流域内水库群联合防洪调度研究

郭光玲

摘 要：21世纪以来，我国大力发展水电设施，大批水库建成和投入使用，形成了许多巨型水库群，如长江上游、三峡、黄河地区等，我国水电工程也渐渐由初期建设转型到管理运行。因此，开展流域内水库群联合防洪调度研究，是顺应时代的需求。本文首先介绍了流域内水库群联合防洪调度的研究现状，总结了水库防洪调度的特点，针对目前水库防洪调度尚存在的一些问题，结合修河干流水库群联合防洪调度实例，介绍了几种常用的解决办法。

关键词：流域内水库群 联合防洪调度 研究现状 系统分析法 优化方法

1.流域内水库群联合防洪调度的研究现状

1.1水库群联合防洪调度特点

水库群联合防洪调度不仅需要考虑到水库上游防洪与水库下游防洪的矛盾，而且还需要统筹兴利与防洪的矛盾。它具有不确定性、实时动态变化、复杂多样性等特点，是一个多阶段、多对象、多属性的复杂决策过程。水库群联合防洪调度不仅要对洪水的自然特性有一定的了解，包括洪水发生的原因、背景及发展规律；还需把洪水与人类社会相联系，把握其中特殊而微妙的关系，如洪水对人类社会产生的财产威胁、环境破坏及生态影响，即洪水的自然属性和社会属性两个方面。

1.2水库群联合防洪调度理论研究现状

二十世纪六十年代开始，我国便开始着手研究水库优化调度问题，八十年代末取得了一系列重大的突破，水库优化调度迅速发展。1989年，董子敖等就水库群调度及动态优化规划技术的研究取得了重大成果，其详细介绍了动态规划优化理论及其在水库群防洪调度中的应用，是我国水库群联合调度研究的萌芽。随后，在1991年，冯尚友撰写了《水资源系统工程》一书，为水库群多目标优化调度奠定了理论基础，该书系统地介绍了分解协调大系统的基本方法及其原理。

水库群联合防洪调度采用的主要方法是优化方法。二十世纪八十年代以来，国内外的学者们将非线性规划、线性规划、动态规划等都应用于水库群联合防洪调度中来，并取得了较好的效果。这些水库群联合防洪调度优化技术为水库防洪提供了新的思路，但由于其理论性强的特点，不能很好地模拟调度人员的防洪调度经验，所以优化技术往往不能适应水库实时防洪形势的变化，在实际应用中仍与理论存在一定的差距。

本文以修水流域防洪调度工程为例，进行水库群联合防洪调度研究。该流域位于江西西北部，发源于江西铜鼓县高桥村乡白石村，流域面积达数万平方千米，流经九江市修水、武宁、永修、瑞昌，宜春市铜鼓、奉新、靖安、宜丰、高安和南昌市湾里区、安义、新建等3市12县（市）。目前修河干流上水文（位）监测站从上至下有：渣津站、高沙站、抱子石、虬津、永修、吴城。其中仅抱子石水库新设了遥测站点观测水位项目，属于自动水位站点，且各库均还以人工报讯的形式入网，防洪调度系统尚存在较大漏洞。因此，研究一套科学的防洪调度体系，运用恰当的水库群防洪调度方法对修河水库群进行联合防洪调度很有必要。

2.水库群联合防洪调度存在的困难

（1）水库防洪设计与实际运用时不相适应的矛盾

在水库运行阶段，由于水文地质条件的变化及人类生产活动的影响，流域内水文规律会发生较大的变化，相应地，洪水的统计参数也会随着水文规律的变化而改变。以修水流域内的水库群为例，其中大多数水库的修建年代都较早，它们的防洪能力都是以当时的技术水平及洪涝资料进行修建的，如果按水库原有的防洪设计对进行洪水调节能力计算，水库最高库水位常常会超过原先设计的最高洪水水位。

（2）水库本身的防洪安全与水库下游其他防洪安全的矛盾

水库本身的防洪安全与下游防洪安全的协调是水库汛期控制运用的首要任务。江西省雨水丰富，当发生特大暴雨时，修河上下游水量均较大，水库自身的防洪安全与下游防洪安全便具有较为突出的防洪矛盾。沿河而下，各水库的泄洪量需要仔细斟酌，从下游防洪安全的角度出发，水库泄水少、泄水晚将极大地减轻下游的防洪压力；而从水库的防洪安全出发，在汛期则需早泄水、多泄水。渣津站、高沙站、抱子石、虬津、永修、吴城作为干流水库，需要把握好其中的防洪矛盾，才能做到科学泄洪，正确防洪。

（3）兴利与水库防洪的矛盾

我国北方全年降水几乎都集中在汛期，汛期内降水多为暴雨天气，极易发生洪涝灾害。因此，在汛期内，水库需做好防洪措施，不敢蓄水，保持汛期内库水位较低的状态。北方灌溉、供水、发电的水库常常出现无水可蓄的现象，极大地影响到人们的生产生活。因此，在水库防洪与兴利上，还需要调度人员做许多调节工作。解决兴利与水库防洪的矛盾，关键要加强对水文情况的了解和预测，如果能对汛期来水情况进行准确的预测，水库调度工作将变得更为简单，防洪与兴利的矛盾也能迎刃而解。但是，目前的预报技术还不成熟，尚未达到可利用的程度，兴利与水库防洪的矛盾将在很长一段时间内影响着水库防洪调度工作开展。

3.流域内水库群联合防洪调度方法介绍

本文结合修河流域水库群的分布特点及防洪特性，主要介绍了两种防洪调度方法：常规方法和系统分析方法。

3.1常规方法

常规方法以调度准则为依据，是一种经验与理论参半的方法。这种方法利用水库防洪调度图及抗洪能力图等经验总结型的图表来对水库实施防洪调度措施。常规方法是一种经验性的方法，不能考虑预报因子，但它结合了水文因子、气象因子等对水库预留防洪库容的影响，对预泄、补偿调节及错峰等具有较大的指导意义。同时常规方法易于操作，简单直观，因此受到许多调度人员的青睐，被广泛应用于各种中小型水库防洪调度中。

二十世纪八十初期，刘建民等人以四川水库群为研究对象，提出了将保证率约束考虑在内的优化调度图的递推计算方法。1996年，姜万勤将该理论进一步拓展，提出了一种针对中小型水库区域洪水预报的图解法。

3.2系统分析法

近年来，系统分析法在水库群联合防洪调度中的应用越来越多，为国内外学者所钟爱，也是修河流域水库群联合防洪调度工作最为适用的调度方法。目前，最为常用的有模拟模型法和优化法两种防洪调度方法。endprint

3.2.1模拟模型法

模拟模型法充分利用计算机的计算能力，对已建立的数学模型进行多层次、有步骤、有计划的模拟运行，通过优选技术，对每次模拟运行的结果进行特性分析，从中选出最适宜的决策。模拟模型法将所有需要研究的客观系统都转化成了数学模型，与优化方法相比，它不受数学模型的限制，无论什么模型，计算机能运行。但是，模拟模型法却不能直接产生模拟对象的最优成果，只能提供模拟对象的活动过程。因此，在实际应用时，应将模拟技术与数学优选法相结合，进而确定最优解。

3.2.2优化方法

优化方法的原理与模拟模型法相似，它是使用目标函数与约束方程相结合的一个简化数学模型，直接求得最优解的研究方法。在流域内水库群联合防洪调度研究中，常采用的方法包括线性规划法、非线性规划法、多目标优化分析法、大系统分解协调法及动态规划法等五种方法。

（1）线性规划法

此法最早于上世纪40年代提出，是一种较早、较为简单、较为成熟且应用较为广泛的规划方法。线性规划法的求解方法和应用程序的研究较为成熟，大型线性规划已经可以做到同时求解数百个变量。

（2）动态规划法

动态规划法可以将多变量的复杂问题分解成数个只包括单一变量的简单问题，是目前最优化技术中适用性最强的数学方法。1990年，我国水库防洪调度学者李文家以黄河为研究对象，提出了黄河三门峡-陆浑-故县三水库联合防御下游洪水的胴体规划模型，奠定了动态规划法的研究基础。动态规划法的计算工作量较大，当水库数量增加时，会引起“维数灾”问题，需借助适当的方法进行降维处理。

（3）非线性规划法

非线性规划法能有效地解决其他方法不能处理的非线性约束问题及不可分目标函数问题，是目前最普通的数学规划方法之一。其缺点是优化过程较慢，对计算机内存需求较大，较复杂且目前尚无一套可用的求解方法和程序。

参考文献：

[1]冯尚友.水资源系统工程[M].水资源系统工程.湖北科学技术出版社，1991.

[2]于翠松.水库群防洪联合调度研究综述及展望[J].水文，2002，22（5）：27-30.

[3]欧阳硕，周建中，张睿，等.金沙江下游梯级与三峡梯级多目标联合防洪优化调度研究[J].水力发电学报，2013，32（6）：43-49.endprint