基于防洪调度的流域梯级水电站决策系统

张仁贡，钱镜林，黄林根，廖亚洲，巫地禄，鲍 敏

（1.浙江禹贡信息科技有限公司，浙江 杭州 310009；2.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310000）

1 总述

1.1 水系概况

衢江为钱塘江南源的干流，发源于安徽省休宁县青芝埭尖（海拔1 144 m）东麓，东南流至齐溪进入我省，开化县马金以下称马金溪；与池淮溪在华埠汇合后，称常山港；常山港由西向东行，左纳芳村溪，至衢州市柯城区双港口与江山港汇合后称衢江；衢江沿东北方向下泄，接纳了众多支流，呈羽状水系，其中较大的有右岸的乌溪江和灵山港，左岸的铜山源、芝溪，至兰溪市上华，右纳金华江后称兰江；兰溪市以下折向北流，至建德市梅城与新安江汇合（表1）。

表1 主要河流特征值

1.2 工程概况

衢州市水库众多，到目前为止，全市共有小（二）型以上水库458座（表2），其中大型水库有湖南镇、铜山源、碗窑、白水坑、沐尘5座，中型水库有黄坛口、周公畈、社阳、峡口、芙蓉、千家排、狮子口、齐溪、茅岗9座，小（一）型水库73座，小（二）型水库371座。全市有1～10万m3山塘1 687座，1万m3以下山塘约2.2万座，堰坝3 011条。各主要江河上都兴建了水利枢纽工程，其中常山港上有长风、天马、恒丰等水利枢纽工程，江山港上有双塔、棠村水利枢纽工程，衢江上有塔底、安仁铺、红船豆、小溪滩水利枢纽工程。另外，衢州市建有防洪堤480多km，其中50年一遇标准城市防洪堤88.16 km。

表2 大中型水库工程

1.3 水雨情观测系统

衢州市自2003年7月开始建设衢州市中小型水库自动测报系统工程，2004年5月完成工程建设。2007年年初开始建设重要小（二）型水库和重要小流域自动测报系统。到目前为止，已经建成251个自动雨量站，146个自动水位站，形成了一个较为完善的水雨情观测体系。

1.4 各主要支流洪水情况

各主要支流一般洪水情况下，洪峰传播时间大致如下：

乌溪江：湖南镇水库至黄坛口水库为1 h，黄坛口水库至樟树潭为2.5 h；

江山港：白水坑水库至峡口水库为3 h，峡口水库至江山双塔底水文站为5 h，碗窑水库至江山双塔底水文站为3 h；

常山港：齐溪水库至开化水文站为3 h，开化水文站至常山水文站为6 h；

衢江：常山水文站至衢州水文站为6 h，江山水文站至衢州水文站为6.5 h，衢州水文站至樟树潭为2.5 h，樟树潭至龙游水文站为5.5 h。

衢江最不利的洪水组合有：常山港与江山港最大洪峰叠加；乌溪江与衢江最大洪峰叠加；暴雨中心随洪峰向下游移动和复峰洪水等。如1992年“7.4”洪水、1998年“7.24”洪水等灾情较重的洪灾，均由上游两港洪峰叠加和暴雨中心长时间跟着洪峰移动所形成，使下游洪峰越来越大，且难以用常规的水文预报方法作出准确的洪水预报。而1955年“6.20”洪水是复峰洪水，对大中型水库防洪调度极为不利。

1.5 历史洪水

衢州市是洪灾多发地区，历史上曾发生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，超过百年一遇洪水标准。1915、1942年洪水达到或接近50年一遇洪水标准。建国后衢江出现超危急水位洪水的共有13 次，分别为 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（6.11 m）、1995年（6.24 m）、1997年（7.9 m）和 1998年（6.19 m、8.24 m）。其中1955年洪水为最大，衢江（衢州市水文站）实测的洪峰流量为8 500 m3/s（包括德坪坝、亭川分洪流量880 m3/s），洪峰水位达65.68 m（吴淞高程67.56 m），超过衢州危急水位2.06 m，超过20年一遇洪水标准。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别为7 070 m3/s和7 080 m3/s，略高于10年一遇洪水标准。

1.6 必要性分析

（1）“防洪水”是“五水共治”中的主要内容，也是历来水利工作的重要部分。本项目从非工程措施出发，以衢江流域为研究对象，开发衢江流域实时水雨情信息共享系统，通过该系统对流域的防洪形势进行分析，对未来的洪水形势进行实时预报，建立一套统一的衢江流域防洪调度方案，为“防洪水、排涝水”决策提供有力的技术支持。

（2）实时水雨情信息存在行政区划内“壁垒”。在过去较长时间内，水文资料按《水文专业有偿服务收费管理试行办法》进行收费，尽管2001年9月17日，水利部颁发了《关于公开提供公益性水文资料的通知》，规定了提供公益性水文资料的范围和收取印刷工本费的原则，但总的来说比较笼统，具体实施还有一定的困难，县与县之间水文数据还不能有效共享。因此，建立一套衢江流域实时水雨情信息共享系统，让客观上互联互通的衢江水，通过互联网的形式达到上下游水雨情情势互联互通，真正意义上实现“互联网+衢江流域防洪调度”。

（3）目前衢江上已建的水文数据信息还不够完善。近年来，通过不断投入，一些大中型水库、小（1）型水库、重要的小（2）型水库和重要小流域内均建立了自动水雨情测报设施。但由于流域综合开发，在河道内建设了大量的橡胶坝或翻板门型堰坝，这些工程中的绝大部分均未建设配套的水雨情设施。由于这些工程泄放水过程对下游影响较大，甚至会危及到下游工程以及人民生命财产安全。因此，有必要补充建设相应的水雨情设施提供实时水雨情信息和预警信息。

（4）经过多年建设，流域内水利工程梯级开发已初具规模，大大促进了当地社会经济发展。这些水利工程虽然也制定了相应的调度原则，但由于开发具有先后性，到目前为止并未形成一个统一的蓄放水调度原则。上游水库放水往往具有随意性，这使得下游水库的调度非常困难。这种调度方式，不仅不能达到整体水利工程兴利效益最优，而且还可能危及到下游水库的防洪安全。因此，有必要以整个衢江流域为研究对象，制定一套衢江流域综合调度方案，建立衢江流域洪水预报及防洪调度系统，在对各重要防洪工程和控制断面进行实时洪水预报的前提下，以综合调度方案为依据进行科学调度、整体调度。

（5）衢江上经过梯级开发，修建了多座电站，发电调度从计划制定到实时调度均采用经验调度，上游电站放水发电往往以“友情提示”的方式告知下游电站，下游电站因此作出相应的蓄放水决策。这种调度方式不仅预见期较短、而且难以从流域的角度综合考虑。同时，由于信息的“不可强制性”，也为下游的水利工程埋下了严重的安全隐患。因此，有必要建立一套兴利调度信息共享和决策系统，以规范各工程的兴利调度方式。

（6）本项目的实施可以提高水利工程科学管理及调度水平，为流域充分利用水资源、促进流域或地区社会经济和生态环境系统的可持续发展，进一步为“治污水、保供水”提供重要的技术支持。

2 研究目标

补充完善重要控制断面的水雨情监测设施，整合已有水雨情监测设施，建设衢江流域实时水雨情信息共享系统；建立重要水利工程（14座大中型水库以及塔底、安仁铺、红船豆、小溪滩水利枢纽）及水文站（江山站、常山站、衢州站和龙游站）洪水预报系统；开展衢江流域水库群联合调度研究，制定统一的流域防洪调度原则和兴利调度原则。通过上述研究，以达到衢江流域统一调度，科学调度，从而充分保障衢江流域防洪安全。

3 研究内容

3.1 实时水雨情信息共享系统建设

本系统建设主要包括两方面内容：①接入已建的实时水雨情监测信息；②通过现场调研，掌握已建的翻板门和橡胶坝等水利工程，建立可以反映其运行特征的实时水情监测设施，同时具备预警功能。

3.2 开发洪水预报系统

开发洪水预报系统的基本出发点是致力于提高洪水预报精度、增长洪水预报的有效预见期、扩大预报范围，提高预报作业速度，为各级防汛抗旱部门提供预报精度和预见期均满足防洪调度决策要求的洪水预报成果。

本次进行系统研究、开发的目标，是在相对独立的计算机网络环境下，开发衢江流域内14座大中型水库、塔底、安仁铺、红船豆、小溪滩水利枢纽以及江山水文站、常山水文站、衢州水文站和龙游水文站洪水预报系统，以达到及时准确地提供流域的实时暴雨洪水情报，更好地为防洪决策提供支持。

洪水预报系统的功能组成如下：

（1）预报模型。预报模型是预报系统的核心，目前在实时洪水预报方面，比较实用的是确定性概念模型。按照模型对象的不同可分为流域产流模型、流域汇流模型、河道汇流模型等。

（2）模型参数率定。基于建立的预报模型，选用一定时间的连续资料进行模拟计算，根据计算结果与实测结果进行比较，求出误差。再调整参数值，比较其结果和误差，直到误差满足精度要求。

（3）实时预报。洪水预报涉及信息读取、处理、计算、分析、发布等各环节，实时预报就是在计算机上完成洪水预报各环节，加快预报作业速度。

（4）实用模块。完成洪水预报、提高预报精度，需要许多辅助实用模块，如数据查错、数据等时段化处理、数学优化方法、实时校正方法、图形交互技术等。

3.3 建立水库群联合防洪调度方案

防洪调度系统的主要任务是在保证防洪工程安全的前提下，以损失最小、可操作性好为原则，根据单个水库防洪最优、从而分析流域整体防洪最优的原则，确定流域整体调度方案。

以设计洪水为研究依据，以历史典型洪水确定洪水地区组成，建立数学模型，通过优化算法计算出水库群最优调度方案。

对于n个水库，n个防洪点，考虑区间来水的防洪系统的最大削峰准则的目标函数为：

qi(t)为第i库第t时段的出库流量演算到防洪断面的过程；

Q区,i(t)为第i库到自身防洪点之间的区间流量过程；

βi为第i库到自身防洪点的重要性系数；

αi为第i库调度模式指示变量。

考虑如下约束条件：

（1）水量平衡约束

式中：T为调度期时段数；

式中：V(t)、V(t− 1 )为第t时段始末的水库蓄水量；Q(t)、Q(t− 1 )为第t时段始末的入库流量；q(t)、q(t− 1 )为第t时段始末的出库流量；∆t为时段长。

（2）水库最高水位约束

式中：Z(t)为第t时段末的计算水库水位；Zm(t)为第t时段末的允许最高库水位。

（3）调度期末水位约束

式中：Zend为调度期末计算库水位；Ze为调度期末的控制水位。

（4）水库泄流能力约束

式中：q(t)为第t时段末的出库流量；q(Z(t))为第t时段末相应于水位Z(t)的下泄流量；（5）上下库之间的水力联系

式中：Qj(t)为下游水库的入库流量；qz(t)为上游水库的下泄流量；Q区，Z(t)为区间流量。

3.4 建立水库群联合兴利调度方案

为建立梯级水库群优化调度模型，要把实际的流域水资源系统概化为由节点和有向线段等元素构成的网络。计算单元是基本而重要的节点，各种水源的供水都是在计算单元的基础上进行的。有向线段则代表了河道或渠道，它们反映了节点之间的水流传输关系。本项目概化原则是以水库为计算单位，以衢江干流为主线，涵盖整个兴利调度研究范围。

（1）目标函数

根据梯级水库调度实际，以供水量和发电效益最大为目标：

2）发电目标：

式中：gsit、gdit、fdit分别为水库t时段的供水量、谷电量和峰电量；

qi(t)、gi(t)、ri(t)分别为第i水库第t时段的入库量、供水量和下泄量；

TN=Ta×T0，TN为分析计算的总时段数，Ta为分析计算年数，T0为每年内的时段数，确定每天为一个时段；

a为峰电单价；b为谷电电价。

（2）约束条件

2）水电站出力约束

3）水量平衡约束

Qi(t)、EFi(t)分别为第i水库第t时段入库总水量、蒸发渗漏量。蒸发损失由坝址以上流域蒸发及水库水面面积求得，渗漏损失采用经验公式求得。

4）保证率约束

式中：p(k)、p0(k)分别为第k行业供水计算保证率和设计保证率。

5）非负约束

上述各式中的各决策变量大于等于零。

4 结论

通过探索和研究，笔者认为建设该系统是可行的，也是必要的，可以达到以下成果：

（1）可以建立衢江流域实时水雨情共享系统。

（2）可以建立衢江流域重点控制断面洪水预报系统。

（3）可以建立衢江流域水库群联合防洪调度系统。

（4）可以建立衢江流域水库群联合兴利调度系统。