[發明專利]串聯水庫聯合防凌補償調度方法及其專用系統

在審

• 申請號: 202110085512.2
• 申請日: 2021-01-22
• 公開（公告）號: CN112785151A
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 劉紅珍;李超群;魯俊;張志紅;郭兵托;宋偉華;藺冬
• 申請（專利權）人: 黃河勘測規劃設計研究院有限公司
• 主分類號: G06Q10/06
• 分類號: G06Q10/06;G06Q50/26
• 代理公司: 鄭州異開專利事務所(普通合伙) 41114
• 代理人: 韓華

1.一種串聯水庫聯合防凌補償調度方法，其特征在于：包括下述步驟：

S1、采集串聯水庫及其下游河道涉及范圍內的流量、輸沙率、水位及斷面數據、水庫的特征參數和水庫運行相關數據，以及流凌、封河、開河日期及冰厚、冰塞、冰壩的凌情特征數據；

S2、分析計算河道凌情影響因素：

從動力、熱力和河道邊界條件方面計算分析凌情影響因素；根據凌情特征日期和凌汛期河道流量計算分析河道槽蓄水增量；

S3、河道凌汛期各階段防凌安全控制流量指標：

通過對下游河道凌情影響因素、凌汛演變特點和凌汛變化成因分析，確定下游河道流凌封河期、穩封期、開河期各階段的時間范圍和相應的防凌控制流量；所述流凌封河期主要控制適宜封河流量、避免冰塞發生，所述穩封期控制水位和槽蓄水增量、避免流量忽大忽小，所述開河期由于槽蓄水增量釋放，應減小河道流量、避免冰壩發生；

S4、建立并存儲下水庫至防凌河道區間流量過程，即：根據下游河道流凌、封河、開河的凌情特征時間和區間各斷面流量過程，考慮暢流期、封凍期水流演進特性和支流來水、灌區引水與退水，計算由于河道封凍、形成槽蓄水增量對區間流量過程的影響；氣溫下降河道從流凌到封河，逐漸形成槽蓄水增量，區間流量為負值；河道全部封凍后，進入穩封期，區間流量穩定；氣溫升高后，進入開河期，河道槽蓄水增量釋放，區間流量與上游來水共同形成凌洪過程；

S5、建立并存儲凌汛期各階段下水庫控泄流量指標，即：基于下游河道凌汛各階段防凌要求的控制流量指標和相應控制時間，考慮串聯水庫下水庫出庫斷面至下游河道典型斷面之間相應的區間流量變化過程，河道生態流量和社會經濟用水要求，穩封期水庫下泄流量與河道冰下過流量的關系，確定串聯水庫下水庫出庫控制斷面的控制流量指標和相應控制時間；模型主要原理如下：

（1）水量平衡

式中：為第個水庫第時段入庫流量；為第個水庫第時段出庫流量；為第個水庫第時段初水庫庫容；

（2）串聯水庫間的水力聯系

式中：為上游水庫在第時段的出庫流量；為第個水庫在第時段的區間入流；

（3）庫容約束

式中：為第個水庫第時段最小庫容限制；為第個水庫第時段最大庫容約束；

（4）水位約束

式中，、分別代表第個水庫第時段防凌控制計算最高水位及凌汛期末水庫蓄水位；、分別代表第i個水庫防凌允許的最高水位及凌汛期末蓄水的最高水位；

（5）流量約束

對于串聯水庫下水庫：

流凌封河期：

穩封期：

開河關鍵期：

式中，為第個水庫第時段水庫下泄流量最大限制，由下游防凌要求的控制泄量給定或水庫泄洪能力、庫容條件的限制；為第個水庫第時段水庫下泄流量最小限制，由下游防凌要求的控制泄量給定或其他綜合利用要求給定；

代表串聯水庫最下游的水庫在第時段出庫流量，代表下游河道典型斷面控制流量要求；代表串聯水庫至下游河道典型斷面區間考慮傳播時間影響后的流量；

此外，在模型求解計算過程中還涉及到下泄流量變幅控制約束和河道安全控制流量約束：

式中，為第個水庫第時段水庫下泄流量，為第個水庫第-1時段水庫下泄流量，為該水庫允許的下泄流量變幅；為串聯水庫至下游河道斷面區間流量，為下游河道斷面安全過流量；

（6）邊界條件

式中：為第個水庫的起調庫容；為第個水庫調節末時段的庫容；

（7）槽蓄水增量

式中，為計算河段的槽蓄水增量，、為計算河段上、下斷面單位時段的平均流量，為計算時段；河段的槽蓄水增量應不大于該河段允許的槽蓄水增量最大值，即；

（8）梯級水庫發電量

式中，為凌汛期總發電量為第個水庫電站的綜合出力系數；為第個水庫發電流量函數；為第個水庫發電水頭函數；為凌汛期總時段數；為梯級水庫總數；為計算時段長；

S6、建立并儲存串聯水庫聯合防凌補償調度模型，即：基于水量平衡原理，按照上、下串聯水庫聯合控制防凌庫容、下水庫根據區間流量防凌補償控制河道流量的調度原則，以下游河道凌汛期流量、槽蓄水增量安全可控為目標，以水庫下泄流量、庫水位、防凌庫容條件為約束，分析河道暢流、封凍時不同流量演進特點，在考慮供水、灌溉、生態流量要求和水庫發電效益的基礎上，依據串聯水庫聯合防凌補償調度規則，構建串聯水庫聯合防凌補償調度模型；

S7、擬定串聯水庫聯合防凌調度方案，求解串聯水庫聯合防凌調度模型，建立并存儲各方案串聯水庫聯合防凌補償調度結果；即：采用典型年和長系列分別計算，輸入天然來水、社會經濟及生態用水，流凌、封河、開河凌情特征日期，根據河道及主槽過流能力，以及不同方案的水庫起調水位、控泄流量指標、預留防凌庫容指標基礎資料；并根據串聯水庫的防凌調度運行規則、約束條件、防凌目標，進行水庫聯合防凌補償調度計算；輸出串聯水庫水位、庫容、下泄流量、河道各控制斷面流量、槽蓄水增量、水庫群發電量；分析各方案結果，對于不滿足約束條件和計算要求的方案，重新分析擬定計算方案，直至計算結果滿足設計要求；

S8、串聯水庫聯合防凌調度方案比選與推薦:

分析各方案典型年和長系列計算結果，以防凌安全和綜合利用效益為目標，對各計算方案結果進行分析比較，比選推薦出串聯水庫聯合防凌補償調度方案。

2.實現權利要求1所述串聯水庫聯合防凌補償調度方法的專用系統，包括下述模塊：

數據采集模塊，用于采集所述串聯水庫的特征參數及水庫運行相關數據，以及采集水庫下游河道涉及范圍內流量、輸沙率、水位及斷面數據，并采集流凌、封河、開河日期及冰厚、冰塞、冰壩的凌情特征數據；

凌情影響因素分析計算模塊，用于接收所述數據采集模塊發送的數據，從動力和河道邊界條件方面計算分析凌情影響因素，根據凌情特征日期和凌汛期河道流量計算分析河道槽蓄水增量；

河道防凌安全控制流量指標計算模塊，用于通過對下游河道凌情影響因素、凌汛演變特點和凌汛變化成因進行分析，確定下游河道流凌封河期、穩封期、開河期各階段的時間范圍和相應的防凌控制流量；

下水庫至防凌河道區間流量過程計算模塊，用于根據下游河道流凌、封河、開河的凌情特征時間、區間各斷面流量過程，并根據暢流期、封凍期水流演進特性和支流來水、灌區引水與退水，計算由于河道封凍、形成槽蓄水增量對區間流量過程的影響；

凌汛期各階段下水庫控泄流量指標計算模塊，用于基于下游河道凌汛各階段防凌要求的控制流量指標和相應控制時間，并結合串聯水庫下水庫出庫斷面至下游河道典型斷面之間相應的區間流量變化過程、河道生態流量和社會經濟用水要求、穩封期水庫下泄流量與河道冰下過流量的關系，確定串聯水庫下水庫出庫控制斷面的控制流量指標和相應控制時間；

串聯水庫聯合防凌補償調度模型構建模塊，用于基于水量平衡原理，按照上下串聯水庫聯合控制防凌庫容、下水庫區間流量防凌補償控制河道流量的調度原則，以下游河道凌汛期流量、槽蓄水增量安全可控為目標，以水庫下泄流量、庫水位、防凌庫容條件為約束，分析河道暢流、封凍時不同流量演進特點，在結合供水、灌溉、生態流量要求和水庫發電效益的基礎上，依據串聯水庫聯合防凌補償調度規則，構建串聯水庫聯合防凌補償調度模型；

串聯水庫聯合防凌補償調度方案計算及結果輸出模塊，用于采用典型年和長系列分別計算，輸入天然來水、社會經濟及生態用水，流凌、封河、開河的凌情特征日期、河道及主槽過流能力、各方案的水庫起調水位、控泄流量指標，預留防凌庫容指標基礎資料；并根據串聯水庫的防凌調度運行規則、約束條件、防凌目標，求解串聯水庫聯合防凌調度模型；并輸出串聯水庫水位、庫容、下泄流量、河道各控制斷面流量、槽蓄水增量、水庫群發電量；

串聯水庫聯合防凌調度方案分析與比選推薦模塊，用于以防凌安全和綜合利用效益為目標，對各計算方案結果進行分析比較，比選推薦出串聯水庫聯合防凌補償調度方案。