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1、- 91 - 设计（论文）专用纸第一章绪论1.1选题的意义据不完全统计，到1997年我国已建成库容在10万m3以上的水库8.4万座，其中库容在1000万m3以上的中型水库有2634座，库容在1亿m3以上的大型水库有412座，总用水量3920亿m3，工业与城市生活用水1370亿m3。截至到1996年低，全国水力发电总共装机容量己达5557.79万K砰。1996年全国水力发电量为 1869.18亿K砰h。尽管水电装效益超过整个电力系统的一半。它们在水资源开发利用和电力生产中具有特殊的地位和作用，既是水利系统的重要组成单元，又是电力系统的主要动力单元。这些水库在承担发电任务的同时，也大都承担着防洪、
2、灌溉、发电、航运、养殖、城市及工业供水等多重任务，具有综合利用的功能，其中，进行水库调度是实现水库综合利用的一个重要手段，它可以对水库的运行具体决策，以便定量地解决水库综合利用中的矛盾，水库调度工作的好坏直接影响水库综合利用的优劣程度，水库调度是保障水库安全，充分发挥水库综合效益最重要的环节。水库调度工作关系到国民经济各部门的发展，调度得当，其增加的效益相当可观，如果调度失误，将造成十分严重的后果。在水利工作的重点己经转移到管理上来的今天，加强水库调度工作具有特殊的意义，可以说，水库调度有很值得研究的方面。我国属于太平洋和印度洋季风影响的季风气候区，全年60一80%的降雨量集中在汛期，暴雨洪水
3、造成的灾害是我国主要的洪水灾害。全国约有2/3的地区存在着不同程度的洪水威胁，即使是干旱、半干旱的西北地区，也常常受到暴雨洪水的袭击，存在着“缺水贫困、水多成灾”的局面。特别是各大江河的中下游100多万平方公里的土地，是我国经济发达、人口密度较大的地区，集中了全国半数以上的人口和70%的工农业产值。然而，这些地的地面高度有不少处于江河洪水水位以下。据文献记载和不完全统计，从公元前206到1949年的2000多年中，全国各地发生较大的洪水灾害就有1092次之多。自1840年至1949的110年间，全国受水灾县数平均每年有250个县。1931年，水灾遍及16个省区，受灾人口5217万，直接死亡人口
4、达40万，武汉市水淹达100日之久。水库调度在防洪减灾中起着重要的作用，防洪减灾措施通常分为两类，即工程措施和非工程措施。 (1)防洪工程措施工程措施指以建筑堤防、防洪墙、分洪工程、河道整治工程、水库等手段进行防洪，这类措施亦称为改造自然的措施。目前，工程防洪措施无论是设计理论、施工技术、工程管理还是防洪效益的评价都有比较成熟的理论和经验。我国主要江河都普遍编制了以防洪为重点的全流域综合性规划，全国共修建加固堤防25万公里，可绕地球6一7圈，修建大、中小型水库86000多座，总库容4500亿立方米，在防洪减灾上发挥了重要作用。(2)防洪非工程措施如何防治水害，提高防洪减灾能力，至关重要。防洪是
5、一项复杂而艰巨的任务。日前解决洪水问题，其一是采用综合治理的方针，合理安排蓄、泄、滞、分的工程措施;其二是为了减少洪泛区洪灾损失，采取颁布和实施法令、政策及防洪工程以外的技术手段等方面的非工程措施。防洪非工程措施并不能减少洪水的来量，而是利用自然和社会条件去适应洪水性规律，减少洪水的破坏和洪水所造成的损失。对于防洪非工程措施，在我国历史上也早有记载，汉代著名的贾让在治河三策中提出，如果给黄河留一个宽广的区域，保证黄河“左右游波，宽缓而不迫”，则可以“河定民安，千载无患”。非工程措施可粗略分为:洪泛平原管理，包括洪泛平原区划;紧急措施，如:洪水预报和警报、建筑物防洪、抗洪抢险、临时疏散;通过救济
6、、恢复、以及洪水保险来分担洪水损失;制订洪灾损失预防计划。非工程措施目前正为许多受洪水威胁的国家所采用，但通常是与工程措施相配合。工程和非工程防洪措施的选择和配合取决于一个国家的政治、社会和经济情况，因而政府的政策对防洪措施的选择起相当的指导作用。由于工程措施受自然、技术、经济等条件的限制，非工程措施的使用就显得尤为重要，虽然仍不能完全制止所有的洪水灾害或杜绝一切洪灾损失，但可以通过管理和技术手段充分发挥工程措施的蓄、泄、滞、分等作用，尽可能的减少洪灾损失，保障国家人民生命财产安全。例如在美国密西西比河流域1993年的特大洪水灾害中，非工程防洪措施取得了显著的成效。这就是近几年来国内外学者十分
7、重视非工程防洪措施的原因。而在洪水期，洪水预报和警报、建筑物防洪、抗洪抢险、临时疏散是最重要的非工程措施。因此，在新技术突飞猛进的今天，如何利用新理论新技术，研究适合当代新技术特点的水库洪水调度系论价值和重大的经济和社会价值，其意义深远。1.2水库调度的基本内容和特点1.2.1水库调度的基本内容水库调度，亦称水库控制运行。水库调度工作是根据水库承担的水利任务及规定的调度原则，运用水库的调蓄能力，在保证大坝安全的前提下，有计划地对入库的天然径流进行蓄泄，以除害兴利，综合利用水资源，最大限度地满足国民经济各部门的需要。它是水库运行管理的中心环节，其主要内容包括拟订各项水利任务的调度方式、编制水库调
8、度规程、年调度计划、确定面临时段水库蓄泄计划及日常调度实时操作规则等。水库调度研究的任务是研究在水库面临时段初蓄水量V己知，水库面临时段天然来水量Q预知(即知道预想的来水量)的条件下，如何确定水库的泄水量R，即研究R与V、Q之间的规律。这一规律可用如下的函数来表达:R=R(V，S)，R(V，S)称为调度函数。水库调度的关键问题就是研究确定调度函数，确定水库的泄水R，控制库水位，利用调度函数来指导水库的实际运行。按调度目的划分，水库调度可分为兴利调度和防洪调度，两者概念不完全相同，对于不同用途的水库，其调度原则和方法也有所差别。前者的侧重点是水库如何蓄水，在对下游防洪起到一定作用的前提下，使水库
9、的发电兴利效益最大;后者是把下游的防洪要求作为必需的约束，使防洪效益最大。若遇上大洪水，为了整体利益，兴利调度需服从防洪调度。 按调度方法划分，水库调度又可以分为常规调度和优化调度两大类。常规调度依据实测的径流时历过程，按照规定的运行方式，编制和绘制水库调度图或供水计划。常规调度虽然简单、直观，但调度结果不一定最优，而且不便于处理复杂的水库调度问题。优化调度则是运用系统工程方法，建立以水库为中心的水利水电系统的目标函数，拟定其应满足的约束条件，然后用最优化方法求解由目标函数和约束条件组成的系统方程组，使目标函数取得极值的水库控制运行方式，它是近50年来得到较快发展的水库调度方法。实行水库优化调
10、度应解决两个问题，一是如何建立水库优化调度数学模型;二是如何选择求解这种数学模型的最优化方法。水库调度模型是建立在调洪计算方程基础之上，结合水库水工建筑物的特性、水调度模型，包括确定目标函数和相应的约束条件。经过近50年的研究，现有的水库调度数学模型很多，根据系统输入和目标函数特点可划分为四大类:确定性水库优化调度模型;随机性水库优化调度模型;模糊性水库优化调度模型;多目标决策理论及其在水库优化调度中的应用。当选定模型的种类后，最优准则的选择至关重要，它是优化模型的核心。当一个或多个目标转化为优化准则时，把它写成数学表达式的形式，就称为目标函数。在水电站优化调度中，常采用的目标函数有:发电量最
11、大或经济效益最大;受灾损失最小或费用最少;其它一些特定的经济或非经济准则。水库调度中的另一些要求常用约束方程来表示，约束条件分物理约束(如水量平衡、资源设备限制等)和隐含有目标性质的约束(如最小下泄流量、泄流过程约束、可靠性或预算限制等)两种。目标函数是方案选择的判据，约束条件则是所有方案必须满足的要求。水库调度模型确定后，便可用优化技术进行求解。目前常用的方法有线性规划(LP)、非线性规划(NP)、动态规划(DP)、模糊算法等。在一些复杂庞大的水电站群优化调度研究中，随着状态变量、决策变量的数目增加，各阶段的状态组合数目急剧增多，计算工作量相当大，用常规的动态规划法将会受到计算机内存和计算时
12、间的限制。为克服多维问题在计算上的困难，人们提出了一些改进的动态优化方法，如离散微分动态规划法(DDDP)，增量动态规划逐次逼近法(IDPSA)，逐步迭代算法(P以)等。近年来，模糊数学、灰色系统、神经网络、遗传算法等理论也被用于水库优化调度。1.2.2水库调度的特点在水库调度中，由于天然径流的随机特性，调度决策过程的多阶段性，水库结构的复杂性以及应用的多目标性，给水库调度工作带来了很大困难。(l)天然径流的随机性水库的天然入库流量是一种随机变量，它的出现具有偶然性，很难预先得知。这就给水库的控制运用带来了很大的困难。在入库径流量未知的情况下，确定水库的泄水量，只能根据运行人员的主观经验判断。
13、若水库的实际来水量比预计来水量少时，就会使水库水位消落过快，使各部门可用水量减少，并使发电水头降低，发电量减少，危及水库的正常运行;若水库的实际来水量比预计来水量大时，就有可能使水库很快蓄满，并发生大量弃水，造成水量浪费，影响水库的调度效益。径流出现的这种不确定性，是水库调度过程中不易处理的问题。目前，在水库优化调度研究中，一般将径流过程处理为随机过程。（2）水库调度多阶段决策性对于年调节水库来说，其运行周期为一年。水库年初的运用情况，对年中、年末的运用情况将有很大的影响，也影响全年的调度效益。若年初用水量过多，就可能使后期的用水量减少甚至不足，若年初用的过少，就可能使年末用水量出现多余，并发
14、生弃水。水库运用的目的，应该是使水库在整个运行周期内获得最大的运行效益。 (3)水库运行的多目标性水库一般都具有综合利用任务，我国水库大都具有防洪、灌溉、发电、水运、渔业、工业与民用供水等多种效益。水库的各个目标之间是互相影响和互相制约的，并且有些目标还难以用定量的方法来描述。这使得水库的调度决策非常困难。对于这一问题，一般都是以某一目标为主，其它目标作为一种限制条件，使其得到最低限度的满足。目前，己有人应用多目标规划方法来研究水库调度问题，进行了一些有益的尝试，取得了一些积极的成果。(4)水库结构的复杂性水库本身是一种复杂的大型结构，其运行特性非常复杂，如水库的水位库容曲线，是一条非线性曲线
15、，与库区地形条件有关，很难用一条解析曲线来表达，在实际计算中，往往给出一组实测数据点，这样，给水库调度的具体计算带来了很大困难。另外，水库的出力是用水量的非线性函数，而且这一函数的解析式不能求出，只能以一组实测点给出，在优化调度计算中，只能应用离散数学的计算方法计算。但计算工作量和计算精度都受到一定影响。1.3国内外水库调度理论研究的慨况1.3.1国外水库调度理论的研究现状国外关于水库防洪调度的研究起步较早，始于20世纪初，当时由于大量水库和水电站的兴建，促进了河川径流理论的发展，水库调度学科随之得到迅速发展。水库调度的研究是从径流调度计算开始的。哈桑的累积曲线方法最早使这个问题有了一套完整的
16、计算方法，而莫罗佐夫关于水库调配调节的概念使调度图成为水电站水库的调度管理依据。初期的防洪调度主要就是采用这种半经验、半理论的方法，通过调度图和调度规则来指导水库调度，并注意到前期水文气象因素(如温度、降雨等)对预留防洪库容的影响。20世纪50年代末期，随着遥感、遥测、电算技术在水库调度领域的应用，对于提高水库运行管理水平起得了极大的推动作用。1961年日本在大河开展洪水调度，取得了显著的防洪效益。随着科学技术的发展、电子计算机的出现，国外逐步引入优化理论开展洪水调度理论研究，但主要限于单库优化调度研究。70年代初，国外开始进行水库群方面的优化调度研究。1972年南非学者Janison和Wic
17、kS0n，以预报洪水作为输入、发电量最大为目标，应用动态规划原理确定一次洪水的最优调度方案。进入80年代，水库防洪实时调度在理论与应用上都有了新发展。国外在大河流上普遍应用高新技术进行流域防洪调度，建立了较为完整的遥感遥测系统，形成了以计算机网络为核心的洪水预报、预警、优化调度的统一系统。在理论和模型研究方面，1983年美国学者5.A.Wasimi应用离散线性二次最优控制方法寻求水库系统的运行策略，由于该模型在洪水预报和水库调度等方面都进行了较多简化，应用效果不太理想。同年， Yaz1911.H.等为 GreenRiverBasin应用线性规划，建立了一个水电系统汛期实时调度模型，其基本思想就
18、是根据不断更新的洪水预报信息，应用该模型进行决策。1990年， oleay1Unver和 LanywMays基于非线性规划理论和洪水演算原理，提出了一种实时调度优化模型及其算法，该模型较好地解决了调洪演算的精确性与水库群调度的维数灾问题。90年代后期国外开始注重于工程措施和非工程措施联合的防洪系统研究。1.3.2国内水库调度理论的研究现状我国系统开展防洪调度理论研究起步较晚，通过消化吸收国外先进技术，防洪调度理论方面的研究工作得到了长足的发展，特别是20世纪80年代优化调度理论得到了充分的重视，并运用到防洪调度研究中。1983年虞锦江提出了基于洪水预报的最大可能洪水概念，建立了水电站水库洪水优
19、化控制模型，其输入分成两部分:预报洪水过程和概率可能洪水，应用动态规划原理，以一次洪水发电量最大为目标制定水库最优调度方案，1987年他与管家宝又提出了梯级水电站洪水优化调度模型。1985年，王厥谋考虑了分洪区顺序、河道洪水变形及区间补偿等问题，建立了丹江口水库防洪优化调度模型及线性规划求解方法，由于模型需要较长时间的入流资料，从而限制了该模型的应用。1987年胡振鹏、冯尚友，在研究复杂防洪系统联合运行时，以分洪量和防洪库容最小为目标进行实时预报调度，对整个系统进行防洪、兴利、风险的多目标分析，提出了防洪系统联合运行的动态规划模型，并提出了“预报一决策一实施”的前向卷动决策方法。1988年王本
20、德、陈守煌等利用模糊优化调度方法对大伙房水库进行优化调度。同年，吴保生、陈惠源以黄河下游防洪系统为背景，研究了并联水库防洪系统优化问题，提出多阶段逐次优化算法模型，该模型由三阶段子模型和跨阶段子过程的峰值最小为目标函数，在解决河道水流滞后影响方面进行了有益的尝试。1989年，李春生、陈惠源研究了下游不分洪情况下的两梯级水库防洪系统洪水最优调度问题和汉江中下游防洪系统实时优化调度问题。1990年王本德等提出了以泄流设备应用工况或泄流量作为决策变量的水库(群)的多目标模糊优选调度模型。 1994年河海大学黄志中、周之豪等利用大系统分解一协调理论进行了水库实时防洪调度研究。1995年，陈惠源等建立了
21、三峡为中心的长江防洪系统联合调度模型，该模型应用系统分析的方法，根据大系统解祸的思想，实现了线性规划与动态规划相结合的防洪系统联合运行迭代算法，有效地避免了大系统中“维数灾”的问题。1995年，河海大学的杨侃等幻以网络理论为基础，研究了长江防洪系统的实时调度，建立了长江防洪系统的时空网络模型。1997年，张勇传、马寅午采用防洪系统洪水分类预测优化调度方法建立了洪水优化调度总体控制模型，该模型对历史洪水资料进行聚类分析，将洪水流量过程分成若干类型，采用归纳演绎的方法对未来洪水作出分类预测，针对不同类型洪水以不同调度规则进行实时调度。1998年至2000年，付湘、纪昌明开展了洪灾损失评估指标及水库
22、汛期调度的最大洪灾风险率等方面的风险分析研究。的防洪系统研究。1.4水库洪水调度系统开发现状1.4.1系统开发经历的阶段和各阶段的特点水库洪水调度系统经过20多年的发展，研制开发了许多规模不一、结构各异的系统，这些系统各有特点，系统结构也经历了几次大的变革，可分为基于程序文件、桌面数据库、C/S(Client/Server)模式、B/S(Browser/Server)模式的水库洪水调度系统等四个阶段。从1980年代初到1980年代中期是洪水调度系统的第一阶段，这一阶段主要以单机为主.且数据是以文件的形式保存在机器中。系统使用 Basic、Fortran等高级程序设计语言编写，预报调度模型与程序
23、、数据文件与程序高度祸合，结构相对简单;第二阶段从80年代中期开始到1990年代中期，在数据采集技术、洪水预报调度的理论与实践成果不断丰富，洪水预报调度模型的研究取得进展的同时，Foxbase、Foxpro等小型桌面数据库在洪水预报调度系统中被用来组织数据，提高了程序的灵活性和通用性:随着计算机技术的发展，特别是软件技术的进步，如windows95和windowsNT的广泛应用，洪水调度系统在计算机硬件技术、网络技术、通讯技术、数据库技术、面向对象的思想、方法、技术、语言(4GL)、面向对象的第四代工具(4GT)库洪水预报调度系统进入了C/S模式的阶段，特别是在国家防汛指挥系统工程启动以来，国
24、家防汛抗旱总指挥部办公室1998年组织了武汉大学等国内大专院校、科研院所进行水库防洪调度系统的试点工作，以“实用、可靠、先进、标准、开放”为原则，通过开发模块化程度较高、通用性较强的模板，使基于C/S模式的水库洪水调度系统在短短的几年时间内在200余座大型水库和重点型水库得到了应用。C/S模式下的水库洪水调度系统，大大提高了水库防洪调度的科学决策和水库管理的信息化水平，在防灾减灾工作中起到了重要的作用。1.4.2基于C/S模式的洪水调度系统C/S模式的框架由3部分组成:客户机(Client)、服务器(Server)、中间件(Middleware)。客户机是与用户交互的部分，主要功能是执行用户方
25、的应用程序，提供一个用户界面，执行前端任务，采集数据以及向服务器提交应用请求，并对服务器返回的数据进行处理:而服务器则执行后台程序，主要承担数据库系统的共享管理、通讯管理、文件管理以及对客户机的请求提供服务。传统的两层C/S结构与最初的主机系统或文件系统相比，它均衡了客户机和服务器的负载，网络传输的数据量也比较少，从而减轻网络负担，提高用户的工作效益同时也缩短了系统的响应时间。基于C/S模式的洪水调度系统主要由以下功能模块组成:(1)调度方案的制定与仿真该子系统提供常规经验调度、交互调度、预报预泄调度、闸门控制调度等多种调度模型，首先根据水库当前的水位和出流量，考虑气象水文预报结果，选择适当的
26、调度模型生成初始调度方案;然后通过对图形的直接操作、或者通过对表格输入与修改，对初始方案进行改进;对调度方案进行快速的仿真计算，得到各方案的综合调度成果、水库入流、泄流、水位、库容变化过程，以及相应的调洪最高水位、最大泄量等多目标特征值，可根据资料情况粗估相应的灾情。(2)调度方案的评价与优选考虑决策者的意向，根据水库水位和防护点的组合流量等多目标值建立多目标多阶段评价模型，选择不同的目标函数和权重，对各种调度方案进行排序和优选，并做出风险和效益分析，自动推选最佳的调度方案。(3)调度方案的成果管理该子系统包括调度成果管理、查询、显示与打印调度方案模拟及实施成果，绘制水库调度成果图，对其进行查
27、询与打印，报告文档管理，报告文本编辑。按要求将上级主管传递到数据库。(4)系统数据库管理子系统包括数据字典与表结构设计、数据查询与提取、数据库维护(输入、修改、删除等)。模型库有模型库管理系统、模型字典和内部参数等。第二章水库调度原理对于不同用途的水库。其调度原则和方法也有所差别。电力系统水库常用的调度方式有兴利调度和防洪调度，两者概念不完全相同，前者的侧重点是水库如何蓄泄，在对下游防洪起到一定作用的前提下，使水库的发电效益最大;后者是把下游防洪要求作为必须的约束，使防洪效益最大，若遇上大洪水，为了整体利益，兴利调度要服从防洪调度。2.1水库调度水库调度根据不同的分类方法有不同的分发，从方法上
28、可以分为发电兴利调度和水库防洪调度(1)发电兴利调度具有调节库容的水电站，在不影响汛后蓄满水库的前提下都预留一定的防洪库容。对于单一水库而言，由于预留防洪库容并不增加大坝投资，同时在保证汛后蓄满水库的前提下，保证出力也不受影响，因此其目标函数可以用一次洪水发电量最大为最优准则，水电站群洪水调度比单一电站要复杂得多，它涉及时间和空间问题，属于多维寻优过程，其目标函数和约束条件同单一电站类似。(2)水库的防洪调度对防洪优化调度，只要满足下面两个条件就能达到最优。第一是充分利用河道下泄，即当洪水大于下游安全泄量的时按下游安全泄量泄流，使水库拦蓄的成灾洪水最小;当水库不能全部拦蓄成灾洪水时，使分洪量最
29、小;对中小洪水，为了减轻下游防洪负担，可采取分级放流。对单一防洪水库，上述的调度结果是最优的。第二是必须拦蓄成灾洪水，各水库在蓄泄过程中，应充分利用河道调蓄作用，使动用的防洪库容最小。换言之，使其能多腾出一部分库容多消减一些洪峰，减少一些分洪量，提高防洪标准，对防洪水库群，除需要满足第一个条件，还应满足第二条件。2.2调度决策方法对于下游有防洪点的单库防洪问题，洪水调度关心三个主要指标，分别为水库的最高水位，最大下泄量与调度期末的水库控制水位。水库最高水位最低体现了水库自身和上游防洪(如果库区有淹没)的效益，而最大泄量最小体现了下游的防洪效益，调度期末的水位反映水库兴利与防洪的协调关系。在调度
30、期末控制水位给定时，水库最高水位与最大下泄量最小是互相矛盾的，而由于量纲(单位)不同而不可公度，因此单库洪水调度决策在下游有防洪任务时，是一个多目标决策问题。理想的方法是能够确知水库水位与上游淹没损失的关系及最大泄量与下游防护区淹没损失的关系，将多目标问题转化为防洪系统(包括上游、水库大坝、下游)总洪灾经济损失最小的单目标优化调度问题。但从现状看，准确获取洪灾损失信息有很大困难，以至该法难以在实际中应用。目前常用的处理方法之一为权重协调法，即通过确定水库最高水位与最大下泄量的权重，将多目标问题转化为单目标问题: （2-1）式中为水库最高水位；为防洪断面最大过流水量（无区间补充则为水库最大下泄量
31、）；，为权重。权重的确定方法很多，如层次分析法、专家评分法、模糊数学方法等，这些方法对无响应时间要求的多目标决策问题具有重要价值，尤其在规划设计(如流域规划、防洪规划)中，为协调各目标(反映不同部门利益)之间的矛盾提供了实用技术手段。但对水库实时洪水调度而言，缺点是明显的。首先是实时洪水调度决策要求快速，耗时的权重分析难以适应这一要求;第二，实时洪水调度决策存在许多不确定性，汛期的工情、水情等变化频繁，用原先确定的权重显然是不切实际的;第三，权重调整的物理意义不明确，难以定量表示。因此使用实时洪水调度。处理多目标问题的一种常用方法是约束法，对两目标而言，其基本原理是将其中一个目标转化为约束条件
32、，对一个目标进行单目标优化，通过改变约束条件的值，逐步逼近最优解，这一思路比较符合水库实时洪水调度决策的习惯。2.3水库实时防洪调度2.3.1水库实时防洪调度的方法在实时洪水预报子系统预报出入库洪水及其相关洪水过程后，实时调度子系统成为制定水库科学调度方案的分析工具，是水库洪水预报调度系统成果的最终体现。实时调度子系统主要包括水库调度模型，其功能是根据实时洪水预报子系统预报的入库洪水过程，给出满足防洪要求的水库水位与水库出流的合理或最优配合。实时调度模型要求方案仿真性高，计算速度快，控制条件全面，从实用的角度上看，实时水库调度模型的求解也宜采用简单的但能保证一定精度的方法。水库防洪实时调度是一
33、个动态决策过程，可定义为“以洪水预报为依托，结合产汇流预报作业的实施，调用优化模型，对预报洪水过程求解，以此指导水库调度决策。随着过程的演进，当接到新降雨信息，可以根据新信息开展洪水预报作业，给出新的洪水过程预报，用调度模型寻求相应的更新决策过程。循此渐进，直至该场洪水的降雨过程结束，从而完成一场洪水过程逐次渐进调度的方法”。实时防洪调度每次只要作出一个时段(面临时段)的决策，每一个时段决策作出前都要充分考虑此间可得到的各种洪水信息及防洪形势，如实际发生的、各种预报的以及对原有预报的补充修正等等，从而作出未来洪水的类型预估，并最终得出面临时段的调度决策。水库防洪实时调度，按照引用的洪水预报理论
34、与方法，按照调度方案选择的理论与方法，可细分类为:面临时段用各水文站的实测水位对短期预报模型或方案预报洪水过程进行修正，对其修正后的实时预报洪水过程进行防洪调度;面临时段为实测降雨、余留时期适当考虑气象信息人工假拟降雨，再用短期预报方案预报洪水过程，依此进行防洪调度;与不同的是余留时期降雨量及分配由气象部门预报出;在一类方法预报洪水过程基础上，按照规划设计的调度规则和方式进行防洪调度;在一类方法预报洪水过程的基础上，根据连续预报信息及实际的防洪形势，按照调度人员与决策人员的经验拟定有限的可行调洪方案，从中选择一个满意的调度方案进行防洪调度。另外还有面临时段依据气象部门的短期降雨预报成果进行预泄
35、防洪调度;根据气象部门的中期降雨量预报进行预蓄调度。这两类方法处于研究阶段，很少试用水库实时调度的基本流程对实际雨情、水情、库水位及入库和出库流量等打印报表向各级防汛领导部门汇报。暴雨时，预报入库及下游防护点洪水过程、特征值(洪峰、峰现时间、洪量)。按照防洪调度规则设计调度方式，或据水、雨、工情初定一些经验性的防洪调度方案，调洪计算寻求分析者认为满意的方案(泄洪、蓄水、错峰方案)。向上级通报分析者的满意方案、次满意方案及调度结果，等待上级调令。对上级指令性方案进行调洪计算，打印成果上报备案。必要时向下游发布警报。故相应的防洪实时调度的研究内容为:根据流域的大小及水文站点的布置情况等，选定合适的
36、实时洪水预报模型，进行流域产、汇流计算、率定洪水预报模型参数。研究调洪计算的方法。研究调度方案的生成方法，并对调度方案进行系统仿真。对可行方案集进行评价与优选，排出方案的优劣次序。2.3.2水库实时防洪调度的特点水库实时防洪调度，是指面临洪水，利用水库工程，根据既定的调度规程实施蓄泄方案。水库的防洪调度，直接关系到保坝安全及下游的防洪安全，又直接影响兴利效益的发挥，因此，无论从防洪要求、水库工程安全还是为了取得更大的兴利效益，都必须搞好水库实时防洪调度。水库实时防洪调度与规划设计阶段研究制订的防洪调度方案有一定联系，但有很大差异，且具有更大的难度。水库实时防洪调度的特点如下:(1)面临洪水的随
37、机性。其一，在设计阶段，无论是为本身安全的水库调洪计算还是为下游防洪的调洪计算，所依据的设计洪水，都是作为己知条件给定的;而实时防洪调度所面临的洪水是未知的，或是预报期极短、预报精度不高的预报洪水，在当前气象预报水平条件下，其雨情预报仅能作为参考。对面临洪水未知或知之不确是实时调度的最大难点。其二，设计阶段所进行的调洪计算，所给定的洪水都是特定频率、特定过程的典型洪水;而实时调度所遇到的洪水绝大多数都是非典型的一般洪水。这就不可能完全格守己做出的典型洪水调度方案进行调度。调度中既要符合设计的调度预知的洪水，兼顾上、下游的要求，兼顾防洪、兴利效益，当机立断地控制洪水蓄、泄过程。(2)实时洪水调度
38、的紧迫性。在设计阶段，对调洪演算的蓄泄过程一般是不计算决策用时和操作用时的。但在实时调度时，从收集水情、做出方案、上报领导决策、下达操作命令和执行及通知下游作好防汛准备等一系列过程，耗时颇多，常使泄洪不及时，奎高了调洪水位，如后续洪水很大，会造成十分被动的局面。(3)实时洪水调度无返回操作性。设计阶段的调洪演算，当某一时段或最终结果不符合要求时，可以调整蓄泄过程，重新演算;但实时洪水调度是不可返回操作的，对上一时段的操作结果不论正确与否，都必须作为本时段操作的初始条件。为改正上一时段的失当，只能在本时段及以后时段调整，这就可能加重后续时段水库蓄泄的难度，甚至会导致调洪结果严重偏离调度原则，造成
39、不应有的损失。为了逐步解决上述难题，提高水库实时防洪调度的水平，人们早已开始对水库流域洪水特性进行分析研究，包括洪水在汛期不同时段的变化规律的研究，以期尽可能提高对洪水的预知程度;开展预报调度的研究;加强决策、操作的规范化建设:不断对调度过程进行科学探讨等。2.4水库调洪演算原理水库调洪作用，是用滞洪与蓄洪的方法，利用水库的防洪库容来存蓄洪水，削减天然河道的洪峰流量，改变天然洪水过程，以达到下游防洪和保证防护区安全的目的网。调洪计算就是由入库洪水过程线Q(t)，水库的泄洪能力曲线、库容曲线等基本资料，推求出库的泄洪过程线q(t)、相应的调洪库容和蓄水位的变化过程Z(t)等。洪水进入水库形成水库
40、洪水波运动，其流态属于明渠非恒定流。水库沿程的流速、流量、水位、过水断面等都是时间的函数。其变化规律可用如下明渠非恒定流的基本方程组一圣维南（Saint-Venant）方程表示。1. 动力平衡方程式 （2-2） 2连续方程式（或称水量平衡方程式） （2-3） 式中、水面比降； 摩阻损失或摩阻坡；沿流程而变化的流速水头或动力坡;随时间变化而变化加速水头或动力坡沿流程变化的流量随时间而变化的河段断面面积显然，这是一个偏微分方程组，由于其复杂性，通常难以得出精确的分析解。因此，在一般的水库调洪计算中，都是采用简化了的近似解法，忽略动力平衡方程式，只考虑连续方程式。如可以近似地假定库内的流速趋于零，将
41、水库水面视为水平面。在这种假定条件下，就把偏微分方程写成有限差分的水量平衡方程，即在某一时段内()，入库流量与水库下泄流量之差，应等于该时段内水库蓄水量的变化值，用数学式表示为: （2-4） 式中: 、分别为计算时段初入、出库流量（);Qn、qn分别为计算时段末入、出库流量();、气一分别为计算时段初、末水库蓄水量();为计算时段长(s)，t长短视入库流量的变化情况选取，原则上需满足水位控制的要求，并使所取时段内流量的变化接近于直线。求解式(2一4)时，、可由己知的入库流量过程线查得。、可由计算时段初始条件得知，而、qn为两个未知数，方程(2一4)不能独立求解，但对于某一水库，当泄洪建筑物的型
42、式、尺寸一定时，泄流能力q取决于泄洪设施的水头或水库蓄水量V，所以可以借助于反映水库下泄流量与库水位(或库容)关系的水库泄流曲线，即: (25)式中；一为水库水位(m)；对于独立水体，即水库的水体之间没有水量交换、相互独立，在进行调洪计算时，由于水库入库初始条件己知，因此从起始条件开始，逐时段地连续求解式(2-4)和式(2-5)的联立方程组，即可推求出下泄流量过程线和库水位变化过程线，从而可以得出最大下泄流量、最高库水位和调洪库容。2.5水库洪水调度会商原理造成防洪形势紧张的洪水并不多见，但一旦发生，各级领导都极为关注，在防洪会商的情况下，希望调度人员利用“洪水调度软件系统”尽快作出多种调度方
43、案，供决策者使用。目前编制调度方案的步骤一般为:Step1:根据实际降雨量，运行洪水预报模块，计算入库洪水过程(可能还包括交互计算);Step2:根据自动和交互计算的洪水过程，运行调度方案制定模块，自动或人机交互调度模块方案，产生多种调度方案;Step3:根据用户的决策态势，进行调度方案的评价，得出方案的优劣次序;Step4:如果考虑假拟降雨量，则每考虑一种假拟降雨，就需要重复以上三个步骤。因此，目前常说的多方案是指针对同一个入库洪水过程，产生多个调度方案(或泄流过程)。若仔细推敲，则会发现这种软件的设计方法效率很低，制定调度方案的时间较长。在深入研究、分析比较的基础上，笔者认为:若希望防洪会
44、商真正的做到快速、高效、则调度会商软件的设计必须满足三个方面的原则:(1)突出重点:对于无下游防洪任务的水库(较少)，无论如何泄流，只要符合泄流设施的操作要求和下游河床的冲刷要求，则不存在调度方案的好坏:对于下游有防洪任务的水库，水库安全的重要性一定要高于下游安全的重要性。从这一角度出发，对于实时洪水调度，应尽可能根据天气预报、卫星云图、考虑假拟降雨量(特别在涨洪区间)、准备防大洪水、甚至考虑预泄(若前期拦蓄过多、后期敞泄也可能无济于事);(2)快速决策:如果采用现行的调度方法，即预报环境和调度环境独立(或分离)，制定调度方案的时间长、效率也不高。因此应该形成这样一种决策环境:不仅要操作简捷、
45、而且应该使“预报计算”与“调度方案生成”形成一个有机的整体，即预报计算完成后，立即自动生成调度方案。(3)两层会商机制:基于以上两点原则，调度会商应该形成两层决策机制，即宏观分析层和微观决策层。“宏观分析层”的作用在于快速分析与掌握未来多种来水(包括落地雨和多种假拟降雨)条件，水库及下游的防洪形势。在经过天气形势分析、判断及充分会商的基础上形成共识，选择某一种可能的来水进行重点会商(进入微观决策层);“微观决策层”则是现行常说的多方案生成，即对于选定一种入库洪水(实际或假拟的)，进行多方案分析和会商，并最终确定一种调度方案投入设施。基于以上分析，水库洪水调度会商方法与步骤为:Stepl:进行实
46、际降雨的预报计算、调度方案的生成。若考虑假拟降雨量，则只要考虑假拟降雨总量、降雨时间及时程分配方式，并进行预报计算和相应的调度方案的生成;Step2:通过对以上多种来水方案的形势分析、未来天气的形势的判断及水库安全的考虑，确定其中一种来水过程进行重点防洪会商;Step3:根据所选洪水过程，以自动生成方案为基础，经过人机交互，生成多种方案，并经过充分会商确定一种调度方案予以实施2.6用龙格一库塔数值解析法进行水库调洪演算2.6.1龙格一库塔数值解析法调洪演算原理龙格一库塔数值解析法是利用第二章的有限差分的水库水量平衡方程，通过数学变换将其变换成水库水量平衡的微分方程。微分方程分以下两种情况(1)
47、采用水位-库面面积曲线的情况(2-6) (2)用库水位库容曲线的情况起调库容 ( 2-7 )以一上两式中，Q(t)为t时刻入库流q(Z)为库水位为Z时通过泄水建筑物的泄流量，其中，Z=Z(t)，也是时间的函数，表示t时刻水库水位V(Z)为库水位为Z时的库容;F(Z)为库水位为Z时的水库水面面积。数值解析法就是求解式(2-6)或(2-7)的一阶常微分方程的初值问题，求解此类的一阶常微分方程的方法较多，一般计算精度较高的常用方法是四阶龙格一库塔法、五阶单步法、阿当姆斯预报一校正法等。若已知以上水量平衡方程中时段内的预报入库平均流量Qn,n时段初的水位Zn-1与库容Vn-1，时段初的泄流量q(Zn-
48、1)，水库蓄泄关系曲线，则应用定步长的四阶龙格一库塔法求解式(2-7)。可求得时段末的库容Vn，即 (2-8)式中、 其中Z()由库容在水库水位一库容关系曲线上用插值法求得;q()由水库水位在水位一泄流量关系曲线上求得，通常应用插值法;hn位n时段的时长n=1,2, ,N,N，为调洪计算的总时段数气，Vn-1为n时段初的库容Vn为n时段末的库容。式(2-8)中流量的单位为/s;水位的单位为水量库容的单位为m;时段长的单位为s。求得Vn后，即可求得Zn，从而求得水库水位、库容与泄流量随时间的变化过程。2.6.2泄水建筑物的泄流量公式洲(1)出流方式为闸孔出流 (2-9) 式中；M1流量常数 B1泄流孔宽 Z水位 A1泄流孔