一種基于庫容替代作用的水庫群汛期起調水位控制域上限的推求方法

本發明屬于水庫調度，涉及一種基于庫容替代作用的水庫群汛期起調水位控制域上限的推求方法。

背景技術：

1、為保障流域防洪安全，同時兼顧發電、航運、供水、生態環境保護等水資源綜合利用目標，各流域興修大量水利工程，形成梯級水庫群系統。梯級水庫群系統在防洪規劃設計時，每座水庫均以汛限水位為起調水位，保證工程遭遇各典型設計洪水的防洪安全，確定各水庫的防洪特征水位及相應庫容。而在實際運行中各水庫運行水位可能低于汛限水位，面臨洪水典型可能不是最不利典型，從而存在額外防洪庫容，有洪水資源利用潛力。梯級水庫共同承擔下游防洪任務，當上游水庫存在額外防洪庫容時，可替代下游水庫承擔防洪任務，從而下游水庫需要的防洪庫容減小，進而可利用一部分防洪庫容興利蓄水；反之下游水庫也可替代上游水庫承擔防洪任務，上游水庫可利用一部分防洪庫容興利蓄水，提高系統的興利效益。利用這部分額外庫容的關鍵在于解析庫容替代關系，即上游水庫存在1個億額外防洪庫容時，下游水庫可減少的防洪庫容量。

2、已有研究大多是通過水力聯系或約束將替代作用隱式考慮至優化模型中(ding,w,?et?al.flood?risk?quantification,?transmission,?and?propagation?analysisfor?flood?water?utilization?of?parallel?reservoirs,?j?hydrol,?2023,?618,129202.)。如jia?et?al.(2013)和zhou?et?al.(2018)過水力聯系建立上下游水庫預見期內水位上升空間的替代關系，為優化模型提供邊界條件(jia,?b,?et?al.?decomposition–coordination?model?of?reservoir?group?and?flood?storage?basin?for?real-timeflood?control?operation,?hydrol?res,?2015,?46(1),?11-25.zhou,?y,?et?al.methodology?that?improves?water?utilization?and?hydropower?generation?withoutincreasing?flood?risk?in?mega?cascade?reservoirs,?energy,?2018,?143,?785-796.)。少量研究量化了防洪庫容的替代關系，tan?et?al.(2017)首次定量解析了具有共同防洪任務的梯級水庫群，在保證系統防洪標準不變時，上下游水庫防洪庫容的替代關系(tan,?q,?et?al.?the?dynamic?control?bound?of?flood-limited?water?levelconsidering?capacity?compensation?regulation?and?flood?spatial?patternuncertainty,?water?resour?manag,?2017,31(1),?143-158.)。xiong?et?al.?(2023)和xie?et?al.?(2024)進一步解析了洪水類型對防洪庫容替代關系的影響(xiong,?f,?etal.?equivalent?relationship?between?flood?prevention?storage?of?cascadereservoirs?in?the?downstream?jinsha?river?and?three?gorges?reservoir,?j?waterres?plan?man,?2023,?149(8),?5023005.xie,?y,?et?al.?optimal?allocation?offlood?prevention?storage?and?dynamic?operation?of?water?levels?to?increasecascade?reservoir?hydropower?generation,?renew?energ,?2024,?228,?120676.)。但以上研究都是集中在防洪調度中，對于額外防洪庫容的替代關系還沒有研究。現有專利如“基于預泄規則下的汛期分期動態汛限水位確定方法”通過精細劃分汛期并結合洪水過程線來確定汛限水位，雖然提高了防洪需求的響應能力，但其局限在于未能充分考慮額外防洪庫容出現時的優化調度問題，以及多座水庫間的水位替代關系。“水庫動態汛限水位制定方法”通過聚類分析和引入整數變量進行預泄優化，增強了防洪調度規則的靈活性，但該方法主要集中在單個水庫的動態控制，對多水庫聯合調度和防洪庫容替代關系的研究仍顯不足。本專利構建了額外防洪庫容替代關系求解模型，推求了梯級水庫群中上（下）游水庫存在額外防洪庫容時，下（上）游水庫的汛期起調水位控制域上限。

技術實現思路

1、為解決現有技術存在的問題，本發明提供了一種基于庫容替代作用的水庫群汛期起調水位控制域上限的推求方法。該方法針對梯級水庫群中某個水庫起調水位低于汛限水位的情況，額外防洪庫容的利用方式，綜合考慮水庫的水力聯系以及調蓄影響，實現復雜庫群中防洪庫容替代作用，可以量化不同額外防洪庫容情況下的被替代水庫水位的運行上限。并以金沙江下游三峽梯級水庫群為例，驗證了本發明的合理性。

2、為達到上述目的，本發明的技術方案如下：

3、一種基于庫容替代作用的水庫運行水位上限推求方法，在庫容替代關系求解過程中，需遵循防洪標準不降低原則，為充分利用額外防洪庫容，保證庫容替代后各水庫的調洪高水位保持與汛限水位起調時一致。水庫群系統如附圖1所示，上游水庫進行庫容替代后會依次改變自身泄流過程、中間水庫的入流、泄流過程以及下游水庫的入流和泄流過程。為保證水庫庫容替代后的調洪高水位與汛限水位起調時一致，需要對上游水庫群的泄流進行，同樣要對下游水庫的上浮值進行循環試算，以保證充分利用額外防洪庫容，模型求解流程圖如附圖2所示，所述水庫運行水位上限推求方法包括以下步驟：

4、步驟1：以汛限水位起調，利用設計的聯合調度規則對各水庫進行調節計算；

5、1.1）設置各水庫起調水位為汛限水位，以設計洪水過程為輸入，按設計的聯合調度規則模擬各水庫的出流過程以及水位過程。

6、所述的設計的聯合調度規則為根據特定環境通過已知方式確定，通常根據現行水庫運用與電站運行調度規程確定。

7、1.2）基于1.1）調節的水位過程，確定各水庫的調洪高水位zmax,0，作為后面庫容替代的標準。

8、1.3）確定各水庫的水位漲水過程，并計算該方案下各水庫及系統總發電量。

9、步驟2：計算替代水庫的利用額外防洪庫容的泄流；

10、2.1）設置替代水庫低于汛限水位的起調水位為zup1,c，用公式（1）計算額外防洪庫容值，

11、（1）

12、式中，為額外防洪庫容，為汛限水位，為起調水位，為水位庫容函數。

13、2.2）確定替代水庫利用額外防洪庫容攔洪的泄流過程。為了在保證防洪標準不降低的同時，上游水庫最大限度多攔蓄洪水，將額外防洪庫容均勻分配在該水庫水位的上升時期，有效減輕下游水庫的防洪壓力，最大限度地發揮替代效應。替代水庫利用額外防洪庫容攔洪后的泄流計算公式如式（2）所示。

14、（2）

15、式中，為上游替代水庫考慮庫容替代的泄流量；為步驟1確定的上游替代水庫在汛限水位起調時的泄流；?為2.1）計算的上游替代水庫的額外防洪庫容值；為上游替代水庫洪水調度期上升時期的時段長。

16、2.3）將替代水庫利用額外防洪庫容削減后的泄流代入該水庫的洪水調節模擬模型，得到調洪高水位，并計算該水位與步驟一中以汛限水位起調的調洪高水位zmax,0之間對應的防洪庫容差值。若大于計算精度偏差，則將疊加原額外防洪庫容作為新的額外防洪庫容值，重復2.2）直至滿足偏差要求；所述的精度偏差設置為0.01億m3。所述的洪水調節模擬模型根據1.1節的聯合調度規則建立。

17、步驟3：模擬替代水庫與被替代水庫之間水庫的調節作用；

18、3.1）當替代水庫和被替代水庫之間存在其他水庫時，上游水庫的泄流還將經過中間水庫的調節。替代水庫泄流減少后，中間水庫的入流將減少，根據設計規則進行模擬計算，得到出流過程及調洪高水位，該水位將會低于該水庫以汛限水位起調的調洪高水位（該水位由1.2）計算得到），并計算其對應的防洪庫容差值。

19、3.2）將均勻分配至中間水庫的水位上升期，計算調整后的泄流，如式（3）所示。

20、（3）

21、式中，為調整后的泄流，為步驟3.1模擬出流過程的具體泄流值，tup2為中間水庫洪水調度期水位上升時段長。

22、3.3）將考慮中間水庫調節后的泄流代入該水庫的洪水調節模擬模型，得到調洪高水位，并計算該水位與步驟1中以汛限水位起調的調洪高水位zmax,0之間對應的防洪庫容差值。若大于計算精度偏差，則將疊加原額外防洪庫容作為新的額外防洪庫容值，重復3.2）直至滿足偏差要求。所述的精度偏差設置為0.01億m3。

23、步驟4：計算被替代水庫的汛期起調水位上限；

24、4.1）設置下游被替代水庫的替代庫容的初始值為零，即=0。

25、4.2）依據3.3）確定的中間水庫的泄流確定下游被替代水庫的入流，以替代庫容疊加汛限水位后對應的水位作為起調水位，根據設計規則（此處指1.1）設計的聯合調度規則）進行模擬計算，得到下游被替代水庫的出流過程及調洪高水位。計算調洪高水位與汛限水位作為起調水位時的調洪高水位（該水位由1.2）計算得到）之間的防洪庫容差值。

26、4.3）若大于計算精度偏差，將疊加替代庫容作為新的替代庫容值，重復4.2）直至滿足偏差要求；所述的精度偏差設置為0.01億m3。

27、步驟5：評估防洪庫容替代效果；

28、5.1）計算替代防洪庫容（運行水位上浮庫容）；

29、（4）

30、式中，定義為被替代水庫的替代防洪庫容，為被替代水庫經上游水庫替代后起調水位可上浮的最高水位對應的庫容，為汛限水位對應庫容。

31、5.2）計算替代比例；

32、（5）

33、式中，為被替代水庫被替代水庫的替代庫容，為替代水庫的額外防洪庫容。k為上游替代水庫對被替代水庫的替代比例，值越大表示替代效果越高，具體意義為上游水庫有1億額外防洪庫容時，可替代下游水庫k億額外防洪庫容，也即下游水庫運行水位可上浮k億。

34、5.3）計算增發電量；

35、（6）

36、式中，定義為系統增發電量，為系統有額外防洪庫容時進行替代調度下的總體發電量，為系統有相同額外防洪庫容時，不進行替代情況下的發電量。

37、本發明的有益效果為：

38、本發明通過建立庫容替代模型，引入額外防洪庫容的調度規則，解析梯級水庫群中上下游水庫的防洪庫容替代作用，針對上游水庫存在額外防洪庫容時，推求下游水庫的起調水位上限。通過綜合考慮水庫的水力聯系與調蓄效應，確保在防洪標準不降低的前提下，充分利用額外防洪庫容，減少下游水庫的防洪壓力，并提高興利蓄水能力。本發明提供的基于庫容替代作用的水庫群汛期起調水位控制域上限的推求方法，提高了梯級水庫群的防洪效率和資源綜合利用效益，尤其是在發電、供水方面具有顯著優勢。