徑流預(yù)報的不確定性對白石水庫調(diào)度效益綜合影響分析

潘志濤

(遼寧陸海項目管理咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110031)

0 前 言

水庫調(diào)度決策需要科學(xué)、準(zhǔn)確的徑流預(yù)報作為支撐[1]。徑流預(yù)報的不確定性直接影響到水庫調(diào)度的綜合效益[2]。一方面水庫調(diào)度具有較為復(fù)雜的變化特征，另一個方面水庫徑流預(yù)報具有疊加效應(yīng)，這兩個原因使得徑流預(yù)報對水庫調(diào)度影響十分顯著[3]。通過多個研究結(jié)果表明[4-7]，水庫調(diào)度需要對徑流預(yù)報的不確定性進(jìn)行綜合考慮，以提高水庫調(diào)度的綜合效益，降低水庫風(fēng)險程度。當(dāng)前，由于水庫調(diào)度系統(tǒng)復(fù)雜性以及科學(xué)研究方法的影響，水庫徑流預(yù)報不確定性對其調(diào)度綜合效益影響的研究還處于起步階段。這其中一些隨機不確定性模型被用于水庫徑流預(yù)報不確定性分析[8]-[14]，但這些方法大都通過水庫較長數(shù)據(jù)系列作為分析依據(jù)，很難實現(xiàn)水庫實時調(diào)度的需求，對隨機模型的實時耦合性需要進(jìn)一步改進(jìn)[15]。

為深入分析水庫徑流預(yù)報不確定性對其調(diào)度綜合效益的影響，以遼寧西部白石水庫為具體實例，采樣自適應(yīng)水量調(diào)度模型，建立水庫徑流預(yù)報不確定性和水庫調(diào)度綜合效益的目標(biāo)函數(shù)，通過目標(biāo)函數(shù)的求解，定量探討水庫徑流預(yù)報不確定性對其調(diào)度綜合效益的影響。

1 研究方法

1.1 水量調(diào)度自適應(yīng)模型

一級目標(biāo)以最小缺水量為目標(biāo)進(jìn)行函數(shù)構(gòu)建：

(1)

以生態(tài)效益為第二計算目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建：

(2)

式中：△Qi,j為水庫不同時間的缺水量，m3；Ki為第i年水庫蓄滿程度；M為水庫計算目標(biāo)單元個數(shù)；T為計算時段，h；N為統(tǒng)計時段。各目標(biāo)函數(shù)計算的約束條件為：

1)水力條件：

Ii,t=Qi-1,t+Si-1,t+Si,t-Gi,t

(3)

2)水量平衡條件：

Vi,t=Vi,t-1+(Ii,t-Qi,t-Si,t-Gi,t)·△t

(4)

3)庫容條件：

VLi,t≤Vi,t≤VUi,t

(5)

4)流量條件：

QLi,t≤(Qi,t+Si,t)≤QUi,t

(6)

5)出力條件：

PLi,t≤Ai·Qi,t·Hi,t≤PUi,t

(7)

6)水位邊界條件：

Zi,0=Zi,start
Zi,t=Zi,end

(8)

式中：Qi,t為第i年第j時段調(diào)度水量，m3；Ii,t、Si,t、Ri,t、Gi,t分別為第i年水庫入庫、下泄、區(qū)間來水以及調(diào)度水量，m3；Vi,t、VLi,t、VUi,t分別為第i年第t時段蓄水變化量、最大、最小蓄水量，m3；QLi,t、QUi,t分別為水庫最大、最小下泄水量，m3；PLi,t、PUi,t分別為水庫最大、最小出力值，m；Zi,start、Zi,end分別為水庫調(diào)度初始和末尾時期的水位，m。

1.2 計算步驟

徑流預(yù)報的不確定性主要來與與預(yù)報等級的劃分，文章主要分析水庫來水量預(yù)報的不確定性對水庫調(diào)度綜合效益的影響，因此首選需要對徑流自身的不確定性進(jìn)行剔除，采用隨機徑流方式進(jìn)行處理：

Qft=Qst+ket

(15)

式中：Qft為徑流預(yù)測值，m3/s；ket為預(yù)報的徑流誤差，%；Qst為枯水期徑流預(yù)測值，m3/s。主要的計算步驟為：

1)基于白石水庫實測徑流數(shù)據(jù)，以枯水期作為基礎(chǔ)年份，枯水期徑流作為基流進(jìn)行分析。

2)對不同組合方式下的徑流進(jìn)行隨機分析，生成水庫隨機徑流序列。

3)結(jié)合水量自適應(yīng)調(diào)度模型按照生成的隨機徑流序列進(jìn)行水庫調(diào)度計算。

4)結(jié)合水庫調(diào)度結(jié)果，應(yīng)用各評價指標(biāo)對其水庫調(diào)度綜合效益進(jìn)行分析，從而確定徑流預(yù)報不確定度對水庫調(diào)度綜合效益的影響分析。

2 研究結(jié)果

2.1 水庫概況

以白石水庫為研究實例，白石水庫位于大凌河干流上，壩址以上集水面積為17649km2，水庫為多年調(diào)節(jié)水庫，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為500a一遇，水庫校核洪水為對應(yīng)的庫容為16.45億m3，設(shè)計洪水為對應(yīng)的庫容為14.77億m3。白石水庫的主要功能為防洪、灌溉供水以及生態(tài)效益。

文章結(jié)合白石水庫來水量數(shù)據(jù)，通過隨機分析方法，隨機生成入庫徑流序列，結(jié)合水量自適應(yīng)模型對水庫各項效益指標(biāo)進(jìn)行評估，從而分析白石水庫入庫徑流的不確定性對其綜合效益的影響。

2.2 調(diào)度效益指標(biāo)分析

結(jié)合隨機徑流序列，基于白石水庫的調(diào)度規(guī)則，對水庫防洪、灌溉供水以及生態(tài)效益指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。

表1 白石水庫調(diào)度效益指標(biāo)分析結(jié)果

從分析結(jié)果可看出，在隨機徑流組合下，白石水庫調(diào)度的防洪效益、灌溉供水效益以及生態(tài)效益之間總體具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均高于0.5，表明隨機徑流對水庫的調(diào)度效益影響較為顯著。從影響程度來看，徑流預(yù)報的不確定性對水庫的防洪效益影響最大，其次為灌溉供水效益，最后為生態(tài)效益，這主要是因為白石水庫的主要功能是防洪，徑流預(yù)報的不確定性對水庫防洪效益的影響顯著，增加水庫徑流預(yù)報的精度，降低不確定性，可以顯著提升水庫防洪效益。其次由于采用自適應(yīng)缺水調(diào)度模型對其供水效益進(jìn)行分析，因此隨著徑流預(yù)報不確定度的增加，供水效益影響程度也將逐步增加。在滿足防洪、供水效益的前提下，需要滿足生態(tài)效益，在豐水期，生態(tài)效益的滿足度較高，而在枯水期，由于灌溉供水壓力較大，因此枯水期徑流預(yù)報的不確定性對其生態(tài)效益的影響要高于防洪和供水效益。

2.3 徑流預(yù)報不確定影響分析

為探討徑流不確定度對水庫各調(diào)度效益的綜合影響，通過假定對白石水庫調(diào)度綜合的影響度低于15%，結(jié)合該影響率定量分析水庫徑流預(yù)報的不確定度，結(jié)果如表2所示。

表2 白石水庫綜合調(diào)度影響度下徑流預(yù)報精度分析結(jié)果

從分析結(jié)果可看出，當(dāng)徑流不確定度對白石水庫綜合效益影響率低于15%的條件下，各效益指標(biāo)下水庫入流徑流預(yù)報的納什系數(shù)均高于0.5，在枯水期徑流預(yù)報的不確定性對水庫各效益指標(biāo)的影響變幅較大，尤其是對供水和生態(tài)效益的影響，因此在枯水期，若流不確定度對白石水庫綜合效益影響率低于15%的條件下，水庫徑流預(yù)報的不確定將明顯提高。

2.4 徑流不確定度對水庫綜合效益分析

在水庫各效益指標(biāo)以及徑流不確定度綜合分析的基礎(chǔ)上，探討白石水庫干、支流來水預(yù)報影響對水庫調(diào)度綜合效益的影響，影響結(jié)果如表3所示。

表3 徑流不確定度對白石水庫綜合效益影響分析

從橫向分析可看出，在相同徑流預(yù)報不確定度下，干流來水對白石水庫調(diào)度綜合效益的影響度要高于支流，且對防洪效益影響最為明顯，枯水期干、支流來水預(yù)報的不確定度對白石水庫供水效益的影響最為明顯，其次是生態(tài)效益的影響。當(dāng)干、支流來水預(yù)報不確定度相同時，白石水庫的防洪效益高于供水效益，生態(tài)效益值最小。水庫干、支流來水徑流預(yù)報不確定度和各效益指標(biāo)總體呈現(xiàn)二次凸函數(shù)關(guān)系，其相關(guān)性均在0.5以上。

3 主要結(jié)論

1)在隨機徑流組合下，白石水庫調(diào)度的防洪效益、灌溉供水效益以及生態(tài)效益之間總體具有較好的相關(guān)性，隨機徑流對水庫的調(diào)度效益影響較為顯著；

2)當(dāng)徑流不確定度對白石水庫綜合效益影響率低于15%的條件下，各效益指標(biāo)下水庫入流徑流預(yù)報的納什系數(shù)均高于0.5，在枯水期徑流預(yù)報的不確定性對水庫各效益指標(biāo)的影響變幅較大，尤其是對供水和生態(tài)效益的影響更為顯著；

3)枯水期干、支流來水預(yù)報的不確定度對白石水庫供水效益的影響最為明顯，其次是生態(tài)效益影響。當(dāng)干、支流來水預(yù)報不確定度相同時，白石水庫的防洪效益高于供水效益，生態(tài)效益值最小。