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三峽水庫試驗性蓄水期實時預報調度關鍵技術 版權信息
- ISBN：9787030642202
- 條形碼：9787030642202 ; 978-7-03-064220-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
三峽水庫試驗性蓄水期實時預報調度關鍵技術 內容簡介
本書全面梳理三峽水庫試驗性蓄水以來水文情勢的新變化、實時預報調度中面臨的新需求及實時預報調度過程出現的重大技術問題。系統分析三峽水庫上下游洪水特性，對實時預報方法與關鍵技術、入出庫流量計算方法與代表性及三峽水庫調洪計算方法、實時運行水位動態控制技術等問題開展系統研究，結合實時預報調度實踐，總結提煉形成三峽水庫試驗性蓄水期實時預報調度關鍵技術。本書提出的關鍵技術均應用于三峽工程調度實踐，在類似工程中具有參考價值和推廣意義。
三峽水庫試驗性蓄水期實時預報調度關鍵技術 目錄
目錄
第1章緒論 1
1.1 三峽水庫的調度方式 2
1.1.1 工程概況 2
1.1.2 調度方式發展歷程 3
1.2 面臨問題及挑戰 5
1.2.1 面臨的新問題 5
1.2.2 提出的新要求 6
1.2.3 研究必要性及意義 7
1.3 三峽水庫實時預報調度關鍵技術概述 8
1.3.1 關鍵技術體系 8
1.3.2 主要研究內容 11
1.3.3 應用實踐方向 12
第2章三峽水庫上下游洪水特性變化規律 15
2.1 徑流特性與洪水組成 16
2.1.1 長江上游徑流年內及年際變化 16
2.1.2 徑流組成 17
2.1.3 洪水地區組成 20
2.2 洪水平均傳播時間 25
2.2.1 洪水傳播時間的影響因素 25
2.2.2 洪水傳播時間變化理論 25
2.2.3 洪水傳播時間模擬 28
2.2.4 長江上游洪水平均傳播時間 34
2.2.5 宜昌－螺山區間洪水平均傳播時間 34
2.3 長江上中游洪水遭遇分析 38
2.3.1 集中消落期洪水遭遇分析 38
2.3.2 主汛期洪水遭遇分析 42
2.3.3 蓄水期洪水遭遇分析 45
2.4 洪水分階段特征 47
2.4.1 主汛期 47
2.4.2 蓄水期 54
2.5 中游河段水位流量關系變化 56
2.5.1 枝城站 56
2.5.2 沙市站 59
2.5.3 螺山站 62
2.6 小結 65
第3章實時預報方法與關鍵技術 67
3.1 定量降水預報集成與融合技術 68
3.1.1 短中期降水預報 69
3.1.2 延伸期降水預報 84
3.1.3 長期降水預報 88
3.1.4 技術發展方向 97
3.2 實時預報調度一體化技術 98
3.2.1 主要預報模型方法 98
3.2.2 預報方案體系與工具 108
3.2.3 預報精度評價 115
3.3 三峽水庫預報不確定性 133
3.3.1 預報不確定性的來源 133
3.3.2 預報誤差分布規律 134
3.3.3 三峽水庫調度水文氣象預報可靠性與風險 137
3.3.4 三峽水庫實時預報調度策略 141
3.4 小結 144
第4章入出庫流量計算方法與代表性 145
4.1 入出庫流量計算方法概述 146
4.2 入庫流量定義與相關關系及應用 147
4.2.1 入庫流量定義 147
4.2.2 入庫流量相關關系及應用 150
4.3 出庫流量計算 160
4.3.1 發電流量計算方法 160
4.3.2 溢洪道和泄洪洞泄流計算方法 160
4.3.3 沖沙底孔泄流量計算方法 161
4.3.4 船閘用水計算方法 161
4.4 出庫流量的校核 161
4.4.1 三峽水庫—宜昌區間水量平衡分析 162
4.4.2 三峽水庫出庫與黃陵廟站、葛洲壩出庫、宜昌站流量相關關系 165
4.5 三峽水庫出庫與下游主要斷面流量關系 173
4.5.1 枝城站流量與三峽水庫出庫流量相關關系 173
4.5.2 沙市站水位與三峽水庫出庫流量相關關系 179
4.6 小結 184
第5章三峽水庫實時調洪計算方法 187
5.1 三峽水庫庫容計算及特性 188
5.1.1 三峽水庫庫容計算 188
5.1.2 三峽水庫庫容特性 189
5.2 水庫調洪計算方法概述 195
5.3 改進的靜庫容調洪計算方法 196
5.3.1 基本原理 197
5.3.2 適應性分析 197
5.3.3 入庫流量處理方法 197
5.4 動庫容調洪計算方法 204
5.4.1 基于動庫容曲線的調洪計算方法 204
5.4.2 基于水動力學模型的調洪計算方法 209
5.5 應用實例 221
5.5.1 以上游寸灘來水為主 221
5.5.2 以區間來水為主 223
5.6 小結 224
第6章三峽水庫實時運行水位動態控制技術 227
6.1 水庫實時運行水位動態控制概述 228
6.1.1 三峽水庫調度規程 228
6.1.2 三峽水庫汛期運行水位動態控制需求 231
6.1.3 水庫汛期運行水位動態控制理論研究進展 234
6.2 消落期實時預報調度技術 235
6.2.1 研究背景 236
6.2.2 集中消落期控制指標 243
6.2.3 消落期實時預報調度方案 249
6.3 汛期運行水位動態控制技術 254
6.3.1 研究背景 254
6.3.2 汛期運行水位動態控制指標 257
6.3.3 汛期運行水位動態控制方案 274
6.4 汛末分階段蓄水實時預報調度技術 276
6.4.1 研究背景 276
6.4.2 分階段蓄水控制指標 280
6.4.3 汛末分階段蓄水實時預報調度方案 306
6.5 小結 307
6.5.1 主要結論 307
6.5.2 調度實踐 308
參考文獻 311
第1章緒論 1
1.1 三峽水庫的調度方式 2
1.1.1 工程概況 2
1.1.2 調度方式發展歷程 3
1.2 面臨問題及挑戰 5
1.2.1 面臨的新問題 5
1.2.2 提出的新要求 6
1.2.3 研究必要性及意義 7
1.3 三峽水庫實時預報調度關鍵技術概述 8
1.3.1 關鍵技術體系 8
1.3.2 主要研究內容 11
1.3.3 應用實踐方向 12
第2章三峽水庫上下游洪水特性變化規律 15
2.1 徑流特性與洪水組成 16
2.1.1 長江上游徑流年內及年際變化 16
2.1.2 徑流組成 17
2.1.3 洪水地區組成 20
2.2 洪水平均傳播時間 25
2.2.1 洪水傳播時間的影響因素 25
2.2.2 洪水傳播時間變化理論 25
2.2.3 洪水傳播時間模擬 28
2.2.4 長江上游洪水平均傳播時間 34
2.2.5 宜昌－螺山區間洪水平均傳播時間 34
2.3 長江上中游洪水遭遇分析 38
2.3.1 集中消落期洪水遭遇分析 38
2.3.2 主汛期洪水遭遇分析 42
2.3.3 蓄水期洪水遭遇分析 45
2.4 洪水分階段特征 47
2.4.1 主汛期 47
2.4.2 蓄水期 54
2.5 中游河段水位流量關系變化 56
2.5.1 枝城站 56
2.5.2 沙市站 59
2.5.3 螺山站 62
2.6 小結 65
第3章實時預報方法與關鍵技術 67
3.1 定量降水預報集成與融合技術 68
3.1.1 短中期降水預報 69
3.1.2 延伸期降水預報 84
3.1.3 長期降水預報 88
3.1.4 技術發展方向 97
3.2 實時預報調度一體化技術 98
3.2.1 主要預報模型方法 98
3.2.2 預報方案體系與工具 108
3.2.3 預報精度評價 115
3.3 三峽水庫預報不確定性 133
3.3.1 預報不確定性的來源 133
3.3.2 預報誤差分布規律 134
3.3.3 三峽水庫調度水文氣象預報可靠性與風險 137
3.3.4 三峽水庫實時預報調度策略 141
3.4 小結 144
第4章入出庫流量計算方法與代表性 145
4.1 入出庫流量計算方法概述 146
4.2 入庫流量定義與相關關系及應用 147
4.2.1 入庫流量定義 147
4.2.2 入庫流量相關關系及應用 150
4.3 出庫流量計算 160
4.3.1 發電流量計算方法 160
4.3.2 溢洪道和泄洪洞泄流計算方法 160
4.3.3 沖沙底孔泄流量計算方法 161
4.3.4 船閘用水計算方法 161
4.4 出庫流量的校核 161
4.4.1 三峽水庫—宜昌區間水量平衡分析 162
4.4.2 三峽水庫出庫與黃陵廟站、葛洲壩出庫、宜昌站流量相關關系 165
4.5 三峽水庫出庫與下游主要斷面流量關系 173
4.5.1 枝城站流量與三峽水庫出庫流量相關關系 173
4.5.2 沙市站水位與三峽水庫出庫流量相關關系 179
4.6 小結 184
第5章三峽水庫實時調洪計算方法 187
5.1 三峽水庫庫容計算及特性 188
5.1.1 三峽水庫庫容計算 188
5.1.2 三峽水庫庫容特性 189
5.2 水庫調洪計算方法概述 195
5.3 改進的靜庫容調洪計算方法 196
5.3.1 基本原理 197
5.3.2 適應性分析 197
5.3.3 入庫流量處理方法 197
5.4 動庫容調洪計算方法 204
5.4.1 基于動庫容曲線的調洪計算方法 204
5.4.2 基于水動力學模型的調洪計算方法 209
5.5 應用實例 221
5.5.1 以上游寸灘來水為主 221
5.5.2 以區間來水為主 223
5.6 小結 224
第6章三峽水庫實時運行水位動態控制技術 227
6.1 水庫實時運行水位動態控制概述 228
6.1.1 三峽水庫調度規程 228
6.1.2 三峽水庫汛期運行水位動態控制需求 231
6.1.3 水庫汛期運行水位動態控制理論研究進展 234
6.2 消落期實時預報調度技術 235
6.2.1 研究背景 236
6.2.2 集中消落期控制指標 243
6.2.3 消落期實時預報調度方案 249
6.3 汛期運行水位動態控制技術 254
6.3.1 研究背景 254
6.3.2 汛期運行水位動態控制指標 257
6.3.3 汛期運行水位動態控制方案 274
6.4 汛末分階段蓄水實時預報調度技術 276
6.4.1 研究背景 276
6.4.2 分階段蓄水控制指標 280
6.4.3 汛末分階段蓄水實時預報調度方案 306
6.5 小結 307
6.5.1 主要結論 307
6.5.2 調度實踐 308
參考文獻 311
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三峽水庫試驗性蓄水期實時預報調度關鍵技術 節選
第1章緒論 三峽工程是迄今為止世界上*大的水利樞紐工程，是治理和開發長江的關鍵性骨干工程，具有防洪、發電、航運、生態、供水等開發利用任務。三峽大壩壩址位于長江三峽西陵峽中段的湖北省宜昌市三斗坪，下距葛洲壩水利樞紐38 km ，壩址控制流域面積約100 萬km2。自2008 年汛末實施正常蓄水位175 m 試驗性蓄水以來的十余年間，三峽水庫在長江流域的防洪抗旱實時調度中發揮了巨大作用，綜合利用效益顯著。為適應長江流域水文特性新變化和工程調度新形勢，本書結合試驗性蓄水期實際調度問題、需求和經驗，歸納提煉相關研究成果，形成三峽水庫試驗性蓄水期實時預報調度關鍵技術。本章梳理三峽水庫調度方式發展歷程，針對試驗性蓄水階段面臨的主要問題和具體要求，闡述研究意義，并分析主要研究內容。 1.1 三峽水庫的調度方式 長江流域在自然地理條件、區位環境及水資源分布等方面具有獨特優勢，在我國經濟社會發展中占有極其重要的地位。中共中央、國務院明確要求充分發揮長江經濟帶橫跨東中西三大板塊的區位優勢，以“共抓大保護、不搞大開發”為導向，以“生態優先、綠色發展”為引領，依托長江黃金水道，推動長江上中下游地區協調發展和沿江地區高質量發展。三峽工程是治理開發長江的關鍵性骨干工程，通過其巨大的防洪及興利庫容，調節天然徑流在年內時程上的分布，實現三峽水庫綜合調度目標。近年來，長江流域持續推進以三峽水庫為核心的水利工程群聯合調度研究和實踐工作，滿足相關區域綜合調度需求，在保證防洪安全的前提下，保障流域水資源的可持續利用，并維持優良生態環境，綜合調度效益顯著。 1.1.1 工程概況 三峽工程樞紐建筑物由大壩及茅坪溪防護壩、電站廠房、船閘及升船機組成，大壩為混凝土重力壩，軸線全長2 309.5 m ，壩頂高程185.0 m ，*大壩高181.0 m（王小毛等，2011），見圖1.1。泄流壩段位于河床中部，設置泄流深孔和表孔，與排沙孔、排漂孔和廠房機組聯合運行，總泄流量達116 000 m3/s。電站廠房采用壩后式，在泄流壩段兩側壩后分設左岸及右岸廠房，分別安裝14 臺及12 臺水輪發電機組，另在右岸布設地下電站安裝6 臺機組，單機容量均為70 萬kW；并在左岸廠房與升船機之間的下游布置電源電站地下廠房，安裝2 臺5 萬kW 水輪發電機組，電站總裝機容量2250 萬kW，設計年平均發電量882 億kW？h（鄭守仁，2019）。通航建筑物包括船閘和升船機，均布置在左岸，船閘為雙線五級連續船閘，閘室有效尺寸長280 m 、寬34 m 、坎上水深5 m，可通過萬噸級船隊，按2030 年設計水平年單向通過能力為5 000 萬 t（楊全林等，2020 ；鈕新強等，2011 ）；升船機采用齒輪齒條爬升平衡重式垂直升船機，承船廂有效尺寸長120 m 、寬18 m 、水深3.5 m ，總重15 500 t，1 次可通過1 艘3 000 t 級客貨輪或1 500 t 級船隊（余金燕，2020 ；陳斐和劉良金，2019 ）。三峽工程大壩按1000 年一遇洪水流量98 800 m3/s 設計，設計洪水位175.0 m ；按10000 年一遇洪水流量（113 000 m3/s）加大10%的流量124 300 m3/s 校核；汛期防洪限制水位145.0 m （陸佑楣和胡岱松，2011；廖仁強和孔繁濤，1997）。 圖1.1 三峽工程全景圖 三峽工程為超大型工程，采用“一級開發，一次建成，分期蓄水，連續移民”的建設方案。工程于1993 年施工準備，1994 年12 月開工，1997 年11 月6 日大江截流；2003 年6 月，蓄水至135 m 水位，7 月左岸電站*批機組發電；2006 年6 月，河床右側大壩混凝土施工至壩頂高程185 m，大壩全線擋水，10 月蓄水至156 m 水位，提前一年進入初期運行期。2008 年8 月，具備蓄水至正常蓄水位175 m 的條件，國務院三峽工程建設委員會（以下簡稱三峽建委）于2008 年9 月26 日批準三峽工程實施175 m 水位試驗性蓄水，標志著三峽工程由初期蓄水位156 m 運行轉入正常蓄水位175 m 試驗性運行期（以下簡稱試驗性蓄水期），同時明確了試驗性蓄水原則——“安全、科學、穩妥、漸進”。2008 年9 月28 日開始試驗性蓄水，11 月5 日*高蓄水位達172.80 m；2009 年9 月15 日開始試驗性蓄水，因長江中下游地區發生旱災，為支援抗旱工作，11 月24 日庫水位蓄至171.43 m 后停止蓄水；2010～2017 年試驗性蓄水，連續8 年蓄水至正常蓄水位175 m（武菲，2019；許銀山等，2015）。 1.1.2 調度方式發展歷程 水庫調度是通過對已建水利工程進行合理有效的控制，以充分發揮其綜合利用效益、提高水資源利用率的重要技術措施。科學合理的調度方式是水利工程綜合利用效益*大化的根本保障。三峽水庫初步設計階段主要考慮防洪、發電、航運等功能，以防洪為*要目標；但在試驗性蓄水期還承擔了長江流域生態、供水等其他利用需求。為充分發揮三峽工程的綜合利用效益，適應實際調度需求，三峽水庫進入試驗性蓄水期以來，結合實時預報調度技術及應用實踐主要成果，針對調度方式進行了逐步優化。 1. 初步設計階段 三峽水庫初步設計階段采用“蓄清排渾”運行方式：每年汛前（6 月上旬末）將庫水位降至145 m；汛期（6 月中旬～9 月下旬）按防洪限制水位145 m 運用，控制*大下泄流量55 000 m3/s，以滿足下游荊江河段起始斷面枝城站（距大壩105 km ）流量不超過56 700 m3/s 的防洪要求；當入庫洪水流量小于55 000 m3/s 時，采用敞泄方式控制庫水位在145 m 運行；當入庫洪水流量大于55 000 m3/s 時，采用防洪調度方式，即攔蓄洪水以控制下泄流量，洪水過后需將水位再次降至145 m；汛后（10 月初）開始蓄水，蓄水期間*小下泄流量不低于電站保證出力相應流量，庫水位逐步抬升至175 m；枯水期，一般按高水位運行（水利部長江水利委員會，1992）。 此階段三峽水庫的防洪調度方式為對荊江河段的補償調度，將荊江河段的防洪標準由10 年一遇提高至100 年一遇，即長江上游發生100 年一遇洪水流量為83 700 m3/s， 三峽水庫調控可使沙市站（距大壩190 km ）水位低于44.5 m，遭遇100 年以上至1 000 年一遇洪水時，控制枝城站流量不大于80 000 m3/s，配合蓄洪區運用，保證荊江河段行洪安全，沙市站水位不超過45.0 m ，避免兩岸干堤潰決發生毀滅性災害（鄭守仁，2016 ）。 2. 優化調度方案 隨著三峽水庫進入試驗性蓄水期，為適應調度目標和調度需求的改變，其調度方式有所變化。2009 年10 月，國務院正式批準《三峽水庫優化調度方案》。在初步設計階段承擔防洪、發電、航運三大任務的基礎上，《三峽水庫優化調度方案》對三峽水庫的調度目標提出了具體要求：一是滿足更多的調度需求，通過優化調度三峽水庫，保障水庫上下游飲水安全，改善下游枯水期供水條件，維護河流生態，實現水資源合理調配；二是承擔更多的調度任務，明確在試驗性蓄水期，三峽水庫防洪調度需要兼顧對城陵磯防洪補償調度，根據城陵磯地區防洪要求，考慮長江上游來水情況和水文氣象預報，減少城陵磯地區分蓄洪量（水利部長江水利委員會，2009 ）。 3. 梯級調度規程 2015 年，結合試驗性蓄水期調度運行實踐，中國長江三峽集團有限公司組織編制了《三峽（正常運行期）—葛洲壩水利樞紐梯級調度規程》，并通過了水利部的審查批復。該調度規程明確，三峽水利樞紐的調度任務是在保證工程安全的前提下，充分發揮防洪、發電、航運、水資源利用等綜合效益；調度原則為興利調度服從防洪調度，發電調度與航運調度相互協調并服從水資源調度，協調興利調度與水環境、水生態保護、水庫長期利用的關系，提高三峽水利樞紐的綜合效益。同時，明確了不同水位對應庫容的啟用條件和調度任務（水利部長江水利委員會，2015）。 實際調度過程中，在遵循《三峽水庫優化調度方案》和《三峽（正常運行期）—葛洲壩水利樞紐梯級調度規程》總體原則的基礎上，通過開展三峽水庫試驗性蓄水期實時預報調度關鍵技術研究，充分利用不斷改進的水文氣象預報產品，實施三峽水庫中小洪水調度實踐，正確處理調度運用中的復雜關系，統籌兼顧多主體調度需求和利益訴求，在保證工程安全的前提下，充分發揮其防洪、發電、航運、生態等綜合作用，提升流域水資源綜合利用效益。 1.2 面臨問題及挑戰 1.2.1 面臨的新問題 隨著流域經濟的快速發展和水利工程的建設運行，與設計階段及運行初期相比，試驗性蓄水期間三峽水庫的上下游邊界條件和流域水文特性發生顯著改變。調度需求和任務的不斷拓展，使三峽水庫的預報調度實踐面臨更多問題和更大挑戰。 1. 水庫運行環境變化顯著 長江流域已建大型水庫近300 座，大規模水庫群集中建設投產極大地改變了長江流域河流連通現狀和下墊面條件，使之呈現多阻斷特性，一定程度上改變了流域自然水文循環過程。水庫群發揮的巨大時空調節作用，使流域尤其是長江中下游水文情勢變化顯著，上下游洪水傳播特性及河道行洪能力相應改變，例如：枯水期，由于水庫群的調節作用，中下游徑流量較天然情況增大，改善了中下游水資源條件；汛期，由于水庫群的蓄洪、滯洪作用，洪峰流量顯著減小、洪水過程延長；汛末蓄水期，由于水庫群的攔蓄作用，中下游徑流量較天然情況減小，枯水季可能提前來臨。同時，氣候及局部地區下墊面條件也有一定的改變，如庫區陸面變水面，導致局部水汽蒸發和產匯流規律發生了變化等（陳婷等，2019；高琦等，2018；陳璇等，2015）。上述變化導致三峽水庫調度運用所面臨的上下游邊界和水文特性等運行環境變化顯著，原有預報體系、調度方案適用性遭遇巨大挑戰，三峽水庫調度方式亟待調整和改進。 2. 水庫調度需求日益復雜 進入試驗性蓄水期以來，三峽水庫面臨的調度任務和生產需求日益復雜，除防洪、發電、航運，還需兼顧流域生態、供水等綜合需求。同時，年度調度運行過程中，大規模水庫群的集中操作對流域水資源的時空分布影響巨大，例如：消落期，若水庫群汛前集中消落，可能產生人造洪峰及水電站不必要的棄水等；汛期，若水庫維持在汛限水位附近或以下運行，洪水資源得不到有效利用；蓄水期，若上游水庫群集中蓄水會減少三峽水庫來水，可能造成下游水庫無水可蓄的不利局面，導致上下游水庫蓄水矛盾突出；枯水期，若水庫群維持高水位運行，可能引起下游河道徑流減少，加劇中下游水資源的供需矛盾，并對生態環境造成一定程度的破壞。作為流域水庫群的核心和骨干工程，三峽水庫在上述過程中的銜接和紐帶作用凸顯，實現其多目標優化調度需求迫切。 3. 水庫特征屬性愈加鮮明 作為當今世界*大的水利樞紐工程，三峽水庫肩負多項世界之*，尤其是進入試驗性蓄水期以來，三峽水庫呈現愈加鮮明的河道型特征屬性。例如，在正常蓄水位175 m 時，水庫回水長度達600 余千米，平均庫寬僅約1.6 km，入庫流量自庫內傳播至壩前需要一定時間，導致水庫呈現入庫流量、出庫流量與壩前水位不相對應的“怪相”，尤其是發生洪水過程時，庫區水面線比降較大，根據試驗性蓄水期汛期運行觀測資料分析，三峽水庫場次洪水過程動庫容水量約在5 億～55 億m3，動庫容特性明顯。準確的入出庫流量計算和調洪演算方法是水庫實時預報調度的基礎支撐，探索不同入、出庫流量計算方法、表達方式、代表性及適用范圍，實現對入、出庫流量的計算和校核，并采用能夠反映庫區洪水傳播特性的適宜調洪演算方法，對精準預報、科學調度、充分發揮三峽工程綜合效益有著至關重要的作用。因此，迫切需要針對三峽水庫自身特性及衍生問題研究適應性入、出庫流量計算及調洪演算方法等。 1.2.2 提
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