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水库洪水资源化调度关键技术研究

作　者: 刘攀
导　师: 郭生练
学　校: 武汉大学
专　业: 水文学及水资源
关键词: 洪水资源化汛限水位汛期分期分期汛限水位汛限水位动态控制风险分析气候变化人类活动变点分析调度函数神经网络遗传算法
分类号: TV697.1
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

充分利用洪水资源是实现由控制洪水向洪水管理转变的重要途径与方法。进行水库洪水资源化调度,是洪水资源化的重要组成部分,具有重大的理论与实践意义。论文围绕水库洪水资源化调度问题从三方面进行探讨研究:①就水库运行管理中最为关键、敏感的汛限水位设计运用问题,探讨分期汛限水位、汛限水位动态控制的理论与方法;②就水库汛末蓄水问题,探讨开始蓄水时间选定和相应的蓄水方式;③就水库防洪调度中闸门约束、气候变化和人类活动影响等带来的不确定性问题,探讨洪水资源化调度中的风险分析方法。论文以三峡、隔河岩水库为背景进行了实例研究,主要工作和创新点如下: (1)回顾了国内外水库调度研究中,在汛期分期、分期汛限水位、汛限水位动态控制、优化模型、模拟模型、遗传算法以及神经网络应用等方面的研究现状与进展。 (2)应用变点分析理论,提出了基于日最大值取样的均值变点分期模型、基于超定量取样的概率变点分期模型以及基于年最大值取样的概率变点分期模型,通过统计试验,验证了各模型的可行性,经比较分析得出了基于超定量取样的概率变点分期模型在水库汛期分期计算中具有较好的无偏性和有效性。三峡水库和隔河岩水库汛期分期应用计算结果表明,该法可得到合理、准确的分期,在一定程度上克服分期的主观性。 (3)探讨了不同时间长度风险的变换与估计方法;根据年防洪标准和分期防洪标准之间的关系,指出了分期汛限水位设计中存在的最优化问题。基于分期设计洪水调洪演算结果,以各分期风险之和不高于年防洪风险构造约束条件,而目标函数为兴利效益最大化,提出了基于调洪演算的分期汛限水位优化设计模型。计算结果表明,模型通过在主汛期适当降低汛限水位获取较大的防洪效益,换取在其他分期较大幅度的抬高汛限水位以大增幅增加兴利效益,可在不降低水库年防洪标准的前提下,实现洪水资源利用的最大化。 (4)以不降低水库防洪标准为前提,挖掘最大的兴利效益为目标,基于模拟实测资料,提出了另一种优化设计分期汛限水位的模型。该模型根据不同时间长度的防洪风险的变换原理,从模拟实测流量资料入手,以时段防洪风险不高于原设计的风险建立约束条件,理论上可满足防洪标准不降低的要求。采用改进的多目标遗传算法寻优计算,一次交互即可获得优化问题的非劣解集,并以三峡水库为背景,以防洪、发电和航运等为目标,进行了分期汛限水位与汛末蓄水时间选定优化设计研究,可结合偏好,灵活的得到合理可行的决策方案。 (5)提出了基于防洪风险调度模型的汛限水位动态控制方法。该防洪风险调度模

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
1 绪论  13-46
  1.1 选题背景  13-17
    1.1.1 洪水灾害  13-14
    1.1.2 洪水资源化  14-17
  1.2 汛限水位研究进展  17-23
    1.2.1 汛限水位概述  17-18
    1.2.2 分期汛限水位  18-21
    1.2.3 汛限水位动态控制  21-23
  1.3 水库调度技术综述  23-28
    1.3.1 水库调度重要文献介绍  24-25
    1.3.2 水库优化调度技术简介  25-27
    1.3.3 水库调度中的模拟方法  27-28
  1.4 遗传算法在水库调度中的应用与评述  28-34
    1.4.1 遗传算法设计的几个问题  29-32
    1.4.2 遗传算法在水库调度中存在的问题  32-33
    1.4.3 遗传算法在水库调度中的展望  33-34
  1.5 神经网络在水库调度中的应用与评述  34-37
    1.5.1 真优化计算  34-35
    1.5.2 伪优化计算  35-36
    1.5.3 加快计算速度  36
    1.5.4 水库调洪演算中的应用  36
    1.5.5 神经网络在水库调度中存在的问题  36-37
  1.6 论文的主要研究内容  37-40
    1.6.1 与论文有关的研究课题  37-39
    1.6.2 主要研究内容  39-40
  1.7 本章小结  40-41
  参考文献  41-46
2 汛期分期的变点分析方法  46-80
  2.1 变点分析理论  46-50
    2.1.1 均值变点  47-49
    2.1.2 概率变点  49-50
  2.2 变点分期中的三种取样方法  50-53
    2.2.1 最大值取样均值变点分析  51
    2.2.2 超定量取样概率变点分析  51
    2.2.3 年最大值取样概率变点分析  51-52
    2.2.4 三种取样方法比较  52-53
  2.3 统计试验  53-61
    2.3.1 日流量随机模型  53-56
    2.3.2 评价指标  56
    2.3.3 结果比较分析  56-61
  2.4 三峡水库汛期分期  61-64
    2.4.1 日最大值取样均值变点分析  61-63
    2.4.2 超定量取样概率变点分析  63-64
    2.4.3 综合分析  64
  2.5 隔河岩水库汛期分期  64-77
    2.5.1 最大值取样均值变点分析  65-68
    2.5.2 超定量取样概率变点分析  68-70
    2.5.3 年最大值取样概率变点分析  70
    2.5.4 其他方法比较分析  70-71
    2.5.5 清江——长江洪水遭遇分析  71-76
    2.5.6 综合分析  76-77
  2.6 本章小结  77-78
  参考文献  78-80
3 水库分期汛限水位的优化设计  80-105
  3.1 分期汛限水位优化设计模型  80-83
    3.1.1 不同时间长度的风险率变换  80-81
    3.1.2 优化设计分期汛限水位的必要性  81-82
    3.1.3 分期汛限水位优化设计数学模型  82-83
  3.2 基于调洪演算优化设计分期汛限水位实例  83-85
    3.2.1 概况  83
    3.2.2 优化模型  83-84
    3.2.3 结果与分析  84-85
  3.3 基于模拟设计分期汛限水位  85-91
    3.3.1 现行分期汛限水位存在的问题  85
    3.3.2 基于模拟设计分期汛限水位的可行性  85-86
    3.3.3 基于模拟的优化设计分期汛限水位  86-87
    3.3.4 改进多目标遗传算法  87-91
  3.4 三峡水库分期汛限水位与蓄水时间选定的优化设计  91-102
    3.4.1 三峡水库分期汛限水位与蓄水时间选定问题  91-92
    3.4.2 三峡水库汛期调度规则  92-93
    3.4.3 优化设计数学模型  93-95
    3.4.4 模型的求解  95-96
    3.4.5 结果与分析  96-102
  3.5 本章小结  102-103
  参考文献  103-105
4 水库汛限水位动态控制  105-121
  4.1 概述  105-106
    4.1.1 汛限水位动态控制的必要性与可能性  105-106
    4.1.2 水库调度的不确定性  106
    4.1.3 研究思路  106
  4.2 水库防洪风险调度模型  106-114
    4.2.1 总体结构  106-108
    4.2.2 实时调度中的可接受风险子模型  108
    4.2.3 实时防洪风险分析子模型  108-112
    4.2.4 调度期后续调度控制子模型  112-113
    4.2.5 实时控制调度子模型  113-114
  4.3 三峡水库汛限水位动态控制  114-118
    4.3.1 三峡水库防洪调度风险分析  114-115
    4.3.2 三峡水库汛限水位动态控制域  115-117
    4.3.3 三峡水库汛限水位动态控制  117-118
  4.4 小结  118-119
  参考文献  119-121
5 水库汛末蓄水调度函数的神经网络模型  121-132
  5.1 概述  121-122
    5.1.1 神经网络与水库调度函数  121
    5.1.2 基于模拟的优化  121-122
    5.1.3 研究思路  122
  5.2 三峡水库运行初期蓄水概述  122-123
  5.3 蓄水优化调度模型  123-124
  5.4 神经网络蓄水调度模型的两种训练方案  124-127
    5.4.1 第一种方案(传统方案)  125
    5.4.2 第二种方案(改进方案)  125-127
  5.5 结果与比较  127-130
    5.5.1 评价准则  127
    5.5.2 计算结果分析  127-129
    5.5.3 统计试验分析  129-130
  5.6 小结  130
  参考文献  130-132
6 水库闸门泄洪优化调度  132-141
  6.1 闸门泄洪优化调度概述  132-133
    6.1.1 调度中的闸门启闭要求  132-133
  6.2 水库优化调度数学模型  133-134
    6.2.1 目标函数  133
    6.2.2 约束条件  133-134
  6.3 模型的求解  134-139
    6.3.1 优化目标的构造  134-135
    6.3.2 动态规划近似解法  135-136
    6.3.3 遗传算法求解  136-137
    6.3.4 分析与比较  137-139
  6.4 小结  139-140
  参考文献  140-141
7 气候变化和人类活动影响对三峡水库调度的影响分析  141-156
  7.1 概述  141-142
    7.1.1 气候变化和人类活动影响  141-142
    7.1.2 研究的必要性  142
    7.1.3 研究思路  142
  7.2 时间序列分析方法简介  142-144
    7.2.1 趋势分析  143
    7.2.2 变点分析  143-144
  7.3 长江径流统计分析  144-145
  7.4 发电统计分析  145-148
    7.4.1 年发电量  146
    7.4.2 发电保证率  146-148
  7.5 调度规则的变点分析  148-152
    7.5.1 线性调度规则  148
    7.5.2 线性模型的贝叶斯变点估计方法  148-150
    7.5.3 三峡水库线性调度函数变点分析  150-152
  7.6 制定水库调度规则所需资料长度研究  152-154
  7.7 小结  154-155
  参考文献  155-156
8 结论与展望  156-160
  8.1 论文主要工作与结论  156-158
  8.2 展望  158-160
附录  160-163
致谢  163

水库洪水资源化调度关键技术研究

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