[发明专利]一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法

权利要求书

1.一种考虑预警的黄河上游梯级水库防洪调度方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1：建立黄河上游梯级水库防洪预警体系，具体包括，

步骤1.1：选取评估因子

将评估因子分为两类，即水库防洪状况指标和下游防洪情势指标，水库防洪状况指标选取刘家峡水库天然入库流量和龙刘总蓄洪量两个评估因子，下游防洪情势指标选取刘家峡水库出库流量作为评估因子；

步骤1.2：计算预警指标与预警指数

首先，根据刘家峡水库各重现期设计洪峰流量，将刘家峡天然入库流量在6860m³/s以下定义为1级，5430m³/s至8270m³/s为2级，6860m³/s至9450m³/s为3级，8270m³/s至10800m³/s为4级，超过9450m³/s为5级；并依次用右半梯形、三角形、三角形、三角形、左半梯形模糊数表示，建立入库流量隶属函数；

根据龙羊峡、刘家峡总蓄洪量占用龙羊峡、刘家峡总调洪库容的比例，将蓄洪量在25.69亿m³以下定义为1级，12.84亿m³至38.52亿m³为2级，25.69亿m³至51.36亿m³为3级，38.52亿m³至85.6亿m³为4级，超过51.36亿m³为5级；并依次用右半梯形、三角形、三角形、三角形、左半三角形模糊数表示，建立蓄洪量隶属函数；

根据入库流量隶属函数和蓄洪量隶属函数定量计算出评估因子的隶属度后，建立模糊评估矩阵：

式中：u_ij表示第i个评估因子对第j个等级的相对隶属度；

则水库防洪状况指标的综合评判集：

式中：为模糊合成算子；r_i为综合隶属度；W为权重集，以梯级水库总蓄洪量占梯级水库总调洪库容的百分比来确定权重系数w₂，则w₁＝1-w₂，并且权重随水库泄洪变化而改变；最终以累加隶属度大于0.5时对应的等级作为水库防洪状况指标的评估程度；

其次，结合下游防护对象对应的防洪标准，根据刘家峡水库不同频率下的最大允许泄量划分危险等级见表1，计算下游防护对象的防洪情势指标；

表1：

最后，将水库防洪状况指标与下游防洪情势指标耦合为预警指数来综合反映水库与下游防洪危险程度，预警指数的表达式如下：

式中：FAI表示预警指数，且0≤FAI≤2，X表示水库防洪状况指标，Y表示下游防洪情势指数，n₁表示水库防洪状况的等级，n₂表示下游防洪情势的等级；

步骤1.3：发布预警信息

将预警等级划分为5个等级，见表2，分别表示“无”、“轻度”、“中度”、“高度”、“严重”5个危险程度，并与预警指数区间相对应，依次用绿、蓝、黄、橙、红色指示灯进行警示；

表2：

步骤1.4：确定预警对策

不同预警信号对应不同的流量增加量，其中绿色表示安全，按常规泄洪，其余4个信号都需加大流量，危险等级越高，流量增加量越大，通过预泄来降低风险；

步骤2：构建基于步骤1的预警体系的梯级水库防洪调度模型，包括依次建立包含下列四个子模型的梯级水库防洪调度模型，

步骤2.1：建立联合防洪调度模型

首先，综合考虑梯级水库流量补偿与洪量补偿的特点，刘家峡水库的洪水量级大小采用设计资料的泄量控制图判别，即当刘家峡水库入库日均流量Q6510m³/s，龙羊峡、刘家峡两库总蓄洪量W’≥29.6亿m³时，说明刘家峡水库遇100年以上一遇洪水，此时刘家峡水库限泄4510m³/s；当刘家峡水库入库日均流量Q8420m³/s，龙羊峡、刘家峡两库总蓄洪量W’≥44.5亿m³时，说明刘家峡水库遇1000年以上一遇洪水，此时刘家峡水库限泄7260m³/s；当刘家峡水库入库日均流量Q8970m³/s，且龙羊峡、刘家峡两库总蓄洪量W’≥49.9亿m³时，说明刘家峡水库遇2000年以上一遇洪水，此时刘家峡水库敞泄；龙羊峡水库的洪水级别大小根据入库流量是否超过相应频率下的设计洪峰流量判别，即当龙羊峡水库入库日均流量Q≤4200m³/s，说明龙羊峡水库遇20年以下一遇洪水，龙羊峡水库限泄2000m³/s，当4200m³/sQ≤7040m³/s，说明龙羊峡水库遇20年以上一遇且1000年以下一遇洪水，龙羊峡水库限泄4000m³/s，当Q7040m³/s，说明龙羊峡水库遇1000年以上一遇洪水，龙羊峡水库限泄6000m³/s；

其次，在不考虑洪水预报和预泄的情况下，龙羊峡、刘家峡梯级的防洪调度规则如下：

1)龙羊峡、刘家峡两库的蓄洪比例(4.0～4.5)/1.0；

2)刘家峡入库洪水小于100年一遇时，水库尽量不蓄水；

3)在涨水段水库下泄量不超过天然日平均入库流量，目的是不人为造洪；

4)龙羊峡、刘家峡两库下泄流量不得大于相应频率洪水的最大允许下泄流量；

5)水库下泄流量日变幅不宜太大，龙羊峡、刘家峡两库下泄量日变幅不超过1000m³/s；

最后，基于上述泄量控制图和调度规则建立联合防洪调度模型，计算得到调度结果，即蓄洪量和出库流量；

步骤2.2：建立预警等级计算模型

根据入库流量以及步骤2.1中得到的联合防洪调度模型的调度结果进行预警指标与预警指数计算，确定预警等级；

步骤2.3：建立反馈调度模型

利用未来3天的径流预报信息，结合水库泄量控制图，提前判断刘家峡入库洪水级别和最大允许泄量达到预泄的目的；结合联合防洪调度模型的调度结果和预警对策确定反馈后的刘家峡水库出库流量；根据联合防洪调度模型的龙羊峡调度结果和蓄洪比例确定反馈后的龙羊峡水库出库流量；

步骤2.4：建立预警对策优化模型

以各预警等级对应的加大流量值作为决策变量，建立预警对策优化模型，优化模型的目标函数为：

f＝min(kL_max+T_max)

式中：L_max为最高预警等级；T_max为处于最高预警等级的时段数；k为权重系数，取值范围是大于计算时段数的整数；

约束条件：

决策变量约束：Q_d2≤Q_d3≤Q_d4≤Q_d5

水量平衡约束：V(m′,t+1)＝V(m′,t)+(Q_I(m′,t)-Q_O(m′,t))×Δt

水库水位约束：Z_min(m′,t)≤Z(m′,t)≤Z_max(m′,t)

下泄流量约束：Q_Omin(m′,t)≤Q_O(m′,t)≤Q_Omax(m′,t)

式中：Q_d2、Q_d3、Q_d4、Q_d5分别表示预警等级为2、3、4、5级时刘家峡水库的出库流量增加值，其中出库流量增加值的单位为m³/s；V(m′,t)和V(m′,t+1)分别表示水库m′在t时段和t+1时段的库容，其中库容的单位为亿m³；Z(m′,t)、Z_min(m′,t)和Z_max(m′,t)分别表示水库m′在t时段的水位、该时段的水位约束上、下限，其中水位的单位为m；Q_I(m′,t)和Q_O(m′,t)分别表示水库m′在t时段的入库和出库流量，其中入库和出库流量的单位为m³/s；Q_Omin(m′,t)和Q_Omax(m′,t)则表示水库m′在t时段出库流量约束上、下限，其中出库流量的单位为m³/s；

步骤3：通过步骤2中构建的防洪调度模型进行优化计算，输出调度结果和最优预警对策。