综合利用水库调度理论及其在石头河水库中的应用研究
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摘要
水资源的合理开发利用，洪涝干旱灾害的防治，是人类生活和社会进步的基础，是国民经济可持续发展的重要保障。综合利用水库是人类防洪抗旱最主要的工程措施之一，其科学调度对供水兴利和防洪减灾具有非常重要的作用。水库调度是一个以泄水（供水和泄洪）为决策变量，以水库来水为输入，以水库蓄水为状态的多目标决策问题，受雨水情、工情和决策者等诸多因素的影响。论文以汛限水位为主线，以兴利调度为目的，研究了综合利用水库调度理论，并在石头河水库进行了应用。主要研究内容和取得的成果如下：
（1）建立了以降雨径流相关系数为汛期分期指标的Fisher最优分割汛期分期方法，并与以日降水、日径流、洪水发生时间等为指标的模糊统计法、变点分析法和分形法等进行了对比分析。研究表明：基于相关系数的Fisher最优分割汛期分期法符合径流形成原理，能考虑多指标的综合作用和时序性，分期结果客观合理，具有一定的应用价值。据此将石头河水库汛期划分为汛前过渡期（4月1日—5月20日）、汛前期（5月21日—7月10日）、主汛期（7月11日—8月10日）、汛后期（8月11日—9月20日）和汛后过渡期（9月21日—10月31日）五个分期。
（2）针对分期实测洪水资料偏少的特点，研究了洪水过程与日流量过程之间的关系，提出了以日平均流量为基础的分期洪水要素系列插补展延的相关分析法。在石头河水库的应用表明，该方法具有较强的实用性。
（3）采用概率点距相关系数法对正态分布、对数正态分布、皮尔逊Ⅲ型分布、对数皮尔逊Ⅲ型分布、极值Ⅰ型分布和指数分布在汛期各分期设计洪峰流量和不同统计历时洪量概率分布的适应性进行了分析。研究表明：各分期洪水要素的频率分布线型以对数型分布占主导地位，综合考虑第一优势分布和第二优势分布，选定石头河流域各分期洪水要素频率曲线为对数正态分布。据此采用典型洪水同频率缩放法计算了石头河水库各分期的设计洪水过程。
（4）研究了基于水库调洪演算原理的试算法和基于统计分析的模糊集合法在分期汛限水位计算中的适用性。结果表明：模糊集合法分析的汛限水位过程呈“下凹”型曲线状，试算法分析的汛限水位过程呈阶梯型折线状；模糊集合法对指标因子的阈值比较敏感，不太适合非主汛期，而试算法具有一定的理论基础，所得汛限水位便于水库实际调度。以试算法分析得石头河水库主汛期汛限水位为798.00m，非主汛期汛限水位为801.00m。
（5）详细分析了引起漫坝的随机因素，并对各随机变量的分布类型进行了探讨，采用“设计洪水-最大有效风法”对漫坝风险模型进行求解，得出了石头河水库不同汛限水位的漫坝风险值。按可接受的漫坝风险10-6为标准，石头河水库主汛期汛限水位不宜超过800.00m。
（6）建立了综合利用水库调度期内总缺水量最小为目标的一次优化调度模型，提出了以一次优化水库的放水过程作为入库水量，以总发电量最大为目标的二次优化调度模型，采用增量动态规划法对模型进行了求解。结果显示，二次优化结果在保证一次优化目标的基础上，使发电量得到了较大提高。但对石头河水库目前的供水对象，主汛期汛限水位从798.00m抬高到801.00m后，发电量增幅不超过2%。
Abstract: It is the foundation of human life and social progress and the importantguarantee for sustainable development of national economy to exploit and use waterresources reasonably and prevent flood and drought disasters. Multi-purpose reservoir isone of the main enginering measures on flood control and drought combat. Its scientificoperation plays an important role on water supply and flood control. Reservoir operation isa multi-objective decision-making problem that are affected by many factors such as rainfall,engineering status and decision-maker, in which decision variable is discharge (watersupply and flood discharge), the input is reservoir inflow, the status is reservoir storage. Theoperation theory of multi-purpose reservoir is studieded and applied to Shitouhe Reservoir,in which the flood limit water levele is main line and the beneficial operation is objective.Main research contents and results achieved are as follows:
(1) Prefer the Fisher optimum spliting method on flood season staging by usingcorrelation of rainfall-runoff during flood season as indicator, then taking a comparativeanalysis with fuzzy statistics method,which have indicators of day-by-day precipitation,day-by-day runoff, and flooding occurred time, method of point-varition analysis and fractalmethod. Result shows: Fisher optimum flood season staging method based on correlationcoefficient in line with theory of runoff formation, has the ability of consideration onvarious indicators and the combination of sequential phased, result comes from it isobjective and reasonable, thus has a certain value. Based on this method, flood season ofShitouhe reservoir has been divided into five stages: transition period before flood season(April1–May20), rainy season (May21–July10), main flood season (July11–August10), the season after flood season (August11–September20) and transition period afterflood season (September21–October31).
(2) Focus on the characteristic of less data on different flood periods, study is carry outon relationship between flood processes and daily flow processes, prefer the correlationanalysis of interpolate extension method elements of stages flood based on average dailyflow series. Application in Shitouhe reservoir indicated that the method has a strongpractical value.
(3) Analysis the adaptability by using the method of probabilities point with designingpeak flow of different flood stages and flood volume probability distribution in different statistics timing as way,on normal distribution, lognormal distribution, Pearson Ⅲdistribution, log-Pearson Ⅲ distribution, type Ⅰ extreme value distribution andexponential distribution. Result shows: stages frequency distribution of peak flow pattern aredominated by logarithmic type distribution, considering the first advantage distribution and the secondadvantage distribution, determine that each installment flood elements frequency curve of Shitouhe basinis logarithmic normal distribution.According to this, designing flood of Shitouhe reservoir hasbeen calculated by using typical flood frequency scale method.
(4) Analysis the applicability of reservoir flood adjustable calculus principle whichbased on trying algorithm and fuzzy collection law based on statistics analysis on limitedflood level calculation in different flood staging, results are: fuzzy set legitimate analysis oflimited flood level process shows "centre down " curve, trying algorithm analysis of limitedflood level process show a shape of stepped line; fuzzy set legitimate analysis is comparisonsensitive on threshold value of indicators, unfit to use for calculation in non-main floodseason, and trying algorithm method has consolidated theory foundation, limited flood levelcome from it can be used easily in actual reservoir scheduling. From this, limit flood levelof Shitouhe reservoir is798.00m in flood season, and801.00m in non-main flood season.
(5)Analysis in detail on random factors which causing overtopping, and discuss thedistribution type of these random variable factors, using method of designing flood-Maxuseable wind to calculate the overtopping risk model, get different overtopping risk valuesof Shitouhe reservoir flood. Take10-6as acceptable overtopping risk standard,limit floodlevel in flood season of Shitouhe Reservoir should be less than800.00m.
(6) Established an optimization one-time scheduling model aimed to minimum totalwater lackage of reservoir in a flood adjustable period, put forward optimization two-timescheduling model which take the discharge procedure in one-time scheduling model aswater income of the reservoir, and target at maximum total generating capacity. Calculatethe model by using incremental dynamic planning method, result shows: on the basis ofone-time optimization scheduling model, result of two-time optimization scheduling modelresults in a great improvement on ensuring the optimization goal of generating capacity. Butadd to the present water supply object of Shitouhe reservoir, generating capacity increase nomore than2%when limited flood level rises from798.00m to801.00m in main floodseason.
（1）建立了以降雨径流相关系数为汛期分期指标的Fisher最优分割汛期分期方法，并与以日降水、日径流、洪水发生时间等为指标的模糊统计法、变点分析法和分形法等进行了对比分析。研究表明：基于相关系数的Fisher最优分割汛期分期法符合径流形成原理，能考虑多指标的综合作用和时序性，分期结果客观合理，具有一定的应用价值。据此将石头河水库汛期划分为汛前过渡期（4月1日—5月20日）、汛前期（5月21日—7月10日）、主汛期（7月11日—8月10日）、汛后期（8月11日—9月20日）和汛后过渡期（9月21日—10月31日）五个分期。
（2）针对分期实测洪水资料偏少的特点，研究了洪水过程与日流量过程之间的关系，提出了以日平均流量为基础的分期洪水要素系列插补展延的相关分析法。在石头河水库的应用表明，该方法具有较强的实用性。
（3）采用概率点距相关系数法对正态分布、对数正态分布、皮尔逊Ⅲ型分布、对数皮尔逊Ⅲ型分布、极值Ⅰ型分布和指数分布在汛期各分期设计洪峰流量和不同统计历时洪量概率分布的适应性进行了分析。研究表明：各分期洪水要素的频率分布线型以对数型分布占主导地位，综合考虑第一优势分布和第二优势分布，选定石头河流域各分期洪水要素频率曲线为对数正态分布。据此采用典型洪水同频率缩放法计算了石头河水库各分期的设计洪水过程。
（4）研究了基于水库调洪演算原理的试算法和基于统计分析的模糊集合法在分期汛限水位计算中的适用性。结果表明：模糊集合法分析的汛限水位过程呈“下凹”型曲线状，试算法分析的汛限水位过程呈阶梯型折线状；模糊集合法对指标因子的阈值比较敏感，不太适合非主汛期，而试算法具有一定的理论基础，所得汛限水位便于水库实际调度。以试算法分析得石头河水库主汛期汛限水位为798.00m，非主汛期汛限水位为801.00m。
（5）详细分析了引起漫坝的随机因素，并对各随机变量的分布类型进行了探讨，采用“设计洪水-最大有效风法”对漫坝风险模型进行求解，得出了石头河水库不同汛限水位的漫坝风险值。按可接受的漫坝风险10-6为标准，石头河水库主汛期汛限水位不宜超过800.00m。
（6）建立了综合利用水库调度期内总缺水量最小为目标的一次优化调度模型，提出了以一次优化水库的放水过程作为入库水量，以总发电量最大为目标的二次优化调度模型，采用增量动态规划法对模型进行了求解。结果显示，二次优化结果在保证一次优化目标的基础上，使发电量得到了较大提高。但对石头河水库目前的供水对象，主汛期汛限水位从798.00m抬高到801.00m后，发电量增幅不超过2%。
Abstract: It is the foundation of human life and social progress and the importantguarantee for sustainable development of national economy to exploit and use waterresources reasonably and prevent flood and drought disasters. Multi-purpose reservoir isone of the main enginering measures on flood control and drought combat. Its scientificoperation plays an important role on water supply and flood control. Reservoir operation isa multi-objective decision-making problem that are affected by many factors such as rainfall,engineering status and decision-maker, in which decision variable is discharge (watersupply and flood discharge), the input is reservoir inflow, the status is reservoir storage. Theoperation theory of multi-purpose reservoir is studieded and applied to Shitouhe Reservoir,in which the flood limit water levele is main line and the beneficial operation is objective.Main research contents and results achieved are as follows:
(1) Prefer the Fisher optimum spliting method on flood season staging by usingcorrelation of rainfall-runoff during flood season as indicator, then taking a comparativeanalysis with fuzzy statistics method,which have indicators of day-by-day precipitation,day-by-day runoff, and flooding occurred time, method of point-varition analysis and fractalmethod. Result shows: Fisher optimum flood season staging method based on correlationcoefficient in line with theory of runoff formation, has the ability of consideration onvarious indicators and the combination of sequential phased, result comes from it isobjective and reasonable, thus has a certain value. Based on this method, flood season ofShitouhe reservoir has been divided into five stages: transition period before flood season(April1–May20), rainy season (May21–July10), main flood season (July11–August10), the season after flood season (August11–September20) and transition period afterflood season (September21–October31).
(2) Focus on the characteristic of less data on different flood periods, study is carry outon relationship between flood processes and daily flow processes, prefer the correlationanalysis of interpolate extension method elements of stages flood based on average dailyflow series. Application in Shitouhe reservoir indicated that the method has a strongpractical value.
(3) Analysis the adaptability by using the method of probabilities point with designingpeak flow of different flood stages and flood volume probability distribution in different statistics timing as way,on normal distribution, lognormal distribution, Pearson Ⅲdistribution, log-Pearson Ⅲ distribution, type Ⅰ extreme value distribution andexponential distribution. Result shows: stages frequency distribution of peak flow pattern aredominated by logarithmic type distribution, considering the first advantage distribution and the secondadvantage distribution, determine that each installment flood elements frequency curve of Shitouhe basinis logarithmic normal distribution.According to this, designing flood of Shitouhe reservoir hasbeen calculated by using typical flood frequency scale method.
(4) Analysis the applicability of reservoir flood adjustable calculus principle whichbased on trying algorithm and fuzzy collection law based on statistics analysis on limitedflood level calculation in different flood staging, results are: fuzzy set legitimate analysis oflimited flood level process shows "centre down " curve, trying algorithm analysis of limitedflood level process show a shape of stepped line; fuzzy set legitimate analysis is comparisonsensitive on threshold value of indicators, unfit to use for calculation in non-main floodseason, and trying algorithm method has consolidated theory foundation, limited flood levelcome from it can be used easily in actual reservoir scheduling. From this, limit flood levelof Shitouhe reservoir is798.00m in flood season, and801.00m in non-main flood season.
(5)Analysis in detail on random factors which causing overtopping, and discuss thedistribution type of these random variable factors, using method of designing flood-Maxuseable wind to calculate the overtopping risk model, get different overtopping risk valuesof Shitouhe reservoir flood. Take10-6as acceptable overtopping risk standard,limit floodlevel in flood season of Shitouhe Reservoir should be less than800.00m.
(6) Established an optimization one-time scheduling model aimed to minimum totalwater lackage of reservoir in a flood adjustable period, put forward optimization two-timescheduling model which take the discharge procedure in one-time scheduling model aswater income of the reservoir, and target at maximum total generating capacity. Calculatethe model by using incremental dynamic planning method, result shows: on the basis ofone-time optimization scheduling model, result of two-time optimization scheduling modelresults in a great improvement on ensuring the optimization goal of generating capacity. Butadd to the present water supply object of Shitouhe reservoir, generating capacity increase nomore than2%when limited flood level rises from798.00m to801.00m in main floodseason.
引文
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