馬志鵬，王 森，李善綜，鄒華志

(1. 珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510611；2. 水利部珠江河口動(dòng)力學(xué)及伴生過(guò)程調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510611； 3. 水利部珠江水利委員會(huì)技術(shù)咨詢中心，廣州 510611)

珠江按年徑流量為我國(guó)第2大河流，流域受大氣環(huán)流、地形、臺(tái)風(fēng)等影響，汛期降雨量多、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且眾多的支流呈扇狀分布，洪水易同時(shí)匯集到干流形成大洪水，導(dǎo)致區(qū)域洪澇災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重制約了區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。近年來(lái)，隨著流域梯級(jí)水利樞紐以及沿岸堤防工程的大規(guī)模開(kāi)發(fā)與建設(shè)，逐步形成了“堤庫(kù)結(jié)合、以泄為主、泄蓄兼施”的防洪工程體系[2]，在抵御特大洪水、降低洪災(zāi)方面發(fā)揮了重要作用。但是，隨著流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、區(qū)域極端氣候頻發(fā)等形勢(shì)變化[3]，區(qū)域防洪安全保障仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在：①流域洪水復(fù)雜多變，西江主要支流有北盤(pán)江、柳江、郁江、桂江、賀江等，干支流洪水遭遇組成復(fù)雜，洪水類(lèi)型多(按時(shí)間可分為主汛期和后汛期，按空間可分為中上游型、中下游型、全流域型)且存在互相轉(zhuǎn)變的可能；②流域控制性工程防洪能力有限且空間分布不均勻，現(xiàn)狀干流防洪工程庫(kù)容僅占規(guī)劃的55%，而且已建的防洪控制性水庫(kù)龍灘位于上游，中下游無(wú)控制性工程進(jìn)行調(diào)控；③骨干水庫(kù)龍灘原調(diào)度規(guī)則為20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)，調(diào)度規(guī)則中未考慮洪水預(yù)報(bào)因素，同時(shí)近年來(lái)流域水文情勢(shì)發(fā)生較大變化[4-6]，原調(diào)度規(guī)則適應(yīng)性還有待強(qiáng)化。因此，如何科學(xué)、合理地利用優(yōu)化技術(shù)手段提高流域防洪能力，是亟待研究和解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

針對(duì)上述流域防洪調(diào)度存在的問(wèn)題，考慮到流域防洪控制性工程龍灘水庫(kù)調(diào)度規(guī)則精細(xì)化程度不足的缺點(diǎn)，從調(diào)度可操作性和實(shí)用性出發(fā)，本文將不同量級(jí)的龍灘及控制斷面梧州的預(yù)報(bào)流量信息納入調(diào)度規(guī)則中作為判別條件，構(gòu)建自識(shí)別控泄方式，擬定了包含預(yù)報(bào)變量和控泄變量的分類(lèi)洪水調(diào)度規(guī)則一般形式；以梧州斷面場(chǎng)次洪水集加權(quán)平均削峰最大為優(yōu)化目標(biāo)，將預(yù)報(bào)變量和控泄變量進(jìn)行離散組合，通過(guò)不同類(lèi)型場(chǎng)次洪水集模擬調(diào)度，選取最優(yōu)變量組合，形成分類(lèi)洪水調(diào)度規(guī)則。實(shí)例研究表明，優(yōu)化的分類(lèi)洪水防洪調(diào)度規(guī)則能有效適應(yīng)不同類(lèi)型洪水，調(diào)洪效果顯著。

1 分類(lèi)洪水調(diào)度規(guī)則

1.1 調(diào)度規(guī)則一般形式

考慮到流域洪水類(lèi)型按時(shí)空分布特點(diǎn)可分為主汛期中上游型、主汛期中下游型、主汛期全流域型、后汛期中上游型、后汛期中下游型以及后汛期全流域型6類(lèi)，在流域防洪控制性工程龍灘水庫(kù)原調(diào)度規(guī)則的基礎(chǔ)上，納入不同量級(jí)的預(yù)報(bào)流量和控泄流量提高調(diào)度規(guī)則的精細(xì)程度，并針對(duì)每類(lèi)型洪水?dāng)M定表現(xiàn)形式相同的調(diào)度規(guī)則。

(1)龍灘原調(diào)度規(guī)則。龍灘水庫(kù)現(xiàn)狀調(diào)度規(guī)則主要以梧州斷面實(shí)測(cè)流量作為控泄的判別條件，在7月15日前保持50 億m3的防洪庫(kù)容，7月15日以后可以回蓄，但在8月仍預(yù)留30 億m3的防洪庫(kù)容；當(dāng)龍灘水庫(kù)蓄滿庫(kù)容時(shí)，龍灘水庫(kù)按入庫(kù)流量泄水。現(xiàn)狀防洪調(diào)度規(guī)則見(jiàn)表1。

表1 龍灘水庫(kù)現(xiàn)狀調(diào)度規(guī)則 m3/s

(2)分類(lèi)洪水調(diào)度規(guī)則一般形式。根據(jù)現(xiàn)有預(yù)報(bào)技術(shù)的精度和預(yù)見(jiàn)期，結(jié)合人工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，調(diào)度規(guī)則的優(yōu)化考慮3 d內(nèi)的梧州和龍灘的洪水預(yù)報(bào)，并重點(diǎn)對(duì)漲水期進(jìn)行識(shí)別調(diào)度。擬定的分類(lèi)洪水調(diào)度規(guī)則一般形式見(jiàn)表2。

1.2 自識(shí)別防洪調(diào)度模型

針對(duì)擬定的分類(lèi)洪水調(diào)度規(guī)則的一般形式，將調(diào)度規(guī)則中作為判別條件的預(yù)報(bào)信息以及控泄信息構(gòu)造為約束條件，構(gòu)建自識(shí)別防洪調(diào)度模型，并以梧州斷面場(chǎng)次洪水集模擬調(diào)度的加權(quán)平均削峰最大為優(yōu)化目標(biāo)。

表2 龍灘水庫(kù)分類(lèi)洪水調(diào)度規(guī)則一般形式 m3/s

1.2.1 優(yōu)化目標(biāo)

(1)

1.2.2 約束條件

水量平衡：

(2)

水位約束：

(3)

自識(shí)別控泄約束：

(4)

馬斯京根演進(jìn)約束：

(5)

非負(fù)條件約束：上述所有變量均為非負(fù)變量(≥0)。

1.3 優(yōu)化流程

(2)初設(shè)α=1；其中α∈(1,2,…,6)；β=1，其中β∈(1,2,…,6γ)。

(4)若β=6γ，則進(jìn)入步驟(5)，否則，設(shè)置β=β+1，返回步驟(3)。

(6)若α=6，則計(jì)算結(jié)束，否則，設(shè)置α=α+1、β=1，返回步驟(3)。

優(yōu)化流程見(jiàn)圖1。

圖1 分類(lèi)洪水調(diào)度規(guī)則優(yōu)化流程Fig.1 The flow chart of the optimal process of the classified flood control rules

2 成果檢驗(yàn)

2.1 優(yōu)化成果

表3 分類(lèi)洪水調(diào)度規(guī)則優(yōu)化參數(shù) m3/s

2.2 調(diào)洪計(jì)算

采用流域“49.7”、“88.9”、“94.6”、“98.6”、“05.6”等典型大洪水對(duì)龍灘分類(lèi)洪水調(diào)度規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn)。典型洪水調(diào)洪效果見(jiàn)表4，調(diào)度過(guò)程見(jiàn)圖2～圖6。

表4 典型洪水調(diào)洪效果 m3/s

圖2 “49.7”洪水200 a一遇調(diào)度過(guò)程Fig.2 The operation process of “49.7” flood (frequency:0.5%)

圖3 “88.9”典型洪水調(diào)度過(guò)程Fig.3 The operation process of “88.9” typical flood

圖4 “94.6”洪水200 a一遇調(diào)度過(guò)程Fig.4 The operation process of “94.6” flood (frequency:0.5%)

圖5 “98.6”洪水200 a一遇調(diào)度過(guò)程Fig.5 The operation process of “98.6” flood (frequency:0.5%)

圖6 “05.6”洪水200 a一遇調(diào)度過(guò)程Fig.6 The operation process of “05.6” flood (frequency:0.5%)

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)，與原調(diào)度規(guī)則相比：對(duì)中上游型洪水的削峰值的影響范圍為-300～800 m3/s，對(duì)全流域洪水削峰值增加約400 m3/s，對(duì)中下游型洪水削峰增加約1 200 m3/s。因此，分類(lèi)洪水調(diào)度規(guī)則對(duì)全流域型洪水、中下游型洪水普遍改善，而對(duì)于中上游型以改善為主，但也存在削峰降低的可能，主要受限于龍灘的防洪庫(kù)容，存在提前用完庫(kù)容的可能。

從圖2～圖6中可以看到，調(diào)度過(guò)程中根據(jù)自識(shí)別策略逐時(shí)段調(diào)整洪水控泄方式，實(shí)現(xiàn)調(diào)度決策的動(dòng)態(tài)自識(shí)別。對(duì)于“49.7”200年一遇洪水，自識(shí)別策略準(zhǔn)確判斷出中上游型洪水，與原方案基本保持一致，但由于龍灘防洪庫(kù)容有限，在龍灘斷面洪水尚未完全退去的情況下提前用完防洪庫(kù)容，梧州斷面削峰4 700 m3/s。而對(duì)于“88.9”典型洪水，與原方案相比，自識(shí)別策略將防洪庫(kù)容主要用于攔蓄洪峰洪量，削峰改善明顯，但隨著洪水量級(jí)增大，從第1入庫(kù)洪峰開(kāi)始攔蓄洪水，提前動(dòng)用了有限的防洪庫(kù)容。因此，對(duì)中上游型洪水的調(diào)洪效果受制于防洪庫(kù)容的大小。對(duì)于“94.6”200 a一遇洪水，自識(shí)別策略下梧州斷面削峰4 100 m3/s，比原規(guī)則增加了削峰400 m3/s，同時(shí)，由于自識(shí)別策略還考慮了龍灘斷面的入庫(kù)流量，對(duì)雙峰型洪水(見(jiàn)圖4中虛線圈所示)也進(jìn)行了控泄，充分利用了龍灘防洪庫(kù)容。對(duì)于“98.6”200 a一遇洪水，原調(diào)度方案梧州斷面只削峰200 m3/s，通過(guò)分類(lèi)洪水規(guī)則，龍灘控泄2 000 m3/s，梧州斷面削峰1 400 m3/s，大幅提高了削峰量，而對(duì)于“05.6”200 a一遇洪水，調(diào)洪效果同樣非常顯著。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著流域防洪安全需求越來(lái)越強(qiáng)烈，在流域防洪能力有限的情況下，如何挖掘防洪潛力以實(shí)現(xiàn)防洪保安，一直是雨洪資源化利用領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。本次研究針對(duì)流域洪水類(lèi)型復(fù)雜、現(xiàn)狀防洪能力有限等調(diào)度難點(diǎn)，以提高流域防洪能力為目標(biāo)，建立了自識(shí)別防洪調(diào)度模型，優(yōu)化了骨干水庫(kù)分類(lèi)洪水防洪調(diào)度規(guī)則。實(shí)例研究表明，該調(diào)度規(guī)則對(duì)中上游型洪水以改善為主，不同程度地改善了全流域型、中下游型洪水的調(diào)洪效果，具有較強(qiáng)的實(shí)用性強(qiáng)和可操作性。

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