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基于防洪調(diào)度的流域梯級(jí)水電站決策系統(tǒng)

文檔作者：張仁貢1 錢鏡林2 黃林根1 廖亞洲1 巫地祿1 鮑敏1 文檔來(lái)源： 1．浙江禹貢信息科技有限公司 2．浙江水利水電學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年06月03日
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第41卷第6期
2018年6月
水電站機(jī)電技術(shù)v01．41 No．6
Mechanical&amp;amp;Electrical Technique of Hydropower Station Jun．2018
基于防洪調(diào)度的流域梯級(jí)水電站決策系統(tǒng)
張仁貢1，錢鏡林2，黃林根1，廖亞洲1，巫地祿1，鮑敏1
(1．浙江禹貢信息科技有限公司，浙江杭州310009；2．浙江水利水電學(xué)院，浙江杭州310000)
摘要：通過(guò)對(duì)衢州衢江流域的調(diào)研和初步探索，做了初步的方案研究，認(rèn)為可以通過(guò)現(xiàn)有的水雨情觀測(cè)系統(tǒng)，通
過(guò)梯級(jí)調(diào)度建模，結(jié)合現(xiàn)代化的技術(shù)，開發(fā)一款基于防洪調(diào)度的流域梯級(jí)水電站決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)衢江流域?qū)崟r(shí)水雨
情共享系統(tǒng)、流域重點(diǎn)控制斷面洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)、流域水庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度系統(tǒng)、流域水庫(kù)群聯(lián)合興利調(diào)度系統(tǒng)等非
常有必要，也是科學(xué)和可行的。
關(guān)鍵詞：流域；防洪；調(diào)度；水電站；梯級(jí)；決策系統(tǒng)
中圖分類號(hào)：TV697．1+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672—5387(2018)06枷0l—04
DOI：10．135996．enid．1 1-5130．2018．06．00l
1總述
1．1水系概況
衢江為錢塘江南源的干流，發(fā)源于安徽省休寧
縣青芝埭尖(海拔1 144 m)東麓，東南流至齊溪進(jìn)入
我省，開化縣馬金以下稱馬金溪；與池淮溪在華埠匯
合后，稱常山港；常山港由西向東行，左納芳村溪，至
衢州市柯城區(qū)雙港口與江山港匯合后稱衢江；衢江
沿東北方向下泄，接納了眾多支流，呈羽狀水系，其
中較大的有右岸的烏溪江和靈山港，左岸的銅山源、
芝溪，至蘭溪市上華，右納金華江后稱蘭江；蘭溪市
以下折向北流，至建德市梅城與新安江匯合(表1)。
表1主要河流特征值
1．2工程概況
衢州市水庫(kù)眾多，到目前為止，全市共有小(二)
型以上水庫(kù)458座(表2)，其中大型水庫(kù)有湖南鎮(zhèn)、
銅山源、碗窯j白水坑、沐塵5座，中型水庫(kù)有黃壇
口、周公畈、社陽(yáng)、峽口、芙蓉、千家排、獅子口、齊溪、
茅崗9座，小(一)型水庫(kù)73座，小(--)型水庫(kù)371
座。全市有1～10萬(wàn)m3山塘l 687座，l萬(wàn)m3以下
山塘約2．2萬(wàn)座，堰壩3 011條。各主要江河上都興
建了水利樞紐工程，其中常山港上有長(zhǎng)風(fēng)、天馬、恒
豐等水利樞紐工程，江山港上有雙塔、棠村水利樞紐
工程，衢江上有塔底、安仁鋪、紅船豆、小溪灘水利樞
紐工程。另外，衙州市建有防洪堤480多km，其中
50年一遇標(biāo)準(zhǔn)城市防洪堤88．16 km。
表2大中型水庫(kù)工程
收稿日期：2018--04-18
作者簡(jiǎn)介：張仁貢(1979-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向：水利
水電信息化技術(shù)。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2 水電站機(jī)電技術(shù)第4l卷
1．3水雨情觀測(cè)系統(tǒng)
衢州市自2003年7月開始建設(shè)衢州市中小型
水庫(kù)自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)工程，2004年5月完成工程建設(shè)。
2007年年初開始建設(shè)重要小(二)型水庫(kù)和重要小
流域自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。到目前為止，已經(jīng)建成251個(gè)
自動(dòng)雨量站，146個(gè)自動(dòng)水位站，形成了一個(gè)較為完
善的水雨情觀測(cè)體系。
1．4各主要支流洪水情況
各主要支流一般洪水情況下，洪峰傳播時(shí)間大
致如下：
烏溪江：湖南鎮(zhèn)水庫(kù)至黃壇口水庫(kù)為l h，黃壇
口水庫(kù)至樟樹潭為2．5 h；
江山港：白水坑水庫(kù)至峽口水庫(kù)為3 h，峽口水
庫(kù)至江山雙塔底水文站為5 h，碗窯水庫(kù)至江山雙塔
底水文站為3 h；
常山港：齊溪水庫(kù)至開化水文站為3 h，開化水
文站至常山水文站為6 h；
衢江：常山水文站至衢州水文站為6 h，江山水
文站至衢州水文站為6．5 h，衢州水文站至樟樹潭為
2．5 h，樟樹潭至龍游水文站為5．5 h。
衢江最不利的洪水組合有：常山港與江山港最
大洪峰疊加；烏溪江與衢江最大洪峰疊加；暴雨中心
隨洪峰向下游移動(dòng)和復(fù)峰洪水等。如1992年“7．4”
洪水、1998年“7．24”洪水等災(zāi)情較重的洪災(zāi)，均由
上游兩港洪峰疊加和暴雨中心長(zhǎng)時(shí)間跟著洪峰移動(dòng)
所形成，使下游洪峰越來(lái)越大，且難以用常規(guī)的水文
預(yù)報(bào)方法作出準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào)。而1955年“6．20”
洪水是復(fù)峰洪水，對(duì)大中型水庫(kù)防洪調(diào)度極為不利。
1．5歷史洪水
衢州市是洪災(zāi)多發(fā)地區(qū)，歷史上曾發(fā)生1895、
1915、1942年特大洪水，其中1895年洪水衢江衢州
市水文站洪峰流量11 600 m3／s，超過(guò)百年一遇洪水
標(biāo)準(zhǔn)。1915、1942年洪水達(dá)到或接近50年一遇洪
水標(biāo)準(zhǔn)。建國(guó)后衢江出現(xiàn)超危急水位洪水的共有
13次，分別為1952(6．1 m)年、1955年(6．20 m)、1967
年(6．20 m)、1971年(6．3 m)、1973年(6．26 m)、1982年
(6．21 m)、1992年(7．4 m)、1993年(6．20 m)、1994年
(6．1 1 m)、1995年(6．24 m)、1997年(7．9 m)和1998年
(6．19 m、8．24 m)。其中1955年洪水為最大，衢江(衢
州市水文站)實(shí)測(cè)的洪峰流量為8 500 m3／s(包括德
坪壩、亭川分洪流量880 m3／s)，洪峰水位達(dá)65．68 m
(吳淞高程67．56 m)，超過(guò)衢州危急水位2．06 nl，超過(guò)
20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。其次是1967年“6．20”洪水和
1998年“7．24”洪水，衢州市水文站洪峰流量分別為
7 070 m3／s和7 080 m3／s，略高于lO年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。
1．6必要性分析
(1)“防洪水”是“五水共治”中的主要內(nèi)容，也
是歷來(lái)水利工作的重要部分。本項(xiàng)目從非工程措施
出發(fā)，以衢江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，開發(fā)衢江流域?qū)崟r(shí)水
雨情信息共享系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)流域的防洪形勢(shì)
進(jìn)行分析，對(duì)未來(lái)的洪水形勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，建立一
套統(tǒng)一的衢江流域防洪調(diào)度方案，為“防洪水、排澇
水”決策提供有力的技術(shù)支持。
(2)實(shí)時(shí)水雨情信息存在行政區(qū)劃內(nèi)“壁壘”。
在過(guò)去較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，水文資料按《水文專業(yè)有償服
務(wù)收費(fèi)管理試行辦法》進(jìn)行收費(fèi)，盡管2001年9月
17日，水利部頒發(fā)了《關(guān)于公開提供公益性水文資
料的通知》，規(guī)定了提供公益性水文資料的范圍和收
取印刷工本費(fèi)的原則，但總的來(lái)說(shuō)比較籠統(tǒng)，具體實(shí)
施還有一定的困難，縣與縣之間水文數(shù)據(jù)還不能有
效共享。因此，建立一套衢江流域?qū)崟r(shí)水雨情信息
共享系統(tǒng)，讓客觀上互聯(lián)互通的衢江水，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)
的形式達(dá)到上下游水雨情情勢(shì)互聯(lián)互通，真正意義
上實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+衢江流域防洪調(diào)度”。
(3)目前衢江上已建的水文數(shù)據(jù)信息還不夠完
善。近年來(lái)，通過(guò)不斷投入，一些大中型水庫(kù)、／1,(1)
型水庫(kù)、重要的tl,(2)型水庫(kù)和重要小流域內(nèi)均建立
了自動(dòng)水雨情測(cè)報(bào)設(shè)施。但由于流域綜合開發(fā)，在
河道內(nèi)建設(shè)了大量的橡膠壩或翻板門型堰壩，這些
工程中的絕大部分均未建設(shè)配套的水雨情設(shè)施。由
于這些工程泄放水過(guò)程對(duì)下游影響較大，甚至?xí)?
及到下游工程以及人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，有必
要補(bǔ)充建設(shè)相應(yīng)的水雨情設(shè)施提供實(shí)時(shí)水雨情信息
和預(yù)警信息。
(4)經(jīng)過(guò)多年建設(shè)，流域內(nèi)水利工程梯級(jí)開發(fā)已
初具規(guī)模，大大促進(jìn)了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。這些水
利工程雖然也制定了相應(yīng)的調(diào)度原則，但由于開發(fā)
具有先后性，到目前為止并未形成一個(gè)統(tǒng)一的蓄放
水調(diào)度原則。上游水庫(kù)放水往往具有隨意性，這使
得下游水庫(kù)的調(diào)度非常困難。這種調(diào)度方式，不僅
不能達(dá)到整體水利工程興利效益最優(yōu)，而且還可能
危及到下游水庫(kù)的防洪安全。因此，有必要以整個(gè)
衢江流域?yàn)檠芯繉?duì)象，制定一套衢江流域綜合調(diào)度
方案，建立衢江流域洪水預(yù)報(bào)及防洪調(diào)度系統(tǒng)，在對(duì)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第6期張仁貢，等：基于防洪調(diào)度的流域梯級(jí)水電站決策系統(tǒng)3
各重要防洪工程和控制斷面進(jìn)行實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)的前
提下，以綜合調(diào)度方案為依據(jù)進(jìn)行科學(xué)調(diào)度、整體調(diào)
度。
(5)衢江上經(jīng)過(guò)梯級(jí)開發(fā)，修建了多座電站，發(fā)
電調(diào)度從計(jì)劃制定到實(shí)時(shí)調(diào)度均采用經(jīng)驗(yàn)調(diào)度，上
游電站放水發(fā)電往往以“友情提示”的方式告知下
游電站，下游電站因此作出相應(yīng)的蓄放水決策。這
種調(diào)度方式不僅預(yù)見期較短、而且難以從流域的角
度綜合考慮。同時(shí)，由于信息的“不可強(qiáng)制性”，也
為下游的水利工程埋下了嚴(yán)重的安全隱患。因此，
‘ 有必要建立一套興利調(diào)度信息共享和決策系統(tǒng)，以
規(guī)范各工程的興利調(diào)度方式。
(6)本項(xiàng)目的實(shí)施可以提高水利工程科學(xué)管理
及調(diào)度水平，為流域充分利用水資源、促進(jìn)流域或地
區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)一步
為“治污水、保供水”提供重要的技術(shù)支持。
2研究目標(biāo)
補(bǔ)充完善重要控制斷面的水雨情監(jiān)測(cè)設(shè)施，整
合已有水雨情監(jiān)測(cè)設(shè)施，建設(shè)衢江流域?qū)崟r(shí)水雨情
信息共享系統(tǒng)；建立重要水利工程(14座大中型水
庫(kù)以及塔底、安仁鋪、紅船豆、小溪灘水利樞紐)及
水文站(江山站、常山站、衢州站和龍游站)洪水預(yù)
報(bào)系統(tǒng)；開展衢江流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度研究，制定統(tǒng)
一的流域防洪調(diào)度原則和興利調(diào)度原則。通過(guò)上述
研究，以達(dá)到衢江流域統(tǒng)一調(diào)度，科學(xué)調(diào)度，從而充
分保障衢江流域防洪安全。
3研究?jī)?nèi)容
3．1實(shí)時(shí)水雨情信息共享系統(tǒng)建設(shè)
本系統(tǒng)建設(shè)主要包括兩方面內(nèi)容：①接人已建
的實(shí)時(shí)水雨情監(jiān)測(cè)信息；②通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，掌握已建
的翻板門和橡膠壩等水利工程，建立可以反映其運(yùn)
行特征的實(shí)時(shí)水情監(jiān)測(cè)設(shè)施，同時(shí)具備預(yù)警功能。
3．2開發(fā)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)
開發(fā)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的基本出發(fā)點(diǎn)是致力于提高
洪水預(yù)報(bào)精度、增長(zhǎng)洪水預(yù)報(bào)的有效預(yù)見期、擴(kuò)大預(yù)
報(bào)范圍，提高預(yù)報(bào)作業(yè)速度，為各級(jí)防汛抗旱部門提
供預(yù)報(bào)精度和預(yù)見期均滿足防洪調(diào)度決策要求的洪
水預(yù)報(bào)成果。
本次進(jìn)行系統(tǒng)研究、開發(fā)的目標(biāo)，是在相對(duì)獨(dú)立
的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，開發(fā)衢江流域內(nèi)14座大中型
水庫(kù)、塔底、安仁鋪、紅船豆、小溪灘水利樞紐以及江
山水文站、常山水文站、衢州水文站和龍游水文站洪
水預(yù)報(bào)系統(tǒng)，以達(dá)到及時(shí)準(zhǔn)確地提供流域的實(shí)時(shí)暴
雨洪水情報(bào)，更好地為防洪決策提供支持。
洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的功能組成如下：
(1)預(yù)報(bào)模型。預(yù)報(bào)模型是預(yù)報(bào)系統(tǒng)的核心，目
前在實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)方面，比較實(shí)用的是確定性概念
模型。按照模型對(duì)象的不同可分為流域產(chǎn)流模型、
流域匯流模型、河道匯流模型等。
(2)模型參數(shù)率定。基于建立的預(yù)報(bào)模型，選用
一定時(shí)間的連續(xù)資料進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果
與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，求出誤差。再調(diào)整參數(shù)值，比
較其結(jié)果和誤差，直到誤差滿足精度要求。
(3)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。洪水預(yù)報(bào)涉及信息讀取、處理、
計(jì)算、分析、發(fā)布等各環(huán)節(jié)，實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)就是在計(jì)算機(jī)
上完成洪水預(yù)報(bào)各環(huán)節(jié)，加快預(yù)報(bào)作業(yè)速度。
(4)實(shí)用模塊。完成洪水預(yù)報(bào)、提高預(yù)報(bào)精度，
需要許多輔助實(shí)用模塊，如數(shù)據(jù)查錯(cuò)、數(shù)據(jù)等時(shí)段化
處理、數(shù)學(xué)優(yōu)化方法、實(shí)時(shí)校正方法、圖形交互技術(shù)
等。
3．3建立水庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度方案
防洪調(diào)度系統(tǒng)的主要任務(wù)是在保證防洪工程安
全的前提下，以損失最小、可操作性好為原則，根據(jù)
單個(gè)水庫(kù)防洪最優(yōu)、從而分析流域整體防洪最優(yōu)的
原則，確定流域整體調(diào)度方案。
以設(shè)計(jì)洪水為研究依據(jù)，以歷史典型洪水確定
洪水地區(qū)組成，建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)優(yōu)化算法計(jì)算出
水庫(kù)群最優(yōu)調(diào)度方案。
對(duì)于甩個(gè)水庫(kù)，n個(gè)防洪點(diǎn)，考慮區(qū)間來(lái)水的防
洪系統(tǒng)的最大削峰準(zhǔn)則的目標(biāo)函數(shù)為：
r r n ．1
minF=Σ{Σ層．[吼(f)+q·緩腳]2} t=l Li=l J
式中：r為調(diào)度期時(shí)段數(shù)；
gf(f)為第f庫(kù)第t時(shí)段的出庫(kù)流量演算到防洪
斷面的過(guò)程；
勉(f)為第i庫(kù)到自身防洪點(diǎn)之間的區(qū)間流量過(guò)程；
屈為第i庫(kù)到自身防洪點(diǎn)的重要性系數(shù)；
％為第f庫(kù)調(diào)度模式指示變量。
考慮如下約束條件：
(1)水量平衡約束
yp)=yo一1)+[ Q(f)+Q(t一1)q(t)
2
+q(t—n
2
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
4 水電站機(jī)電技術(shù)第4l卷
式中：y(f)、v(t一1)為第t時(shí)段始末的水庫(kù)蓄
水量；Q(f)、Q(t—1)為第t時(shí)段始末的入庫(kù)流量；
g(f)、q(t-1)為第t時(shí)段始末的出庫(kù)流量；At為時(shí)
段長(zhǎng)。
(2)水庫(kù)最高水位約束
z(f)≤乙(f)
式中：z(f)為第t時(shí)段末的計(jì)算水庫(kù)水位；
Zm(f)為第t時(shí)段末的允許最高庫(kù)水位。
(3)調(diào)度期末水位約束
z吼d=ze
式中：z二為調(diào)度期末計(jì)算庫(kù)水位；ze為調(diào)度
期末的控制水位。
(4)水庫(kù)泄流能力約束
g(f)≤g(Z(f))
式中：g(f)為第t時(shí)段末的出庫(kù)流量；g(z(f))為
第t時(shí)段末相應(yīng)于水位z(f)的下泄流量；
(5)上下庫(kù)之間的水力聯(lián)系
g(f)。g：(f)+O區(qū)．2(0
式中：g(f)為下游水庫(kù)的入庫(kù)流量；鳥：(f)為上
游水庫(kù)的下泄流量；Q區(qū)。z(磅為區(qū)間流量。
3．4建立水庫(kù)群聯(lián)合興利調(diào)度方案
為建立梯級(jí)水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度模型，要把實(shí)際的
流域水資源系統(tǒng)概化為由節(jié)點(diǎn)和有向線段等元素構(gòu)
成的網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算單元是基本而重要的節(jié)點(diǎn)，各種水
源的供水都是在計(jì)算單元的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。有向線
段則代表了河道或渠道，它們反映了節(jié)點(diǎn)之間的水
流傳輸關(guān)系。本項(xiàng)目概化原則是以水庫(kù)為計(jì)算單位，
以衢江干流為主線，涵蓋整個(gè)興利調(diào)度研究范圍。
(1)目標(biāo)函數(shù)
根據(jù)梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度實(shí)際，以供水量和發(fā)電效益
最大為目標(biāo)：
^力v
1)供水目標(biāo)：F1=maxΣΣgs。(g‘(f)，g‘(t))／Ta
2)發(fā)電目標(biāo)：
^Ⅲ
F2=maxΣΣ(絨(gi(f)’一(t))／Tax
i=1 t=l
a+gdft(q。(f)，一(f))／Ta×6)
式中：gs。、ga。、∥。分別為水庫(kù)t時(shí)段的供水
量、谷電量和峰電量；
g‘(f)、g‘(f)、rI(f)分別為第f水庫(kù)第t時(shí)段的
入庫(kù)量、供水量和下泄量：
TN=Ta×ro，TN為分析計(jì)算的總時(shí)段數(shù)，死
為分析計(jì)算年數(shù)，兀為每年內(nèi)的時(shí)段數(shù)，確定每天
為一個(gè)時(shí)段；
a為峰電單價(jià)；b為谷電電價(jià)。
(2)約束條件
1)水位約束
z二(0≤互(f)≤z0(f)
％(f)≤瓦i(f)≤％(f)≤zk(t)
式中：乙(f)、乙(t)分別為第i水庫(kù)第t時(shí)段
水位取值下限(死水位或發(fā)電限制水位)和上限(非
汛期為正常蓄水位，汛期為汛限水位)。
乏(f)、乏(f)、％(f)分別為第i水庫(kù)第t時(shí)段
水位取值、限制水位、加大水位。
2)水電站出力約束
NL．≤Ⅳ1(f)≤州。
式中：心、‰分別為第i水庫(kù)保證出力和
預(yù)想出力。
3)水量平衡約束
V‘O+1)=V1(f)+Q‘(f)一l 91(f)+一O)I一五F10)
Q1@)=ql@)
Q2(f)=q2(f)+rI(f)
式中：曠O+1)、V2(f)分別為第f水庫(kù)第t時(shí)段
蓄水量；
Q‘(f)、職‘(f)分別為第i水庫(kù)第t時(shí)段入庫(kù)總
水量、蒸發(fā)滲漏量。蒸發(fā)損失由壩址以上流域蒸發(fā)
及水庫(kù)水面面積求得，滲漏損失采用經(jīng)驗(yàn)公式求得。
4)保證率約束
p(七)>．P(七)
式中：p(七)、Po(k)分別為第k行業(yè)供水計(jì)算保
證率和設(shè)計(jì)保證率。
5)非負(fù)約束
上述各式中的各決策變量大于等于零。
4結(jié)論
通過(guò)探索和研究，筆者認(rèn)為建設(shè)該系統(tǒng)是可行
的，也是必要的，可以達(dá)到以下成果：
(1)可以建立衢江流域?qū)崟r(shí)水雨情共享系統(tǒng)。
(2)可以建立衢江流域重點(diǎn)控制斷面洪水預(yù)報(bào)
系統(tǒng)。
(3)可以建立衢江流域水庫(kù)群聯(lián)合防洪調(diào)度系
統(tǒng)。
(4)可以建立衢江流域水庫(kù)群聯(lián)合興利調(diào)度系
統(tǒng)。

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