)整體水位的要求,逐時段研究內河閘和外河閘聯(lián)合運用的最優(yōu)啟閉組合及開啟時各自的開啟數(shù)目,以使北侖區(qū)兩大平原水系通過內河閘的調度合理分配所有水量,并進一步通過外河閘的優(yōu)化調度將分配水量盡快排出基本河網(wǎng),進入外海。4.2門和防洪系統(tǒng)的優(yōu)化配置和結果分析為驗證本文提出的優(yōu)化調度模型、方法和優(yōu)化調度程序,筆者根據(jù)北侖區(qū)防洪優(yōu)化調度任務,選用兩場不同頻率洪水過程為算例進行實例計算。4.2.1計算成果及分析(1)計算條件。洪水過程1為20a一遇設計洪水過程。本次研究采用北侖區(qū)20a一遇設計暴雨過程進行產匯流計算,以所得逐時流量過程及偏不利情況下的設計潮位過程作為外邊界條件;初始時刻假定河網(wǎng)平均水位1.2m,下泄流量為0,所有閘門處于關閉狀態(tài);計算步長Δt取為0.5h。(2)計算成果及分析。為突出優(yōu)化調度較常規(guī)調度的優(yōu)越性,在相同計算條件下,本文將洪水過程1對應的洪潮組合作為閘群優(yōu)化調度計算和常規(guī)調度計算的輸入邊界。結果表明:經優(yōu)化調度,汛期末河網(wǎng)最大下泄水量為4974.9萬m3,而常規(guī)調度時下泄水量為4336.6萬m3,較優(yōu)化調度少了638.3萬m3,也就是說與常規(guī)調度相比,采用優(yōu)化調度將比其多下泄約15%的洪水。優(yōu)化調度計算結果見表1。由此可見,閘群優(yōu)化調度對于洪水期河網(wǎng)防洪效果明顯,不僅能夠合理分配河網(wǎng)蓄水空間,有效降低河網(wǎng)整體水位,在一定程度上緩解河網(wǎng)防汛壓力,同時給出了逐時段閘群調度方案,可為防汛決策提供技術支撐。4.2.2確定外邊界條件(1)計算條件。洪水過程2為20a一遇以下設計洪水過程。本次研究采用北侖區(qū)5a一遇設計暴雨過程進行產匯流計算,以所得逐時流量過程及偏不利情況下的設計潮位過程作為外邊界條件;其他計算條件與洪水過程1完全一致。(2)計算成果及分析。計算結果表明,經閘群優(yōu)化調度,在第133個時段,河網(wǎng)已留出足夠容量容納洪水期所有來水量。從第134個時段開始,優(yōu)化問題受到水量和水位的雙重控制,閘群調度規(guī)則也隨之發(fā)生變化以實現(xiàn)對整場洪水的優(yōu)化調度。若在洪水期間完全采用常規(guī)調度,當河網(wǎng)已預留出足夠空間時,仍會通過外河閘不斷向外海排水,將無法