浅析水库群联合调度对防洪减灾的影响及意义

浅析水库群联合调度对防洪减灾的影响及意义

随着我国水库群建设的逐步完善，水库群的功能日益系统化、多样化。水库群联合调度是通过利用流域干支流上的水库群系统联合工作来满足各项用水需求，完成共同削峰、减峰、防洪、灌溉等调度任务。水库群联合防洪对缓解下游泄洪压力以及最大程度的缩小下游地区的受灾面积有着重要作用。目前水库群联合防洪调度优化模型的研究正结合互联网技术针对不同流域特点不断推进与完善。

标签：水库群联合调度;防洪减灾;影响;优化模型

【引言】水库是人类开发利用水资源的重要工程设施，据初步统计，2019年全国已建库容为10万m3以上的大中型水库共4694座，各大水系的水库群逐步建成并投入使用。水库群联合防洪调度为了发挥流域干支流上各水库工程的最大效益，通过拦蓄洪水、调节径流量、削减洪峰，达到防洪减灾的最终目的。通常以防洪为主的水库群，多采用补偿调度的方式，在梯级水库上游的水库先进行补偿，再在离下游保护区较近的水库控制泄洪量。以“长江2020年第1号洪水”的防汛工作为例，长江委6天内联合调度长江上游18座水库调蓄洪水，整个流域内共有30座水库参与联合拦洪、削峰、错峰，最终实现厘米级调度，共降低城陵矶水位0.8米左右，成功拦蓄洪水约30亿立方米。

一、水库群联合调度的效益突显

自上世纪70年代起，我国开始水库群联合调度研究，并不断提出各种优化调度方案。随着我国水库群建设的发展，经理论与实践证明，联合调度方案在兴利、调洪、灌溉、发、生态保护等各项任务中均发挥了重要作用。1987年白山、丰满水庫成立水库联合调度小组[1]，建成一个小型水库群，两座水库协同完成防洪任务。经过水利部松辽水利委员会研究，最终完善了白山、丰满水库群防洪调度方案，经过50年实测洪水系列调度模拟检验，该水库群两座水库的调洪水位未超警戒线水位，可在实际调洪工作中减轻吉林市的防洪压力。规模较大的水库群在流域中防洪效果更为突出，由金沙江干流（梨园、阿海、金安桥、向家坝等水库）、雅砻江（锦屏一级、二滩水库）、岷江（紫坪铺、瀑布沟水库）、嘉陵江（碧口、宝珠寺等水库）、乌江（彭水、沙陀、思林等水库）等五大水库群以及三峡水库共21座水库所形成的长江中上游巨型水库群，在长江进入蓄水期时起到本流域防洪与分担下游防洪的双重作用，对长江下游防汛减灾意义重大。

二、水库群防洪调度的优化模型算法

1.多目标进化算法（MOEA）

多目标进化算法[2]通过对非支配集的构造、大小调整来保持非支配集的分布性，MOEA的基本流程[7]为：第一步随机产生初始化种群，第二步进行适应值评价，第三步对初始种群进行进化算子操作，形成新种群，最后检验结果是否

满足终止条件，若满足则终止计算，否则跳转至第二步继续迭代，直到满足终止条件。水库群在调度过程中需完成防洪、发电、供水、生态保护等多项目标，并且每一目标之间存在着一定的关联和冲突。因此，MOEA算法为水库群完成多目标任务提供了一种可靠的方法，但是对于规模复杂的大型水库群（目标任务较多），MOEA算法还存在一些问题[3]，如MOEA的收敛机制提速问题，MOEA 的参数控制问题等。

2.顺序模拟法

顺序模拟算法[4]主要根据水库群中各水库之间的水力联系，对上游至下游的调度进行模拟，再通过目标对反馈结果进行调整、修正，最终实现优化调度，起到更好的防洪减灾效果。顺序模拟法在许多智能算法中都有十分广泛的应用，例如粒子群算法、蚁群算法等，并且长江中上游巨型水库群采用了大量顺序模拟算法的研究成果。串联水库群系统非常适合利用顺序模拟算法，将水力联系作为各水库间的纽带，通过模拟实际洪水转移过程来进行结构分析和预测，在串联水库中上游水库下泄量可直接算入下游水库入库量，非常贴合串联水库实际调洪过程，因此该方法具有很强的适用性。在水库复杂防洪问题的求解上比MOEA算法更能够规避高维的数学非线性问题，优化防洪方案。但是，顺序模拟算法同样也有不足，随着水库群规模的扩大，起求解的精度也会有所降低。

3.水力关联矩阵法

水力关联矩阵法[8]既反映了各水库的空间位置关系，又兼顾了水库间的直接水力联系，该法利用矩阵形式将水库间的水力联系直观地表达出来，能够把复杂的水库群系统简洁清晰地刻画出来，因此水力关联矩阵法适用于不同类型的水库群[3]，如梯级水库群、串联水库群、并联水库群、混联水库等。目前，水力联系矩阵法运用还不够成熟，还有许多值得研究和解决的问题，但是此法作为一种水库群结构分析方法，相比于前两种调度优化模型算法，水力关联矩阵法更易不受水库群类型的限制，在水库群复杂结构、规模庞大、调度目标多样的现实情况中更具优势。因此，水力关联矩阵法在水库群防洪调度算法研究中有很大的研究价值。

三、水库群联合防洪的技术发展

1.GIS技术在水库群防洪中的应用

随着互联网技术的不断发展，地理信息系统（GIS）技术[6]极大地提高了水库群防洪防汛的能力，逐步成为我国防洪减灾领域的关键性技术。GIS技术在防汛防洪中主要通过对流域的区域数据采集，从而建立三维地理模型，最后根据水利和气象部门提供的多年统计数据进行洪水的模拟演进。我国幅员辽阔、地形复杂多样，每年的洪涝灾害频发，GIS在图形化信息服务、汛情自动监视、降雨预报、洪水预报、制定防汛方案、洪涝灾害风险评估等方面具有巨大作用。GIS技术在水库群联合防洪系统中是不可或缺的一部分，特别是对大流域的防洪调度，GIS技术能够起到实时监控汛情，帮助各水库及时调整防洪防汛方案，避免造成

更大的灾害。由此可以看出，GIS技术在防洪减灾方面占据着主导地位。水库群防洪调度需更充分有效地利用该技术，并且相关部门要更加完善水情、雨情数据库，注重对支撑GIS技术的基础数据库建设，从而提高水库群的防洪减灾能力。

2.水文预报技术在水库群防洪中的应用

水文预报技术在防洪防汛中也起着非常重要的作用，水文预报技术的具体运用分为四个阶段，即准备工作阶段、地理环境勘测阶段、水文预报阶段、水文预报技术优化阶段。当遭遇较大洪水时，水库群所覆盖的流域上，相关部门将会组建专门的水文预报中心，并利用水文预报技术对该流域的特定地区进行全天候洪水水情监测，做到科学、精准预测，并通过互联网技术实时预报洪水汛情。水文预报技术[5]应该在防洪减灾过程中应实时更新与优化，在信息接收处理、检索查询、预报服务和数据模型等方面，应注重对信息数据库的升级，以保障水文预报技术系统的可靠性和实效性。水库群联合防洪调度离不开水文预报技术，只有在做好区域内洪水预报工作的前提下，才能更有效地利用水库群联合调洪，达到防洪减灾的目的。

结束语：

综上所诉，随着网络技术的不断完善与成熟，水库群联合调度对防洪减灾的作用也日益突显。在洪涝灾害频发的国情之下，还应不断探索水库群防洪调度的优化算法，以建立更加完善的联合防洪调度模型，并结合现代信息技术实现对防洪方案的实时调整。

参考文献

[1]李成林.水库群防洪调度方案研究与应用[J].东北水利水电，2008（11）：45-47+55+72.

[2]肖琳.水库群防洪优化调度模型及算法研究[D].华北水利水电学院，2008.

[3]郑向伟，刘弘.多目标进化算法研究进展[J].计算机科学，2007（07）：187-192.

[4]周婷，戚王月，金菊良.水库群优化调度中的结构分析方法研究进展[J/OL].长江科学院院报：1-9.