水库超蓄利用的效益与风险初探

妥善协调水库防洪与水资源综合利用矛盾,在确保工程安全的前提下,充分利用洪水资源,可使水库效益最大化。以具体水库工程为例,探讨了在保证水库安全的前提下,通过工程及管理措施控制汛限水位,利用水库调蓄洪水提高防洪、灌溉能力的有关问题,并提出了相应的经济效益计算方法,初步分析了水库超蓄的风险控制问题。分析计算表明,水库适当超蓄洪水可获得可观的防洪发电等效益,但也存在着较大的安全风险,应在充分掌握水情变化趋势、保证水库安全的前提下,合理进行超蓄调度。     

设计洪水峰量最可能组合法的计算通式

针对传统的多变量分析方法在联合重现期水平下选取设计值存在较大的任意性和不确定性,本文利用Copula函数建立洪峰与不同时段洪量的多变量联合分布,采用联合概率密度函数值作为洪水发生相对可能性的度量指标;以满足防洪标准为约束条件,构建了峰量最可能组合的通用模型,并提出采用拉格朗日乘数法进行求解。采用该方法计算汉江流域丹江口水库的最可能设计洪水,并与单变量同频率、多变量同频率估计值对比,结果表明：单变量同频率估计值达不到防洪标准;最可能组合法与多变量同频率法相比,洪峰偏小、长历时洪量偏大,其估计值更符合丹江口水库的应用要求,说明所提方法具有较强的统计基础,更加符合水文现象的内在规律,可用于水库设计洪水计算。     

金沙江梯级与三峡水库群联合蓄水优化调度

依据长江上游流域水文气象特征,确定各水库提前蓄水时机。建立了基于防洪、发电和蓄水的多目标调度模型,采用Pareto存档动态维度搜索算法（PA-DDS）优化求解,得到一系列非劣优化蓄水方案。结果表明：在不降低原设计防洪标准前提下,乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝和三峡水库的优化起蓄水时间可分别提前至8月1日,8月1日,9月1日,9月1日和9月10日,与原设计方案相比,优化方案蓄水期年均发电量可增加36.82亿kW?h,增幅3.12%;水库蓄满率达95.09%,提高3.38%。对于蓄水期为平、枯水年份,各水库蓄水时间可进一步提前至8月1日,8月1日,8月25日,8月25日和9月1日,蓄水期年均发电量可增加45.75亿kW?h,增幅4.10%;蓄满率由88.52%提高至93.89%,经济效益显著。     

水库运用期的设计洪水理论和方法

水利水电工程兴建和气候环境变化,明显改变了河川径流及洪水的时程分配过程,并直接影响下游断面的设计洪水。本文综述讨论水电工程建设期的设计洪水、分期设计洪水、动态设计洪水和受上游水库影响设计洪水的研究进展及存在问题。提出水库运用期的设计洪水的科学问题,研究内容和关键技术,重点介绍最可能地区洪水组成和多变量分析理论和方法,为开展受上游水库运行调蓄影响条件下水库运用期设计洪水研究提供思路和方向。     

长江上游ECMWF降水和径流预报产品评估

欧洲中期天气预报中心近年发布了季节性的GloFAS Seasonal径流和SEAS5降水集合预报产品。选取长江上游6个控制站的径流预报及4个分区的面雨量预报为研究对象,通过计算分析AUC、ROCSS和可靠性等指标,评估了这2种产品对于长江上游水库群蓄水期的枯水情景的预报能力。结果表明:2种产品提前一个月判断枯水雨情的效果较好,但产品倾向过度预测枯水事件发生的可能性,在实际生产运用中需得到重视。研究成果可为基于中长期预报的长江上游水库群提前蓄水调度提供科学依据与技术支撑。     

长江上游巨型水库群联合蓄水调度研究

以长江上游30座水库巨型水库群为研究对象,建立提前蓄水多目标联合优化调度模型,采用分区策略、大系统聚合分解、参数模拟优化方法和并行逐次逼近寻优算法求解。研究结果表明:所提模型框架可较好地解决巨型水库群联合蓄水优化调度问题;智能算法对于复杂约束的多目标优化问题可产生大量非劣解;Pareto前沿分布范围均匀且广泛,可供决策者灵活调度。与原设计方案相比,在防洪风险得到控制的前提下,通过水库群提前蓄水联合优化调度,水库总蓄满率由90.40%增加到94.42%,年均增发电量76.5亿kW·h(+3.76%),经济社会效益显著。     

基于信息熵的梯级水库联合优化调度增益分配法

针对Shapley值法在求解多利益主体梯级水库联合优化调度增益分配问题中的局限性,引入基于信息熵的增益分配法,对乌江流域七座梯级水库联合优化调度的增益分配问题进行求解,并与指标分配法和Shapley值法的分配结果进行比较。结果表明,基于信息熵的增益分配法比Shapley值法需要的信息资料较少,计算效率高,可以得到合理且稳定的分配结果。该分配方法公平合理,避免了单指标分配法考虑问题不够全面的局限性,调动了水库参与梯级联合运行的积极性,有利于提高水电资源利用效率。     

基于决策因子选择的梯级水库多目标优化调度规则研究

运用极端随机森林挖掘水库调度信息,考虑各水库相关因子与决策目标的相互关系,提出了梯级水库输入数据选择(Cascade-reservoir Input-variables Selection,CIS)方法,引入Gaussian径向基函数建立水库调度规则,并采用PA-DDS多目标算法对水库调度规则参数进行优化,得到了同时考虑供水和发电的多目标优化调度规则集。汉江上游梯级水库的应用结果表明:CIS方法能优选得到较为稳定的决策因子,且能在充分利用已有优选信息的同时避免决策因子选取上的重复和冗余;经梯级多目标优化调度,优选的决策因子能得到比传统决策因子结果分布更优的非劣解集,在以发电为主要目标进行优化调度时,能有效调整汛期和非汛期的水量利用方式,梯级水库年均发电量和供水量分别提高了0.33%和7.84%。     

基于月径流预报的三峡水库优化蓄水方案

针对现有三峡水库蓄水调度尚未考虑预报信息,提出聚类—预报—优化的预报调度模式.以年均发电量最大和年均蓄水位最高为目标,建立了三峡水库优化蓄水模型,并用NSGA-II算法优化蓄水调度线.通过对比分析发现,利用前4个月的径流作为预报因子,支持向量机模型(SVM-4)可获得最佳的9月径流量预报结果.若预报9月份来水为丰水月和平水月,目前运用的9月10日优化蓄水方案的效果良好;若预报9月份来水为枯水月,则应将起蓄时间提前至9月1日,这样可提高三峡水库发电量3.43%,蓄满率3.44%.     

基于大气环流和海温场的降水组合预报模型

针对降水具有混沌性和随机性,准确进行长期降水预报难度高的问题,提出时变海温多极指数和因子预报意见指数,基于大气环流和海温场构建长期降水组合预报模型,以三峡水库流域为例进行了验证。结果表明:组合预报模型在三峡水库流域1961—2020年汛期的月降水预报中有较好的适用性,特别在6月和9月降水预报上表现优异;与多因子回归、随机森林数理统计模型和CFSv2、ECMWF system 4动力数值模型相比,该模型更为稳健、预报精度提高显著。