粒子群算法在水庫(kù)防洪優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用分析

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1、華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文1緒論1.1問(wèn)題的提出洪澇災(zāi)害一直是人類的心腹之患。特別是在我國(guó)長(zhǎng)江流域，除青藏高原部分地區(qū)外，各地都可能出現(xiàn)暴雨洪水，流域內(nèi)洪災(zāi)連綿不斷。治理洪災(zāi)成為歷朝歷代治國(guó)安邦的大事，采取防洪措施，以防治洪水泛濫、縮小淹沒(méi)范圍和減緩災(zāi)害損失。一般來(lái)說(shuō)，防洪措施可分為兩類，一類為工程措施，主要有堤防、河道整治、分洪蓄洪工程和水庫(kù)工程等，擴(kuò)大河道泄洪能力，分流疏導(dǎo)和攔蓄洪水，以實(shí)現(xiàn)防洪的目的；另一類為非工程措施，主要有洪水預(yù)報(bào)警報(bào)、洪水調(diào)度、洪泛區(qū)管理、洪水保險(xiǎn)、河道管理、非常洪水防治預(yù)案以及有關(guān)法律法規(guī)和

2、經(jīng)濟(jì)等非工程的防洪對(duì)策，以達(dá)到預(yù)防和減輕洪水威脅、充分發(fā)揮工程的作用和減輕洪水災(zāi)害的目的。長(zhǎng)江是我國(guó)最大的河流，流域面積180萬(wàn)平方公里，河長(zhǎng)6300km，僅次于尼羅[1]3河和亞馬遜河，為世界第三長(zhǎng)河；年平均徑流量接近1萬(wàn)余億m，僅次于亞馬遜河和剛果河，居世界第三位。但長(zhǎng)江給兩岸人民帶來(lái)豐富水資源的同時(shí)，也經(jīng)常爆發(fā)流域性大洪水，嚴(yán)重威脅兩岸人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，特別是在中游河段，洪水經(jīng)常泛濫成災(zāi)，成了歷來(lái)防洪的關(guān)鍵地段。歷史上，這一河段經(jīng)常發(fā)生大水災(zāi)，損失極其嚴(yán)重。建國(guó)后的1954年大洪水，在堤防有所加強(qiáng)，廣大軍民大力

3、防守、搶救和3采取分洪措施的情況下，分洪和堤防漫潰的洪量仍達(dá)到1000余億m，有4755萬(wàn)畝農(nóng)田被淹，受災(zāi)人口達(dá)到1888萬(wàn)人，因?yàn)?zāi)直接死亡3.3萬(wàn)人，京廣鐵路100天不能[2]正常運(yùn)行。1998年大洪水，長(zhǎng)江上游連續(xù)多次洪峰沖擊下游，雖然最大洪峰流量3僅6萬(wàn)多m/s，但由于下游河道淤塞，河床抬高，以及洞庭湖的萎縮、調(diào)蓄作用下降，導(dǎo)致下游河段水位一直居高不下，很多河段超過(guò)歷史最大洪水位，防洪壓力極大。雖經(jīng)過(guò)全國(guó)軍民奮力抗洪，并利用葛洲壩、隔河巖等水庫(kù)的調(diào)蓄作用，勉強(qiáng)保住了荊江河段，避免了荊江分洪區(qū)的啟用，但是城陵磯附近

4、及以下河段多處出現(xiàn)險(xiǎn)情和潰堤現(xiàn)象，損失仍然十分慘重。建國(guó)以來(lái)，國(guó)家針對(duì)長(zhǎng)江流域嚴(yán)峻的防洪形勢(shì)有計(jì)劃的進(jìn)行了大規(guī)模的防洪工1華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文程建設(shè)，使長(zhǎng)江中下游地區(qū)防洪形勢(shì)得到了初步改善。按照如今的防洪工程情況，中下游干流堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)大概為20年一遇級(jí)別，其中荊江河段安全流量?jī)H有360000m/s，約相當(dāng)于十年一遇級(jí)別。超過(guò)上述標(biāo)準(zhǔn)，即需運(yùn)用分蓄洪措施。而分蓄洪區(qū)內(nèi)人口大量增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)也有較好的發(fā)展，因此，分洪區(qū)的啟用代價(jià)越來(lái)越大。3即使啟用了分蓄洪區(qū)，荊江河段也只能承受枝城來(lái)量不超過(guò)80000m/s，約相當(dāng)于40

5、年一遇的洪水。超過(guò)這一流量時(shí)，荊江大堤將極有可能潰決。經(jīng)大量水利專家多年研究，只能通過(guò)修建三峽水庫(kù)來(lái)治理長(zhǎng)江中游洪災(zāi)，利用三峽水庫(kù)調(diào)蓄洪水，對(duì)中游地區(qū)，特別是荊江地區(qū)實(shí)施防洪補(bǔ)償調(diào)度，以提高荊江河段的防洪能力。如今，三峽工程已基本完工，正常運(yùn)行，并開(kāi)始發(fā)揮應(yīng)有的防洪作用。特別是2010年大洪3水，三峽入庫(kù)洪峰流量達(dá)到70000m/s，超過(guò)98年大洪水的峰值，通過(guò)三峽調(diào)蓄，3下泄流量限制在40000m/s及以下，大大減輕了下游的防洪壓力，整個(gè)下游河段沒(méi)有出現(xiàn)重大險(xiǎn)情和潰堤現(xiàn)象，經(jīng)濟(jì)損失也相對(duì)很小。但三峽水庫(kù)現(xiàn)在還是根據(jù)調(diào)

6、度圖和調(diào)度規(guī)則來(lái)進(jìn)行常規(guī)調(diào)度，不能充分發(fā)揮三峽水庫(kù)的防洪作用。如今，隨著全流域監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的信息化普及，對(duì)流域水文預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的提高和預(yù)見(jiàn)期的延長(zhǎng)，為防洪優(yōu)化調(diào)度創(chuàng)造了有利條件。因此，有必要研究水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型，在常規(guī)調(diào)度的基礎(chǔ)上，更大地發(fā)揮水庫(kù)在防洪減災(zāi)中的作用。1.2選題的研究意義本文研究將粒子群優(yōu)化算法應(yīng)用到水庫(kù)防洪優(yōu)化調(diào)度中來(lái)。選取三峽水庫(kù)為研究對(duì)象，下游防洪控制站城陵磯站為保護(hù)對(duì)象，研究粒子群優(yōu)化算法在水庫(kù)防洪優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用，包括水文預(yù)報(bào)、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算、洪水演進(jìn)以及水庫(kù)調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)。在三峽水庫(kù)對(duì)長(zhǎng)江中游的防洪補(bǔ)

7、償調(diào)度中，水文預(yù)報(bào)主要包括三峽來(lái)水預(yù)報(bào)和城陵磯區(qū)間流量預(yù)報(bào)兩個(gè)方面。其中三峽來(lái)水預(yù)報(bào)現(xiàn)階段已經(jīng)比較準(zhǔn)確，本文重點(diǎn)研究洪水出三峽后，與城陵磯區(qū)間流量匯合，在城陵磯站產(chǎn)生的流量預(yù)報(bào)和分析計(jì)算。洪水出三峽后，到達(dá)城陵磯的時(shí)間大概為兩天左右。所以在對(duì)城陵磯補(bǔ)償調(diào)度的時(shí)候，需要對(duì)城陵磯流量進(jìn)行兩天的短期預(yù)報(bào)，根據(jù)此預(yù)報(bào)流量，得到三峽水庫(kù)2華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文的最大安全下泄流量。否則，在沒(méi)有預(yù)報(bào)的情況下盲目下泄，下泄量大了可能會(huì)導(dǎo)致城陵磯站出現(xiàn)險(xiǎn)情，下泄量小了導(dǎo)致三峽水庫(kù)的水位一直維持較高水平，不利于對(duì)后期洪水的調(diào)控。本文擬利

8、用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，對(duì)城陵磯站流量和水位進(jìn)行兩天預(yù)報(bào)研究。設(shè)計(jì)洪水是指具有某一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水過(guò)程線，本文建立洪水過(guò)程線放大優(yōu)化模型，采用粒子群優(yōu)化算法（PSO法）優(yōu)化放大過(guò)程線，減少人工計(jì)算量，提高同頻放大精度。洪水演進(jìn)是防洪調(diào)度中非常關(guān)鍵的一個(gè)部分，馬斯京根洪水演進(jìn)模型因其算式表達(dá)簡(jiǎn)單、參數(shù)量少、演算精度高等優(yōu)點(diǎn)，在工程中得到了廣