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

背景技術(shù)：

1、為保障流域防洪安全，同時兼顧發(fā)電、航運、供水、生態(tài)環(huán)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(tǒng)。梯級水庫群系統(tǒng)在防洪規(guī)劃設(shè)計時，每座水庫均以汛限水位為起調(diào)水位，保證工程遭遇各典型設(shè)計洪水的防洪安全，確定各水庫的防洪特征水位及相應(yīng)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(wù)，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(wù)，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(wù)，上游水庫可利用一部分防洪庫容興利蓄水，提高系統(tǒng)的興利效益。利用這部分額外庫容的關(guān)鍵在于解析庫容替代關(guān)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(lián)系或約束將替代作用隱式考慮至優(yōu)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(lián)系建立上下游水庫預見期內(nèi)水位上升空間的替代關(guān)系，為優(yōu)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(guān)系，tan?et?al.(2017)首次定量解析了具有共同防洪任務(wù)的梯級水庫群，在保證系統(tǒng)防洪標準不變時，上下游水庫防洪庫容的替代關(guān)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(guān)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(diào)度中，對于額外防洪庫容的替代關(guān)系還沒有研究。現(xiàn)有專利如“基于預泄規(guī)則下的汛期分期動態(tài)汛限水位確定方法”通過精細劃分汛期并結(jié)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(yīng)能力，但其局限在于未能充分考慮額外防洪庫容出現(xiàn)時的優(yōu)化調(diào)度問題，以及多座水庫間的水位替代關(guān)系。“水庫動態(tài)汛限水位制定方法”通過聚類分析和引入整數(shù)變量進行預泄優(yōu)化，增強了防洪調(diào)度規(guī)則的靈活性，但該方法主要集中在單個水庫的動態(tài)控制，對多水庫聯(lián)合調(diào)度和防洪庫容替代關(guān)系的研究仍顯不足。本專利構(gòu)建了額外防洪庫容替代關(guān)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(diào)水位控制域上限。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于庫容替代作用的水庫群汛期起調(diào)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(diào)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(lián)系以及調(diào)蓄影響，實現(xiàn)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(fā)明的合理性。

2、為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)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(guān)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(diào)洪高水位保持與汛限水位起調(diào)時一致。水庫群系統(tǒng)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(diào)洪高水位與汛限水位起調(diào)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(huán)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(diào)，利用設(shè)計的聯(lián)合調(diào)度規(guī)則對各水庫進行調(diào)節(jié)計算；

5、1.1）設(shè)置各水庫起調(diào)水位為汛限水位，以設(shè)計洪水過程為輸入，按設(shè)計的聯(lián)合調(diào)度規(guī)則模擬各水庫的出流過程以及水位過程。

6、所述的設(shè)計的聯(lián)合調(diào)度規(guī)則為根據(jù)特定環(huán)境通過已知方式確定，通常根據(jù)現(xiàn)行水庫運用與電站運行調(diào)度規(guī)程確定。

7、1.2）基于1.1）調(diào)節(jié)的水位過程，確定各水庫的調(diào)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(tǒng)總發(fā)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(shè)置替代水庫低于汛限水位的起調(diào)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(diào)水位，為水位庫容函數(shù)。

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(fā)揮替代效應(yīng)。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(diào)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(diào)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(diào)節(jié)模擬模型，得到調(diào)洪高水位，并計算該水位與步驟一中以汛限水位起調(diào)的調(diào)洪高水位zmax,0之間對應(yīng)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(shè)置為0.01億m3。所述的洪水調(diào)節(jié)模擬模型根據(jù)1.1節(jié)的聯(lián)合調(diào)度規(guī)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(diào)節(jié)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(jīng)過中間水庫的調(diào)節(jié)。替代水庫泄流減少后，中間水庫的入流將減少，根據(jù)設(shè)計規(guī)則進行模擬計算，得到出流過程及調(diào)洪高水位，該水位將會低于該水庫以汛限水位起調(diào)的調(diào)洪高水位（該水位由1.2）計算得到），并計算其對應(yīng)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(diào)整后的泄流，如式（3）所示。

20、（3）

21、式中，為調(diào)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(diào)度期水位上升時段長。

22、3.3）將考慮中間水庫調(diào)節(jié)后的泄流代入該水庫的洪水調(diào)節(jié)模擬模型，得到調(diào)洪高水位，并計算該水位與步驟1中以汛限水位起調(diào)的調(diào)洪高水位zmax,0之間對應(yīng)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(shè)置為0.01億m3。

23、步驟4：計算被替代水庫的汛期起調(diào)水位上限；

24、4.1）設(shè)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(jù)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(yīng)的水位作為起調(diào)水位，根據(jù)設(shè)計規(guī)則（此處指1.1）設(shè)計的聯(lián)合調(diào)度規(guī)則）進行模擬計算，得到下游被替代水庫的出流過程及調(diào)洪高水位。計算調(diào)洪高水位與汛限水位作為起調(diào)水位時的調(diào)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(shè)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(jīng)上游水庫替代后起調(diào)水位可上浮的最高水位對應(yīng)的庫容，為汛限水位對應(yīng)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(fā)電量；

35、（6）

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

37、本發(fā)明的有益效果為：

38、本發(fā)明通過建立庫容替代模型，引入額外防洪庫容的調(diào)度規(guī)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(diào)水位上限。通過綜合考慮水庫的水力聯(lián)系與調(diào)蓄效應(yīng)，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(fā)明提供的基于庫容替代作用的水庫群汛期起調(diào)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(fā)電、供水方面具有顯著優(yōu)勢。