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水库汛限水位控制若干重要问题研究及应用

李旭光  
【摘要】: 21世纪随着社会经济的飞速发展和人口的增长,我国的防洪和供水安全保障任务将更加艰巨。坚持防汛抗旱并举,开展水库汛限水位控制方法研究,科学控制汛期实时库水位,在保证防洪安全的前提下努力提高洪水资源利用率,是一项行之有效的非工程措施。水库洪水调节计算是水库汛限水位设计和控制运用的基础性环节,汛限水位控制运用分为静态控制和动态控制两类,本文针对这三个方面现有方法中存在的若干重要问题,分为五个部分展开研究: (1)水库洪水调节计算包括平原型水库和山区型水库两种情况。现有平原型水库调洪演算数值解法大都不能评估截断误差以及解法稳定性,在Runge-Kutta-Fehlberg解法用四阶与五阶精度数值解之间的相对误差来近似评估局部截断误差的基础上;本文提出当局部截断误差较小时,用每一步初始因变量值与反馈的因变量值之间的相对误差来刻化数值解法局部稳定性;进而提出Runge-Kutta-Fehlberg-Reverse数值解法,经两个微分方程实例和一个水库调洪实例研究表明,求解精度得到提高。 (2)山区型水库洪水调节计算中,动库容曲线的资料收集困难,尤其是特大洪水资料短缺,现有方法大都不适于演进关系水库防洪安全的特大洪水。考虑到动库容向静库容时刻存在着流量的转移,本文引入转移流量的概念,提出二阶段模型,将山区型水库洪水演进分为两个阶段,第一阶段用马斯京根流量演算方程来描述,第二阶段用平原型水库洪水演进方程来描述;并且给出试算法求解马斯京根方程中的两个参数,以及减半递推法求解模型方程不连续的情况。该模型可用于演进一般洪水及特大洪水。经实例研究表明,求解精度较高。 (3)汛限水位静态控制目前分为基于汛期分期和基于洪水预报调度方式两类。基于汛期分期的汛限水位静态控制研究重点是汛期分期和分期防洪标准的确定。针对当前我国很大一部分地区气候资料还比较短缺的现状,本文提出了采用水库控制流域的降雨资料进行聚类分析,然后采用洪水资料对分期结果进行校正的汛期分期方法;降雨资料聚类分析通常可以概化为一个多维时间序列聚类问题,它要求聚类方法将样本进行合理分类的同时具有处理多维和时间序列样本的能力,并且能够确定恰当的聚类数目,鉴于目前常规聚类方法不同时具备这些能力,本文提出了新聚类原则:将时间轴上相邻的相对距离最小的两类合并为一新类,以及新聚类有效性准则:分类恰当时,同类样品之间距离的和(或均值)应当较小,而时间轴上相邻两类之间距离的均值应当较大,耦合二者,建立了适合汛期分期等多维时间序列聚类问题的时间序列相对系统聚类法;经实例研究表明,汛期分期结果较合理。针对分期防洪标准问题,本文运用统计学基本原理,在对现有两种观点分析的基础上,提出了一种确定分期防洪标准的方法:主汛期按照规范要求保持汛限水位与汛期不分期时设计值相同,其它分期防洪标准等于分期数除规范规定的年防洪标准,并且据此推导出了分期数并不是越多越好的结论,和规范规定的以划分2~3个分期为宜相吻合。 (4)基于洪水预报调度方式的汛限水位静态控制法研究重点是洪水预报调度方式下汛限水位的设计。本文提出了约束前移法,采用面向对象的思想耦合不同流域具体的洪水预报预见期和基于常规调度方式设计汛限水位的结果,进行汛限水位设计,克服了现有大多数方法中将洪水预报特征要素引入洪水量级判别指标后带来的预报要素的选择、要素过程线的模拟、过程线误差的风险分析等难题,经实例研究表明,简化了计算过程且经济效益较显著。该方法适用于规划设计阶段的水库,尤其适用于运行阶段由于调度方式的改变,需要重新复核汛限水位的水库。 (5)汛限水位动态控制中,降雨预报信息,尤其中期降雨预报信息对水库防洪安全和蓄水兴利起着至关重要的作用。然而现有汛限水位动态控制法大都只考虑短期降雨预报,且主要集中于24 h短期预报。本文将目前世界先进的中期数值降雨预报科技成果引入汛限水位动态控制,首先定义三个参数对中期数值降雨预报信息进行预处理,给出评估中期预报精度的指标以及指标的求解方法;然后利用上述三个参数,对汛限水位实时动态控制相对安全期进行定义,进而提出利用中期预报进行汛限水位动态控制的实时相对安全期法。由于该方法中的三个参数既决定着应用预报的风险,又决定着风险效益,因此对该方法风险分析过程就是对上述三个参数的优选过程。基于此,分别定义评估风险、风险效益以及调度决策者承受风险能力的指标,建立控制风险在决策者承受能力内而追求风险效益最大的风险分析模型,即参数优选模型。经实例研究表明,该实时相对安全期法在保证防洪安全的前提下,增加了预见期,提高了经济效益。 本文最后对全文作出总结,并对有待进一步深入研究的问题进行了展望。


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