《洪水预报与调度》PPT课件.ppt
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1、洪 水 预 报 与 调 度,授课人:俞 淞,姓名:俞淞,教育背景:,籍贯:安徽省滁州市定远县,自我介绍,1999.92003.7 武汉大学水文与水资源工程专业 本科2003.92005.7 武汉大学水文学及水资源专业 硕士2005.92008.7 武汉大学水文学及水资源专业 博士(直博),出生年月:1982年3月,樱花烂漫,QQ:85283180,联系方式,本 次 课 程及 应 用 实 例,洪水预报实时校正方法介绍:残差回归、自适应反馈、卡尔曼滤波等方法,水文预报,流域产汇流计算,主 要 内 容,水库洪水调节计算:主要介绍水库的调洪作用,设计标准,调洪计算基本原理和方法。,水库汛期分期方法介绍
2、:数理统计、变点分析、模糊集合分析、矢量统计等方法的比较及应用。,引 言,水孕育了生命,然而从各种自然灾害发生的次数来看,每年有60以上是洪水灾害,特别是亚洲、北美发生的次数更多。我国是世界上受洪涝灾害影响最大的国家之一,频繁的洪水灾害每年都给社会经济和人民的生命财产造成巨大损失。据历史记载,从公元前206年到1949年中华人民共和国成立,共2155年间,中国就发生过较大的水灾1092次,较大的旱灾1056次,平均几乎每年都有较大水旱灾害。,研究的主要意义,随着社会经济的高速发展,水库在防洪中的地位和作用越来越突出。水库不仅要确保自身的安全,还要担负发电等多种综合利用任务,洪水预报和调度任务越
3、来越艰巨而复杂。,概 述(一)洪水预报与调度在水库防洪中的作用,水库特征水位与特征库容:死水位Z死与死库容V死 正常蓄水位Z蓄与兴利库容V蓄 防洪限制水位Z限与结合库容V结防洪高水位Z防与分洪库容V防设计洪水位Z设与拦洪库容V拦校核洪水位Z校与调洪库容V调,水库特征水位及其相应库容示意图,Z死、Z蓄、Z防、Z设、Z校建设时已经确定,Z限设计时一般对于正常蓄水位Z蓄,即 Z限=Z蓄。由于后来的工程质量、水文情况变化等,常使Z限Z蓄 1保证自身安全 设计洪水来临时,水库Z=Z限,最高洪水位Z设 校核洪水来临时,水库Z=Z限,最高洪水位Z校 考虑预报时 预泄:在保证兴利的条件下,适当腾空部分兴利库容
4、,提高水库的抗洪标准,超蓄:保证安全的条件下,在洪水尾部适当超蓄临时多拦蓄部分洪水(超蓄的洪水能在预见期内腾空),提高水库的兴利作用2.保证下游安全 下游洪水防洪标准时,水库ZZ防,下游防洪点QQ安 考虑预报时 通过防洪调度,与下游防洪点错峰,提高下游的防洪标准,(二)洪水复核与汛限水位设计洪水复核:新情况下的设计洪水、校核洪水、调洪规则洪水分期工程任务与工程质量(三)防洪预案研究对于不同标准的洪水对于不同情况的实际特大洪水,(四)基本步骤洪水预报 离线预报:流域降雨径流预报 河段洪水预报 在线预报实时洪水预报:最小二乘方法 卡尔曼滤波方法水库调度,流 域 降 雨 径 流 预 报,水文循环示意
5、图,流域降雨径流预报,一、产流计算,净雨过程计算 一个流域的Wm、b一定,可按上式由降雨、蒸发连续预报W、R R进一步划分为二水源:地面净雨RS、地下净雨Rg三水源:地面净雨、壤中流净雨、地下净雨,二、汇流计算,1地面汇流(或河网汇流)时段单位线(经验单位线)瞬时单位线单位线 纳希瞬时单位线仅有两个参数n和K,便于进行单站和地区综合,故在洪水预报和设计洪水计算中应用较为普遍2地下汇流(包括攘中流净雨汇流)按地下水库进行演算,预报方案评定,我国颁布的SD1382000水文情报预报规范采用以下误差评定方法 1评定标准(1)确定性系数dy,(2)合格率 m预报值误差许可误差的场数;n预报的总场数,一
6、般不少于40次 许可误差:对于降雨径流预报,净雨深的许可误差采用实测值的20%,许可误差大于20mm时,以20mm为上限;许可误差小于3mm时,以3mm为下限。洪峰流量的许可误差取实测值的20%,并以流量测验误差为下限。洪峰流量出现时间的许可误差,取预报根据时间至实测峰现时间间距的30%,并以3h或一个计算时段为下限。,a)确定性系数 b)洪峰合格率 c)峰现时差合格率,2预报方案的评定标准(1)按确定性系数评定有效性 评定(检验)方案的有效性时按下列标准进行。,(2)按许可误差评定合格率 预报方案合格率是评定(检验)中计算值与实测值之差不超过许可误差的次数(m)占全部次数(n)的百分率(m/
7、n100)。按其合格率将预报方案划分为以下3个等级。预报方案经评定达到上述甲、乙两个等级者,即可用于作业预报;达到丙等的方案用于参考性预报;丙等以下的方案不能用于作业预报,只能作参考性估报。,3.作业预报的评定,三、河段洪水预报,河槽蓄水量与泄流量关系方程蓄泄方程 W=f(Q上,Q下)=f(Q)(3-2)马斯京根法将该方程表达为Q上,Q下的线性组合联解式(3-1)、(3-2),即可求得Q下t2.马斯京根法(1)马斯京根流量演算方程该法将槽蓄量S分为二部分柱蓄和锲蓄组成:柱蓄量=河段通过稳定流量Q下的槽蓄量SQ下=KQ下,K为稳定流情况下的河段流量传播时间锲蓄量=x(SQ上-SQ下)=x(KQ上
8、-KQ下)x楔蓄系数,或称流量比重因数,则槽蓄量 S=SQ下+x(SQ上-SQ下)=KQ下+x(KQ上-KQ下)亦 S=Kx Q上+(1-x)Q下=KQ(3-3)Q=x Q上+(1-x)Q下=Q下+x(Q上-Q下)(3-4)Q示储流量(表示槽蓄量S相应的稳定流流量)式(3-1)式、(3-3)联解,即得马斯京根流量演算方程(3-5),(2)K和x的确定 马斯京根蓄泄方程的S 和Q呈线性关系,表明Q是S下的稳定流流量,所以,可假设x,作S 和Q关系线,当为直线时,如图,x即为所求,此时的直线斜率即为K值。,(3)马斯京根法的几个问题与处理方法(1)K值的综合分析多次洪水的K值,如果变化不大,可取平
9、均值如果K值变化较大,一般可按流量分级,应用时,随预报流量的变化取相应的K值(2)x值的综合 x值一般变化不大,约0.20.45,可取多次洪水分析的平均值(3)的选取 一般,最好取等于河段的洪水传播时间K。如果难以满足,则可将整个河段按n=K/分为n个河段,采用分段连续演算法计算(4)马斯京根法本身无预见期,一般利用降雨径流法预报出上断面Q上t,再用马法计算Q下t。但取=2Kx时,C0=0,则有 的预见期,洪 水 预 报 实 时 校 正 方法,洪水预报实时校正方法,水文预报是人类对自然界水文现象的模拟和预测,影响因素众多。一般来讲,洪水预报方案是根据以往的实测资料编制的,其中洪水预报模型的参数
10、,反映的都是以往资料情况下平均而言的最优值,但在作业预报时,当实际情况偏离方案的状态时,就会使预报结果发生偏差。如果我们能够利用作业预报过程中随时得到的误差信息(新息),恰当的调整下一步用产汇流预报方案推算所得的数值,将会提高预报精度,这种利用新息进行预报校正的方法称为实时校正预报。,洪水预报校正模型主要采用了两种类型,一是采用相关分析校正模型,二是采用自回归校正模型。采用的校正技术主要有,利用最小二乘分析技术建立的定常参数校正模型方法;利用递推最小二乘分析技术建立的自适应反馈洪水实时预报校正模型方法和利用卡尔曼滤波技术建立的洪水流量实时校正方法,经比较后,选择一种适合水库情况的校正模型和方法
11、。,模型预报流量与实测流量相关校正方法,选取湖北省漳河水库 利用19902002年汛期反推的入库洪水过程和产汇流预报模型模拟计算的流量过程资料,模型预报流量 与实时校正后的预报流量 相关分析校正方程为:其相关系数 r=0.91745。,多阶自回归洪水实时校正方法,概念性流域水文预报模型使得水文模型呈现为较复杂的“隐式”结构,模型参数识别存在着计算的复杂性,很难用实测数据实时修正模型参数,成为定常参数的流域水文模型。目前在利用定常参数的流域水文模型进行洪水实时预报时,采用的有效方法是用确定性流域水文模型加上实时校正处理算法进行洪水实时校正预报。即利用流域水文模型的预报流量序列与实时观测的流量序列
12、的残差序列dQ(j),j=1,.,t,建立残差预报模型,将预报的残差dQ(j),j=t+1,.叠加到预报流量上,完成流域洪水预报校正,从而提高洪水预报精度。,对于漳河水库 一阶残差自回归洪水预报校正模型为:二阶残差自回归洪水预报校正模型为:,自适应反馈洪水实时校正方法,1.洪水实时预报校正方法与技术 在洪水实时预报中,目前阶段采用的自适应反馈洪水信息实时校正的方法主要有:递推最小二乘法和卡尔曼滤波方法。这些实时校正的方法共同特点是,能实时地处理水文系统最新出现的预报误差,以此作为修正预报模型参数、状态或预报输出值的依据,从而使预报系统迅速适应现时状况。,2.自适应洪水实时校正模型 将一阶自回归
13、洪水预报校正模型改写为时变参数的模型,其结构形式为:将上述时变参数的模型,结合改进的可变遗忘因子最小二乘参数估计自适应递推算法,从而得到一阶自适应洪水实时校正模型具体结构形式为:,(1)一阶自适应洪水实时校正模型递推算法为:预报:参数估计:增益因子:协方差阵:可变遗忘因子:上述表达式中:,(2)二阶自适应洪水实时校正模型递推算法为:预报:参数估计:增益因子:协方差阵:可变遗忘因子:上述表达式中:,卡尔曼滤波洪水实时校正方法,卡尔曼滤波是卡尔曼和布西在60年代初提出的,它是具有完整的严密理论体系的实时预报方法,在自动控制等领域应用取得很好的效果。自从70年代被引入到洪水实时预报以来,人们进行了许
14、多探索性的研究工作。卡尔曼滤波是根据对水文系统建立的状态方程和观测方程,采用线性递推的算法进行实时预报的。即由现时段的预报值和获得的观测值作滤波计算,然后预报下一时段的系统状态,待下一时段的观测值出现后,再滤波,再预报下一个时段的状态,如此连续循环和预报。,卡尔曼滤波洪水实时预报校正模型,本课中的卡尔曼滤波洪水实时预报研究,是以自回归残差预报模型为基础,进一步导出卡尔曼滤波洪水实时预报模型和计算方法。其中自回归残差预报模型,可表示为:将自回归残差预报模型,改写成状态方程和观测方程的表达形式,有,(1)状态方程 可进一步简写为:其中状态变量、噪声分配矩阵、状态转移矩阵、噪声方差矩阵为:,,(2)
15、观测方程 在t+1时刻流量是可观测的,此时可推求得到流量预报误差,假设测量的流量值受到误差影响,从而有:可简写为:式中,的方差取R=147。,实时校正方法比较与选用,漳河水库洪水预报校正模型及算法结果综合表,水 库 调 度,电网调度管理条例实施办法(1994年10月11日中华人民共和国电力工业部令第3号发布自发布之日起施行),第四条 电网调度机构一般应当进行下列主要工作:(一)、组织编制和执行电网的调度计划(运行方式);(二)、指挥调度管辖范围内的设备的操作;(三)、指挥电网的频率调整和电压调整;(四)、指挥电网事故的处理,负责进行电网事故分析,制订并组织实施提高电网安全运行水平的措施;(五)
16、、编制调度管辖范围内的设备的检修进度表,批准其按计划进行检修;(六)、负责本调度机构管辖的继电保护和安全自动装置以及电力通信和电网调度自动化设备的运行管理;负责对下级调度机构管辖的上述设备和装置的配置和运行进行技术指导;(七)、组织电力通信和电网调度自动化规划的编制工作,组织继电保护及安全自动装置规划的编制工作;(八)、参与电网规划编制工作,参与电网工程设计审查工作;(九)、参加编制发电、供电计划,监督发电、供电计划执行情况,严格控制按计划指标发电、用电;(十)、负责指挥全电网的经济运行;(十一)、组织调度系统有关人员的业务培训;(十二)、统一协调水电厂水库的合理运用;(十三)、协调有关所辖电
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