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1、洪水預報與水庫防洪調度,主要內容,1、洪水預報的定義,2、洪水預報技術的發展,3、洪水預報方法及原理,4、影響洪水預報精度的主要因素,5、防洪調度,1.洪水預報的定義,水文預報（hydrological forecast）根據前期和現時的水文、氣象等信息，對未來一定時段內水文情勢作出的定性或定量預測。水文預報是應用水文學的一個分支，是一項重要的水利基本工作和防洪非工程措施，直接為水資源合理利用與保護、水利工程建設與管理，以及工農業生產服務。水文預報按預見期的長短，分為短、中、長期預報。按預報對象分為：洪水預報。主要預報暴雨洪水、融雪洪水的洪峰水位（或流量）、洪峰出現時間、洪水漲落過程和洪水總量2、等。枯季徑流預報。主要預報枯季徑流量、最低水位及其出現時間。墑情預報。分析土壤水分的動態變化，預報農作物生長所需的墑情。地下水位預報。分析地下水動態變化。預報地下水蓄量及水位升降等。冰情預報。主要預報流凌、封凍、解凍、冰厚、冰壩、開河等多種冰情的發生發展過程。融雪徑流預報。分析計算融雪產生的總水量及洪水變化過程。臺風暴潮預報。包括風暴潮增水及最高潮位變化等。水質預報。包括水質狀況及稀釋自凈能力的分析計算和預測等。,洪水預報（flood forecast）是預測江湖未來洪水要素及其特征值的一門應用技術科學。作為防汛抗旱的耳目和參謀，它是在人類與洪水災害斗爭的長期實踐中發展起來的。隨著近代科學的進3、步，到20世紀30年代，洪水預報已成為水文學科的一個重要分支，它包括河道洪水預報、流域洪水預報、水庫洪水預報等?，F代洪水預報是根據前期和現時已出現的水文、氣象等要素，對洪水的發生和變化過程作出定量、定時的科學預測。其主要預報項目有最高洪峰水位或流量、洪峰出現時間、洪水漲落過程、洪水總量等。,1.洪水預報的定義,洪水預報技術分傳統洪水預報技術和現代洪水預報技術，傳統洪水預報技術主要是相關圖，謝爾曼單位線，馬斯京根法，預報員趣稱“老三篇”；現代洪水預報技術主要是數學優化技術(如最小二乘法、LS、RLS)、系統數學模型技術(如線/非線性模型、流域水文模型)、計算機技術(如圖形交互技術)，趣稱“新三篇4、”。幾十年防洪減災的實踐已證明，洪水預報在防洪非工程措施中發揮了尚無法被替代的極重要的作用。,洪水預報是防汛決策的科學依據，洪水預報是防洪非工程措施的重要內容之一，直接為防汛搶險、水資源合理利用與保護、水利工程建設和調度運用管理，及工農業的安全生產服務。,2 洪水預報方法及原理,目前，我省流域的洪水預報主要采取三種方法：第一種是降雨徑流相關法，第二種是相應水位(流量)預報法，第三種是利用洪水預報模型預報。不論“新三篇”技術，還是“老三篇”技術，都已融入這三種預報方法之中，且在四水預報中得到了廣泛的應用。,2.洪水預報方法及原理,降雨徑流預報是根據次洪降雨量預報流域出流斷面的流量過程。方法的依據5、是降雨徑流形成過程。預見期取決于雨水匯集到出流斷面的匯流時間，所以預見期比河段預報要長些，這一點在中小河流上特別重要。此外，在宜于發布河段預報的大河上，也常存在著處理區間降雨入流的問題。隨著電子計算機的運用，考慮流域面上的不均勻性的分布參數模型已得到廣泛應用，小流域的降雨徑流預報是模型的基礎。因此，從降雨預報流量過程已成為一種基本的預報手段。我國在50年代初開始應用P-R相關圖，也不斷作出了改進。該方法主要應用于流域支流預報和區間預報。降雨(P)徑流(R)相關法一般采取P（降雨量）、Pa（前期影響雨量指標）、R（徑流深）三變數相關線，用它來表示R=f（P，Pa）的函數關系。在足夠多的實測點據基6、礎上，相關圖能反映流域的不同降雨和流域特性。,2.1 降雨(P)徑流(R)相關法,2.洪水預報方法及原理,編制降雨徑流相關方案時必須注意以下幾點：一是消退系數K值的確定：消退系數K值計算:按公式 K=1-E日m/Im；E日m為112月日最大蒸散發能力平均值，經綜合考慮多種方法，取流域最大初損Im為120mm。不同月取不同K值，同月取同一個K值。經試算，確立K值。如沅水流域各月消退系數K值參見下表。,2.1 降雨(P)徑流(R)相關法,沅水流域各月消退系數K值(Im=120mm),2.洪水預報方法及原理,又如浦市以上流域各月消退系數K值：,2.1 降雨(P)徑流(R)相關法,浦市以上流域各月消退7、系數K值(Im=130mm),2.洪水預報方法及原理,二是前期影響雨量（Pa值）的計算：Pa由前期雨量計算，也稱前期影響雨量，為土壤濕度的指標，計算公式如下：Pa,t+1=K(Pt+Pa,t)如t日無雨，則Pa,t+1=K Pa,t 三是流域平均雨量計算：采用所預報流域的報汛雨量站，按泰森多邊形權重法或算術平均法計算流域平均雨量。,2.1 降雨(P)徑流(R)相關法,2.洪水預報方法及原理,四是次洪徑流深簡單計算：次洪徑流深簡單計算公式為：R=Qt/A R-次洪徑流深（mm）-單位換算系數(3.6)Q-各時段次洪流量和(秒立米)t-時段長（h）A-流域面積（km2）,2.1 降雨(P)徑流(R8、)相關法,2.洪水預報方法及原理,五是降雨徑流相關圖的建立：降雨徑流經驗相關圖是在成因分析與統計相關的基礎上，用每次降雨的流域平均雨量（P）和相應產生的徑流深（R）以及影響它們的主要因素（Pa）所建立起來的一種經驗相關圖。制作降雨徑流經驗相關圖時，選用流域足夠場次的大、中、小洪水，計算次洪流域平均雨量、次洪徑流深，按上式連續計算前期影響雨量，得到次洪起始Pa值，點繪降雨徑流經驗相關R=f(P,Pa)圖。如下圖：,2.1 降雨(P)徑流(R)相關法,2.洪水預報方法及原理,降雨徑流相關示意圖,2.1 降雨(P)徑流(R)相關法,2.洪水預報方法及原理,匯流采用經驗單位線方法（如1小時、3小時、69、小時單位線）。它與API產流模型一起構成完整的產匯流模型系統。分析單位線時采用試錯法；根據流域暴雨特點，按暴雨中心的不同位置，將流域單位線綜合分類。方案程序化時，系統可依據每一時段的降雨中心位置，變動挑選單位線類型，再推求出預報斷面流量過程線。,2.1 降雨(P)徑流(R)相關法,2.洪水預報方法及原理,相應水位(流量)預報方法是根據上、下游斷面相應水位(流量)間和水位(流量)與傳播速度之間的定量規律，建立相應關系，以此來進行預報的方法。相應水位(流量)預報方法是目前較廣泛采用的一種簡易、實用而古老的水文預報方法，它根據河道洪水波運動原理，分析洪水波上任一位相的水位(流量)沿河道傳播過程中在水10、位(流量)值與傳播速度上的變化規律。相應水位(流量)預報方法按其特性可分兩大類，即相應水位(流量)法和合成流量法。相應水位(流量)法主要用于無支流或支流量較小的河段，合成流量法主要用于支流量較大的河段。,2.2 相應水位(流量)預報法,2.洪水預報方法及原理,斷面上水位的變化是由流經斷面的流量的變化引起的。在外界條件不變情況下研究相應水位關系，實質上是研究形成該水位的流量在河段傳播過程中的變化規律，包括流量值和傳播速度兩個方面，通常稱此流量為相應流量或傳播流量。設河段長為L，t時刻上游站的流量為Q上，t，下游站的相應流量為Q下，t+，傳播時間為。若河段無旁側入流，則相應流量關系是:Q下，t+=11、Q上，tQL 式中QL是河段洪水波展開量,它是流量和附加比降的函數。若河段有旁側入流，則相應流量關系是:Q下，t+=Q上，tQLq t+式中q t+是旁側入流在下游站t+時刻形成的流量。上式就是相應水位(流量)預報方法的基本關系式。,2.2 相應水位(流量)預報法,2.洪水預報方法及原理,2.2 相應水位(流量)預報法,相應水位是指河段上、下站同位相的水位。相應水位（流量）預報，簡要地說就是用某時刻上站的水位（流量）預報一定時間（如傳播時間）后下站的水位（流量）,2.洪水預報方法及原理,自然界中的水文現象是由眾多因素相互作用的復雜過程，水文現象雖然發生在地表范圍內，但與大氣圈、地殼圈、生物圈都12、有著密切的關系，屬于綜合性的自然現象。至今人們還不可能對所有水文現象的有關要素進行實際觀測，不能用嚴格的物理定律來描述水文現象各要素間的因果關系，尚有許多問題未解決，嚴格的水文規律有待探求。隨著人們對水文現象及其各要素之間因果關系認識水平的不斷提高和研究的深入，人們將復雜水文現象加以概化，即忽略次要的與隨機的因素，保留主要因素和具有基本規律的部分，據此建立具有一定物理意義的數學物理模型，并在計算機上實現，這種仿水文現象稱之為“水文模擬”。被模擬的水文現象稱為原型，模擬則是對原型的種種數學物理和邏輯的概化。所以說，水文模擬首先就是要研制一個水文模型。近年來，伴隨著水文理論的發展和高新技術在水文學13、科領域的廣泛應用，為水文模擬（流域水文模型）提供了重要的理論和技術支撐。,2.3 洪水預報模型,2.洪水預報方法及原理,1)洪水預報模型的基本原理,2.3 洪水預報模型,水文模型是研究水文規律的一種工具，是模擬水文現象原型的一種數學結構。所謂模擬，就是用系統分析的觀點與方法，在分析水文要素的特征、相互影響和作用過程的基礎上，鑒別出主要的影響因素和主要的過程，并用數學關系和邏輯表達式來概化和描述。隨著對水文規律研究的深入和描述水文過程方法的不斷改進，水文模擬技術已逐漸成為水文科學的一個重要組成部分。流域水文模型可分為物理模型、概念性模型和系統（黑箱）模型三大類，在實時洪水預報中，概念性模型和系統14、模型應用較多，效果最好。,2.洪水預報方法及原理,1)洪水預報模型的基本原理,2.3 洪水預報模型,流域水文模型是把流域看成為一個完整的系統，對系統中的水文動態作出全面的分析，根據各水文要素相互聯系制約的物理規律，用數學方式描述主要的水文過程與主要影響因素的關系，形成全流域的水量平衡科學計算系統。根據我省各流域的地理及水文氣象特征，通過分析，在流域預報調度系統中預報方案主要選用新安江模型。新安江模型是準分布式模型，把全流域按降水分布和下墊面條件分成許多單元面積，對各單元面積分別進行產、匯流計算。把每個單元面積的出流過程演算到出口斷面并相加，求得流域總的出流過程。當流域較小，降雨分布較均勻和下墊15、面條件變化不大或缺乏降水資料時，則視整個流域為一單元，采用集總模型。從四水流域的各個預報分區運用新安江模型預報結果來看，效果不錯，可用于實際洪水預報。至于其它薩克拉門托模型、水箱模型等洪水預報模型在我省應用較少。,2.洪水預報方法及原理,新安江模型主要特點：,2.3 洪水預報模型,（1）三分特點，即分單元產流、分水源坡面匯流和分階段流域匯流；（2）模型參數少且大多數具有明確的物理意義，容易確定；（3）模型參數與流域自然條件的關系比較清楚，可以尋找到參數的區域規律；（4）模型中未設超滲產流機制，適用于濕潤與半濕潤地區。,2.洪水預報方法及原理,2)新安江三水源模型原理,2.3 洪水預報模型,1916、73年，河海大學趙人俊教授領導的研究組在編制新安江入庫洪水預報方案時，匯集了當時在產匯流理論方面的研究成果，并結合大流域洪水預報的特點，設計了國內第一個完整的流域水文模型新安江流域水文模型，以下簡稱新安江模型。最初研制的是二水源新安江模型，80年代中期，借鑒山坡水文學的概念和國內外產匯流理論的研究成果，提出了三水源新安江模型。新安江模型的主要產流方式就是蓄滿產流，蓄滿產流的概念是針對濕潤地區的主要產流方式提出的，降水在滿足包氣帶缺水量以前，所有的降水被土壤所吸收；降水在滿足包氣帶缺水量以后，所有的降水（扣除同期蒸發）均產流。也可認為在土壤含水量達到田間持水量以前不產流，降水只補充土壤缺水量，而17、當土壤達到田間持水量以后，其降水（減去同期蒸發）全部產流。,2.洪水預報方法及原理,2)新安江三水源模型原理,2.3 洪水預報模型,三水源新安模型蒸散發計算采用（上層、下層、深層）三層模型；產流計算采用蓄滿產流理論；用自由水蓄水庫結構將總徑流劃分為地表徑流、壤中流和地下徑流三種；流域匯流計算采用線性水庫；河道匯流采用馬斯京根分段連續演算或滯后演算法。為了考慮降水和流域下墊面分布不均勻的影響，新安江模型的結構設計為分散性的，分為：蒸散發計算，產流計算，分水源計算和匯流計算四個層次結構。,新安江模型參數的物理意義,3.影響洪水預報精度的主要因素,3.1 降雨徑流預報誤差主要成因,分析其誤差原因，主18、要歸納為四種：（1）降雨特別不均勻，報汛雨量站未能控制住降雨中心,單位線未能綜合出這種降雨類型。（2）長期干旱嚴重，則Pa計算偏小，因而洪峰流量及洪量預報值偏小。（3）洪水分割不夠正確。（4）入庫洪水流量過程還原造成的誤差影響。,預報誤差的成因有很多，主要是水文觀測、模型的局限性及人類活動等因素引起的。實際作業洪水預報中，應根據預報誤差產生的成因，采取針對性措施予以改正?，F就降雨徑流預報、新安江模型預報、實時洪水預報的誤差成因，特別是入庫洪水計算誤差成因作如下分析：,3.影響洪水預報精度的主要因素,3.2 新安江模型預報誤差主要成因,造成這種預報誤差的原因是：一是模型自身的誤差，如對水文現象的19、種種概化與均化，如土壤含水量的分層計算、多個水庫的連續演算模擬，自由水庫對幾種水源出流的模擬計算等等。二是原始資料的誤差，如輸入的雨量蒸發等信息在時空上代表性不足，如雨量站點分布與降雨特性不相適應，觀測時段過粗等等，蒸發資料也存在類似情況。為盡量減小預報誤差，應用方案時，應特別注意中小洪水，特別是小洪水預報誤差相對大一些，因產流方案特殊點據大部份是徑流深小于20mm的洪水，一般預報徑流深大于實測徑流深，作業預報時，應考慮作適當校正。匯流預報更應注意暴雨中心、走向、雨型分布，雨強大小及洪水底水高低等，結合退水方案預報的退水過程，用多種方法比較成果再根據預報員經驗，最后得到預報最佳洪峰與洪水過程。20、,3.影響洪水預報精度的主要因素,3.3 實時洪水預報誤差主要成因,實時洪水預報特別是水庫的實時入庫洪水預報，其誤差的存在是不可避免的，并且誤差的存在不僅是流域水文氣象條件的模擬差異，還可能是測站實測及或水庫反推流量本身的誤差，這就給流域洪水預報提出了更高的要求。在實時洪水預報中，要求預報模型不僅能反映流域的水文氣象、產匯流等特性，還要具有一定的容錯能力。不論其預報方案自身反映流域水文氣象多么“真實”、預報結果多么“精確”，都要以入庫反推，或斷面實測的“真值”為準，按照概念性水文預報模型的理論這是不可能的，而誤差的存在是客觀的，在實際運用中，通過對誤差的客觀分析，結合統計模型及經驗模型的特點，21、對預報系統中的“系統誤差”進行修正，使預報值接近“實測值”。,3.影響洪水預報精度的主要因素,3.3 實時洪水預報誤差主要成因,現代實時洪水預報系統已不再是僅由單一化的產匯流預報模型或一種預報方法所組成。任一預報模型（或方法）均不可能解決所有流域的預報問題。同樣，任一流域也不可能適用各種預報模型（或方法）?，F代預報模型系統必須結合流域實時預報作業的現狀及特性，采用多途徑、多方式、集概念模型、水力學模型、統計模型及經驗模型等諸多方法為一體，形成交互式流域綜合水文預報系統。另外，設備故障導致資料缺測或不合理的觀測數據；水利工程、農田蓄放水誤差；流域水文規律的變化；水文規律簡化誤差，即模型結構誤差；22、雨量資料代表性誤差和水文資料觀測誤差等等都是實時洪水預報誤差的成因。,3.影響洪水預報精度的主要因素,3.4 關于入庫洪水預報誤差成因與解決辦法,入庫洪水預報的精度只能通過還原計算的入庫洪水進行評定。用水量平衡法推算入庫洪水對于長歷時洪量來說誤差不大，但對于短歷時洪量特別是洪峰流量誤差較大。其誤差原因主要有以下幾個方面：1）庫容曲線誤差 庫容曲線的誤差成因主要有：建庫前水位庫容曲線測量誤差；水庫蓄水后導致水下地形的變化引起庫容的變化；運行后由于水庫泥沙沉積引起庫容的變化有條件的話建立GPS控制網，利用GPS接收機及雙頻測深儀配合定期求出水位與水庫庫容關系曲線、水位與水庫面積的關系曲線。,3.影23、響洪水預報精度的主要因素,3.4 關于入庫洪水預報誤差成因與解決辦法,2）庫水位誤差 水庫初始庫容是從水位庫容曲線上查得的，除庫容曲線本身必須具有一定精度外，水庫水位準確與否對計算成果影響極大，特別是往往以壩前水位代表整個水庫平均水位，誤差更大。另外，現行的水情自動測報系統中水位傳感器的采集度為1cm。由于風浪或泄流的影響，水庫水面經常出現波動，造成觀測水位的誤差，對于大型水庫的水位，1cm的誤差可導致數十萬方甚至數百萬方水量的誤差。為了避免這些方面的誤差，應按水文觀測規范要求布設水尺、選擇測流斷面和具體情況確定測次，測量精度要滿足要求，記錄要準確，計算成果要多方校核。有條件的話應在水庫庫區適24、當地點增設幾個水位觀測點，用水庫平均水位推算入庫洪水。,3.影響洪水預報精度的主要因素,3.4 關于入庫洪水預報誤差成因與解決辦法,3）泄流曲線誤差 在入庫還原計算中必須要用到泄流曲線，由于閘門等泄流設施的Hq曲線、機組的HNq曲線均存在誤差，有些仍然采用工程設計階段水工模型實驗形成的曲線，誤差更大。為此，應對各類泄流曲線進行實測率定。也可通過水庫泄流與下游控制水文站的實測流量分析試驗來糾正。另外須注意的是出庫流量包括泄洪、發電、灌溉、廠礦和城鄉居民供水等，出庫流量任何一項的缺測或未及時輸入會使反推的入庫流量偏小。,3、影響洪水預報精度的主要因素,3.4 關于入庫洪水預報誤差成因與解決辦法,425、）計算時段長短不當而產生誤差 大量的計算結果表明：時段選得過長，會使洪水過程坦化，峰值編低；時段選得過短，則容易使洪水過程線呈鋸齒狀，即還原的入庫流量出現跳動現象，甚至出現負值。解決辦法是選擇合適的時段，根據一些水庫的經驗，時段以不小于12h為宜；總之，入庫洪水還原計算應當選擇幾個不同的時段，通過幾場洪水的計算，選擇其中不出現或少出現不合理現象的時段。,3.影響洪水預報精度的主要因素,3.4 關于入庫洪水預報誤差成因與解決辦法,5）時段平均最大流量與瞬時最大流量的誤差 入庫洪水的流量應當是瞬時值，其洪峰流量也應當是瞬時最大流量。用水量平衡法反推入庫洪水過程，只能求得時段平均最大流量，它與瞬時最26、大流量的差值、與流量過程線的形狀及采用的計算時段長短有關。修正的辦法有很多。如徒手修正法，修正的原則是修正前后各時段的水量相等，有點象洪水典型過程線同頻率放大的辦法，這樣很容易把瞬時洪峰值定出。6）其它實測信息的誤差 如機組負荷的采集誤差、閘門啟閉誤差（采集誤差、啟閉漸變過程中流量計算的誤差）、計算方法的簡化誤差（水位數值摘錄疏密）等。,3.影響洪水預報精度的主要因素,3.5 其它提高現有洪水預報精度的主要途徑,1）優化水情站網 水情站網是水文情報、預報工作的基礎，它是收集防汛抗旱公用資料的一個系統，其作用是通過系統內有限站點的觀測，提供流域內各支流的任一地點、具有一定精度的水文信息，且使其在27、組合上能以最小的經濟代價實現預定的目的。我省的水情站網均是按照全國統一的站網分析原則分干流控制站、區域代表站、小河站三級布設，且在最近幾年經過多次優化和審查，在當時經濟條件下，站網布設基本是合理的。,3.影響洪水預報精度的主要因素,3.5 其它提高現有洪水預報精度的主要途徑,1）優化水情站網目前我省水情站網主要按以下原則予以規劃：一是為掌握面上水情變化的四水干流及其一級支流的控制站、洞庭湖重要防汛斷面而布設的水文站。二是為水文預報斷面提供預報依據而布設的水文站。三是有防汛任務的大、中型水庫的出入庫控制水文站。凡符合以上三條原則的均列為水情報汛站，水情報汛站的作用是提供雨情、水情信息。通過使用數28、理統計和模糊相似選擇法、逐步回歸法、滿足誤差標準的水文氣象站網空間分布法三種方法得出如下最優站網公式：n=3.44+0.0012F+0.0038L-0.0587J其中：n為最優站網數；F為流域面積(km2)；L為干流長度(km)；J為干流坡降()。,3.影響洪水預報精度的主要因素,3.5 其它提高現有洪水預報精度的主要途徑,2）實時校正技術 實時預報就是利用在作業預報過程中，不斷得到預報值與實測值的誤差信息，運用現代系統理論方法及時校正、改善預報估計值或水文預報模型中的參數，使以后階段的預報誤差盡可能減小，預報結果更接近實測值。水文實時預報是近20多年來，國內外積極探索動態預報水文變化過程的現29、代水文預報方法。它是洪水預警系統或洪水實時聯機預報系統中研究的核心部分。采用洪水實時預報校正方法與技術將明顯地改進洪水預報、水庫調度的精度及增長有效預見期。,3.影響洪水預報精度的主要因素,3.5 其它提高現有洪水預報精度的主要途徑,2）實時校正技術 實時校正的主要方法按校正內容劃分，可分為：（1）模型誤差校正。以自回歸方法為典型，即根據誤差系列，建立自回歸模型，再由實時誤差，預報未來誤差；（2）模型參數校正。有參數狀態方程校正和卡爾曼濾波校正等方法；（3）模型輸入校正。主要有濾波方法，典型的卡爾曼濾波、維納濾波等；（4）綜合校正。就是前三者的結合。這些校正方法的基本特點，都是以實時計算誤差系30、列為基本信息依據的。,3.影響洪水預報精度的主要因素,3.5 其它提高現有洪水預報精度的主要途徑,2）實時校正技術 實時校正的主要方法根據水文預報誤差來源的不同，也可分為：（1）模型參數實時校正。采用模型參數實時校正是認為水文預報方法或水文模型的結構是有效的，只是由于存在數據的觀測誤差，導致率定的模型參數不準確，或是率定的模型參數對具體場次的洪水并非最優，因此在實際作業預報過程中，根據實際的預報誤差不斷的修正模型參數，以提高此后的預報精度，對模型參數進行實時校正的方法有最小二乘估計等算法；（2）模型預報誤差實時校正。對模型預報誤差進行校正是對已出現的預報誤差時序過程進行分析，尋求其變化規律建立31、合適的預報誤差模型，通過推求未來的誤差值以校正還未出現的預報值，從而達到提高預報的精度；（3）狀態變量實時校正。預報過程中能控制當前及以后時刻系統狀態和行為的變量，稱為狀態變量。對狀態變量的估計，是認為預報誤差來源于狀態估計的偏差和實際觀測的誤差，通過實時修正狀態變量來校正以后的預報值，從而提高預報的精度，卡爾曼濾波或自適應濾波方法就是對狀態變量進行實時校正的算法。,4.防洪調度,防洪調度是運用防洪工程或防洪系統中的設施，有計劃地實時安排洪水以達到防洪最優效果。防洪調度的主要目的是減免洪水為害,同時還要適當兼顧其他綜合利用要求。原則：將確保工程安全置于首位；防護區的洪災總損失最小;妥善處理防洪32、與興利的矛盾,在汛期興利服從防洪,防洪兼顧興利；編制防洪調度方案,嚴格按調度方案進行運用；由于基本資料、水情預報、調度決策等可能存在誤差或失誤,運行時需要留有余地,以策安全。,4.防洪調度,4.1 單庫防洪調度,1）單庫防洪調度的特點（1）防洪調度決策不僅需統籌考慮水庫上下游的防洪矛盾，而且還要統籌考慮防洪與興利之間的矛盾，是一個多目標、多階段的決策過程。在洪水進程的不同階段，決策者考慮的重點具有較大差別，采用的策略是不同的，在洪水初期，較多考慮騰庫預泄，在洪峰附近，重點協調上下游之間的防洪矛盾，在洪水后期，較多考慮水庫水位回蓄對興利的影響（在汛末這一點尤為重要）。,4.防洪調度,4.1 單庫33、防洪調度,1）單庫防洪調度的特點（2）防洪調度過程中涉及的因素十分復雜，有水情、雨情、工情等，在防洪形勢嚴峻時，決策的產生在很大程度上受決策者的心理素質，以及決策者對決策風險的承受能力的影響，在諸多影響因素中，有些結構化較強，可以精確定量描述，如庫容、泄流能力等；有些則難以精確定量，特別是水雨情信息，自動化遙測設備只能夠監測到面臨時刻以前的降雨，洪水預報只能保證預見期內的預報精度，對防洪調度而言，這些信息是不完全的，依據這些信息作防洪決策，存在一定的風險。,4.防洪調度,4.1 單庫防洪調度,單庫防洪調度原理圖,4.防洪調度,4.1 單庫防洪調度,單庫防洪系統概化圖,4.防洪調度,4.1 單庫34、防洪調度,單庫實時調度框圖,4.防洪調度,4.1 單庫防洪調度,2）多目標方法選擇 單庫洪水調度決策在下游有防洪任務時，是一個多目標決策問題。對于下游有防洪點的單庫防洪問題，洪水調度關心三個主要指標，分別為水庫的最高水位，最大出庫流量與調度期末的水庫控制水位，水庫最高水位最低體現了水庫自身和上游防洪（如果庫區有淹沒）的效益；而最大出庫流量最小體現了下游的防洪效益；調度期末的水位反應水庫興利與防洪的協調關系。,4.防洪調度,4.1 單庫防洪調度,2）多目標方法選擇 理想的方法是能夠確知水庫水位與上游淹沒損失的關系及最大泄量與下游防護區淹沒損失的關系，將多目標問題轉化為防洪系統（包括上游、水庫、下35、游）總洪災經濟損失最小的單目標優化調度問題。常見的處理方法是權重協調法，確定水庫最高水位與最大出庫流量的權重，將多目標問題轉化成單目標問題：式中：Zmax：水庫最高水位；Qmax：防洪斷面最大過水流量（無區間補償時為水庫最大下泄量）；為權重。處理多目標問題的另一種常用方法是約束法，對兩目標而言，其基本原理是將其中一個目標轉化為約束條件，對另一個目標進行單目標優化，通過改變約束條件的值，逐步逼近決策者的滿意解。這一思想比較符合水庫實時洪水調度決策的決策習慣。,4.防洪調度,4.1 單庫防洪調度,3)防洪調度模式 在洪水調度的不同階段，主要目標的選擇有所區別，不同階段的不同防洪調度模式具體有：（136、）水位控制模式 該調度模式將水庫水量平衡方程中水庫最高水位作為關注因子，將水庫最高控制水位轉化為約束條件，水庫最高水位是水庫實時防洪調度的重要控制指標，當洪水位于漲水段，后續降雨難以確知時，保持適當的水庫最高控制水位非常重要，水位控制模型的目標為：在保證水庫水位控制條件的前提下，使水庫的最大出庫流量最小，即以通常所說的最大削峰準則進行調度。水位控制模型，通常應用于水庫自身防洪形勢比較緊張的情形，模型不考慮水庫對區間洪水的補償。,4.防洪調度,4.1 單庫防洪調度,3)防洪調度模式（1）水位控制模式,4.防洪調度,4.1 單庫防洪調度,3)防洪調度模式（2）出庫控制模式 該調度模式將水量平衡中出37、庫流量作為關注變量，與水位控制模式不同，該模型可以迅速準確地將水庫最大出庫流量規定到希望的范圍之內。該調度模型同時考慮出庫流量限制和最高水位限制，當出庫流量限制條件生效時其目標為使水庫最高水位最低。當出庫流量不起約束時，則盡可能利用由允許最高水位規定的允許調蓄庫容削減洪峰。（3）補償控制模式 該調度模式在水庫有較多的空閑庫容時較為完善，它將關注的水庫水位與出庫流量，轉移到關心水庫水位與防洪控制斷面的過流量。根據水庫距保護區距離不同，可采用完全補償調節與近似錯峰調節的方式。補償調度的目標為在保證水庫最高水位與調度期末水位約束的前提下，使防洪控制斷面的最大過水流量最小。,4.防洪調度,4.1 單庫38、防洪調度,3)防洪調度模式（4）規則控制模式 各水庫都有既定調度規則，這些調度規則大多是基于水位作指標的分級調度原則，或者是以入庫流量為控制指標的分級調度原則，在設計時，大多未考慮預報因素，是相對保守的調度方式，一般情況下，實時預報調度方式的效果比規則調度方式要好。但因為調度規則的安全可靠性，人們常常將方案作為考核預報調度軟件效果的基礎方案。（5）指令控制模式 一些重要的防洪水庫，其調度權是分級的，在水庫水位或入庫洪水超過某種限制時，調度權歸上級防汛指揮部門，水庫調度人員在執行上級防汛指揮部門的調度指令時，需要對調度指令所產生的后果進行分析，并將分析的結果反饋給上級防汛指揮部門。,4.防洪調度39、,4.1 單庫防洪調度,3)防洪調度模式（6）預報預泄模式 該調度模式為經典預報預泄模式，該調度方式能體現“大水大放、小水小放”的優點，經典的預報預泄方式在預泄效果上可能比前述方法略差，但在短期洪水預報較可靠時，它可以保證預泄的可靠性，防止由于預泄過度導致水庫水位難以恢復的消落，因此，經典的預報預泄模型在汛末使用比較理想，因為在汛末常常使水庫管理人員陷入既怕防洪不安全又怕水庫難以有效回蓄的兩難境地。,4.防洪調度,4.2 庫群聯合調度,4.防洪調度,4.2 庫群聯合調度,對于流域性洪水，單個水庫各自為戰，顯然難以發揮全流域水庫系統的防洪效益，因而水庫群的聯合洪水調度，對于流域性的整體防洪水平十40、分必要。庫群聯合實時洪水調度，主要表現為各水庫間的空間補償，具體體現在兩個方面，一是不同水庫其來水不同步，根據各庫洪水發生時差，安排各庫的蓄泄方案，使防洪控制點防洪效益最大（最大過水流量最小或成災歷時最短）；另一方面表現為各水庫到防洪控制點的距離不同，通過調度方案實施，避免或減輕不同支流的洪峰迭加，以提高防洪控制點的安全度。庫群實時洪水聯合調度的困難在于不同水庫或區間的洪水預報預見期不一致，由于水庫比較分散，庫與庫之間的洪水傳播時間較長，甚至超過了洪水預報的預見期。,4.防洪調度,4.2 庫群聯合調度,因此，對防洪斷面，各庫同期出流的相關程度不高，在非完全預報（一次預報只能提供次洪的部分信息）41、時，很難實現真正意義上的全流域庫群聯合調度，實現理想的庫群防洪補償。必須在充分研究單庫洪水調度各種控制方式的基礎上，進一步研究庫群不同組合方案的洪水調度，對提高整體防洪能力具有積極的作用。同時，由于各水庫的控制流域面積、流域形狀不同，預報預見期存在差異，庫下區間流域面積的差異更大，各庫距防洪控制點的傳播時間各不相同，由于聯合調度的計算期是相同的，傳播時間導致各庫之間的水力聯系減弱。而在實時洪水調度時須考慮河道洪水的演進，所以，嚴格的數學意義上的聯合優化調度是十分困難的，以下提供兩種可供選擇的聯合調度方式：,4.防洪調度,4.2 庫群聯合調度,1)逐級交互調度模式 逐級交互調度模式是對單庫調度模42、型的延伸，在單庫防洪調度中，各庫入庫流量過程均采用本庫洪水預報模型提供的預報過程，而不考慮各庫之間的水力聯系和相互協調。在逐級交互過程中，各單庫調度的原理與方法完全相同，而增加了交互反饋的環節。遵照先支后干，先上后下的原則，將水庫編序，逐庫調度，前庫的調度結果作為后庫進一步補償的依據，在最后一級水庫計算完畢后，視最后結果確定反饋的方向。見下逐級交互計算流程圖。,碗米坡、鳳灘、五強溪水庫逐級交互計算流程,4.水庫防洪調度方法,4.2 庫群聯合調度,2)庫容補償優化調度模式 雨止后，余留期洪水過程在不考慮預報誤差時可認為是確知的。這時的預報模型可望獲得較長的預見期。隨著新技術應用，預報預見期也有大幅增長的可能。當預報預見期遠大于庫與庫間的傳播時間時，即可實現庫群的庫容補償優化調度模式。對于該調度模式，數學模型求解可用動態規劃等數學規劃方法嚴格求解，但調洪演算為純水量問題，在最大削峰準則下，多庫聯合補償，常會出現多個等價方案，其中的部分方案奇異性嚴重，如出現泄量鋸齒振蕩，出現極端方案（一庫取上限，另一庫取下限）等，此時可采用簡單試錯法求解?？梢宰C明，對特定洪水，最大削峰準則的最優解，等價于傳統的“削平頭”方法的操作結果。即在洪水總量已知時，通過防洪庫容的調節，最后使各時段泄流量盡可能均勻，達到最大削峰目標。,碗米坡、鳳灘、五強溪水庫庫容補償計算流程,