【摘 要】
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洪水灾害是与人类生产生活关系最为密切的自然灾害之一,具有危害范围广、成灾损失大、形成时间短、不可预测性强和周期性明显等特点。如长江流域2020年第5号洪水期间,长江上游流域在较短时间内汇集大量洪水,三峡水库入库洪峰流量达75000m~3/s,为三峡建库以来最大,给长江流域梯级水库系统带来巨大挑战。得益于对洪水过程的准确研判和梯级水库群的合理调度,三峡水库以最大出库流量49400m~3/s,削峰率3
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目:长江上游水库群复杂多维广义耦合系统调度理论与方法（项目编号:51239004）; 国家自然科学基金联合基金项目:雅砻江流域流量传播规律和来水预报及梯级电站优化调控与风险决策研究（项目编号:U1865202）; 长江水利委员会长江勘测规划设计研究有限责任公司科研项目:长江上游水库群联合防洪调度对三峡水库影响及风险分析; 长江水利委员会长江科学院科研项目:流域水动力水质模型开
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洪水灾害是与人类生产生活关系最为密切的自然灾害之一,具有危害范围广、成灾损失大、形成时间短、不可预测性强和周期性明显等特点。如长江流域2020年第5号洪水期间,长江上游流域在较短时间内汇集大量洪水,三峡水库入库洪峰流量达75000m~3/s,为三峡建库以来最大,给长江流域梯级水库系统带来巨大挑战。得益于对洪水过程的准确研判和梯级水库群的合理调度,三峡水库以最大出库流量49400m~3/s,削峰率34.1%,拦蓄洪量31.13亿m~3的显著防洪效果顺利化解5号洪水。水库群系统的精细统筹与联合调度,充分发挥了流域梯级水库系统的防洪功能,最大限度地减轻了长江中下游的防洪压力,保证了生命财产安全。因此,准确及时的洪水预判与精细统筹的水库调度缺一不可,二者共同发挥作用能够有效降低甚至完全避免洪水灾害的发生。然而,流域梯级水库群统筹管理与调度在发挥巨大综合效益的同时,也增加了运行调度系统的复杂性与强耦合性,带来了一系列亟需解决的学术前沿与工程实际问题,主要体现在以下三个方面:（1）梯级水库群分属不同调度主体管理,不同流域管理机构间存在一定程度的信息壁垒,加剧了洪水过程提前研判的难度,现有的河道洪水模拟技术在时间代价上仍然较高,如何针对径流模拟精度较低、时效性较差的问题,发展效率更高、准确性更好以及适应性更强的径流预报模拟模型,是当前梯级水库群联合调度运行的热点问题之一。（2）降雨径流受气候变化、流域地形以及干支流水库蓄控等多种因素影响,此外,大型水利工程的建成与投运也改变了库区内水流的运动规律,厘清变化条件下梯级水库间水流传播规律,发展水库运行条件下库区降雨径流精细化预报理论,是当前研究的另一热点问题。（3）梯级水库群间水力联系紧密耦合,梯级干支流水库群蓄控下,上下游水库间河道洪水演进过程复杂多变,洪水演进受支流入汇、上游水库出库流量以及下游水库坝前水位等综合因素影响而难以捉摸。因此,探明支流水库调蓄下,上游水库运行调度对下游水库的影响以及梯级水库群联合调度的综合作用,具有重要的理论研究意义与工程实用价值。为此,研究工作以长江上游梯级水库群作为主要研究对象,以构建高效河道径流模拟模型为切入点,结合数学模型推演、假设验证分析与工程实例研究等手段,对河道水流演进、梯级水库间洪水传播、流域降雨径流预报以及梯级水库群联合运行调度等方面进行深入研究,研究成果在三峡集团流域梯级调度运行中心得以成功应用,可为其它梯级水库群或条件类似的流域调度决策提供借鉴参考。论文主要工作内容和创新性成果如下:（1）针对梯级水库间河道洪水模拟问题,结合有限差分法和有限体积法离散控制方程并划分计算网格,借鉴算子分裂法思想与欧拉-拉格朗日法高速准确求解模型,建立了一种具有较高模拟精度的枝状河网一维水动力学模型（H1DM）。此外,在H1DM的基础上,引入Open MP并行技术充分提高模型计算效率,在保证模型计算精度的前提下,进一步提高模型求解速度。实例结果表明,所提模型对洪水过程具有极高模拟精度,求解代价小,并行化技术可带来最多41%的效率提升,可为流域梯级水库运行调度提供强力的基础技术支撑。（2）为探明干支流流域蓄控条件下梯级水库间洪水传播规律,研究工作以H1DM为工具,探究了梯级水库间、河道内和库区内水流的演进规律;并结合实际运行调度过程,提出了非传统调度意义上水库“入库点”的概念,明确了水库入库流量的计算方式;此外,进一步分析了水库短期优化运行调度的影响因素,提出了使用BP神经网络法精确预报水库尾水位。所用实例表明,训练良好的BP神经网络法具有较高模拟精度且具有较强的稳定性,可实现水库运行条件下尾水位的准确快速预测,为梯级水库群运行调度提供决策支持。（3）围绕传统流域水文模型无法描述河道水流运动规律以及流域水文资料缺乏而导致降雨径流模型精度降低等问题,分析水文模型与水力学模型特点,结合二者优点,使用水力学模型替代水文模型中河道演进部分,采用不同的耦合策略,针对实测数据较缺乏的地区,考虑地形条件进行适当的参数移置,开发了两种水文-水动力耦合模型（XAJ-H1DM和H1DM-XAJ）;耦合模型较单一模型在模拟精度上均有不同程度提升,XAJ-H1DM物理意义明确且符合降雨径流规律,而H1DM-XAJ模型借鉴传统新安江模型的求解思路,能提供与前述耦合模型相当的模拟精度的同时能够更好的适应水文资料缺乏的地区,水文-水动力耦合模型有助于提高流域降雨、产流以及汇流过程的理解,具有较强的工程实用价值。（4）研究并分析梯级水库群优化调度运行中使用的水流演进方式,论证了梯级水库间河道洪水演化计算方式的优缺点,探讨了下游水库壅水条件下坝前水位变化对入库洪水的影响规律,在此基础上,结合前述梯级水库间洪水传播规律分析实例与水库“入库点”研究成果,创新性地提出了使用H1DM替代传统调度中使用滞时法或马斯京根法进行水流演进的思路,并据此建立了基于H1DM的梯级水库群短期优化调度模型。长江上游水库群梯级调度系统模拟结果表明,本文所提模型能有效进行梯级水库群短期优化调度,可以准确得到下游水库的入库流量,对提高水电站综合效益以及水库安全运行具有十分重要的意义。
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