水庫(kù)汛限水位控制若干重要問(wèn)題研究及應(yīng)用.pdf

1、21世紀(jì)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，我國(guó)的防洪和供水安全保障任務(wù)將更加艱巨。堅(jiān)持防汛抗旱并舉，開(kāi)展水庫(kù)汛限水位控制方法研究，科學(xué)控制汛期實(shí)時(shí)庫(kù)水位，在保證防洪安全的前提下努力提高洪水資源利用率，是一項(xiàng)行之有效的非工程措施。水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算是水庫(kù)汛限水位設(shè)計(jì)和控制運(yùn)用的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)，汛限水位控制運(yùn)用分為靜態(tài)控制和動(dòng)態(tài)控制兩類(lèi)，本文針對(duì)這三個(gè)方面現(xiàn)有方法中存在的若干重要問(wèn)題，分為五個(gè)部分展開(kāi)研究： (1)水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算包括平

2、原型水庫(kù)和山區(qū)型水庫(kù)兩種情況?，F(xiàn)有平原型水庫(kù)調(diào)洪演算數(shù)值解法大都不能評(píng)估截?cái)嗾`差以及解法穩(wěn)定性，在Runge-Kutta-Fehlberg解法用四階與五階精度數(shù)值解之間的相對(duì)誤差來(lái)近似評(píng)估局部截?cái)嗾`差的基礎(chǔ)上；本文提出當(dāng)局部截?cái)嗾`差較小時(shí)，用每一步初始因變量值與反饋的因變量值之間的相對(duì)誤差來(lái)刻化數(shù)值解法局部穩(wěn)定性；進(jìn)而提出Runge-Kutta-Fehlberg-Reverse數(shù)值解法，經(jīng)兩個(gè)微分方程實(shí)例和一個(gè)水庫(kù)調(diào)洪實(shí)例研究表明，求解

3、精度得到提高。 (2)山區(qū)型水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算中，動(dòng)庫(kù)容曲線(xiàn)的資料收集困難，尤其是特大洪水資料短缺，現(xiàn)有方法大都不適于演進(jìn)關(guān)系水庫(kù)防洪安全的特大洪水?？紤]到動(dòng)庫(kù)容向靜庫(kù)容時(shí)刻存在著流量的轉(zhuǎn)移，本文引入轉(zhuǎn)移流量的概念，提出二階段模型，將山區(qū)型水庫(kù)洪水演進(jìn)分為兩個(gè)階段，第一階段用馬斯京根流量演算方程來(lái)描述，第二階段用平原型水庫(kù)洪水演進(jìn)方程來(lái)描述；并且給出試算法求解馬斯京根方程中的兩個(gè)參數(shù)，以及減半遞推法求解模型方程不連續(xù)的情況。該模型

4、可用于演進(jìn)一般洪水及特大洪水。經(jīng)實(shí)例研究表明，求解精度較高。 (3)汛限水位靜態(tài)控制目前分為基于汛期分期和基于洪水預(yù)報(bào)調(diào)度方式兩類(lèi)。基于汛期分期的汛限水位靜態(tài)控制研究重點(diǎn)是汛期分期和分期防洪標(biāo)準(zhǔn)的確定。針對(duì)當(dāng)前我國(guó)很大一部分地區(qū)氣候資料還比較短缺的現(xiàn)狀，本文提出了采用水庫(kù)控制流域的降雨資料進(jìn)行聚類(lèi)分析，然后采用洪水資料對(duì)分期結(jié)果進(jìn)行校正的汛期分期方法；降雨資料聚類(lèi)分析通?？梢愿呕癁橐粋€(gè)多維時(shí)間序列聚類(lèi)問(wèn)題，它要求聚類(lèi)方法將樣本進(jìn)

5、行合理分類(lèi)的同時(shí)具有處理多維和時(shí)間序列樣本的能力，并且能夠確定恰當(dāng)?shù)木垲?lèi)數(shù)目，鑒于目前常規(guī)聚類(lèi)方法不同時(shí)具備這些能力，本文提出了新聚類(lèi)原則：將時(shí)間軸上相鄰的相對(duì)距離最小的兩類(lèi)合并為一新類(lèi)，以及新聚類(lèi)有效性準(zhǔn)則：分類(lèi)恰當(dāng)時(shí)，同類(lèi)樣品之間距離的和(或均值)應(yīng)當(dāng)較小，而時(shí)間軸上相鄰兩類(lèi)之間距離的均值應(yīng)當(dāng)較大，耦合二者，建立了適合汛期分期等多維時(shí)間序列聚類(lèi)問(wèn)題的時(shí)間序列相對(duì)系統(tǒng)聚類(lèi)法；經(jīng)實(shí)例研究表明，汛期分期結(jié)果較合理。針對(duì)分期防洪標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，本

6、文運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)基本原理，在對(duì)現(xiàn)有兩種觀(guān)點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，提出了一種確定分期防洪標(biāo)準(zhǔn)的方法：主汛期按照規(guī)范要求保持汛限水位與汛期不分期時(shí)設(shè)計(jì)值相同，其它分期防洪標(biāo)準(zhǔn)等于分期數(shù)除規(guī)范規(guī)定的年防洪標(biāo)準(zhǔn)，并且據(jù)此推導(dǎo)出了分期數(shù)并不是越多越好的結(jié)論，和規(guī)范規(guī)定的以劃分2～3個(gè)分期為宣相吻合。 (4)基于洪水預(yù)報(bào)調(diào)度方式的汛限水位靜態(tài)控制法研究重點(diǎn)是洪水預(yù)報(bào)調(diào)度方式下汛限水位的設(shè)計(jì)。本文提出了約束前移法，采用面向?qū)ο蟮乃枷腭詈喜煌饔蚓唧w的洪水

7、預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期和基于常規(guī)調(diào)度方式設(shè)計(jì)汛限水位的結(jié)果，進(jìn)行汛限水位設(shè)計(jì)，克服了現(xiàn)有大多數(shù)方法中將洪水預(yù)報(bào)特征要素引入洪水量級(jí)判別指標(biāo)后帶來(lái)的預(yù)報(bào)要素的選擇、要素過(guò)程線(xiàn)的模擬、過(guò)程線(xiàn)誤差的風(fēng)險(xiǎn)分析等難題，經(jīng)實(shí)例研究表明，簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程且經(jīng)濟(jì)效益較顯著。該方法適用于規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的水庫(kù)，尤其適用于運(yùn)行階段由于調(diào)度方式的改變，需要重新復(fù)核汛限水位的水庫(kù)。 (5)汛限水位動(dòng)態(tài)控制中，降雨預(yù)報(bào)信息，尤其中期降雨預(yù)報(bào)信息對(duì)水庫(kù)防洪安全和蓄水興利起著

8、至關(guān)重要的作用。然而現(xiàn)有汛限水位動(dòng)態(tài)控制法大都只考慮短期降雨預(yù)報(bào)，且主要集中于24h短期預(yù)報(bào)。本文將目前世界先進(jìn)的中期數(shù)值降雨預(yù)報(bào)科技成果引入汛限水位動(dòng)態(tài)控制，首先定義三個(gè)參數(shù)對(duì)中期數(shù)值降雨預(yù)報(bào)信息進(jìn)行預(yù)處理，給出評(píng)估中期預(yù)報(bào)精度的指標(biāo)以及指標(biāo)的求解方法；然后利用上述三個(gè)參數(shù)，對(duì)汛限水位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制相對(duì)安全期進(jìn)行定義，進(jìn)而提出利用中期預(yù)報(bào)進(jìn)行汛限水位動(dòng)態(tài)控制的實(shí)時(shí)相對(duì)安全期法。由于該方法中的三個(gè)參數(shù)既決定著應(yīng)用預(yù)報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)，又決定著風(fēng)險(xiǎn)效