CN114386882B - 基于水工程调度效果互馈的超标准洪水风险调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及洪水调控技术领域，具体涉及基于水工程调度效果互馈的超标准洪水风险调控方法。收集基础资料，并拟定可参与超标准调度的水工程清单；构建水工程联合调度模型；将在水工程联合调度模型中输入预报洪水过程和所述初始调度方案，计算灾害损失指标，判断损失是否满足预期；若损失不满足预期，则对初始调度方案进行修改，并重新输入水工程联合调度模型，计算水工程的压力指标，若压力超过100%，则继续修改调度方案并重新输入水工程联合调度模型，直至计算出的压力不超过100%时，将当前调度方案输出；若损失满足预期，则将水工程常规联合调度方案输出。能根据调度效果滚动修正水工程的运用方式，最终得到风险可控的水工程超标准调度运用方式。
Description
技术领域
本发明涉及洪水调控技术领域，具体涉及基于水工程调度效果互馈的超标准洪水风险调控方法。
背景技术
水工程调度是防洪风险调控的重要手段之一，汛期一般情况下，当库水位达到正常蓄水位或防洪高水位后通常按保枢纽安全方式进行调度，若水库涉及多个防洪保护对象，针对某个特定防洪保护对象，通常仅按为其预留的防洪库容进行拦洪；当控制站水位达到保证水位后通常将启用相应的蓄滞洪区。实际应用中，在风险可控的前提下，若水库涉及多个防洪保护对象，其防洪库容预留分配方案存在优化调整空间，部分水库还有条件利用正常蓄水位或防洪高水位以上部分库容继续控泄拦洪，部分河段堤防亦能短时间抵御超过保证水位的洪水。例如，《三峡（正常运行期）-葛洲坝水利枢纽梯级调度规程（2019年修订版）》提出，在一定条件下，三峡水库对城陵矶防洪补偿控制水位可由155m抬高至158m，增大对城陵矶地区的防洪作用。1998年为缓解长江中下游防洪压力，在枢纽安全极限下对隔河岩水库进行了超标准调度，最高调洪水位超过正常蓄水位3.94m，使沙市从可能最高水位45.50m降至实际最高水位45.22m，削峰、错峰效果显著。2003年淮河流域大洪水，王家坝至鲁台子河段水位超过保证水位0.3～0.55m，堤防安然度汛。
目前关于水工程超标准调度运用方式的研究成果较少。超标准调度运用会占用水工程为其他防洪保护对象或工程自身安全预留的防御能力，即将目标河段的洪水风险转移至其他防洪保护对象或该工程自身，也可能形成灾害损失，需要权衡超标运用的利弊得失。
因此，需要提出一种能根据洪水调度风险和效果引导调整水工程联合调度方式的方法，旨在根据调度效果滚动修正水工程的运用方式，最终得到风险可控（灾害损失满足预期）的水工程超标准调度运用方式。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于水工程调度效果互馈的超标准洪水风险调控方法，能根据调度效果滚动修正水工程的运用方式，最终得到风险可控（灾害损失满足预期）的水工程超标准调度运用方式。
本发明提供一种基于水工程调度效果互馈的超标准洪水风险调控方法，包括
收集基础资料，并拟定可参与超标准调度的水工程清单；
构建水工程联合调度模型；
将水工程常规联合调度方案作为初始调度方案，在水工程联合调度模型中输入预报洪水过程和所述初始调度方案，进行调洪演算和回水计算，得到各水库最高库水位和库区水面线、堤防控制断面最高水位或蓄滞洪区分洪最高水位；
根据各水库最高库水位和库区水面线、堤防控制断面最高水位或蓄滞洪区分洪最高水位，计算灾害损失指标，并根据所述灾害损失指标判断损失是否满足预期；
若损失不满足预期，则对初始调度方案进行修改，并重新输入水工程联合调度模型，计算水工程的压力指标，若压力超过100%，则继续修改调度方案并重新输入水工程联合调度模型，直至计算出的压力不超过100%时，将当前调度方案输出；
若损失满足预期，则将水工程常规联合调度方案输出；
其中，对调度方案的修改过程包括：
计算各水库、堤防、蓄滞洪区时段初的状态指标，筛选出剩余防御能力大于零的水工程，按照加权剩余防御能力从大到小依次排序；
根据排序结果，依次选择单一水工程，对水工程的响应指标进行重新设定，根据所选水工程重新设定的响应指标对当前调度方案进行修改，生成流域新的调度方案。
较为优选的，在所述损失不满足预期或压力超过100%时，需要重新设定的响应指标包括：
当所选水工程为堤防时，对堤防的河道强迫行洪最高水位进行重新设定，若事先已评估堤防安全裕度，明确了堤防河道强迫行洪最高水位的上限值，则设置河道强迫行洪最高水位不超过所述上限值；
当所选水工程为水库时，对水库的超蓄限制水位、下泄流量或超蓄启动流量进行重新设定；
当所选水工程为蓄滞洪区保留区时，启用蓄滞洪区。
较为优选的，当所选水工程为水库时，对当前调度方案进行修改时增加水库的下泄流量或降低水库的超蓄限制水位，当所选水工程为堤防时，降低河道强迫行洪最高水位。
较为优选的，所述收集基础资料包括：
收集预报洪水过程，水库特征水位、水位~库容曲线、水位~泄流能力曲线、防洪调度方式、库区水位～淹没损失关系曲线信息；
收集蓄滞洪区启用条件、有效容积、容积～淹没损失关系曲线信息；
收集下游防洪控制站水位～流量关系、保证水位、堤顶高程、安全泄量信息。
较为优选的，所述拟定可参与超标准调度的水工程清单包括：
收集水工程包括水库枢纽布置及建筑物、机电及金属结构、洪水调节计算信息在内的设计资料和大坝坝体、坝后、溢洪道、输水涵管部位实际运行情况；
收集防洪控制点代表河段的堤身高度、地形、堤基土层、险情现有防渗工程措施情况；
当水工程的以上信息全部满足超标准调度规程时，将所述水工程加入可参与超标准调度的水工程清单。
较为优选的，所述构建水工程联合调度模型包括：
结合现行的水工程联合调度方案和各工程的调度规程，获取调度涉及的水工程、来水边界站点、控制对象信息；
解析流域来水形势、调度需求、调度目标、调度对象、工程启用条件和运行方式信息；
根据解析出的信息构建水工程联合调度模型；
其中，解析所述调度需求时，以重要防洪控制断面为节点将区域内各河段划分若干段，以河道允许下泄流量为约束条件，进一步细分区域内各控制断断面的调度需求；
解析调度对象时，以控制性水库、干流堤防、蓄滞洪区组成的水工程为调度对象。
较为优选的，所述计算灾害损失指标，并根据所述灾害损失指标判断损失是否满足预期包括：
根据淹没水位高程和水位-面积关系，结合人口平均分布率，计算出受影响人口数量；
根据淹没水位高程和水位-面积关系，结合耕地面积占比，计算出受影响耕地面积；
根据淹没水位高程和水位-容积关系，得出容积损失，根据单位容积损失计算直接经济损失；
根据淹没水位高程和水位-承灾体损失率关系，得到受淹重要城镇数量；
当受影响人口数量、受影响耕地面积、直接经济损失、受淹重要城镇数量中的任意一项或多项超出各自对应的灾害阈值时，判断损失不满足预期。
较为优选的，所述按照加权剩余防御能力从大到小依次排序时，若堤防与水库的加权剩余防御能力相等，且水库剩余防御能力处于第一区间或第二区间，则将水库至于堤防前；
所述第一区间为：记水库为目标河段预留的防洪库容为X，从该水库汛期防洪限制水位以上增加库容X所对应的水位记为Z1，则Z1至该水库死水位之间的库容为第一区间；
所述第二区间为：从Z1至该水库防洪高水位之间的库容为第二区间。
较为优选的，所述剩余防御能力按照低到高的顺序被划分为多个层级，当水工程的剩余防御能力处于同一层级时，认为水工程的剩余防御能力相等。
较为优选的，所述水库的剩余防御能力按照从低到高的顺序被划分为第一层级、第二层级和第三层级：
当前库水位低于汛限水位，则水库的剩余防御能力为第一层级；
当水库以目标河段防洪高水位起调的最高调洪水位对应库容，等于目标河段防洪高水位至水库防洪高水位之间库容，则水库的剩余防御能力为第二层级；
当水库以目标河段防洪高水位起调的最高调洪水位对应库容，等于水库防洪高水位至水库校核洪水位之间库容，则水库的剩余防御能力为第三层级。
本发明的有益效果为：本方法从灾害损失与防洪压力两个维度进行洪水调度风险评估，量化了水工程联合调度效果与风险，采用反馈修正超标准洪水下的水工程联合防洪调度方式，为超标准洪水风险调控提供技术支撑。
附图说明
图1为本发明流程示意图。
图2为本发明水库防御能力分级示意图。
图3为本发明一个防洪工程体系的案例示意图。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
图1示出了本申请较佳实施例（图1示出了本申请第一实施例）提供的一种基于水工程调度效果互馈的超标准洪水风险调控方法的流程示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
步骤1. 收集基础资料，并拟定可参与超标准调度的水工程清单；
步骤2.构建水工程联合调度模型；
步骤3.输入预报洪水过程和初始调度方案，进行调洪演算和回水计算，得到各水库最高库水位和库区水面线、堤防控制断面最高水位、蓄滞洪区分洪（若有）最高水位等；
步骤4.根据各水库最高库水位和库区水面线、堤防控制断面最高水位、蓄滞洪区分洪（若有）最高水位，计算灾害损失指标，判断损失是否满足预期，若不满足预期，转入步骤5；若损失已满足预期，转入步骤13；
步骤5.计算各水库、堤防、蓄滞洪区时段初的状态指标，筛选出剩余防御能力大于零的水工程，按照加权剩余防御能力从大到小依次排序，当堤防与水库的加权剩余防御能力相当时，若水库剩余防御能力处于图1所示第一区间或第二区间，则水库排序优于堤防，否则优先考虑堤防超标准调度运用；转入步骤6；
步骤6.按照步骤5排序结果，依次选择单一水工程设置响应指标，若所选工程为堤防，转入步骤7；若为水库，转入步骤8；若为蓄滞洪区，转入步骤9；
步骤7.选择目标河段堤防j进行风险调控，设置堤防j调度的响应指标，即河道强迫行洪最高水位，如果事先已评估堤防安全裕度，明确了堤防河道强迫行洪最高水位上限值（EZj,pmax），则设置河道强迫行洪最高水位不应超过上限值；需注意，承担目标河段分洪任务的蓄滞洪区分洪水位也应调整（由堤防保证水位改为河道强迫行洪最高水位）；转入步骤10；
步骤8.选择水库k进行风险调控，设置水库k调度的响应指标：①超蓄限制水位，②下泄流量，③超蓄启动流量；转入步骤10；
步骤9. 选择蓄滞洪区保留区g进行风险调控，启用蓄滞洪区g；转入步骤10；
步骤10. 根据所选水工程的响应指标修改基准调度方式，生成流域新的水工程联合调度方式，开展调洪演算，得到各水库最高库水位和库区水面线、堤防控制断面最高水位、蓄滞洪区分洪（若有）最高水位等；计算各水库、堤防的压力指标，若压力均不超过100%，说明当前水工程超标准调度运用方式的工程失事风险可以接受，转入步骤3；否则转入步骤11；
步骤11. 水工程压力超过100%，说明当前拟定的超标准调度运用方式会导致工程失事（如发生漫坝或溃堤事件），需要调整响应指标：①若为堤防，转入步骤6降低河道强迫行洪最高水位；②若为水库，转入步骤7，增加水库k下泄流量，（或）降低水库k超蓄限制水位；
步骤12. 输出当前调度方案和灾害损失指标。
较为优选的，步骤1包括：
步骤1.1，收集基础资料；
收集预报洪水过程，水库特征水位、水位~库容曲线、水位~泄流能力曲线、防洪调度方式、库区水位～淹没损失关系曲线等信息，收集蓄滞洪区启用条件、有效容积、容积～淹没损失关系曲线等信息，收集下游防洪控制站水位～流量关系、保证水位、堤顶高程、安全泄量等信息。
步骤1.2，根据工程物理条件初拟可参与超标准调度的水工程清单；
超标准调度应以工程安全为前提，不是所有水库、堤防都具备超标准调度的物理条件，应结合工程结构设计与实际运行情况开展观测分析后确定：收集水库枢纽布置及建筑物、机电及金属结构、洪水调节计算等设计资料和大坝坝体、坝后、溢洪道、输水涵管等部位实际运行情况，收集防洪控制点代表河段的堤身高度、地形、堤基土层、险情现有防渗工程措施等情况，初步判断水工程是否具备开展超标准调度的物理条件。
较为优选的，步骤2具体包括：以重要防洪控制断面为节点将区域内各河段划分若干段，以河道允许下泄流量为约束条件，进一步细分区域内各控制断断面的调度需求，以控制性水库、干流堤防、蓄滞洪区组成的水工程为调度对象，运用调度规则库，构建水工程联合调度模型。
较为优选的，步骤3具体包括：将水工程常规联合调度方案作为初始调度方案，水工程常规联合调度方案是依据水库现行调度规程、流域水工程联合调度运用计划拟定的控制性水库、干流堤防、蓄滞洪区的常规调度方式。输入各水库、防洪控制点天然来水过程、水库和防洪控制点的区间流量过程至模型，根据水量平衡计算水库库水位和出入库流量过程、库区回水水面线，根据水量平衡和河道演进计算控制断面水位流量过程，得到各水库最高库水位和库区水面线、堤防控制断面最高水位、蓄滞洪区分洪（若有）最高水位。
较为优选的，步骤4具体包括：
步骤4.1，计算灾害损失指标；
计算受影响人口，根据淹没水位高程和水位-面积关系，得到受影响面积，考虑人口均匀分布得出受影响人口数量，单位：万人；
计算淹没耕地面积，根据淹没水位高程和水位-面积关系，得到受影响面积，根据耕地面积占比换算得出受影响耕地面积，单位：万亩；
计算直接经济损失，根据淹没水位高程和水位-容积关系，得到淹没容积，根据单位容积损失计算直接经济损失，单位：亿元；
计算受影响重要基础设施，以铁路为例，根据淹没水位高程和水位-承灾体损失率关系，得到受淹铁路长度，单位：km；
计算受淹重要城镇数量，根据淹没水位高程和水位-承灾体损失率关系，得到受淹重要城镇数量，单位：个。
步骤4.2，判断损失是否满足预期；
可采用人机交互措施或通过对灾害指标设置阈值自动判断损失是否满足预期，若不满足预期，转入步骤5；若损失已满足预期，转入步骤12。
较为优选的，步骤5具体包括：
步骤5.1，计算状态指标；
状态指标用于表征水工程的剩余防御能力。
水库的“剩余防御能力”指水库对目标河段洪水的调控能力，以当前库水位与校核洪水位之间库容表示。定义水库剩余防御能力（RDC, Reservoir Defense Capacity）为当前水位至校核洪水位之间库容，假设水库k校核洪水位对应库容为Vk jh，水库当前水位为RZk,t，对应库容为V（RZk,t），则水库k在t时刻剩余防御能力的数学表达如下：
流域防洪工程体系涉及干支流多座水库，需要***评估流域整体水库群的防御能力，可对每个水库设置一个防御能力权重。综合考虑区间洪水、水库防洪设计特征水位、水库与目标河段之间距离等因素，定义水库防御能力权重如下：
式中：αk,t为水库k在t时刻的水库系数；N为水库个数。△t为时段步长，单位：s；Qloc k,max表示水库k最大区间流量，单位：m3/s；Vdes k表示水库的设计防洪库容，等于汛限水位至防洪高水位之间库容，单位：m3；Lk表示水库k至下游目标河段的距离，单位：m。
定义堤防剩余防御能力（EDC, Embankment Defense Capacity）为当前河道水位与堤顶高程的差值，假设某河段堤防控制断面（代表站）j堤顶高程为EZjdd，河道当前水位EZj,t，则堤防j在t时刻剩余防御能力的数学表达如下：
蓄滞洪区的剩余防御能力由剩余有效蓄洪容积表示：
对于蓄滞洪区g，定义蓄滞洪区剩余防御能力（ADC, Flood Detention AreaDefense Capacity）为当前剩余有效蓄洪容积，记为ADCg,t, 单位：亿m3。
步骤5.2，筛选剩余防御能力大于零的水工程，按照加权剩余防御能力从大到小依次排序；
对于单一目标河段而言，水库剩余防御能力可大致划分为3个层级，从下往上依次是：
①目标河段预留调洪库容：为防御目标河段规划标准设计洪水，水库以汛限水位起调的最高调洪水位（目标河段防洪高水位）对应库容。若水库当前库水位低于汛限水位，防御能力还可额外增加，计入第1层级；② 其他河段预留调洪库容：为防御其他河段规划标准设计洪水，水库以目标河段防洪高水位起调的最高调洪水位对应库容，等于目标河段防洪高水位至水库防洪高水位之间库容；③大坝安全预留调洪库容：为防御大坝工程校核标准洪水，水库以目标河段防洪高水位起调的最高调洪水位对应库容，等于水库防洪高水位至水库校核洪水位之间库容。当堤防与水库的加权剩余防御能力相当时，若水库剩余防御能力处于图1所示区间①或②，则水库排序优于堤防，否则优先考虑堤防超标准调度运用；转入步骤6。
较为优选的，步骤7具体包括：水库的响应指标，主要用于引导拟定水库超蓄调度运用方式，具体包含3个指标：①超蓄限制水位，指允许水库k为目标河段防洪调度运用的最高库水位，记为RZk,max（单位：m），根据水库规划设计时防洪特征水位拟定原则，一般建议超蓄运行限制水位不超过设计洪水位；②下泄流量，指水库k为目标河段防洪超蓄运用的下泄流量控制方式，在常规调度运用方式的基础上优化调整，可采用固定泄量或补偿泄量，记为Qk,sep（单位：m3/s）；③超蓄启动流量，指水库k为目标河段防洪超蓄运用的启动时机，通常为目标河段控制断面j预报流量，记为Qj,sep（单位：m3/s）。
较为优选的，步骤8具体包括：堤防超标准调度主要指目标河段堤防超高运行，即抬高河道强迫行洪水位。因此堤防调度的响应指标为河道强迫行洪最高水位，记为EZj,max（单位：m），指超标准调度时，允许河道强迫行洪的最高水位。
较为优选的，步骤9具体包括：蓄滞洪区超标准调度主要有2种情况：①堤防超标准调度运用后，蓄滞洪区启用条件相应调整；②视风险调控需要，择机启用承担目标河段分洪任务的蓄滞洪保留区。因此蓄滞洪区的响应指标为启用时机，记为AZj,max（单位：m），指超标准调度时，承担目标河段分洪任务的蓄滞洪区分洪水位。
较为优选的，步骤10中计算各水库、堤防的压力指标包括：
水库防洪压力指标是为了表征水库在当前状态下采用拟定的调度方式后发生工程失事（漫坝）的可能性，理论上应考虑预报误差、闸门操作等的不确定性。实际应用中为节约计算时间成本，可根据预报水平将预报洪水过程放大一定比例，计算水库按给定调度规则以RZt为起调水位调洪的最高库水位，并以该水位与坝顶高程的距离衡量水库失事的可能性，此时水库防洪压力指标如下：
式中
为预报误差，如落地雨、预见期降雨、趋势性降雨等的预报误差。为安全起见，RPi应小于1。
堤防的防洪压力指标主要表征堤防发生渗透和结构破坏的可能性，用河道强迫行洪最高水位超过堤防设计洪水位引起的堤防渗透和抗滑安全系数变化来衡量，实际应用中，由于河道堤防绵延数百公里，计算量较大，建议事先开展堤防超标准运用条件下安全裕度评估，对目标河段选取多个代表断面，***分析堤身高度、地形、堤基土层、险情现有防渗工程措施等因素，开展堤防渗透稳定和抗滑稳定分析计算，提出目标河段堤防河道强迫行洪最高水位上限值，记为EZj,pmax，则目标河段堤防控制断面j防洪压力指标如下：
式中EZj,max为预见期内河道水位最大高程，可根据河道当前水位高程、区间流量过程和上游水库群预见期内调度过程等计算得到。为安全起见，EPi应不超过1。
实施例二
为使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，结合附图3，针对某目标河段控制断面E1防洪需求，考虑21座水库群（R1-R21）以及1个蓄滞洪区（A1）参与调度，选取某场超标准洪水，对本发明的某些方面进行进一步详细说明。
步骤1. 收集基础资料，并拟定可参与超标准调度的水工程清单；
其中，收集基础资料为：收集预报洪水过程，水库特征水位、水位~库容曲线、水位~泄流能力曲线、防洪调度方式、库区水位～淹没损失关系曲线等信息，收集蓄滞洪区启用条件、有效容积、容积～淹没损失关系曲线等信息，收集下游防洪控制站水位～流量关系、保证水位、堤顶高程、安全泄量等信息。
拟定可参与超标准调度的水工程清单包括：
21座控制性水库中，11座为重力坝，7座为拱坝，4座为土石坝，另有1座为碾压混凝土重力坝和土质心墙堆石坝的混合坝型，其中重力坝和拱坝坝体材料均以混凝土为主，其余坝体以土石为主。根据坝型、地质条件、泄洪建筑物金属结构设计、工程开发任务及实际运行情况，初拟可参与超标准调度的水库为R1-R10，R13，R15和R21。
按照现行调度规程，目标河段堤防控制断面E1保证水位为34.4m，当河道水位达到34.4m且呈上涨趋势，需启用蓄滞洪区A1。从目标河段堤防选取若干典型断面（含控制断面E1），计算超设计水位下的堤防渗透和抗滑安全系数变化，结果表明在保证水位基础上河道水位抬高1.0～1.5m运行时，该河段所选典型断面均可满足规范要求，因此初拟目标河段堤防可以参与超标调度，承担相应分洪任务的蓄滞洪区A1也随之调整启用条件。
步骤2，构建目标河段防洪工程联合运用调度模型。
结合现行的水工程联合调度方案和各工程的调度规程，明确调度涉及的水工程、来水边界站点、控制对象，解析流域来水形势、调度需求、调度目标、调度对象、工程启用条件、运行方式等，创建基准方案的调度规则库。其中R21水库水位在171.0～175.0m之间时，控制补偿目标河段控制断面流量不超过80000m3/s，在配合采取分蓄洪措施条件下控制E1水位不高于45.0m，A1启用条件为E1水位达到45.0m。
步骤3.输入预报洪水过程和调度方案，进行调洪演算和回水计算，得到各水库最高库水位和库区水面线、堤防控制断面最高水位、蓄滞洪区分洪（若有）最高水位等；
步骤4.根据各水库最高库水位和库区水面线、堤防控制断面最高水位、蓄滞洪区分洪（若有）最高水位，计算灾害损失指标，判断损失是否满足预期，若不满足预期，转入步骤5；若损失已满足预期，转入步骤13。
将基准方案输入防洪工程联合运用调度模型进行演算，预见期内R21水库最高库水位171.0m，E1水位将高于45m，需要启用A1分洪，超额洪量18亿m3，预计A1最大淹没水深2.8m，经济损失56.48亿元；R21库区移民迁移线淹没影响范围约189km，经济损失10.36亿元。通过人机交互判定基准方案R21下游淹没损失过大，不满足预期，转入步骤5。
步骤5.计算各水库、堤防、蓄滞洪区时段初的状态指标，筛选出剩余防御能力大于零的水工程，按照加权剩余防御能力从大到小依次排序，当堤防与水库的加权剩余防御能力相当时，若水库剩余防御能力处于图1所示第一区间或第二区间，则水库排序优于堤防，否则优先考虑堤防超标准调度运用；转入步骤6。
分析各水库剩余防洪库容可知，超标准洪水洪峰来临前R21水库仍有39.20亿m3防洪库容尚未使用，其余20座控制性水库群共有36.68亿m3防洪库容尚未使用，而R21下游超额洪量为18亿m3，判断具备开展超标准调度运用的条件。结合步骤1初拟清单，计算各水工程在基准规则下的状态指标，首先将水库群按加权剩余防御能力进行排序，如表1所示：
表1 基准方案下各水库状态指标
基准方案下抬升E1防洪控制水位对超额洪量的影响等价于14亿m3加权剩余防御能力。当水库与堤防加权剩余防御能力大小相当时，参考水库剩余防御能力等级进行排序：若时段初水库水位低于防洪高水位，则优先考虑水库参与响应；若时段初水库水位已达到防洪高水位，则优先考虑堤防参与响应。最终具备参与超标准调度运用的水工程响应优先次序为：R21、E1、R9、R10、R15、R6、R8、R5、R3、R4、R7、R2、R1、A1，转入步骤6。
步骤6.按照步骤5排序结果，依次选择单一水工程设置响应指标，若所选工程为堤防，转入步骤7；若为水库，转入步骤8；若为蓄滞洪区，转入步骤9；
按排序优先选取R21水库，转入步骤8。
步骤8.选择水库k进行风险调控，设置水库k调度的响应指标：①超蓄限制水位，②下泄流量，③超蓄启动流量；转入步骤10；
修改R21调度运行方式，将超蓄运用水位上限设置为172.0m，将下泄流量改为按目标河段控制断面流量不超过70000m3/s补偿控制，启动时机改为当R21库水位达到171.0m后且目标河段控制断面预报流量超过70000m3/s，将上述调度规则记为优化方案1，转入步骤10。
步骤10. 根据所选水工程的响应指标修改基准调度方式，生成流域新的水工程联合调度方式，开展调洪演算，得到各水库最高库水位和库区水面线、堤防控制断面最高水位、蓄滞洪区分洪（若有）最高水位等；计算各水库、堤防的压力指标，若压力均不超过100%，说明当前水工程超标准调度运用方式的工程失事风险可以接受，转入步骤3；否则转入步骤12；
考虑5%的洪水预报误差，将优化方案1输入防洪工程联合运用调度模型进行演算，得到各水库和控制断面水位过程。采用防洪工程联合运用调度模型分析各水库最高调洪水位，均未超过其校核洪水位；考虑扒口分洪后，E1最高水位45.59m，未超过堤顶高程；因此，优化方案1的各水工程压力指标满足要求，工程失事风险可控，转入步骤3。
步骤3.输入预报洪水过程和调度方案，进行调洪演算和回水计算，得到各水库最高库水位和库区水面线、堤防控制断面最高水位、蓄滞洪区分洪（若有）最高水位等。
将优化方案1输入防洪工程联合运用调度模型演算，得到各水库和控制断面水位过程，转入步骤4。
步骤4.根据各水库最高库水位和库区水面线、堤防控制断面最高水位、蓄滞洪区分洪（若有）最高水位，计算灾害损失指标，判断损失是否满足预期，若不满足预期，转入步骤5；若损失已满足预期，转入步骤12；
R21水库最高调洪水位171.43m，但预见期内E1水位仍将超过45m，超额洪量13.7亿m3，仍需启用A1，最大淹没水深2.3m，经济损失46.75亿元；R21库区移民迁移线淹没影响范围约184km，经济损失10.36亿元。通过人机交互判断R21下游淹没损失仍高于预期，不满足风险调控预期，转入步骤5。
步骤5.计算各水库、堤防、蓄滞洪区时段初的状态指标，筛选出剩余防御能力大于零的水工程，按照加权剩余防御能力从大到小依次排序，当堤防与水库的加权剩余防御能力相当时，若水库剩余防御能力处于图1所示区间①或②，则水库排序优于堤防，否则优先考虑堤防超标准调度运用；转入步骤6。
依据前文所拟水工程响应次序，仍有13个满足超标准调度运用条件的水工程尚未设置响应指标，无需重新排序，转入步骤6。
步骤6.按照步骤5排序结果，依次选择单一水工程设置响应指标，若所选工程为堤防，转入步骤7；若为水库，转入步骤8；若为蓄滞洪区，转入步骤9；
按排序优先选取E1，转入步骤7。
步骤7.选择目标河段堤防j进行风险调控，设置堤防j调度的响应指标，即河道强迫行洪最高水位，如果事先已评估堤防安全裕度，明确了堤防河道强迫行洪最高水位上限值（EZj,pmax），则设置河道强迫行洪最高水位不应超过上限值；需注意，相关蓄滞洪区分洪水位也应调整（由堤防保证水位改为河道强迫行洪最高水位）；转入步骤10；
设置E1河道强迫行洪最高水位。根据相关研究成果，目标河段堤防在保证水位基础上抬高1.5m运行时，大部分断面均可在满足规范要求。根据堤防控制水位抬升对超额洪量变化影响研究成果，当E1防洪控制水位超过45.5m时，虽然仍可减少超额洪量，但由于部分穿堤建筑物可能受到影响，减灾效益有所下降。因此，从效率的角度出发，设置E1河道强迫行洪最高水位为45.5m，A1启用条件相应改为E1水位达到45.5m，将上述调度方式记为优化方案2，转入步骤10。
步骤10. 根据所选水工程的响应指标修改基准调度方式，生成流域新的水工程联合调度方式，开展调洪演算，得到各水库最高库水位和库区水面线、堤防控制断面最高水位、蓄滞洪区分洪（若有）最高水位等；计算各水库、堤防的压力指标，若压力均不超过100%，说明当前水工程超标准调度运用方式的工程失事风险可以接受，转入步骤3；否则转入步骤12；
考虑5%的洪水预报误差，将优化方案2输入防洪工程联合运用调度模型进行演算，得到各水库和控制断面水位过程。采用防洪工程联合运用调度模型分析各水库最高调洪水位，均未超过其校核洪水位；考虑扒口分洪后，E1最高水位45.59m，未超过堤顶高程；因此，优化方案2的各水工程压力指标满足要求，工程失事风险可控，转入步骤3。
步骤3.输入预报洪水过程和调度方案，进行调洪演算和回水计算，得到各水库最高库水位和库区水面线、堤防控制断面最高水位、蓄滞洪区分洪（若有）最高水位等。
将优化方案2输入防洪工程联合运用调度模型演算，得到各水库和控制断面水位过程，转入步骤4。
步骤4.根据各水库最高库水位和库区水面线、堤防控制断面最高水位、蓄滞洪区分洪（若有）最高水位，计算灾害损失指标，判断损失是否满足预期，若不满足预期，转入步骤5；若损失已满足预期，转入步骤12；
R21水库最高调洪水位171.43m，E1最高水位45.47m，无超额洪量，无需分洪；R21库区移民迁移线淹没影响范围约184km，经济损失10.36亿元。通过人机交互判断满足风险调控预期，结束风险调控。
各方案效果如表2所示。在现行调度规程针对标准内洪水拟定的调度规则基础上，综合考虑流域防洪工程体系剩余防洪能力和减灾效益，在工程自身安全可控的前提下，适当修改水工程调度运用方案，如当目标河段控制断面预报来水不足80000m3/s时，利用R21水库171m至175m之间的库容适当拦蓄，同时抬高E1堤防河道强迫行洪最高水位，从而避免启用A1，可节省56.48亿元的分洪损失，但由于R21水库水位抬升，库区淹没时长增加；
表2 超标准洪水不同调度方案效果对比
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于水工程调度效果互馈的超标准洪水风险调控方法，其特征在于：包括
收集基础资料，并拟定可参与超标准调度的水工程清单；
构建水工程联合调度模型；
将水工程常规联合调度方案作为初始调度方案，在水工程联合调度模型中输入预报洪水过程和所述初始调度方案，进行调洪演算和回水计算，得到各水库最高库水位和库区水面线、堤防控制断面最高水位或蓄滞洪区分洪最高水位；
根据各水库最高库水位和库区水面线、堤防控制断面最高水位或蓄滞洪区分洪最高水位，计算灾害损失指标，并根据所述灾害损失指标判断损失是否满足预期；
若损失不满足预期，则对初始调度方案进行修改，并重新输入水工程联合调度模型，计算水工程的压力指标，若压力超过100%，则继续修改调度方案并重新输入水工程联合调度模型，直至计算出的压力不超过100%时，将当前调度方案输出；
若损失满足预期，则将水工程常规联合调度方案输出；
其中，对调度方案的修改过程包括：
计算各水库、堤防、蓄滞洪区时段初的状态指标，筛选出剩余防御能力大于零的水工程，按照加权剩余防御能力从大到小依次排序；
根据排序结果，依次选择单一水工程，对水工程的响应指标进行重新设定，根据所选水工程重新设定的响应指标对当前调度方案进行修改，生成流域新的调度方案；
其中，所述的剩余防御能力是指水库的剩余防御能力、堤防剩余防御能力、蓄滞洪区剩余防御能力；
所述水库的剩余防御能力指水库对目标河段洪水的调控能力，并以当前库水位与校核洪水位之间库容表示，水库k在t时刻剩余防御能力的数学表达如下：
所述堤防剩余防御能力为当前河道水位与堤顶高程的差值，堤防j在t时刻剩余防御能力的数学表达如下：
，单位：m，其中，EZjdd为河段堤防控制断面j堤顶高程，EZj,t为河道当前水位；
所述蓄滞洪区剩余防御能力为当前剩余有效蓄洪容积，记为ADCg,t，单位：亿m3；
所述构建水工程联合调度模型包括：
结合现行的水工程联合调度方案和各工程的调度规程，获取调度涉及的水工程、来水边界站点、控制对象信息；
解析流域来水形势、调度需求、调度目标、调度对象、工程启用条件和运行方式信息；
根据解析出的信息构建水工程联合调度模型；
其中，解析所述调度需求时，以重要防洪控制断面为节点将区域内各河段划分若干段，以河道允许下泄流量为约束条件，进一步细分区域内各控制断断面的调度需求；
解析调度对象时，以控制性水库、干流堤防、蓄滞洪区组成的水工程为调度对象；
水工程常规联合调度方案是依据水库现行调度规程、流域水工程联合调度运用计划拟定的控制性水库、干流堤防、蓄滞洪区的常规调度方式。
2.根据权利要求1所述的基于水工程调度效果互馈的超标准洪水风险调控方法，其特征在于，在所述损失不满足预期或压力超过100%时，需要重新设定的响应指标包括：
当所选水工程为堤防时，对堤防的河道强迫行洪最高水位进行重新设定，若事先已评估堤防安全裕度，明确了堤防河道强迫行洪最高水位的上限值，则设置河道强迫行洪最高水位不超过所述上限值；
当所选水工程为水库时，对水库的超蓄限制水位、下泄流量或超蓄启动流量进行重新设定；
当所选水工程为蓄滞洪区保留区时，启用蓄滞洪区。
3.根据权利要求2所述的基于水工程调度效果互馈的超标准洪水风险调控方法，其特征在于，当所选水工程为水库时，对当前调度方案进行修改时增加水库的下泄流量或降低水库的超蓄限制水位，当所选水工程为堤防时，降低河道强迫行洪最高水位。
4.根据权利要求1所述的基于水工程调度效果互馈的超标准洪水风险调控方法，其特征在于，所述收集基础资料包括：
收集预报洪水过程，水库特征水位、水位~库容曲线、水位~泄流能力曲线、防洪调度方式、库区水位～淹没损失关系曲线信息；
收集蓄滞洪区启用条件、有效容积、容积～淹没损失关系曲线信息；
收集下游防洪控制站水位～流量关系、保证水位、堤顶高程、安全泄量信息。
5.根据权利要求1所述的基于水工程调度效果互馈的超标准洪水风险调控方法，其特征在于，所述拟定可参与超标准调度的水工程清单包括：
收集水工程包括水库枢纽布置及建筑物、机电及金属结构、洪水调节计算信息在内的设计资料和大坝坝体、坝后、溢洪道、输水涵管部位实际运行情况；
收集防洪控制点代表河段的堤身高度、地形、堤基土层、险情现有防渗工程措施情况；
当水工程的以上信息全部满足超标准调度规程时，将所述水工程加入可参与超标准调度的水工程清单。
6.根据权利要求1所述的基于水工程调度效果互馈的超标准洪水风险调控方法，其特征在于，所述计算灾害损失指标，并根据所述灾害损失指标判断损失是否满足预期包括：
根据淹没水位高程和水位-面积关系，结合人口平均分布率，计算出受影响人口数量；
根据淹没水位高程和水位-面积关系，结合耕地面积占比，计算出受影响耕地面积；
根据淹没水位高程和水位-容积关系，得出容积损失，根据单位容积损失计算直接经济损失；
根据淹没水位高程和水位-承灾体损失率关系，得到受淹重要城镇数量；
当受影响人口数量、受影响耕地面积、直接经济损失、受淹重要城镇数量中的任意一项或多项超出各自对应的灾害阈值时，判断损失不满足预期。
7.根据权利要求1所述的基于水工程调度效果互馈的超标准洪水风险调控方法，其特征在于，所述按照加权剩余防御能力从大到小依次排序时，若堤防与水库的加权剩余防御能力相等，且水库剩余防御能力处于第一区间或第二区间，则将水库至于堤防前；
所述第一区间为：记水库为目标河段预留的防洪库容为X，从该水库汛期防洪限制水位以上增加库容X所对应的水位记为Z1，则Z1至该水库死水位之间的库容为第一区间；
所述第二区间为：从Z1至该水库防洪高水位之间的库容为第二区间。
8.根据权利要求1所述的基于水工程调度效果互馈的超标准洪水风险调控方法，其特征在于，所述剩余防御能力按照低到高的顺序被划分为多个层级，当水工程的剩余防御能力处于同一层级时，认为水工程的剩余防御能力相等。
9.根据权利要求8所述的基于水工程调度效果互馈的超标准洪水风险调控方法，其特征在于，所述水库的剩余防御能力按照从低到高的顺序被划分为第一层级、第二层级和第三层级：
当前库水位低于汛限水位，则水库的剩余防御能力为第一层级；
当水库以目标河段防洪高水位起调的最高调洪水位对应库容，等于目标河段防洪高水位至水库防洪高水位之间库容，则水库的剩余防御能力为第二层级；
当水库以目标河段防洪高水位起调的最高调洪水位对应库容，等于水库防洪高水位至水库校核洪水位之间库容，则水库的剩余防御能力为第三层级。
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