流域洪水资源利用的理论框架探讨I:定量解析

自21世纪初以来,中国北方地区干旱缺水的严峻形势,催生了旨在挖掘洪水利用潜力、缓解水资源短缺矛盾的"洪水资源利用"的概念出现,并迅速成为防洪和水资源高效利用领域的研究热点。论文在梳理总结多年研究积累的基础上,从洪水资源利用概念形成与流域水量平衡方程出发,建立了流域洪水资源利用的定义和概念性模型,指出洪水资源利用的本质是风险与效益的博弈;采用极限分析理论,推理辨析与洪水资源利用潜力评价密切相关的若干概念及其定量关系;论述常见洪水资源利用方式基本原理和技术关键,进而建立涵盖洪水资源利用潜力评价、利用方式选择和风险效益评估于一体的流域洪水资源利用模式。     

基于仿真规则与智能优化的水库多目标调控模型及其应用

为解决多个用户的用水竞争矛盾,改变经济社会用水长期挤占生态环境用水的不合理现状,把水库下游的河流生态系统作为一个独立用水户,进而按照水库用水户的优先级,制定水库分区供水调度仿真规则;为解决水库调度方案的最优性与可操作性的统一问题,构建多用户供水保证率最大化且尽可能均衡的水库优化调度模型目标函数;在此基础上建立了基于仿真规则与智能优化的水库多目标调控模型。以潘家口水库为例,计算了现状供水规模下的水库调度方案,绘制了水库多用户分区供水调度图。结果表明:本文模型有效,提出的水库分区调度方案较之现行调度,可在不降低兴利和防洪效益的前提下,显著提高水库下游河道生态系统的供水保证率。     

含多个行洪区的淮干中游段洪水模拟Ⅰ:模型建立

淮干中游分布着16个行洪区,堤内有堤。建立具有良好模拟精度和较高计算效率的洪水模拟模型是科学管理淮河流域洪水的难点和关键。基于MIKE11软件,以行洪时间和蓄洪量不变为原则,把行洪区概化为一维河道;提出了在缺少行洪区实测地形资料的情况下,利用行洪区水位-库容关系曲线概化行洪区河道断面的方法;针对行洪区各口门的不同控制方式,采用相应的概化方法并设置合理的控制参数,模拟洪水在主河道与多个行洪区之间的转换过程;采用2007年和2003年实测洪水资料,对模型进行率定和验证,结果表明该模型精度较高,能快速模拟行洪区进退洪过程及其调度规则。模型可服务于淮河中游洪水的科学安排与实时决策,其建模思路对闸坝众多的复杂河道洪水演进模拟具有一定借鉴意义。     

含多个行洪区的淮干中游段洪水模拟Ⅱ:模型应用

基于所建立的淮河中游洪水演进模型,对正阳关-茨淮新河河口段内行洪区弃用、洪泛区分洪后淮干水位变化进行了计算分析,包括弃用上六坊堤、下六坊堤行洪区对淮河干流水位的影响。结果显示,淮河在遭遇50年一遇和100年一遇洪水情况下,弃用上、下六坊堤行洪区后洪峰水位仅上升2~4 cm,验证了《淮河流域防洪规划报告》中废弃上述两个行洪区的合理性。同时分析了淮河遭遇200年一遇洪水、黄苏段洪泛区弃守分洪对淮干水位的影响。计算结果表明,在弃守分洪后的3~4 d内溃口对应的淮干水位降低10~14 cm,溃口上下游淮干水位也有不同程度下降,可见利用黄苏段分洪可以显著降低淮河干流水位,从而有效保护附近重要堤防的安全,为防洪调度争取更多的时间和空间。     

水电站水库长期优化调度模型及调度图

为绘制高效可靠的水库运行调度图,以平衡保证出力保证率与发电量矛盾的惩罚系数为优化变量、以保证出力设计保证率满足条件下发电量最大为目标函数,综合集成以黄金分割法为时段决策优选法的随机动态规划核心模型,以及评估调度方案优劣时历法长系列模拟计算模块,利用遗传算法的并行计算能力,结合电站调度方案制定与有效性检验,构建水电站水库长期优化调度模型。应用结果表明:所建模型具有不受年调节和多年调节库容机械划分约束、快速获得满足发电保证率所要求的优化调度图的优秀特性;较之常规调度方法,可增发电量2.0%以上,保证率更高,决策信息更丰富。     

流域洪水资源利用的现状与潜力评估方法

评价洪水资源利用现状和潜力,是开展流域洪水资源利用,进而缓解水资源短缺矛盾的首要工作。本文认为流域洪水资源可利用量是洪水调控利用能力的函数,对应任何洪水调控利用能力的洪水资源均可划分为可利用量和不可利用量两部分;采用极限分析理论,推理分析流域洪水资源现状利用潜力、理论利用潜力和流域洪水资源现状可利用量、理论可利用量之间的数量关系,完善和统一了流域洪水资源利用的概念体系和评价方法。作为实例,评价了南四湖流域洪水资源利用现状和利用潜力,得出现状和理论可利用量分别为16.29~18.08亿m3、20.50~21.55亿m3,现状和理论利用潜力分别为2.66~3.86亿m3和6.78~7.33亿m3,指出现状洪水资源利用的阈值空间和未来挖掘方向,对流域洪水资源利用实践具有重要的参考价值。     

考虑洪水地区组成不确定性的水库下游防洪风险率计算

随着水库群的调节对下游洪水过程的影响越来越突出,科学评价下游控制点的防洪风险率对复核流域防洪标准、优化水库群防洪调度规则具有重要意义.传统计算方法对洪水地区组成不确定性考虑不足,影响了评价成果的可靠性.针对单库防洪系统,提出了计算水库下游防洪风险率的离散求和-均值一次二阶矩法,该方法不仅能考虑洪水地区组成的不确定性,还...     

流域水资源供需双侧调控模型及应用

针对水资源常规配置中供需分离、配置与调度结合不紧密,难以支撑流域水资源严格管理的问题,提出流域水资源供需双侧调控模型。在需水侧,通过建立供水量和效益函数关系,并考虑水土资源等约束条件,构建农业种植结构与灌溉制度优化模型;在供水侧,采用模拟与优化、配置与调度相结合的两阶段建模路径,构建多水源配置与水库群优化调度模型;通过来源于需水侧模型的"需水过程"与来源于供水侧模型的"可供水过程"的分解与耦合,实现供需双侧的联合调控,综合集成构建流域水资源供需双侧调控模型。将该模型应用于南四湖流域,提出了南四湖上级湖、下级湖等大型湖库工程的优化调度图与不同年型下农业种植结构和水资源配置方案,验证了模型的有效性。通过供需双侧协调优化,南四湖流域供需缺口缩小,农业种植效益增加,枯水年水分生产效益提高了0.70元/m~3、平水年水分生产效益提高了0.63元/m~3;生活和工业供水保证率稳定在95%,生态和农业供水保证率明显提升,分别由53%提高到71%、由67%提高到75%。     

滨海城市非常规水源供水规模优选

滨海地区河流源短流急、地表水资源开发难度大,将再生水、淡化海水等非常规水纳入滨海城市水资源统一配置是缓解水资源短缺矛盾的有效途径。考虑地表水等常规水资源丰枯不确定性,科学确定非常规水源工程建设规模,是实现常规与非常规水资源统一配置的关键。以威海市区为例,建立了考虑水库来水不确定性的海水淡化与再生水厂建设规模优选模型,采用多目标遗传算法进行求解,以可靠性、弹性和脆弱性为指标,评价整个供水系统的性能,并进行多方案比较。结果表明:2030规划水平年威海市区适宜的再生水和海水淡化规模分别为23和15万m3/d;在此规模下,威海市区的供水保证率可由63.8%提高到95.2%,多年平均供水成本为6.6亿元。研究结果可为区域供水规划提供决策参考。     

基于遗传模拟的水库发电优化调度模型及应用

为快速高效绘制适宜性强、效益高、便于操作的水库发电调度图,以常规发电调度图运行方式（时历法）作为模拟规则,以保证出力保证率满足前提下发电量最大为目标函数,借助实码加速遗传算法的并行计算能力,把调度图绘制（模拟规则）与有效性检验（智能优化）结合起来,建立水库发电优化调度模型。作为实例,应用该模型于中国某大型年调节水电站优化调度图绘制中。结果表明：该模型是有效的,可以考虑下游生态需水等水电站优化调度若干复杂约束条件与水库管理者的经验（常规调度绘制方法不能）,调度图更符合实际;把调度图的绘制与有效性检验结合起来,得出的调度图无需再检验,较常规方法更为快速高效;利用了遗传算法的并行计算能力,可快速获得满足保证出力要求的多组优化调度方案（调度图）,决策信息更加丰富。