王方方，雷曉輝，彭 勇，王 旭，江 哲,3，宋 巍

(1.大連理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 3.南昌航空航天大學(xué)信息學(xué)院，南昌 330063；4. 北京市南水北調(diào)團(tuán)城湖管理處，北京100089)

西江流域受地區(qū)季風(fēng)氣候影響，降雨時空分布不均且雨量年際變化大，洪水類型組成多樣且存在較強(qiáng)突發(fā)性。流域上規(guī)劃的控制性防洪水庫除干流上的龍灘水庫、支流郁江上的百色水庫、老口水庫和支流桂江上的青獅潭水庫已建成外，大藤峽水利樞紐、洋溪水庫等重要控制性防洪工程都尚未完工，且沿岸堤防基礎(chǔ)薄弱，在應(yīng)對突發(fā)洪水事件時防洪能力有限且響應(yīng)不及時。如2015年11月份的流域突發(fā)洪水，由于缺乏有效的應(yīng)急措施給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)安全造成了巨大損失。西江整個流域上分布有59個水電站，其中相當(dāng)一部分中大型水電站如西津、巖灘、紅花等電站的安全庫容并未被充分利用，因此考慮在流域應(yīng)急防洪中對具有防洪潛力的中大型水電站實施有效管理形成完整的防洪減災(zāi)體系。

近年來諸多學(xué)者對西江流域的防洪開展了卓有成效的工作，劉攀等[1]基于聚合—分解框架，構(gòu)建了百色、龍灘、青獅潭3個并聯(lián)水庫的防洪調(diào)度函數(shù)，采用遺傳算法實現(xiàn)西江防洪水庫群優(yōu)化調(diào)度模擬。胡秀英[2]針對常規(guī)調(diào)度規(guī)則存在的不足建立了龍灘水庫、大藤峽水庫的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，并對模型進(jìn)行優(yōu)化求解，在梧州站實現(xiàn)了較于常規(guī)更好的削峰效果。解曉晨[3]結(jié)合百色水庫、老口水庫的防洪調(diào)度原則以及邕江防洪大堤的防洪能力，建立庫堤聯(lián)合防洪優(yōu)化調(diào)度模型，對百色水庫和老口水庫的實際調(diào)度運行有一定的指導(dǎo)意義。然而上述聯(lián)合調(diào)度方式尚不能滿足流域的應(yīng)急防洪需求，并未充分發(fā)揮流域防洪潛力。

西江流域內(nèi)具備防洪能力的水庫一般是以自身下游的防洪控制點作為調(diào)控目標(biāo)，采用經(jīng)驗方法對防洪水庫進(jìn)行單庫調(diào)洪或兩三庫聯(lián)調(diào)[4]，庫容的限制使防洪作用有限，面對近年來頻繁發(fā)生大洪水的應(yīng)急防洪尚存在很大安全隱患。因此，有必要開展水庫群應(yīng)急防洪優(yōu)化調(diào)度方案研究，結(jié)合流域的洪水特性和工程特性，在突發(fā)洪水應(yīng)急防洪中積極合理利用中大型水電站安全庫容，充分發(fā)揮各水庫防洪潛力，并對不同防洪目標(biāo)采取針對性調(diào)度決策，解決不同防洪控制點之間的安全沖突，以實現(xiàn)西江沿程縣市整體防洪效果最優(yōu)，為進(jìn)一步加強(qiáng)流域防洪調(diào)度統(tǒng)一管理和廣西經(jīng)濟(jì)社會穩(wěn)健發(fā)展奠定環(huán)境基礎(chǔ)。

1 水庫群應(yīng)急防洪優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)建

流域水庫群的應(yīng)急調(diào)度是針對超標(biāo)準(zhǔn)洪水的優(yōu)化調(diào)度，需要考慮實際調(diào)度中的時效性并且最大程度利用庫群有效庫容。西江流域現(xiàn)有的防洪措施僅為大型防洪工程如龍灘、百色、老口水庫的聯(lián)合調(diào)度，對下游斷面的防洪能力有限且對突發(fā)洪水的應(yīng)急響應(yīng)不及時。流域上中大型水電站一般按照徑流式進(jìn)行調(diào)節(jié)下泄，并不參與流域防洪。針對西江流域工程特性，僅按照其經(jīng)驗規(guī)律進(jìn)行應(yīng)急防洪已不能滿足安全要求，而流域中具備防洪潛力的中大型水電站可以輔助削峰滯洪，影響水庫下游洪水過程，因此在流域水庫群應(yīng)急防洪調(diào)度模型中考慮挖掘中大型水電站的防洪潛力共同參與應(yīng)急調(diào)度。

1.1 應(yīng)急標(biāo)準(zhǔn)

流域水庫群的應(yīng)急調(diào)度與常規(guī)調(diào)度的區(qū)別在于應(yīng)急調(diào)度為針對防洪斷面出現(xiàn)超安全泄量洪水過程的非常規(guī)調(diào)度，因此需要根據(jù)防洪斷面的來水情況來判斷是否啟動應(yīng)急方案。在西江流域中主要防洪控制斷面為流域上游紅水河上的遷江斷面，其匯入柳江后的武宣斷面和下游黔江的梧州斷面，根據(jù)不同斷面的防洪要求相應(yīng)選擇參與應(yīng)急防洪的水庫和電站實施應(yīng)急方案。同時由于應(yīng)急調(diào)度的時限特征使得需要考慮實際調(diào)度中的時效性，盡量減少閘門啟閉頻次來縮短應(yīng)急時間。

1.2 西江應(yīng)急防洪調(diào)度網(wǎng)絡(luò)概化

西江流域涉及柳江、郁江、桂江等多條支流，共59個電站，25個防洪水庫，流域防洪對象主要為沿江各防洪市城區(qū)，選擇防洪控制斷面從流域主要控制水文站選擇。紅水河下游控制流域的重點水文站為遷江站；黔江干流有廣西重點防洪市縣武宣縣；郁江流域的重點防洪城市為省會南寧；西江干流選僅有的梧州市為作為防洪目標(biāo)。流域水庫群應(yīng)急防洪優(yōu)化調(diào)度模型的建立需要對現(xiàn)有的眾多樞紐進(jìn)行篩選，根據(jù)水庫地理位置、控制洪水來源的比重、防洪庫容的大小及擔(dān)任綜合利用任務(wù)的情況進(jìn)行擇優(yōu)處理，篩選之后建立如圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)圖根據(jù)防洪控制站將整個流域分為紅水河、柳江、郁江和黔江四部分，各部分包含該區(qū)域?qū)?yīng)的控制斷面，以及斷面上游參與防洪的水庫和水電站。常規(guī)調(diào)度以龍灘、百色和老口按防洪調(diào)度規(guī)則聯(lián)合調(diào)度承擔(dān)防洪任務(wù)，水庫群應(yīng)急優(yōu)化調(diào)度則在其常規(guī)防洪任務(wù)外，由巖灘、樂灘對龍灘未控洪水或遷江斷面的洪水進(jìn)行蓄洪滯洪；遭遇柳江大洪水時，輔以紅花電站和大浦水庫進(jìn)行滯洪對武宣斷面進(jìn)行錯峰；遭遇郁江大洪水時，除了武宣斷面對紅水河上游的攔洪，輔以西津、長洲等電站對百色和老口防洪能力之外的洪水進(jìn)行調(diào)蓄，共同保障梧州斷面的安全。對于省會南寧，其上游已經(jīng)建有百色和老口兩座大型防洪水庫，有相對安全的防洪保障，且其上游電站的庫容值相對較小，因此不再考慮電站的優(yōu)化。

圖1 西江流域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of Xijiang river basin

1.3 優(yōu)化變量

水庫群實時應(yīng)急防洪調(diào)度需要較高的操作性以及時效性，因此需要盡量減少泄洪改變次數(shù)以減少閘門啟閉頻次。在聯(lián)合應(yīng)急防洪調(diào)度中根據(jù)來水過程分階段調(diào)度，即開始優(yōu)化之前、優(yōu)化期間和優(yōu)化終止之后3個階段。優(yōu)化之前和優(yōu)化之后按照天然來水過程進(jìn)行下泄；優(yōu)化期間則根據(jù)錯峰或滯洪需求對泄量按照某一定值下泄。因此每個電站整個優(yōu)化過程中需要優(yōu)化3個變量：開始優(yōu)化時間點、優(yōu)化期間泄量和結(jié)束優(yōu)化時間點。水庫群應(yīng)急調(diào)度模型中具體優(yōu)化變量的個數(shù)根據(jù)防洪控制斷面決定，不同的控制斷面其削峰效果的優(yōu)良取決于該斷面上游各水庫的泄流過程，因此變量個數(shù)是動態(tài)的。例如以武宣斷面作為防洪斷面時，龍灘水庫和大埔水庫按照原來擬定規(guī)則進(jìn)行調(diào)洪，巖灘、樂灘和紅花電站參與優(yōu)化調(diào)度輔助削峰，此時優(yōu)化變量包括3個電站的優(yōu)化起止時間點和優(yōu)化泄量，共9個優(yōu)化變量。以此類推，梧州站作為防洪斷面則共15個優(yōu)化變量。3階段控制有利于統(tǒng)一各個調(diào)洪水電站的應(yīng)急調(diào)洪原則，減少操作時間，充分利用庫群安全庫容，發(fā)揮上游各庫庫容補(bǔ)償作用。

1.4 約束條件

在水庫群應(yīng)急防洪優(yōu)化調(diào)度模型中同時存在防洪水庫和水電站。兩者設(shè)計目標(biāo)不同，調(diào)洪庫容也應(yīng)區(qū)分約束。鑒于安全考慮，防洪水庫利用汛限水位和防洪高水位之間的庫容來調(diào)洪，水電站利用汛限水位和正常高水位之間的庫容作為安全庫容[6,7]。從汛限水位起調(diào)，時段長采用1 h，針對7 d的短期洪水進(jìn)行應(yīng)急調(diào)度。具體約束條件如下。

水量平衡約束：

Vn(t)=Vn(t-1)+[Qnin(t)-Qnout(t)]Δt

(1)

庫容約束：

(2)

水庫泄流能力約束：

Qnout(t)≤Qnmax[Zn(t)]

(3)

邊界條件約束：

Vn(0)=Vnb

(4)

馬斯京根流量演算約束：

Qk(t)=Ck0Qk-1(t)+Ck1Qk-1(t-1)+

Ck2Qk(t-1)+Qkq(t)

(5)

時段長約束：

0

(6)

式中：Qnin(t)和Qnout(t)分別為t時刻第n個水庫的入庫和下泄流量；Δt為計算時段長度；Vn(t)、Vnmin(t)和Vnmax(t)分別為t時刻第n個水庫的庫容、最小和最大允許庫容，下標(biāo)1和2分別代表防洪水庫和電站；Zn(t)和Qnmax[Zn(t)]分別為t時刻第n個水庫的水位和該水位對應(yīng)的下泄能力；Vnb為第n個水庫調(diào)度期起調(diào)水位對應(yīng)的庫容；Qk(t)、Qk-1(t)、Qkq(t)分別為第k個馬斯京根演算河段上、下斷面第t時段的平均流量及演算河段的區(qū)間入流；ck0、ck1、ck2為第k個馬斯京根演算河段的演進(jìn)參數(shù)；Tn1和Tn2為開始優(yōu)化時間和終止優(yōu)化時間對應(yīng)的時段；T為總時段數(shù)。

1.5 目標(biāo)函數(shù)

采用流域防洪斷面最大削峰[3]為目標(biāo)。將流域網(wǎng)絡(luò)概化水庫群視為整體，充分發(fā)揮流域內(nèi)各水庫間的庫容補(bǔ)償調(diào)節(jié)作用，使下游防洪控制點的最大流量最小，最大程度提高防洪效益。應(yīng)急防洪調(diào)度目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)形式如下：

(7)

式中：q*max為防洪控制斷面的最大流量的最小值，m3/s ；Qw(t)為時段t防洪控制斷面平均流量，m3/s；T為調(diào)度時段總數(shù)。

1.6 模型求解及程序?qū)崿F(xiàn)

前文已將流域水庫群應(yīng)急防洪優(yōu)化調(diào)度轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)最小值優(yōu)化模型，選用適合于大范圍約束下優(yōu)化的GA算法進(jìn)行求解。GA算法[10]是一種借鑒生物界的適者生存、優(yōu)勝劣汰遺傳機(jī)制演化而來的高效隨機(jī)化搜索方法。按照GA算法對庫群應(yīng)急防洪優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行種群初始化、交叉、變異及選擇4個環(huán)節(jié)迭代計算至進(jìn)化到最大代數(shù)，選出最后一代種群中適應(yīng)度最小個體，其元素代表的變量參數(shù)值即為優(yōu)化所求取值，計算結(jié)束。為了實現(xiàn)流域控制斷面和庫群調(diào)洪方式的動態(tài)選擇，運用程序針對水庫群應(yīng)急防洪優(yōu)化調(diào)度模型建立通用化系統(tǒng)[8]，系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)輸入、運行控制和結(jié)果輸出三部分。

系統(tǒng)輸入主要對模型計算的數(shù)據(jù)格式及模型參數(shù)進(jìn)行處理。選用簡單高效的mysql數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)[9]，方便數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和模型調(diào)用。

運行控制是系統(tǒng)的核心部分。根據(jù)選擇的應(yīng)急防洪目標(biāo)確定控制斷面；根據(jù)洪水大小或削峰量的需求對參與調(diào)洪的水庫下泄方式進(jìn)行設(shè)置，在系統(tǒng)中水庫下泄方式分為優(yōu)化和常規(guī)下泄兩種屬性，對小洪水或非汛期，調(diào)度防洪水庫即可滿足防洪需求，調(diào)度電站反而會增加操作的復(fù)雜性，而在應(yīng)急防洪中可根據(jù)防洪斷面的需要增加或減少流域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中參與優(yōu)化調(diào)度的水庫或電站，系統(tǒng)自動根據(jù)其屬性設(shè)置進(jìn)行模型計算。

在運行控制中計算結(jié)束后系統(tǒng)輸出部分即可展示調(diào)度結(jié)果。在結(jié)果中比較水庫群常規(guī)和聯(lián)合優(yōu)化下泄的情況下防洪斷面的來水過程，同時展示各個防洪斷面上游各水庫的來水和泄洪過程，便于分析比較調(diào)度方式的合理性。

2 案例分析

典型年洪水選取的依據(jù)為對流域防洪較為不利的實測洪水過程。本次研究中選擇西江流域整體防洪目標(biāo)梧州站實測洪峰流量較大的不同類型洪水作為典型，選取1962、1966、1968、1970、1974、1976、1978、1983、1994、1996、1998、2001、2002年共13場洪水。13場典型洪水過程又可以分為上中游型、中下游型及全流域型3種洪水類型。

2.1 洪水處理

由以上分析選擇遷江、武宣和梧州站為防洪斷面，斷面洪水達(dá)到其安全泄量時即運用應(yīng)急調(diào)度模型對其上游進(jìn)行調(diào)洪。根據(jù)防洪斷面對應(yīng)安全泄量的設(shè)計頻率按照峰值同倍比放大對典型年洪水過程進(jìn)行處理。設(shè)計洪水地區(qū)組成按照典型年法進(jìn)行分配。對13場典型洪水分類型進(jìn)行常規(guī)和模型優(yōu)化調(diào)度，各防洪控制斷面結(jié)果對比展示見表1。

表1 應(yīng)急調(diào)度和常規(guī)調(diào)度結(jié)果 m3/s

2.2 各站調(diào)度結(jié)果對比及分析

3個防洪控制斷面所在地理位置不同，因此針對不同類型的洪水削峰效果也有區(qū)別，分別對3個防洪控制站在不同類型洪水下的常規(guī)和應(yīng)急調(diào)度結(jié)果進(jìn)行比較分析。

對于紅水河下游重要防洪控制站遷江站，其對應(yīng)安全泄量值為1.64 萬m3/s，將各典型年洪水按照相應(yīng)20年一遇頻次的倍比系數(shù)進(jìn)行放大得出設(shè)計洪水。常規(guī)調(diào)度的設(shè)置為龍灘水庫按常規(guī)下泄，其他電站按徑流式下泄；優(yōu)化結(jié)果對應(yīng)的模型設(shè)置為在龍灘按照原來規(guī)則調(diào)度的基礎(chǔ)上對遷江上游的巖灘和樂灘優(yōu)化下泄，利用水電站安全庫容進(jìn)行滯洪。對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，常規(guī)調(diào)度結(jié)果平均削峰2 275 m3/s，優(yōu)化平均削峰2 750 m3/s。對于全流域型洪水平均削峰多600 m3/s；上中游型洪水平均削峰多750 m3/s；中下游型洪水平均削峰多500 m3/s。

對比遷江站整體削峰效果發(fā)現(xiàn)上中游型較好，主要是因為流域上中游型洪水主要來自紅水河一帶，峰高量急，而中下游和全流域型洪水中郁江和黔江洪水所占比例較大，遷江一帶洪水過程較為平穩(wěn)。其中1976年洪水優(yōu)化作用尤其明顯，主要是因為該場次洪水龍灘和巖灘區(qū)間洪水所占比例較大，因此優(yōu)化過程的滯洪效果較為明顯，見圖2。相比1966和1983年洪水常規(guī)和優(yōu)化效果相差不多，主要是因為該次洪水主要來源為龍灘上游，因此優(yōu)化作用不明顯。

圖2 1976年洪水對比結(jié)果Fig.2 Comparison result of flood in 1976

對于黔江下游沿岸重要防洪控制站點武宣站，其安全泄量為20年一遇對應(yīng)3.63 萬m3/s。表1中常規(guī)結(jié)果對應(yīng)的是柳江和紅水河上的防洪水庫即大埔和龍灘常規(guī)下泄；模型優(yōu)化結(jié)果對應(yīng)的設(shè)置則為在常規(guī)規(guī)則調(diào)度的基礎(chǔ)上，對遷江斷面上游的巖灘和樂灘優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行滯洪，同時對柳江上的紅花電站優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行輔助錯峰，結(jié)果顯示，常規(guī)調(diào)度結(jié)果平均削峰2 450 m3/s，優(yōu)化平均削峰3 100 m3/s。對于全流域型洪水平均削峰多700 m3/s；上中游型洪水平均削峰多750 m3/s；中下游型洪水平均削峰多300 m3/s。

上中游型洪水集中在柳江和紅水河即武宣站以上區(qū)域，尤見1970年洪水，經(jīng)過峰值同倍比放大后遷江水文站洪峰流量為1.995 萬m3/s，柳州水文站洪峰流量為1.635 萬m3/s。經(jīng)過常規(guī)泄洪和模型優(yōu)化，武宣站的洪峰分別減少到3.185和3.310 萬m3/s，見圖3。中下游型洪水中暴雨中心主要集中在郁江和黔江干流，且紅水河和柳江的峰現(xiàn)時間不同，洪峰疊加不明顯，因此相對上中游型洪水削峰量偏小。對于2002年出現(xiàn)的優(yōu)化值小于常規(guī)值，可能是因為優(yōu)化變量中泄量的優(yōu)化個數(shù)太少導(dǎo)致。1978年出現(xiàn)的其中某些值出現(xiàn)反常，可能是由于根據(jù)有限典型年水文數(shù)據(jù)優(yōu)化出的馬斯京根參數(shù)的適用性有限。

圖3 上中游型洪水對比結(jié)果Fig.3 Comparison result of upper-middle reaches type flood

對于梧州站，它的調(diào)度結(jié)果來自對全流域的控制，常規(guī)結(jié)果中對龍灘、百色和老口以及大埔水庫進(jìn)行常規(guī)調(diào)度，優(yōu)化結(jié)果來自對流域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中常規(guī)調(diào)度結(jié)合電站的綜合優(yōu)化調(diào)度。分析發(fā)現(xiàn)模型整體優(yōu)化比常規(guī)多削峰1 100 m3/s；對于全流域型洪水，優(yōu)化調(diào)度平均多削峰1 200 m3/s；對于上中游型洪水，可使梧州平均削峰多600 m3/s；對于中下游型洪水，可使梧州平均削峰大約多900 m3/s。

分析發(fā)現(xiàn)梧州站中全流域型洪水削峰效果最優(yōu)。全流域型洪水的降雨范圍比較大且組合疊加較好，使得洪水量級沿柳江、黔江和干流逐漸增大，最后在梧州站達(dá)到其安全泄量4.120 萬m3/s。1962年全流域洪水郁江和紅水河來水均峰高量大且洪水疊加明顯，西津電站發(fā)揮錯峰作用的同時長洲電站有效攔洪，梧州水文站經(jīng)過常規(guī)泄洪和系統(tǒng)優(yōu)化洪峰分別減少到3.490和3.360 萬m3/s，過程見圖4。對于其他類型的洪水，由于梧州站的來水受全流域綜合調(diào)度的影響，因此削峰效果同樣優(yōu)于其他控制斷面。

圖4 全流域型洪水對比結(jié)果Fig.4 Comparison result of total basin type flood

2.3 綜合分析

綜合分析發(fā)現(xiàn)，模型應(yīng)急優(yōu)化防洪調(diào)度結(jié)果整體優(yōu)于常規(guī)防洪調(diào)度結(jié)果，對全流域型洪水模型優(yōu)化的優(yōu)越性更明顯。且針對不同的洪水類型各站的優(yōu)化特性也有區(qū)別。梧州站對全流域型洪水的應(yīng)急調(diào)度效果顯著，武宣站在上中游型洪水中實現(xiàn)了較好的錯峰，遷江站對上中游型洪水中紅水河流域占主要比例的晚發(fā)型洪水實現(xiàn)較好削峰。但是偶爾會出現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果不及常規(guī)調(diào)度的情況，這是因為模型優(yōu)化中調(diào)洪期間對泄量的優(yōu)化并未多次分級，而是采用單一泄量進(jìn)行調(diào)度，使得優(yōu)化過程存在一定局限性。針對上述情況，可以對結(jié)果進(jìn)行多次模型計算，從中擇優(yōu)選取。其中部分年份常規(guī)調(diào)度結(jié)果比實際值大，主要是由于馬斯京根參數(shù)率定結(jié)果的適用性有限，以及區(qū)間洪水的推求過程中集雨面積誤差較大造成的，但是不影響整體優(yōu)化相對常規(guī)的優(yōu)越性。

3 結(jié) 語

本文針對西江流域的洪水及工程特性，在應(yīng)急狀態(tài)下調(diào)用中大型水電站的安全庫容，進(jìn)行滯洪錯峰調(diào)節(jié)，并建立系統(tǒng)實現(xiàn)模型通用化，方便控制斷面及庫群調(diào)洪方式的動態(tài)選擇，滿足不同利益主體的需求，經(jīng)過對不同類型洪水的案例分析運用，實現(xiàn)了比常規(guī)調(diào)度更優(yōu)的削峰，使得西江流域沿江城市得到更好的安全保障。

在本次研究中為了便于應(yīng)急實時控制，優(yōu)化變量的階段控制較為簡單，在實際調(diào)洪中可以多樣分級調(diào)節(jié)，實現(xiàn)更好的削峰效果。防洪與發(fā)電應(yīng)盡量結(jié)合，由于本文研究的是對洪水的短期應(yīng)急控制，暫時沒有考慮發(fā)電，西江流域儲存豐富的電能，在對持續(xù)時間較長的洪水研究中可以把發(fā)電、生態(tài)、航運等同時作為目標(biāo)實現(xiàn)多目標(biāo)權(quán)衡的效益分析。防洪效益的估量要實事求是，由于西江流域涉及眾多城市和水利樞紐，不確定因素較多，因此在模型運用時要適當(dāng)留有余地。

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