应对干旱的黄河干流梯级水库群协同调度

科学控制梯级水库蓄泄过程是减少旱灾损失的重要手段。以减少干旱年份流域缺水量和优化缺水时空分布为目标,构建应对干旱的梯级水库群多时空尺度协同优化调度模型。采用交互式与改进粒子群优化方法,外层寻求多年调节水库旱限水位最优控制,内层优化梯级水库群年内蓄泄过程,实现流域水资源年际调控、年内优化、库群协同、空间协调。以2014年的黄河流域重旱为例,通过模型优化提出2012—2014年龙羊峡水库旱限水位及梯级水库群年内蓄泄过程,结果表明:通过龙羊峡水库旱限水位控制实现跨年度补水,控制各年度缺水率在4.9%~5.7%之间,通过水库群出库过程优化控制不同区域各时段缺水均匀分布,将农业缺水率控制在7.0%~11.0%之间,显著减轻了旱灾损失。     

基于水库群预报调度的黄河流域干旱应对系统

为有效应对日益严重的流域干旱问题,有必要开展面向干旱全过程的黄河流域干旱应对系统研究。基于干旱演变过程设计了干旱指数,通过天气预报模型、回归分析等进行干旱、需水与径流预报;设置多年调节水库旱限水位,实现水资源年际补偿;识别洪水和泥沙分期特征,采用分期汛限水位增加洪水资源利用量;建立了梯级水库群协同优化调度模型,调配抗旱水源。算例结果显示:黄河流域干旱应对系统能够平衡年际间的干旱损失以避免重度破坏,与实际情况相比,在重旱的2014年增加抗旱水源22.40亿m^3。建立的干旱应对系统已应用于黄河流域抗旱实践,提升了流域应对干旱的水资源调控能力。     

基于双层滑动的水库旱限水位确定算法

旱限水位是水库抗旱预警的重要指标, 可作为水库开展抗旱调度的重要依据, 开展不同类型水库旱限水位确定算法研究, 对水库旱限水位的推广及提升干旱主动防御能力有重要意义。本文探讨了水库旱限水位的概念内涵, 认为水库旱限水位是在干旱缺水条件下水库供水系统达到临界平衡的水位阈值。通过引入调度期、保证期等双层控制期, 提出了适用于多年调节、年调节、季调节水库的旱限水位双层滑动算法, 并且形成了旱限水位控制下的水库抗旱调度策略。通过对张峰水库与和川水库进行案例分析, 验证了双层滑动算法对于多年调节水库和季调节水库的可行性与合理性, 结果表明, 通过设定旱限水位, 可以在干旱前期预留水量, 有效缓解干旱年份的严重缺水情况, 各个行业的缺水率和严重缺水时段均有显著减少。本研究为水旱灾害防御部门制定水库旱限水位、指导水库抗旱调度提供了一套通用算法, 能够为干旱防御决策提供科学依据和技术支撑。     

耦合水库群参数化方案的区域陆面水文模拟

中国水库数目众多,密集的水库运行和调蓄影响着陆地水循环和陆气间的水分能量交换过程,给高强度开发地区水文规律认知和水文模拟及预报带来了挑战。围绕这一问题,本研究以鄱阳湖流域及流域内千余座水库为研究对象,从水库水量平衡方程、水库蓄泄规则、多阻断扩散波汇流等方面构建了水库群参数化方案,并从地表水、地下水、蒸散发、能量通量等角度实现了其与陆面水文双向耦合模式（CLHMS）的动态耦合。结果表明:所构建的水库群参数化方案可以较好地模拟水库的蓄泄过程,提高了耦合模式在鄱阳湖流域的径流模拟精度;水库群可以使赣江、信江、抚河丰水期径流减少3.7%~6.0%,枯水期径流增加5.9%~12.6%,多年平均径流减少0.6%~1.5%;在空间分布上,水库群对流域中部和北部径流的调蓄作用相对显著。本研究所改进的陆面水文模式可以为高强度人类活动影响下气象、水文、水资源交叉领域的研究提供分析工具和模型基础,从而支撑变化环境下区域水资源的可持续利用。     

江河断面分级分期旱限水位(流量)确定方法

江河断面旱限水位(流量)是流域干旱预警的重要指标,可作为启动流域抗旱应急响应、指导水利工程开展抗旱调度的重要依据。本文针对江河断面旱限水位的相关概念和技术问题,完善了江河断面旱限水位(流量)的内涵,指出其是表征河流进入低枯状态即将产生社会经济与生态环境缺水风险的水位(流量)阈值。考虑不同干旱程度及干旱期用水规律,从分级分期的角度提出适用于不同类型河段的江河断面分级分期旱限水位(流量)确定方法。通过对渭河临潼断面和抚河廖家湾断面的实例应用,验证了算法对资源约束型和综合约束型断面的适用性和合理性。本研究为水旱灾害防御部门制定江河断面旱限水位(流量)提供了通用算法,能够为干旱预警决策提供科学依据和技术支撑。     

雅砻江下游梯级水库生态友好型优化调度

根据雅砻江下游梯级水库水电站的布置和河道生态环境要求,分别设置了两个流量控制断面:锦屏二级电站引水闸址下减水河段、二滩电站坝址下游河段.针对这两个控制断面河道流量的要求,提出了25组生态流量控泄方案,建立了以梯级水电站群发电量最大为目标的长期优化调度模型,并采用动态规划法进行求解,获得各个方案下梯级水电站群多年平均发电量及水库调度出流过程.比较分析了减水河段生态流量及二滩水库泄流控制方案对发电量的影响,定义并计算了生态需水电能损失指标.对梯级水库调度出流过程进行了初步评价.结果表明:二滩水库出流维持天然径流模式,将限制水库调节能力和减少梯级电站发电效益.     

大规模跨流域水库群供水优化调度规则

针对大规模跨流域供水水库群联合调度中调水、引水、供水三者之间的复杂性、动态性和不确定性的特点,在二层规划模型的基础上,应用博弈论原理,建立跨流域水库群供水调度规则的三层规划模型,提出调水规则、引水规则和供水规则相结合的跨流域水库群优化调度规则,从深层次揭示跨流域供水水库群之间的主从递阶层次的独立性及相互关联性;并应用基于免疫进化的粒子群算法对模型进行分层优化求解。以滦河下游跨流域水库群为对象进行研究,计算结果表明:① 减少了水量损失,提高了水资源的利用率;② 提高了供水区唐山、天津的供水保证率,降低了缺水破坏深度。     

黄河流域水量分配方案优化及综合调度的关键科学问题

变化环境下缺水流域水资源演变与科学调控是国际上关注和研究的热点问题,也是中国水资源安全保障面临的重大难题。针对剧烈环境变化下黄河流域水资源显著减少、供需矛盾日益尖锐的问题,以提升流域水资源安全的调控能力为目标,识别了流域水资源供需演变认知—适应性评价—高效输沙—分水方案优化—协同调度的5大关键科学问题,从水资源供需演变机制分析、流域水量分配方案适应性综合评价、河库联动高效输沙水动力条件塑造技术、流域水资源动态均衡配置理论、复杂梯级水库群水-沙-电-生态多维协同调度等方面,提出了"黄河流域水量分配方案优化及综合调度"研究的总体架构和理论方法,构建了黄河流域水资源优化配置与协同调度技术体系,为提升缺水流域水资源管理能力与调度水平提供方法借鉴。     

混联结构水库群联合调度研究

以佛子岭、磨子潭、白莲崖水库群总兴利效益最大为优化目标函数,将水库特征水位、水位库容关系、水位泄流关系等作为约束条件,综合考虑水库群发电、灌溉、供水等功能要求,采用枚举法求解佛、磨、白三库联合防洪调度模型。研究成果表明,磨库对水库群防洪能力影响很小,白库由于能为佛库调洪,可大幅提高水库群的防洪能力,在维持原设计的佛、磨、白水库汛限水位分别为122. 56 m、182. 5 m和205 m的情况下,分别将126 m、230m作为“佛白联调的起调、止调水位”时,水库群将达到防洪校核标准,且总体兴利效益最大。     

水库预蓄效益与风险控制模型

在论述水库预蓄效益与风险分析的必要性和主要困难的基础上,首先提出一种风险率的计算方法;然后提出了一种经经济效益与风险率为目标的水库预蓄水位模糊优化控制模型及其求解方法,可供汛期分斯抬地限水位或实时决策控制预蓄水位时使用,为决策者提供有依据的信息;最后通过优选丰满发电厂水库预蓄高度算例,较详细地叙述模糊优化控制模型的建立及其求解方法,说明建模及求解方法理论是严密的,计算任意便且易于推广应用。     

龙羊峡水库兼顾中下游供水运用初步研究

借助于“黄河流域水资源模拟模型“,采用长系列模拟方法计算了龙羊峡水库兼顾中下游供水的效益。初步研究表明,龙羊峡水库可以在一定程度上兼顾中下游用水,特别是在枯水年能够有效减少干流缺水,虽然这是以上游梯级发电效益减少为代价,但代价甚微。     

变化环境下东江流域水文干旱特征及缺水响应

在干旱事件不确定性和枯期径流变异性的双重影响下,水文干旱特征时序非一致性问题为其联合分布模拟带来困难。基于东江干流测站日径流过程数据,采用游程理论提取水文干旱事件,并结合干旱特征均值变化、时序一致性分析及边缘分布模拟,以确定干旱事件融合及剔除评判标准的合理取值。基于Rosenblatt变换Cramer-von Mises检验统计量拟合方法,构建水文干旱特征两变量联合分布Copula模型,并根据同频法设计两变量组合值。通过对比枯期径流变点分隔子序列干旱特征,分析变化环境下东江流域水文干旱特征及缺水响应。结果表明:水文干旱事件融合和剔除的评判标准值分别取0.1和0.3比较合理。干旱特征两变量之间具有较高的正相关性,但不同时间系列不同变量之间的联合分布及边缘分布最优模型并不一致。流域水库尤其是新丰江水库的径流调节作用,对于缓解东江中下游水文干旱效果明显,超阈联合重现期为2年的设计干旱持续时间、总缺水量和最大日缺水量分别减少了63%~71%、71%~84%和30%~47%,但如果要满足东江河道内最小管理流量目标,其依然分别达到了12~18 d、6 114万~9 030万m3和715.0万~929.0万m3。     

黄河上游春季径流的特征

本文指出,在唐乃亥以上的黄河上游干流融雪径流是3月下旬至6月上旬期间径流量的主要成份,所占比例在40％以上。据此,对NOAA/TIROS气象卫星云图的积雪遥感信息应用于黄河上游春季融雪径流预报进行了尝试。根据1987年龙羊峡水库实测资料验证,预报精度在80％以上,基本符合业务预报要求。     

变化环境下澜沧江-湄公河流域干旱趋势

为提升变化环境下澜沧江-湄公河(简称澜湄)流经国对干旱的抵御能力, 亟需对流域未来干旱趋势进行科学研判。本研究选取了CMIP6的5个GCM模式, 使用3种共享社会经济路径-典型浓度路径组合情景下的驱动数据, 采用分布式水文模型CREST-Snow, 预估了2020—2050年澜湄径流演变和气象、水文干旱发展趋势, 量化了澜沧江梯级水库调度对未来径流的调节作用。结果表明: 2020—2050年, 澜湄流域整体呈湿润趋势, 但极端干湿事件发生频率增加, 其中2020—2029年干旱频发, 2030—2050年更偏湿润, 老挝、泰国2020—2050年干旱发生的频率和强度比流域内其他国家更高; 澜沧江梯级水库可有效提升下游干季径流量, 增幅从上游(99%)至下游(68%)递减, 在缓解湄公河干季旱情方面具有重要作用。未来有待进一步加强澜湄水资源合作, 优化水库调度方式, 促进澜湄流经国水旱灾害防治。     

龙羊峡、刘家峡水库运用对黄河上游水沙关系的调控机制

依据龙羊峡、刘家峡水库进出库水沙定位观测资料,根据河流动力学原理,分析了水库运用对径流泥沙过程的调节作用及其影响,揭示了水库对其下游河道水沙关系的调控机制。结果表明:①大型水库运用对进、出库径流泥沙的调节作用与水库的运用方式有关,多年调节的龙羊峡水库对径流为线性调控,对泥沙为非线性调控,而不完全年调节的刘家峡水库对径流、泥沙均为线性调控;②水库运用对其下游河道水沙关系具有很强的干扰作用,主要是打破了天然条件下河道通过长期自动调整所形成的输沙规律,改变了挟沙水流的本构关系;③大型水库运用对水沙关系动力学机制的影响主要归因于重新调整了挟沙水流的平衡条件,使洪水传播过程中切应力降低,临界弗劳德数增大,改变了相对平衡输沙状态,挟沙水流则需通过淤积增大比降,满足临界弗劳德数状态下的水流切应力要求,重新实现挟沙水流的平稳状态,从而致使水沙关系发生相应变化。     

概化的Tank模型及其在龙羊峡水库汛期旬平均入库流量预报中的应用

Tank模型（又称为水箱模型），是一种用于流域径流预报的确定性水文模型，根据龙羊峡水库入库主要产流区－－黄河上游唐乃亥水文站以上流域下垫面条件下产汇流特性，将其概化为以降雨量为输入，径流量为输出的单孔出流的线性水箱，工用于该水库汛期旬平均入库流量的预报，经对历史资料进行拟合和试验预报的 结果表明，该模型具有较高的预报精度，现已应用于黄河上游龙羊峡水库汛期旬平均入库来水量的中期预报中，取得了十分显著的经济效益。     

嵌入水安全调控因子的短期梯调优化模型

为在梯级水库短期优化调度中更有效地考虑河流水安全需求,建立一种通过调控因子对水安全需求进行表征的短期梯调优化模型。在该模型构建中,应用Vague集对河流水安全进行度量,并引入水安全调控因子,推导得到考虑水安全需求的梯级下泄流量约束计算公式,通过下泄流量约束将调控因子嵌入短期梯调优化模型。通过该模型,可根据河流水安全需求确定调控因子,并求解得到相应的短期梯调优化方案。嘉陵江中游航电三梯级的应用分析表明,该模型能在满足河流水安全需求情况下,实现短期梯调较优的经济效益。在短期梯调优化模型中嵌入水安全调控因子,与未嵌入调控因子情形相比,既能提高梯级发电效益,又能不降低梯级运行相关的河流水安全度。