专家讲解：交互式水库防洪调度决策分析系统(防洪调度水库洪水水位)

适应气候变化的交互式水库防洪调度决策分析系统

摘 要：

面对日益加剧的气候变化,提供实用快速的水库防洪调度决策分析工具非常必要。
本文建立了水库防洪调度的常规调度模型和多目标优化调度模型,开发了两种模型的人机交互式计算工具,并通过优化调度模型的非劣解集分析水库防洪风险,在灵活的人机交互计算基础上给决策者提供方便快捷的辅助决策。
开发的交互式水库防洪调度决策分析系统可实现:(1)不同水库和洪水过程的添加和选择;(2)防洪常规调度和优化调度的计算;(3)动用防洪库容和最大下泄流量关系实时计算并图形显示;(4)基于最大下泄流量与洪峰流量比例的多目标优化调洪计算;(5)计算结果的交互计算分析,可人为调整入库流量、水库各时段水位或下泄流量后,重新进行交互计算;(6)计算结果特征值实时统计显示等功能。
经多个水库的实例验证表明,该系统能很好地适应不同类型的水库和各种类型的洪水,可作为复杂气候变化条件下水库防洪调度决策的分析工具。

关键词：

气候变化; 人机交互; 水库; 防洪调度; 决策分析;

作者简介：

艾学山(1972—),男,副教授,博士,主要从事水库调度、水资源规划与管理等方向的研究。
E-mail:xsai@whu.edu.cn;

董祚(1989—),男,博士研究生,主要从事水库调度、水资源系统分析方向的研究。
E-mail:dongzuo@whu.edu.cn;

基金：

国家自然科学基金项目(51779177,51479141);

湖北省水利重点科研项目(HBSLKY201916);

引用：

艾学山，支悦，董璇，等． 适应气候变化的交互式水库防洪调度决策分析系统［J］. 水利水电技术，2020，51( 10) : 180-187.

AI Xueshan，ZHI Yue，DONG Xuan，et al． An interactive decision analysis system for reservoir flood control operation adapted to climate change［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51( 10) : 180-187.

洪水灾害是常见的自然灾害,易对人类经济社会发展和安全造成了极大的破坏。
水库防洪调度受入库洪水过程的直接影响,而入库洪水又受到上游流域降水和气候变化的直接影响。

气候变化是当今国际社会普遍关注的全球性重大问题,其主要特征是全球气候变暖和极端气候事件的频率和强度增加。
近年来,全球环境的不断变化使得极端天气和气候事件的频率、强度、空间范围及持续时间发生了显著改变,预估未来强降水等极端气候事件出现的频率和强度都将增加[5,6]。
气候变化造成区域水资源时空分布不均的情况进一步加剧,形成的强对流天气过程和局地强降雨将会对入库洪水产生极端影响,增加了水库防洪调度的难度和风险。

水库调度中存在多种水文、水力、人为决策等不确定性因素,导致防洪调度系统存在不同程度的防洪风险,因此有必要对当前的运行方案、自动决策方案以及即将要执行方案的风险情况进行分析,以便掌握当前水库运行的状态。
对已建水库,其工程措施基本不变,非工程措施成为提高防洪效果的主要手段。
水库防洪包括库区防洪,大坝自身防洪和下游控制点防洪三部分,而库区防洪和大坝自身防洪可通过坝前水位控制反应,因此协调水库坝前水位和下游控制点的防洪风险是水库防洪调度中需要考虑的两个主要方面。
水库防洪调度属于典型的防洪非工程措施,其通过控制水库泄流对入库洪水进行调蓄,以保障上、下游防洪对象的安全,并尽可能使水库取得最大效益。

协调水库大坝和下游承担的防洪风险,综合考虑库区及下游区间产汇流过程、下游河道行洪能力变化、后期降雨预报等影响因素,实时调整水库泄洪流量,充分发挥下游河道行洪能力和水库拦洪削峰作用,确保大坝和上下游防洪安全[9],最大化防洪效益是水库防洪控制运用的主要考虑因素。

由于水库防洪调度需要快速决策的特点,水库防洪调度应用软件的开发,尤其是人机交互式决策支持功能的实现对水库实时防洪调度决策具有重要的实践意义。
在目前的天气预报和洪水预报精度水平下,还不能将水库未来的入库洪水准确预报出来。
因此,需要在水库防洪调度中考虑多种可能的洪水方案,分析在不同来水情况下水库的调度策略。
郭生练(2001),张文新(2003)等开发了基于水文模型参数调整或直接改变入库流量的交互式洪水调度软件;季朝阳(2006)、王丕国(2017)、辛忠明(2017)等在入库流量人机交互的基础上,还增加了人机交互修改各调洪时段的泄流量的功能,考虑某几个时段内采取不同闸门开启方式,确定水库泄流设备的开启数及开启状态进行水库防洪交互调度,从而可以预报出水库的水位变化过程。

近年来,我国的水库在防洪调度的过程中虽然取得了突破性的进展,但也出现了一系列的问题,如模型难以模拟调度人员的经验知识,且难以适应实时防洪形势的变化,模型应用上不灵活,脱离实际等。
主要原因是大多防洪调度系统建立时过于强调全面性,如系统管理、水文预报、水库调度等功能均集成在一个系统中,而没有就某一个方面进行细致的研究与开发,造成尽管系统很多,但调度人员仍然难以找到合适的模块开展实际的水库洪水调度分析工作。

本文以水库常规调度和优化调度两种方法进行了交互式水库防洪调度系统的开发,根据水文预报或决策者对未来降雨的判断调整入库流量,根据模拟调度计算结果,结合决策者经验和防洪实时调度的需求调整一些时段的水库水位和下泄流量,再重新进行人机交互计算,得到在给定任意可能入库洪水过程和所需时段要求水位和泄流流量下的水库防洪调度过程。
在优化调度模型中,分别以防洪调度过程中水库水位最低和最大下泄流量最小为目标建立多目标模型,并利用约束法,通过变化其中一个目标的约束值范围求解多目标非劣解集,决策者可选择不同的最大下泄流量值进行调洪优化调度计算,并在此基础上进一步通过人机交互计算分析各种情况下水库不同的调洪方式对大坝及下游防洪的可能风险。

1.1 水库防洪常规调度

水库防洪调度规则是根据水库防洪调度的任务、防洪特征水位、水库的调洪方式、水库泄流量的判别条件等,对从一般洪水到校核级别洪水,逐一规定水库泄水方式和操作方法,形成具有明确条文规定的防洪调度规则。

在进行水库防洪调度计算时,须从常规洪水至校核洪水有序地、彼此衔接逐级进行调洪计算,每次进行较大洪水计算时,必须从小到大逐级控制泄量,即需要结合判断条件,根据已出现的洪水情况,逐级加大泄量,具体过程如下。

(1)当洪水刚开始时,入库流量小于防洪限制水位所对应的泄流能力QXZ时,使泄流等于入流,以保持库水位不变(见图1中0-tb段);随着入库流量的增大,当来流大于QXZ但小于下游河道安全泄量QAN时,闸门全开,按泄洪能力下泄(见图1中tb-tc段)。

图1 水库常规调度调洪过程示意

(2)当泄洪能力大于下游河道安全泄量时,水库按下游河道安全泄量下泄,如图1中tc-td段所示。

(3)当水库水位超过防洪高水位ZFG时,应及时开启全部闸门敞开泄洪,如图1中td-tf段所示。
若水库水位超过设计洪水位ZSJ时,达到临时性非常泄洪设施的启用条件时,应该启用非常泄洪设施,以确保水库安全,如图1中tf-th段所示。
至th时刻,水库达到该次洪水的调洪最高水位Zmaxsysymax。
th时刻以后,由于入库流量逐渐减小,且小于下泄流量,因此水库水位下降,直至消落到防洪限制水位,停止泄洪。

1.2 水库防洪优化调度—削平头法

削平头法(又称简化控泄法)针对给定的洪水过程,通过控制水库下泄相同的流量来实现在防洪库容充分利用情况下的最大下泄流量越小,该方法主要应用在不考虑区间流量或者防洪控制点上游区间流域面积较小的工程环境。
削平头法能够实现水库最大下泄流量最小的优化求解,且具有简单易操作的优点,成为国内外最常用的防洪调度方式之一。
杨冬玲等(2006)在传统削平头法的基础上增加了控制级别,提出了一种改进的防洪调度多级控制新方法。
李豹(2013)对金沙江下游四库联合三峡梯级库群防洪工程建立以最大削峰为目标的优化调度模型,并利用削平头法求解。

在一场洪水的调度过程中,水库防洪优化调度目标通常考虑下游防洪控制点最大下泄流量最小或水库坝前水位最低,因此存在下游控制点流量控制和水库水位控制两种调度控制目标,而这两种优化调度目标之间是相互影响的,即在最优状态下,下游控制点的最大下泄流量越小,动用的防洪库容越大,水库坝前水位越高。

水库水位控制和下泄流量控制两种优化调度模型分别反映了防洪调度过程中多目标问题的一个侧面。
在这两个模型中,一个模型的目标作为另一个模型的约束条件,从而应用单目标算法求解得到相应的多目标问题的非劣解集。
优化计算时最大泄流Qmaxckckmax与最高库水位Zmaxsysymax(相应动用的防洪库容Vf)两目标之间的关系如图2所示。

图2 防洪优化调度模型多目标非劣解原理示意

由流量控制模型可推导出,在[t0,tn]时间范围内水库均匀地按Qm0泄流,亦可使水库最高水位最低。
即对特定入库洪水过程,当动用防洪库容一定时,削平头法能够实现最大出库流量最小目标,获得防洪调度模型的最优解。

图2(a)反映了水库调洪时Qmaxckckmax与Zmaxsysymax是一对矛盾的目标,而图2(b)曲线则包含了此多目标问题所有的非劣解。
在对一场洪水进行实时调度时,可从这些非劣解集中找到一个满足决策者偏好的均衡解。

1.3 防洪实时调度

在实际洪水调度过程中,根据实时信息在面临时段及时作出洪水调度决策的措施和方法即为防洪实时调度。
它有明确的时效性要求,即从信息采集、洪水预报、防洪调度方案、调洪演算至作出调度决策及实施所需的时间应短于洪水预报预见期,否则无法及时作出调度决策的调整和实施。

防洪实时调度除了依据防洪实时信息外,洪水预报信息也必须加以考虑,对于不确定的预报洪水,通过设定多种可能的情景进行洪水过程假定,如加大某时段预报来水流量等,再利用常规调度或优化调度模型进行模拟调度计算。
模拟调度结果如果有不满意的情况,通过人机交互,对模型的条件进行修改再重新进行计算,直到获得较满意的结果,此时需要实用的洪水模拟调度软件,辅助分析各种情况下洪水可能产生的后果并及时采取预防措施。

2.1 多目标优化调度模型建立

2.1.1 目标函数

目标函数1:最大下泄流量最小

式中,qmax为下游防护点最大流量的最小值(m3/s);Q′ck(t)为出库流量经河道调蓄后到达下游防护点的流量(m3/s);Qqj(t)为区间洪水过程(m3/s);T为总计算时段数;t为时段序数。

目标函数2:水库坝前最高水位最低

式中,Zm为水库坝前最高水位的最低值(m);V(t)分别为t时段初水库蓄水量(m3);Qrk(t)分别为t时段入库流量(m3/s);Qck(t)分别为t时段出库流量(m3/s),Δt为计算时段长(s)。

2.1.2 约束条件

水量平衡约束

水库最大泄流能力约束

式中,f(·)表示与水库蓄水有关的出流综合特性函数,包括发电、流量和弃水流量。

调度期末水位约束

式中,Zsy(T+1)为调度期末计算的库水位(m);ZEND为调度期末允许最高控制水位(m)。

下游防洪任务约束

式中,qmax(t)为t时段下游防护点最大允许下泄流量,一般为QAN。

2.2 多目标优化调度模型求解

在图2中,从计算期T内最小入库流量出发,以较小的步长逐渐增加到最大洪峰流量,将其中的每个流量值作为水库泄流约束,按照削平头法开展水库调洪计算,可以得到相应的防洪库容,进而获得控泄流量与防洪库容关系,如图2(b)所示,此即为多目标防洪优化得到的非劣解集。

按照决策者的偏好,从非劣解集中选择任意值进行水库防洪优化调度模拟计算,可以得出各调度特征值结果,若对计算结果不满意,可以调整非劣解重新计算,或根据决策者经验和决策目标调整水库的时段入库流量、调洪过程中的水库水位或出库流量,进行人机交互计算,直至达到满意的结果为止。

本系统以C/S模式,按照全界面形式进行设计,集所有功能于同一界面,使用者对软件功能一目了然。
在数据库中可添加任意多个水库的基础数据,在界面上可以根据实际决策需要选择水库,选定水库的防洪特征值会同时显示在界面中,其中下游安全泄量、起调水位等为可设置参数,在调度计算中可根据需要调整这些参数,本软件暂将泄流量视为下游控制点流量。
各设计洪水和历史场次洪水数据存储在数据库中,供系统调度计算时进行选择。

3.1 生成常规防洪调度方案

按拟定的常规防洪调度规则进行洪水调度,可得到给定洪水过程下的常规调度方案,得到在该洪水过程下水库可能达到的最高水位和坝下游可能的最大泄流量。
具体流程为:根据需要选择典型洪水或场次洪水,单击“常规计算”按钮即可完成对该洪水过程的常规调洪计算。
计算结果以表和图形的形式显示在界面中部,界面右侧显示计算结果特征值,如入库洪峰、水库最高水位、最大下泄流量等,具体如图3所示。

图3 常规调度计算结果

3.2 生成防洪优化调度方案

确定好水库及洪水类型后,单击“优化计算”按钮即可完成对所选水库及其洪水过程的优化调洪计算,结果如图4所示。

图4 优化调度计算结果

根据削平头法的原理,调整水库的动用防洪库容,可以得到一系列水库最大下泄流量过程,进而计算得到水库防洪优化调度的非劣解集。
本系统中,点击界面右下方“计算动用库容与最大泄量关系”按钮,将计算得到多目标模型中最大下泄流量与动用防洪库容的关系表和图形,如图5粗线框中所示,此即为该选中洪水过程经过水库防洪优化调度计算后所得到的多目标模型的非劣解集即Pareto前沿解。
点击“库容泄量关系查看”按钮可打开最大下泄流量和调用相应库容关系的EXCEL文件。

图5 调度计算结果

调整中部“最大泄流与洪峰比例”右侧的数值,再点击“按此比例进行优化计算”按钮,则模型将按选择的比例所对应的流量作为水库的最大下泄流量约束进行优化计算,得到优化调度结果并重新计算最大泄流与洪峰的比例,由于水库泄流能力的限制,在比例较大时,重新计算的比例将比设定的比例略大。
计算结果统计各特征值在界面右侧显示,方便迅速分析调洪效果。
如以江西泸水河流域的社上水库为例,该水库汛限水位为171.5 m,防洪高水位172.75 m,防洪库容为1 630万m3,选用其20年一遇的设计洪水,在优化计算时可得到不同最大泄流与洪峰比例时水库最高水位及最大下泄流量情况如表1所列。

表1 社上水库20%设计洪水下不同最大泄流与洪峰比例时防洪计算结果

3.3 人机交互方案的生成

由于洪水预报存在误差和不确定性,因此在洪水实时调度时,通常考虑各种来水情况下水库的调洪过程,以对可能出现的各种洪水情况做全面的分析并做好防洪预案。
基于常规调度或优化调度结果,调整水库的入库流量过程、获得的水库水位过程或下泄流量过程,然后进行人机交互的洪水调度计算,并对各种调度方案的可行性和防洪效果进行检验、分析判断,最终生成一个或多个满意的防洪调度方案。
由于时段出库流量与时段末水位具有直接联系,因此某时段的出库流量和时段末库水位的修改不宜同时进行。

本软件可通过“更改入库流量”“更改水位”“更改出库流量”三种方式进行交互式的洪水调度计算。
在界面右侧“交互计算选择”区,根据需求确定交互计算的更改项,并在选择区左侧出现的计算结果数据表格对应列进行数值修改。
本软件计算速度快,不需等待,计算结果稳定可靠,可适应设计洪水,也可适应任意过程的实际洪水,鲁棒性强。

4.1 水库选择

在数据库中输入相关数据后,点击“水库选择”组框中的下拉箭头,水库名称将显示在列表中,从中选取需要进行洪水调度的水库,如图6所示。

图6 水库选择界面

4.2 水库特征曲线查看

单击左下方“水库特性曲线查看”按钮,即可查看所选水库的特性曲线图,并可进行水位与库容或水位与泄流能力关系的互查计算。

4.3 调度计算结果查看

点击“调度计算结果查看”按钮将打开包含最后一次调度计算所得到的序号、入库流量、水位、库容和出库流量等计算结果的Excel文件。

水库防洪一般都有大坝上游水位和大坝下游防洪控制点两个目标,协调两个目标是水库防洪决策者在防洪实时调度中必须面临的任务。
常规调度和优化调度是水库防洪调度的两个主要方式,是指导水库实时调度决策的重要依据。
本系统不仅开发了水库防洪调度所需的常规调度和优化调度计算功能,而且还针对防洪多目标问题给出了优化调度模型的非劣解集,决策者可以选择满意解进行模拟分析计算,不仅如此,本系统还可根据各调度结果修改模型的输入条件和输出结果,重新进行交互计算。
该系统可适应目前气候变化背景下各种来水情况的洪水调度决策分析,具有方便的可扩展性,可方便地增加水库和洪水过程。

防洪系统的决策环境中存在许多不确定的因素,在洪水调度实施过程中,由于气候变化的不确定性,水雨情等信息随着时间不断地发生变化,如降雨信息及洪水全过程信息等,均是在信息不确定的情况下进行决策分析的,先前选定的防洪调度方案往往需要不断更新,特别是在防洪关键时期可能造成洪灾的阶段,此时必须根据实时的水雨情等信息重新进行洪水调度会商,这些不确定性因素增加了防洪调度的决策风险。

本系统在各种可能来水情况下均可方便、快速生成防洪调度方案的特点为滚动决策提供了有力地支持。
可辅助水库调度决策者进行防洪调度分析,分析各种情况下的水库防洪调度风险,不断修正最适合的防洪调度决策方案,可作为气候变化背景下水库防洪调度的辅助决策工具。

水利水电技术

水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。
本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也发布国外的先进技术。
期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。