水库汛期防洪与兴利协调控制模型及应用研究

发布时间：2019-02-26 21:39

【摘要】：随着我国人口的增长和社会经济的快速发展,水资源需求不断增加,水环境恶化问题突出,同时,气候变化导致洪涝、干旱等极端水文事件频发,使得我国水资源供需矛盾日益加剧,对水资源管理提出了新的挑战。依据先进的科学技术,充分发挥水利工程的作用,在确保防洪安全的前提下,提高洪水资源利用率是缓解这一矛盾行之有效的非工程措施。在洪水资源利用中,水库是最重要的蓄洪补枯工程,水库汛限水位是协调防洪与兴利目标的关键指标。目前,我国已对水库汛限水位动态控制展开大量的研究,但对其中的一些关键问题还有待进一步深入研究。所以,本文在现有研究的基础上,从更高的理论层面上研究水库汛期防洪与兴利目标之间的竞争与转化关系,系统建立水库汛期防洪与兴利协调控制理论模型与方法,以提升水库防洪与兴利调度的创新能力与应用水平。主要的研究内容和取得的成果如下：(1)构建了水库汛期防洪与兴利双目标两阶段优化对冲模型,将水库汛期调度问题转化为当前时段(决策阶段)的缺水风险与余留阶段(预见期)的防洪风险之间的对冲(权衡)问题。首先,将水库汛期调度过程转化为当前与未来两阶段滚动决策过程；然后,在分析当前阶段的洪水预报信息与未来阶段的径流预报及其不确定性信息的基础上以下游防洪风险率作为衡量防洪风险指标,并以当前时段蓄水效益最大和未来阶段防洪风险最小为优化目标,构建水库汛期双目标两阶段优化调度对冲模型；最后,利用数学分析方法,结合经济学原理,阐述了水库调度目标函数及约束的经济学含义,提出水库汛期防洪与兴利目标的最优协调控制条件,即蓄水边际效益和防洪边际效益尽可能地接近；并依据该最优协调控制条件,结合目标函数的边际效益递减的经济学特性,提出了模型的求解算法。(2)揭示了不同预报水平下水库汛期防洪风险与兴利效益之间的竞争与转化关系。首先,给出下游最小防洪安全值δmin的定义,分析预报不确定性和下游防洪标准对该值的影响,并得到蓄水边际效益和防洪边际效益曲线关系随δmin变化的三种形式,由此将δmin划分为大、中、小三个等级。然后,提出防洪与兴利双目标存在对冲(竞争)关系时的来水量范围确定方法,并给出了该范围内外时的最优调度决策：若来水量处于该范围,最优调度决策为防洪边际效益与蓄水边际效益相等；若来水量高于该范围,则双目标转化为单目标,按水库防洪调度规则或兴利调度规则进行决策；若来水量低于该范围,则将水库水位蓄至控制域上限。最后,给出了δmin在大、中、小三个量级时的最优蓄水决策随未来阶段预报来水的变化曲线,即对冲规则。(3)分析了目标权重和预报不确定性对防洪与兴利两目标对冲关系的影响,并提出了两目标存在对冲关系时权重范围的确定方法,以及确定预报信息不确定性的允许上限的方法。分析结果表明：两目标存在对冲关系的权重范围随预报不确定性的增大而减小,预报信息不确定性的允许上限与下游防洪标准、预报来水的大小以及目标权重等因素相关。当预报来水越大或下游防洪标准越低时,不确定性的允许上限越小；权重的影响和预报来水量相关：当预报来水小于某一值时,预报不确定性允许上限由边际效益原则确定,且若决策者越重视兴利蓄水,则不确定性的允许上限越小,当预报来水大于某一值时；允许的最大预报不确定性由蓄水非负约束确定,即预报不确定性大于一定值时水库需要腾出所有共用库容,且若决策者越注重防洪目标,则不确定性的允许上限越小。(4)分析了面临时段预报不确定性、余留阶段预报误差分布形式等因素对水库汛期防洪与兴利两目标协调控制的影响。结果表明：1)面临时段预报不确定性增加了面临时段的效益差值和未来时段的防洪风险,加剧了防洪与兴利两目标之间的竞争关系,水库将减少预蓄水量,腾出更多共用库容,以减少预报不确定性带来的风险。2)与预报误差独立同分布相比,考虑预报误差标准偏差与预报来水的关系时,在未来阶段预报来水越小时,水库汛期防洪与兴利目标存在对冲关系,且最优预蓄水量随未来阶段预报来水的变化曲线更缓,即在来水量较大时,水库预留更多防洪安全值,且预报不确定性允许上限偏小,在来水量较小时,水库预蓄更多水,且预报不确定性允许上限偏大。该分析结果进一步验证了本文构建的理论分析框架的合理性,可将分析框架推广应用。(5)选取尼尔基水库为研究对象,检验理论分析结论的合理性。首先,在分析尼尔基水库预报误差分布的基础上,给出尼尔基水库不同预报来水时的最大允许预报不确定性,构建尼尔基水库的汛期调度防洪与兴利双目标两阶段优化调度模型,得到尼尔基水库现有预报水平下的对冲规则；然后,综合水库汛期双目标对冲规则与水库防洪规则,计算利用对冲模型的风险与效益：最后,结果表明,该对冲规则可减少弃水量,增加蓄水量,且在洪水来临前能将预蓄水量全部下泄,不增加额外防洪风险。最后对全文做了总结,并对有待进一步研究的问题进行了展望。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV697.13
，

本文编号：2431168