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1、水库汛限水位动态控制理论与方法,刘进宝,2010年1月20日,浙江同济科技职业学院水利系,热烈欢迎各位同行来我院交流学习！,汛限水位动态控制的工作内容,汛限水位控制的基本理论,课程提纲,汛限水位控制的发展过程,水库汛限水位的基本知识,展望,汛限水位动态控制的基本方法,1. 水库汛限水位的基本知识,重叠库容,汛期限制水位是水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位，也是水库在汛期防洪运用时的起调水位。 汛期限制水位是协调防洪和兴利关系的关键，对工程的防洪、灌溉、发电、引水、通航及水库淹没指标等均有直接影响。 汛期限制水位是防洪高水位、设计洪水位、校核洪水位等的调洪计算的依据。,1. 水库汛限水位的基本知识
2、,2. 水库汛限水位控制的发展回顾,随着社会经济的发展，水的供需矛盾日益加剧，人们水库的防洪安全与供水保障提出了更高的要求。在确保水库安全的前提下，科学地设计和运行汛限水位，合理地利用水库防洪与兴利的重叠库容，是提高洪水资源和水能资源的利用率，发挥水库综合利用效益，缓解我国水资源供需矛盾的有效手段之一。,可减少专用防洪库容，降低设计投资；（P2） 可提高防洪标准； 可提高兴利库容蓄满率和设计洪水保证率； 可增加洪水资源的利用量。,（1）全汛期汛限水位按照单一值控制新中国成立初期，一批大型水库建成，但由于全汛期洪水资料样本容量小，加上当时的人口少，经济不发达，用水水平低，污染较轻，水的供需矛盾不
3、突出。因此，全汛期都是设计一个固定的汛期限制水位值。,2. 水库汛限水位控制的发展回顾,（2）汛限水位分期与实时预蓄预泄控制20世纪50年代末开始，我国许多大型有调节性能的水库，为防止汛期弃水，汛后尽量蓄到正常蓄水位，防止洪水与水能资源的浪费，逐步采用“汛期分期设计运用多值汛限水位”，将全汛期划分为两期、三期、五期，甚至一日一个汛水位值，按照时序变化控制汛限水位控制值，从一定程度上提高了水资源和水能资源的利用率。,2. 水库汛限水位控制的发展回顾,分期设置汛限水位是依据历史水文气象资料，在历史重演的假定下，依据数理统计原理设计汛限水位，按照法定要求控制水库，并没有考虑在实时调度中利用实测资料或
4、预报的水文气象信息。即使面临时刻晴空万里，也要控制汛限水位值不超过设计的定期定值，以时刻防止遭遇下游防洪标准或水库设计标准洪水。所以对全汛期或主汛期只发生一两次较大洪水的水库而言，往往主汛期抓不住时机蓄水，即便后汛期设计汛限水位允许抬高，也无水可蓄。,实时预蓄预泄动态控制是利用洪水退水余量超蓄，但为防洪安全，在下次洪水起长前必须降回批复的定期汛限水位值。,2. 水库汛限水位控制的发展回顾,1957年，松花江流域大洪水后，丰满水库汛限水位采用分三期控制 19631965年，水文分析与计算、水工建筑物设计洪水规范草案、工程水文学论述了分期设计洪水的概念、原则和方法。 1977年，水库控制运用系统论
5、述汛期分期、短期洪水预报和利用洪水退水规律抬高汛限水位等思想。 1979年，汛期分期及分期法确定汛限水位写入规范； 1987年，综合利用水库调度完善了汛限水位动态控制的预蓄预泄方法。,2. 水库汛限水位控制的发展回顾,（3）水库汛期分期的气象成因与不确定性分析的汛限水位变化曲线,1984年，水位计算经验汇编第四集中，从气象的成因角度论述了岳城水库汛期分期方法； 1987年，陈守煜等在水利水文水资源与环境模糊集分析论文集中，提出了汛期的模糊集分析法。,2. 水库汛限水位控制的发展回顾,（4）预报调度方式确定汛限水位的研究与应用,1988年，辽宁大伙房水库联合大连理工大学研究了“应用降雨二级分辩预
6、报、洪水总量预报信息的预报调度方式” ，防洪效益近5亿元，可将沈阳和抚顺两个市的防洪标准提高到300年和100年，汛限水位由126.4 米提高到127.8米，年评价增加供应用水4300万方。 19931996年，国家防总组织专家力量深入研究。,2. 水库汛限水位控制的发展回顾,（5）水库防洪实时预报调度方法与水库汛限水位动态控制 方法的研究,1996年，国家防总联合大连理工大学出版水库防洪预报调度方法及应用，正式提出动态控制的概念； 19982001年，大连理工大学水文与水资源所完成“辽宁省大型水库特大洪水实时预报调度方法研究”； 20012004年，应国家防总要求，大连理工大学进行“水库汛限
7、制水位动态控制的专题研究”； 2004年通过国家验收，鉴定委员会认为该研究在降雨预报信息、洪水预报心情用于汛限水位动态控制方面取得了重大突破，达到国际先进水平。,2. 水库汛限水位控制的发展回顾,按照设计与运用所依据的信息类型和实时控制的理念与原则，汛限水位控制基本理论分为两大类。汛限水位静态控制依据历史资料设计出汛限水位固定值，且要求实时运用中严格按照设计值控制。汛限水位动态控制依据不同信息与方法设计出汛限水位域值，且运用中允许根据实时水、雨、工情及可利用的预报等综合信息，在此域值内上下浮动。,3. 水库汛限水位控制的基本理论,汛限水位静态控制法是基于传统的设计思想与理念，严格按照防洪设计或
8、汛期设计阶段确定的汛限水位及相应防洪调度方式运行，要求时刻防止小概率洪水事件的发生。,静态控制,3. 水库汛限水位控制的基本理论,设计标准的洪水随时可能发生，且机会均等；(P4) 面临时刻发生的洪水不是全年最大洪水； 汛期限制水位制约着防洪高水位、设计洪水位、校核洪水位。,首先根据历年实测洪水（暴雨）资料及历史特大洪水（或暴雨）资料，采用年最大取样法形成洪水系列，基于随即特性以及数理统计原理计算出不同典型的设计频率洪水过程。然后，设计不同的汛限水位方案与调洪规则方案，计算相应方案的防洪高水位、设计洪水位、校核洪水位、坝顶高程等防洪经济效益指标等。最后，通过综合分析选定汛限水位及其相应的防洪运用
9、方式与规则。水库运行期间应按照规范设计的汛限水位及其规则进行调度。,静态控制,3. 水库汛限水位控制的基本理论,（1）“全汛期运用单一值”法（现行规范法）依据历史洪水资料及其随机性假定，用统计学方法推求全汛期设计洪水，用不考虑预报的调洪方式调节计算得出汛期限制水位，运行中严格按照此值及相应的调洪方式控制，整个汛期采用一个汛限水位控制值。本方法按照现行的规范设计与防洪法运行。,静态控制,3. 水库汛限水位控制的基本理论,（2）“汛期分期运用不同值”法（现行规范法）依据汛期不同时段的洪水特征的明显差别与规律，基于成因与统计分析确定汛期分期，各分期仍用上述的计算方法求得相应的限制水位，运行中严格按照
10、分期设计值及相应的调洪方式控制。本方法也是现行的规范设计，通常将汛期限制水位分二三期。,静态控制,3. 水库汛限水位控制的基本理论,（3）“逐日或旬运用相应值”法基于汛期的模糊描述或暴雨量级升降连续变化的统计规律，应用滑动平均法或按照汛期的隶属程度预留防洪库容，并换算出逐日或旬控制的汛限水位值， 即水位以日或者旬进行变化 。尽管这种方法设计的汛限水位值随时间变动，但是面临时刻控制的值仍是设计是给定，运行方式与原设计相同，但可认作是动态控制的雏形。,静态控制,3. 水库汛限水位控制的基本理论,静态控制,（4）“预报调度方式抬高汛限水位”法设计洪水仍采用上述方法推求，但调洪方式考虑了洪水预报信息，
11、根据预报洪水提前判断发生洪水的量级，需要的防洪库容可减少，可提前预泄洪，因此可抬高汛限水位。对于运行多年且洪水预报精度较高、预见期较长的水库，在设计洪水及其特征值复核是，可用本方法。,3. 水库汛限水位控制的基本理论,动态控制,从不可能发生事件出发，综合利用现代科学技术提供的一切有用信息（如实时的水、雨、工情，水文气象预报的水、雨情及卫星云图与测雨雷达等），并采用弥补措施预防预报的小概率误差与稀遇洪水事件发生，安全经济地确定一个允许的汛限水位值动态控制域，并在此域值范围内对汛限水位实施动态控制。属于实时预报风险调度范畴。,将未来一段时期的汛限水位控制在原设计汛限水位上下的一个约束范围区域内,高
12、于原设计汛限水位的目的是充分利用洪水资源，且不降低原设计标准。,低于原设计汛限水位的目的是提高水库及其上下有原设计的防洪标准，且不降低原设计洪水保证率。,3. 水库汛限水位控制的基本理论,实施预报过程中，可以根据洪水预报信息、无雨或中雨以下量级降雨预报信息，将水库水位控制在汛限水位动态控制区域的上限，可在满足原设计防洪安全要求的前提下，提高洪水与水能资源的利用率。也可以根据中到大雨以上量级降雨预报信息及实际预报的洪水信息，将库水位控制在汛限水位动态控制区域的下限，可在保证兴利蓄水的前提下，提高水库的防洪能力。,动态控制,3. 水库汛限水位控制的基本理论,汛限水位动态控制法的理念是，全汛期以不可
13、能事件作为汛限水位控制的主体，采用弥补措施防止小概率预报误差或稀遇洪水事件的发生，且不增加水库设计的防洪安全与兴利供水风险，其实质承认以下基本假定：,动态控制法,设计标准洪水是预报无雨或小雨条件下的不可能事件；(P5) 设计标准洪水是中雨或以上量级降雨预报漏报条件下的可能事件； 若洪水起张时的水位值不超过动态控制区域的上限，则不增加原设计的防洪风险；若不低于动态控制区域的下限，则不降低原设计的供水保证率。,4. 汛限水位动态控制研究的基本方法,水库在实时调度中的“汛限水位动态控制法”，是指在设计的汛限水位允许控制的上下限域值内，根据水库流域的天气预报信息（包括短期和中期趋势预报）、降雨径流预报
14、信息、面临时刻水情信息、工情和灾情信息，在满足水库蓄水、水库泄水能力和防洪兴利要求的前提下，确定预见期内动态控制汛限水位具体数值的方法。,目前已有的和新近研究的汛限水位动态控制方法主要有：“预蓄预泄”法、综合信息推理模式法、耦合于防洪实时预报调度系统的汛限水位动态控制值优选法和综合信息汛限水位动态控制值推理决策表等4种方法，不同方法所涉及的关键因子各有差异，应根据各水库的具体特点选择适宜的汛限水位动态控制方法。,4. 汛限水位动态控制的基本方法,这是一种基于水库泄流能力，考虑洪水或降雨预报信息的汛限水位动态控制方法。基本思想：（1）当预报无雨时，在有效预见期内，水库有多大的泄流能力，就将汛限水
15、位上浮多少，且留有余地，保证在下次洪水起涨前降至原设计汛限水位值，目的是提高洪水资源的利用率；（2）当预报有较大降雨或已开始降雨，可根据有效预见期内退水过程余富水量，下调汛限水位，亦留一点的余地，当发生空报现象，利用退水余量将库水位回升到原设计汛限水位值，亦称预泄回充法，目的是提高防洪能力。,4.1 预蓄预泄法,关键因子：预蓄预泄法的安全性与洪水资源利用率主要取决于洪水或降雨预报的精度、有效预见期与水库的泄流能力等。效益分析：应用预蓄预泄法或预泄回充法所获得的效益，将随着中期降雨预报精度的提高与利用而加大。,4.1 预蓄预泄法,使用条件：当洪水预报精度高、有效预见期长且水库泄流能力大时，可以选
16、择考虑洪水预报信息的预蓄预泄法或预泄回充法。如洪水预报的有效预见期短，经分析某种预见期的某一降雨量级降雨预报信息达到可利用标准，则可选这种降雨预报信息的预蓄预泄法或预泄回充法；若仍有许多洪水资源可利用，可选用洪水预报、降雨预报两种信息的预蓄预泄法或预泄回充法。,4.1 预蓄预泄法,4.2 综合信息推理模式法,这是一种考虑洪水与降雨预报、实时水雨工情等综合信息的汛限水位动态控制法。基本思想：在分析影响汛限水位控制的各种因子的基础上，把调度人员的多年的调度经验和调度方式及其规则加以归纳，归纳出一个汛限水位、泄流量的控制规则集，依据此规则集转换为推理模式（称“大前提”）。水库实时调度时，便可根据面临时刻的综合信息（称“小前提”），通过推理方法，给出满意的汛限水位控制方案，以此指导水库蓄或泄。,关键因子：它的关键因子有洪水与降雨预报信息、实时水雨工情、历次发生的洪水统计成果及调度人员与决策者的多年控制经验等。 使用条件：若水库已运行多年且积累了丰富的防洪与兴利调度经验，洪水预报精度高，区域降雨预报信息可利用，则可试用本方法。,4.2 综合信息推理模式法,
