考虑水电调蓄的西江水库群应急防洪调度研究

王方方，雷晓辉，彭 勇，王 旭，江 哲,3，宋 巍

(1.大连理工大学建筑工程学院，辽宁 大连 116024；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038； 3.南昌航空航天大学信息学院，南昌 330063；4. 北京市南水北调团城湖管理处，北京100089)

西江流域受地区季风气候影响，降雨时空分布不均且雨量年际变化大，洪水类型组成多样且存在较强突发性。流域上规划的控制性防洪水库除干流上的龙滩水库、支流郁江上的百色水库、老口水库和支流桂江上的青狮潭水库已建成外，大藤峡水利枢纽、洋溪水库等重要控制性防洪工程都尚未完工，且沿岸堤防基础薄弱，在应对突发洪水事件时防洪能力有限且响应不及时。如2015年11月份的流域突发洪水，由于缺乏有效的应急措施给工农业生产和人民生命财产安全造成了巨大损失。西江整个流域上分布有59个水电站，其中相当一部分中大型水电站如西津、岩滩、红花等电站的安全库容并未被充分利用，因此考虑在流域应急防洪中对具有防洪潜力的中大型水电站实施有效管理形成完整的防洪减灾体系。

近年来诸多学者对西江流域的防洪开展了卓有成效的工作，刘攀等[1]基于聚合—分解框架，构建了百色、龙滩、青狮潭3个并联水库的防洪调度函数，采用遗传算法实现西江防洪水库群优化调度模拟。胡秀英[2]针对常规调度规则存在的不足建立了龙滩水库、大藤峡水库的联合优化调度模型，并对模型进行优化求解，在梧州站实现了较于常规更好的削峰效果。解晓晨[3]结合百色水库、老口水库的防洪调度原则以及邕江防洪大堤的防洪能力，建立库堤联合防洪优化调度模型，对百色水库和老口水库的实际调度运行有一定的指导意义。然而上述联合调度方式尚不能满足流域的应急防洪需求，并未充分发挥流域防洪潜力。

西江流域内具备防洪能力的水库一般是以自身下游的防洪控制点作为调控目标，采用经验方法对防洪水库进行单库调洪或两三库联调[4]，库容的限制使防洪作用有限，面对近年来频繁发生大洪水的应急防洪尚存在很大安全隐患。因此，有必要开展水库群应急防洪优化调度方案研究，结合流域的洪水特性和工程特性，在突发洪水应急防洪中积极合理利用中大型水电站安全库容，充分发挥各水库防洪潜力，并对不同防洪目标采取针对性调度决策，解决不同防洪控制点之间的安全冲突，以实现西江沿程县市整体防洪效果最优，为进一步加强流域防洪调度统一管理和广西经济社会稳健发展奠定环境基础。

1 水库群应急防洪优化调度模型构建

流域水库群的应急调度是针对超标准洪水的优化调度，需要考虑实际调度中的时效性并且最大程度利用库群有效库容。西江流域现有的防洪措施仅为大型防洪工程如龙滩、百色、老口水库的联合调度，对下游断面的防洪能力有限且对突发洪水的应急响应不及时。流域上中大型水电站一般按照径流式进行调节下泄，并不参与流域防洪。针对西江流域工程特性，仅按照其经验规律进行应急防洪已不能满足安全要求，而流域中具备防洪潜力的中大型水电站可以辅助削峰滞洪，影响水库下游洪水过程，因此在流域水库群应急防洪调度模型中考虑挖掘中大型水电站的防洪潜力共同参与应急调度。

1.1 应急标准

流域水库群的应急调度与常规调度的区别在于应急调度为针对防洪断面出现超安全泄量洪水过程的非常规调度，因此需要根据防洪断面的来水情况来判断是否启动应急方案。在西江流域中主要防洪控制断面为流域上游红水河上的迁江断面，其汇入柳江后的武宣断面和下游黔江的梧州断面，根据不同断面的防洪要求相应选择参与应急防洪的水库和电站实施应急方案。同时由于应急调度的时限特征使得需要考虑实际调度中的时效性，尽量减少闸门启闭频次来缩短应急时间。

1.2 西江应急防洪调度网络概化

西江流域涉及柳江、郁江、桂江等多条支流，共59个电站，25个防洪水库，流域防洪对象主要为沿江各防洪市城区，选择防洪控制断面从流域主要控制水文站选择。红水河下游控制流域的重点水文站为迁江站；黔江干流有广西重点防洪市县武宣县；郁江流域的重点防洪城市为省会南宁；西江干流选仅有的梧州市为作为防洪目标。流域水库群应急防洪优化调度模型的建立需要对现有的众多枢纽进行筛选，根据水库地理位置、控制洪水来源的比重、防洪库容的大小及担任综合利用任务的情况进行择优处理，筛选之后建立如图1所示的网络拓扑结构。

结构图根据防洪控制站将整个流域分为红水河、柳江、郁江和黔江四部分，各部分包含该区域对应的控制断面，以及断面上游参与防洪的水库和水电站。常规调度以龙滩、百色和老口按防洪调度规则联合调度承担防洪任务，水库群应急优化调度则在其常规防洪任务外，由岩滩、乐滩对龙滩未控洪水或迁江断面的洪水进行蓄洪滞洪；遭遇柳江大洪水时，辅以红花电站和大浦水库进行滞洪对武宣断面进行错峰；遭遇郁江大洪水时，除了武宣断面对红水河上游的拦洪，辅以西津、长洲等电站对百色和老口防洪能力之外的洪水进行调蓄，共同保障梧州断面的安全。对于省会南宁，其上游已经建有百色和老口两座大型防洪水库，有相对安全的防洪保障，且其上游电站的库容值相对较小，因此不再考虑电站的优化。

图1 西江流域拓扑结构Fig.1 Topology of Xijiang river basin

1.3 优化变量

水库群实时应急防洪调度需要较高的操作性以及时效性，因此需要尽量减少泄洪改变次数以减少闸门启闭频次。在联合应急防洪调度中根据来水过程分阶段调度，即开始优化之前、优化期间和优化终止之后3个阶段。优化之前和优化之后按照天然来水过程进行下泄；优化期间则根据错峰或滞洪需求对泄量按照某一定值下泄。因此每个电站整个优化过程中需要优化3个变量：开始优化时间点、优化期间泄量和结束优化时间点。水库群应急调度模型中具体优化变量的个数根据防洪控制断面决定，不同的控制断面其削峰效果的优良取决于该断面上游各水库的泄流过程，因此变量个数是动态的。例如以武宣断面作为防洪断面时，龙滩水库和大埔水库按照原来拟定规则进行调洪，岩滩、乐滩和红花电站参与优化调度辅助削峰，此时优化变量包括3个电站的优化起止时间点和优化泄量，共9个优化变量。以此类推，梧州站作为防洪断面则共15个优化变量。3阶段控制有利于统一各个调洪水电站的应急调洪原则，减少操作时间，充分利用库群安全库容，发挥上游各库库容补偿作用。

1.4 约束条件

在水库群应急防洪优化调度模型中同时存在防洪水库和水电站。两者设计目标不同，调洪库容也应区分约束。鉴于安全考虑，防洪水库利用汛限水位和防洪高水位之间的库容来调洪，水电站利用汛限水位和正常高水位之间的库容作为安全库容[6,7]。从汛限水位起调，时段长采用1 h，针对7 d的短期洪水进行应急调度。具体约束条件如下。

水量平衡约束：

Vn(t)=Vn(t-1)+[Qnin(t)-Qnout(t)]Δt

(1)

库容约束：

(2)

水库泄流能力约束：

Qnout(t)≤Qnmax[Zn(t)]

(3)

边界条件约束：

Vn(0)=Vnb

(4)

马斯京根流量演算约束：

Qk(t)=Ck0Qk-1(t)+Ck1Qk-1(t-1)+

Ck2Qk(t-1)+Qkq(t)

(5)

时段长约束：

0

(6)

式中：Qnin(t)和Qnout(t)分别为t时刻第n个水库的入库和下泄流量；Δt为计算时段长度；Vn(t)、Vnmin(t)和Vnmax(t)分别为t时刻第n个水库的库容、最小和最大允许库容，下标1和2分别代表防洪水库和电站；Zn(t)和Qnmax[Zn(t)]分别为t时刻第n个水库的水位和该水位对应的下泄能力；Vnb为第n个水库调度期起调水位对应的库容；Qk(t)、Qk-1(t)、Qkq(t)分别为第k个马斯京根演算河段上、下断面第t时段的平均流量及演算河段的区间入流；ck0、ck1、ck2为第k个马斯京根演算河段的演进参数；Tn1和Tn2为开始优化时间和终止优化时间对应的时段；T为总时段数。

1.5 目标函数

采用流域防洪断面最大削峰[3]为目标。将流域网络概化水库群视为整体，充分发挥流域内各水库间的库容补偿调节作用，使下游防洪控制点的最大流量最小，最大程度提高防洪效益。应急防洪调度目标函数的数学表达形式如下：

(7)

式中：q*max为防洪控制断面的最大流量的最小值，m3/s ；Qw(t)为时段t防洪控制断面平均流量，m3/s；T为调度时段总数。

1.6 模型求解及程序实现

前文已将流域水库群应急防洪优化调度转换为单目标最小值优化模型，选用适合于大范围约束下优化的GA算法进行求解。GA算法[10]是一种借鉴生物界的适者生存、优胜劣汰遗传机制演化而来的高效随机化搜索方法。按照GA算法对库群应急防洪优化调度模型进行种群初始化、交叉、变异及选择4个环节迭代计算至进化到最大代数，选出最后一代种群中适应度最小个体，其元素代表的变量参数值即为优化所求取值，计算结束。为了实现流域控制断面和库群调洪方式的动态选择，运用程序针对水库群应急防洪优化调度模型建立通用化系统[8]，系统分为数据输入、运行控制和结果输出三部分。

系统输入主要对模型计算的数据格式及模型参数进行处理。选用简单高效的mysql数据库来存储数据[9]，方便数据转换和模型调用。

运行控制是系统的核心部分。根据选择的应急防洪目标确定控制断面；根据洪水大小或削峰量的需求对参与调洪的水库下泄方式进行设置，在系统中水库下泄方式分为优化和常规下泄两种属性，对小洪水或非汛期，调度防洪水库即可满足防洪需求，调度电站反而会增加操作的复杂性，而在应急防洪中可根据防洪断面的需要增加或减少流域网络结构中参与优化调度的水库或电站，系统自动根据其属性设置进行模型计算。

在运行控制中计算结束后系统输出部分即可展示调度结果。在结果中比较水库群常规和联合优化下泄的情况下防洪断面的来水过程，同时展示各个防洪断面上游各水库的来水和泄洪过程，便于分析比较调度方式的合理性。

2 案例分析

典型年洪水选取的依据为对流域防洪较为不利的实测洪水过程。本次研究中选择西江流域整体防洪目标梧州站实测洪峰流量较大的不同类型洪水作为典型，选取1962、1966、1968、1970、1974、1976、1978、1983、1994、1996、1998、2001、2002年共13场洪水。13场典型洪水过程又可以分为上中游型、中下游型及全流域型3种洪水类型。

2.1 洪水处理

由以上分析选择迁江、武宣和梧州站为防洪断面，断面洪水达到其安全泄量时即运用应急调度模型对其上游进行调洪。根据防洪断面对应安全泄量的设计频率按照峰值同倍比放大对典型年洪水过程进行处理。设计洪水地区组成按照典型年法进行分配。对13场典型洪水分类型进行常规和模型优化调度，各防洪控制断面结果对比展示见表1。

表1 应急调度和常规调度结果 m3/s

2.2 各站调度结果对比及分析

3个防洪控制断面所在地理位置不同，因此针对不同类型的洪水削峰效果也有区别，分别对3个防洪控制站在不同类型洪水下的常规和应急调度结果进行比较分析。

对于红水河下游重要防洪控制站迁江站，其对应安全泄量值为1.64 万m3/s，将各典型年洪水按照相应20年一遇频次的倍比系数进行放大得出设计洪水。常规调度的设置为龙滩水库按常规下泄，其他电站按径流式下泄；优化结果对应的模型设置为在龙滩按照原来规则调度的基础上对迁江上游的岩滩和乐滩优化下泄，利用水电站安全库容进行滞洪。对比结果发现，常规调度结果平均削峰2 275 m3/s，优化平均削峰2 750 m3/s。对于全流域型洪水平均削峰多600 m3/s；上中游型洪水平均削峰多750 m3/s；中下游型洪水平均削峰多500 m3/s。

对比迁江站整体削峰效果发现上中游型较好，主要是因为流域上中游型洪水主要来自红水河一带，峰高量急，而中下游和全流域型洪水中郁江和黔江洪水所占比例较大，迁江一带洪水过程较为平稳。其中1976年洪水优化作用尤其明显，主要是因为该场次洪水龙滩和岩滩区间洪水所占比例较大，因此优化过程的滞洪效果较为明显，见图2。相比1966和1983年洪水常规和优化效果相差不多，主要是因为该次洪水主要来源为龙滩上游，因此优化作用不明显。

图2 1976年洪水对比结果Fig.2 Comparison result of flood in 1976

对于黔江下游沿岸重要防洪控制站点武宣站，其安全泄量为20年一遇对应3.63 万m3/s。表1中常规结果对应的是柳江和红水河上的防洪水库即大埔和龙滩常规下泄；模型优化结果对应的设置则为在常规规则调度的基础上，对迁江断面上游的岩滩和乐滩优化调度进行滞洪，同时对柳江上的红花电站优化调度进行辅助错峰，结果显示，常规调度结果平均削峰2 450 m3/s，优化平均削峰3 100 m3/s。对于全流域型洪水平均削峰多700 m3/s；上中游型洪水平均削峰多750 m3/s；中下游型洪水平均削峰多300 m3/s。

上中游型洪水集中在柳江和红水河即武宣站以上区域，尤见1970年洪水，经过峰值同倍比放大后迁江水文站洪峰流量为1.995 万m3/s，柳州水文站洪峰流量为1.635 万m3/s。经过常规泄洪和模型优化，武宣站的洪峰分别减少到3.185和3.310 万m3/s，见图3。中下游型洪水中暴雨中心主要集中在郁江和黔江干流，且红水河和柳江的峰现时间不同，洪峰叠加不明显，因此相对上中游型洪水削峰量偏小。对于2002年出现的优化值小于常规值，可能是因为优化变量中泄量的优化个数太少导致。1978年出现的其中某些值出现反常，可能是由于根据有限典型年水文数据优化出的马斯京根参数的适用性有限。

图3 上中游型洪水对比结果Fig.3 Comparison result of upper-middle reaches type flood

对于梧州站，它的调度结果来自对全流域的控制，常规结果中对龙滩、百色和老口以及大埔水库进行常规调度，优化结果来自对流域网络结构中常规调度结合电站的综合优化调度。分析发现模型整体优化比常规多削峰1 100 m3/s；对于全流域型洪水，优化调度平均多削峰1 200 m3/s；对于上中游型洪水，可使梧州平均削峰多600 m3/s；对于中下游型洪水，可使梧州平均削峰大约多900 m3/s。

分析发现梧州站中全流域型洪水削峰效果最优。全流域型洪水的降雨范围比较大且组合叠加较好，使得洪水量级沿柳江、黔江和干流逐渐增大，最后在梧州站达到其安全泄量4.120 万m3/s。1962年全流域洪水郁江和红水河来水均峰高量大且洪水叠加明显，西津电站发挥错峰作用的同时长洲电站有效拦洪，梧州水文站经过常规泄洪和系统优化洪峰分别减少到3.490和3.360 万m3/s，过程见图4。对于其他类型的洪水，由于梧州站的来水受全流域综合调度的影响，因此削峰效果同样优于其他控制断面。

图4 全流域型洪水对比结果Fig.4 Comparison result of total basin type flood

2.3 综合分析

综合分析发现，模型应急优化防洪调度结果整体优于常规防洪调度结果，对全流域型洪水模型优化的优越性更明显。且针对不同的洪水类型各站的优化特性也有区别。梧州站对全流域型洪水的应急调度效果显著，武宣站在上中游型洪水中实现了较好的错峰，迁江站对上中游型洪水中红水河流域占主要比例的晚发型洪水实现较好削峰。但是偶尔会出现优化结果不及常规调度的情况，这是因为模型优化中调洪期间对泄量的优化并未多次分级，而是采用单一泄量进行调度，使得优化过程存在一定局限性。针对上述情况，可以对结果进行多次模型计算，从中择优选取。其中部分年份常规调度结果比实际值大，主要是由于马斯京根参数率定结果的适用性有限，以及区间洪水的推求过程中集雨面积误差较大造成的，但是不影响整体优化相对常规的优越性。

3 结 语

本文针对西江流域的洪水及工程特性，在应急状态下调用中大型水电站的安全库容，进行滞洪错峰调节，并建立系统实现模型通用化，方便控制断面及库群调洪方式的动态选择，满足不同利益主体的需求，经过对不同类型洪水的案例分析运用，实现了比常规调度更优的削峰，使得西江流域沿江城市得到更好的安全保障。

在本次研究中为了便于应急实时控制，优化变量的阶段控制较为简单，在实际调洪中可以多样分级调节，实现更好的削峰效果。防洪与发电应尽量结合，由于本文研究的是对洪水的短期应急控制，暂时没有考虑发电，西江流域储存丰富的电能，在对持续时间较长的洪水研究中可以把发电、生态、航运等同时作为目标实现多目标权衡的效益分析。防洪效益的估量要实事求是，由于西江流域涉及众多城市和水利枢纽，不确定因素较多，因此在模型运用时要适当留有余地。

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[1] 陈西臻, 刘 攀, 何素明. 基于聚合-分解的并联水库群防洪优化调度研究[J]. 水资源研究, 2015,(1):21-31.

[2] 胡秀英. 广西西江流域干流水库防洪优化调度研究[D]. 南宁:广西大学, 2015:20-60.

[3] 解晓晨. 南宁市库堤联合防洪优化调度研究[D]. 南宁:广西大学, 2014:10-60.

[4] 李 玮. 水电站水库群防洪补偿联合调度模型研究及应用[J]. 水利学报, 2007,38(7):827-930.

[5] 王本德, 周惠成, 程春田. 梯级水库群防洪系统的多目标洪水调度决策的模糊优选[J]. 水利学报, 1994,(2):31-41.

[6] 张晋新. 水电站水库防洪优化调度的模型与方法[J]. 水利科技与经济, 2008,14(2):92-94.

[7] 宁 磊，胡昌盛，游中琼. 溪洛渡、向家坝水电站对长江中下游防洪作用分析[J]. 武汉大学学报(工学版), 2009,42(4):443-447.

[8] 王 军. Dom4j在数据交换中的应用[J]. 计算机与现代化, 2007,(5):109-114.

[9] 肖 袁. 基于DOM4J的XML文档解析技术[J]. 科技信息, 2011,(2):229-231.

[10] 周 明, 孙数栋. 遗传算法原理及应用[M]. 北京:国防工业出版社, 2005:3-70.