流域內水庫群聯合防洪調度研究

郭光玲

摘 要：21世紀以來，我國大力發展水電設施，大批水庫建成和投入使用，形成了許多巨型水庫群，如長江上游、三峽、黃河地區等，我國水電工程也漸漸由初期建設轉型到管理運行。因此，開展流域內水庫群聯合防洪調度研究，是順應時代的需求。本文首先介紹了流域內水庫群聯合防洪調度的研究現狀，總結了水庫防洪調度的特點，針對目前水庫防洪調度尚存在的一些問題，結合修河干流水庫群聯合防洪調度實例，介紹了幾種常用的解決辦法。

關鍵詞：流域內水庫群 聯合防洪調度 研究現狀 系統分析法 優化方法

1.流域內水庫群聯合防洪調度的研究現狀

1.1水庫群聯合防洪調度特點

水庫群聯合防洪調度不僅需要考慮到水庫上游防洪與水庫下游防洪的矛盾，而且還需要統籌興利與防洪的矛盾。它具有不確定性、實時動態變化、復雜多樣性等特點，是一個多階段、多對象、多屬性的復雜決策過程。水庫群聯合防洪調度不僅要對洪水的自然特性有一定的了解，包括洪水發生的原因、背景及發展規律；還需把洪水與人類社會相聯系，把握其中特殊而微妙的關系，如洪水對人類社會產生的財產威脅、環境破壞及生態影響，即洪水的自然屬性和社會屬性兩個方面。

1.2水庫群聯合防洪調度理論研究現狀

二十世紀六十年代開始，我國便開始著手研究水庫優化調度問題，八十年代末取得了一系列重大的突破，水庫優化調度迅速發展。1989年，董子敖等就水庫群調度及動態優化規劃技術的研究取得了重大成果，其詳細介紹了動態規劃優化理論及其在水庫群防洪調度中的應用，是我國水庫群聯合調度研究的萌芽。隨后，在1991年，馮尚友撰寫了《水資源系統工程》一書，為水庫群多目標優化調度奠定了理論基礎，該書系統地介紹了分解協調大系統的基本方法及其原理。

水庫群聯合防洪調度采用的主要方法是優化方法。二十世紀八十年代以來，國內外的學者們將非線性規劃、線性規劃、動態規劃等都應用于水庫群聯合防洪調度中來，并取得了較好的效果。這些水庫群聯合防洪調度優化技術為水庫防洪提供了新的思路，但由于其理論性強的特點，不能很好地模擬調度人員的防洪調度經驗，所以優化技術往往不能適應水庫實時防洪形勢的變化，在實際應用中仍與理論存在一定的差距。

本文以修水流域防洪調度工程為例，進行水庫群聯合防洪調度研究。該流域位于江西西北部，發源于江西銅鼓縣高橋村鄉白石村，流域面積達數萬平方千米，流經九江市修水、武寧、永修、瑞昌，宜春市銅鼓、奉新、靖安、宜豐、高安和南昌市灣里區、安義、新建等3市12縣（市）。目前修河干流上水文（位）監測站從上至下有：渣津站、高沙站、抱子石、虬津、永修、吳城。其中僅抱子石水庫新設了遙測站點觀測水位項目，屬于自動水位站點，且各庫均還以人工報訊的形式入網，防洪調度系統尚存在較大漏洞。因此，研究一套科學的防洪調度體系，運用恰當的水庫群防洪調度方法對修河水庫群進行聯合防洪調度很有必要。

2.水庫群聯合防洪調度存在的困難

（1）水庫防洪設計與實際運用時不相適應的矛盾

在水庫運行階段，由于水文地質條件的變化及人類生產活動的影響，流域內水文規律會發生較大的變化，相應地，洪水的統計參數也會隨著水文規律的變化而改變。以修水流域內的水庫群為例，其中大多數水庫的修建年代都較早，它們的防洪能力都是以當時的技術水平及洪澇資料進行修建的，如果按水庫原有的防洪設計對進行洪水調節能力計算，水庫最高庫水位常常會超過原先設計的最高洪水水位。

（2）水庫本身的防洪安全與水庫下游其他防洪安全的矛盾

水庫本身的防洪安全與下游防洪安全的協調是水庫汛期控制運用的首要任務。江西省雨水豐富，當發生特大暴雨時，修河上下游水量均較大，水庫自身的防洪安全與下游防洪安全便具有較為突出的防洪矛盾。沿河而下，各水庫的泄洪量需要仔細斟酌，從下游防洪安全的角度出發，水庫泄水少、泄水晚將極大地減輕下游的防洪壓力；而從水庫的防洪安全出發，在汛期則需早泄水、多泄水。渣津站、高沙站、抱子石、虬津、永修、吳城作為干流水庫，需要把握好其中的防洪矛盾，才能做到科學泄洪，正確防洪。

（3）興利與水庫防洪的矛盾

我國北方全年降水幾乎都集中在汛期，汛期內降水多為暴雨天氣，極易發生洪澇災害。因此，在汛期內，水庫需做好防洪措施，不敢蓄水，保持汛期內庫水位較低的狀態。北方灌溉、供水、發電的水庫常常出現無水可蓄的現象，極大地影響到人們的生產生活。因此，在水庫防洪與興利上，還需要調度人員做許多調節工作。解決興利與水庫防洪的矛盾，關鍵要加強對水文情況的了解和預測，如果能對汛期來水情況進行準確的預測，水庫調度工作將變得更為簡單，防洪與興利的矛盾也能迎刃而解。但是，目前的預報技術還不成熟，尚未達到可利用的程度，興利與水庫防洪的矛盾將在很長一段時間內影響著水庫防洪調度工作開展。

3.流域內水庫群聯合防洪調度方法介紹

本文結合修河流域水庫群的分布特點及防洪特性，主要介紹了兩種防洪調度方法：常規方法和系統分析方法。

3.1常規方法

常規方法以調度準則為依據，是一種經驗與理論參半的方法。這種方法利用水庫防洪調度圖及抗洪能力圖等經驗總結型的圖表來對水庫實施防洪調度措施。常規方法是一種經驗性的方法，不能考慮預報因子，但它結合了水文因子、氣象因子等對水庫預留防洪庫容的影響，對預泄、補償調節及錯峰等具有較大的指導意義。同時常規方法易于操作，簡單直觀，因此受到許多調度人員的青睞，被廣泛應用于各種中小型水庫防洪調度中。

二十世紀八十初期，劉建民等人以四川水庫群為研究對象，提出了將保證率約束考慮在內的優化調度圖的遞推計算方法。1996年，姜萬勤將該理論進一步拓展，提出了一種針對中小型水庫區域洪水預報的圖解法。

3.2系統分析法

近年來，系統分析法在水庫群聯合防洪調度中的應用越來越多，為國內外學者所鐘愛，也是修河流域水庫群聯合防洪調度工作最為適用的調度方法。目前，最為常用的有模擬模型法和優化法兩種防洪調度方法。endprint

3.2.1模擬模型法

模擬模型法充分利用計算機的計算能力，對已建立的數學模型進行多層次、有步驟、有計劃的模擬運行，通過優選技術，對每次模擬運行的結果進行特性分析，從中選出最適宜的決策。模擬模型法將所有需要研究的客觀系統都轉化成了數學模型，與優化方法相比，它不受數學模型的限制，無論什么模型，計算機能運行。但是，模擬模型法卻不能直接產生模擬對象的最優成果，只能提供模擬對象的活動過程。因此，在實際應用時，應將模擬技術與數學優選法相結合，進而確定最優解。

3.2.2優化方法

優化方法的原理與模擬模型法相似，它是使用目標函數與約束方程相結合的一個簡化數學模型，直接求得最優解的研究方法。在流域內水庫群聯合防洪調度研究中，常采用的方法包括線性規劃法、非線性規劃法、多目標優化分析法、大系統分解協調法及動態規劃法等五種方法。

（1）線性規劃法

此法最早于上世紀40年代提出，是一種較早、較為簡單、較為成熟且應用較為廣泛的規劃方法。線性規劃法的求解方法和應用程序的研究較為成熟，大型線性規劃已經可以做到同時求解數百個變量。

（2）動態規劃法

動態規劃法可以將多變量的復雜問題分解成數個只包括單一變量的簡單問題，是目前最優化技術中適用性最強的數學方法。1990年，我國水庫防洪調度學者李文家以黃河為研究對象，提出了黃河三門峽-陸渾-故縣三水庫聯合防御下游洪水的胴體規劃模型，奠定了動態規劃法的研究基礎。動態規劃法的計算工作量較大，當水庫數量增加時，會引起“維數災”問題，需借助適當的方法進行降維處理。

（3）非線性規劃法

非線性規劃法能有效地解決其他方法不能處理的非線性約束問題及不可分目標函數問題，是目前最普通的數學規劃方法之一。其缺點是優化過程較慢，對計算機內存需求較大，較復雜且目前尚無一套可用的求解方法和程序。

參考文獻：

[1]馮尚友.水資源系統工程[M].水資源系統工程.湖北科學技術出版社，1991.

[2]于翠松.水庫群防洪聯合調度研究綜述及展望[J].水文，2002，22（5）：27-30.

[3]歐陽碩，周建中，張睿，等.金沙江下游梯級與三峽梯級多目標聯合防洪優化調度研究[J].水力發電學報，2013，32（6）：43-49.endprint