CN103543639B - 河湖水体量质耦合自优化模拟调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河湖水体量质耦合自优化模拟调控方法，包括步骤：步骤一，构建待调控河湖区的水体量质耦合模拟模型；步骤二，根据水体量质耦合模拟模型和当前决策方案获得待调控河湖区的水量、水位和水质模拟结果；步骤三，以水量、水位和水质为决策目标，构建河湖水体系统的优化决策域；步骤四，判断决策目标的模拟结果是否同时满足河湖水体系统需求，并根据判断结果对当前决策方案进行修正。本发明对河湖水体的水量、水质和水位进行联合调控，从而实现水资源的高效配置。

Description

河湖水体量质耦合自优化模拟调控方法

技术领域

本发明属于水资源优化配置与调控领域，尤其涉及一种河湖水体量质耦合自优化模拟调控方法。

背景技术

随着全球极端气候变化日益频繁，高强度的人类活动日益剧增，干旱、洪涝、水污染等水问题日益严峻，并已成为制约经济社会可持续发展的关键性因素之一。建立最严格的水资源管理制度，维持河湖水体健康，提高水资源应急管理能力，实现水资源量与质的综合管理，正受到各国政府的高度重视。目前，我国生态文明发展战略对河湖水系生态环境保护提出了新的要求；城镇化发展、涝渍灾害防治与水环境修复、水生态景观建设等需求，使河湖水位、水量、水质控制更加复杂。

目前，迫切需要从解决水资源紧缺、城乡涝渍灾害、水环境污染等实际问题出发，以流域/区域河湖水系水循环及其伴生物质过程演化为基础，剖析水资源量、质耦合机理，动态模拟河湖闸站控制作用下的水文过程、水流过程、污染物迁移转化过程之间的相互关系，提出河湖水体水量、水位、水质一体化调控技术。这正是水科学研究的前沿热点与难点问题。

多年来，学者们虽然分别对河湖水系的水量调度、水流控制、水质模拟进行了大量研究与实践，并结合一些具体案例研究开发了许多流域/区域水资源系统优化调度模型技术、河湖水体水流水质模拟标准化软件，但大多是针对某一流域/河湖工程管理单一主体的兴利、防洪或水质等单一管理目标，采用水文学、运筹学、水动力学、环境水力学等软件工具进行模拟，缺少考虑河湖水体多主体协调管理与湖库多目标自优化模拟技术相结合的水资源系统调控模型化技术。

在河湖水质水量联合调控技术研究中，目前人们虽然在水质水量联合模拟基础上，考虑污染物沿河衰减情况，以水库供水量最大和水库受污染程度最小为双目标，提出并研发了河湖、水库水质水量联合优化调控模型技术。但现有水质水量联合调控技术，在目标函数中缺少考虑生态流量、景观水位等控制目标，在模型技术上不能满足最严格水资源管理制度实践中对用水总量、用水效率、纳污能力“三条红线”多目标管理之需求；也不能随着水文、水动力、排污等河湖水系环境条件不断变化，自适应调控河湖水体的蓄、泄水控制闸站运行方式，难以满足不同主体对水量分配、水位控制、水质管理等目标之需求。

因此，迫切需要一种能适应河湖水体环境变化并满足水量、水位、水质管理需求的河湖水系水资源系统多目标调控自优化模拟技术，实现水资源优化配置与洪涝、干旱、水污染等灾害综合治理，及时适应最严格水资源管理制度及水利工程实时调控机制，满足发电、灌溉、供水、生态、航运及环境等用水需求，促进水资源高效利用与水生态文明建设，为河湖水系水利信息化与自动化管理提供技术支撑。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种河湖水体量质耦合自优化模拟调控方法，该方法可对河湖水体的水量、水质和水位进行联合调控，从而实现水资源的高效配置。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种河湖水体量质耦合自优化模拟调控方法，包括步骤：

步骤1，采集并整合待调控河湖区的监测数据，获得河湖水体多元信息，所述的河湖水体多元信息包括水量信息、水动力条件和水质信息；根据河湖水体多元信息选择适用于待调控河湖区的水量水质模型，并通过预计率定和反演获得水量水质模型参数；

步骤2，基于河湖水体多元信息和水量水质模型参数构建待调控河湖区的当前水体量质耦合模型；

步骤3，根据当前水体量质耦合模型和当前决策方案获得待调控河湖区的水量、水位和水质模拟结果，然后执行步骤4；

步骤4，以水量、水位和水质为决策目标，以经济蓄水线、防破坏线和生态环境水位为决策域的约束，判断决策目标的模拟结果是否同时满足河湖水体系统需求：

若决策目标的模拟结果同时满足河湖水体系统需求，则当前决策方案为满足河湖水体系统需求的全局最优决策方案，基于当前决策方案修正当前水体量质耦合模型参数并获得修正后的水体量质耦合模型，以修正后的水体量质耦合模型为当前水体量质耦合模型；

若决策目标的模拟结果不能同时满足河湖水体系统需求，则根据决策目标的反馈修正量调整决策变量并获取调整后的决策方案，以调整后的决策方案为当前决策方案，循环执行步骤3；所述的决策目标的反馈修正量为决策目标的模拟值与目标值之差；

若循环执行步骤3的次数达到规定次数且决策目标的模拟结果仍未同时满足河湖水体系统需求，执行步骤5；

所述的河湖水体系统需求指河湖水体系统的水量分配准则、水位控制准则和水质控制准则；

步骤5，放宽决策域的约束，重新执行步骤4。

上述水体量质耦合模型为基于水流运动方程与对流迁移扩散方程构建的顺时序模拟模型。

上述水量分配准则为：待调控河湖区的水量控制在防破坏线与经济蓄水线之间。

上述水位控制准则为：水位控制下限为待调控河湖区所在地的航运最低水位与生态最低水位中的较低值，水位控制上限为待调控河湖区所在地的防涝排渍标准。

上述水质控制准则为：水体水质需满足待调控河湖区所在地的水质要求。

上述根据决策目标的反馈修正量调整决策变量并获取调整后的决策方案具体为：

根据决策目标反馈修正量的变化判断决策目标的变化趋势，并根据决策目标的变化趋势增大或减小决策变量，从而获得调整后的决策方案。

为解决河湖水系日益突出的多主体开发、水资源短缺、水环境恶化、水生态退化、洪涝灾害严重等综合矛盾问题，适应国家最严格水资源管理制度建设之紧迫需求，本发明提供了一种河湖水体多主体水量-水流-水质联合调控自优化模拟方法，本发明能在线监测河湖水体主要控制断面的流量、水位、水质，快速模拟河湖水体水文、水流及水质迁移转化过程，自优化模拟决策河湖水库蓄、泄水过程，自适应调控河湖水体闸站启闭方式及其水量分配结果、河湖控制水位与入河湖污染物控制总量，从而实现水资源高效利用、水位多目标优化控制以及生态环境自适应保护。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、在河湖水体模拟调控中综合考虑水量、水质、水位三者之间的相互影响以及对决策的需求，满足当地社会经济发展需求。

2、有效解决目前水资源模拟调控中需要多重反复模拟计算，且难以保证一定能获得全局最优解的问题，利用自优化模拟技术对模拟结果进行在线辨识、收敛判断和修正反馈，引导模拟结果趋于最优目标值；实现了模拟调控过程的高效化，具有现实意义上的经济效益，转化前景良好。

3、综合考虑河湖水系闸站分布及其规模约束与启闭条件，分别从河湖水系流域管理主体利益与下游用水户主体等不同利益相关者出发，首次构建了全局效益最大化的流域管理逆时序决策模型与局部优先权保护利益最大化的下游影响区逆时序决策模型，以及河湖水系多主体多目标协商顺时序决策模型技术，可以实现多主体自优化模拟多目标决策河湖水库蓄、泄水过程，自适应调控河湖水系闸站启闭方式及其水量分配结果、河湖控制水位与入河湖污染物控制总量。

4、利用现代系统分析技术，融合常规河湖水位、流量及水质定点在线监测数据与高精度遥感动态观测数据，并基于地理信息系统、数据库管理等技术，构建了包含自然地理、水文气象、水流水质及社会经济、水库闸站、渠（管）道工程等多源信息的河湖水系综合信息管理平台，实现了现有点、面上的水文环境、工程设施、自然地理、社会经济等多源信息的综合集成，为实时监测与动态分析河湖水系水文、水流、水质变化规律提供支撑。

5、根据河湖水系产汇流过程及其伴生物质迁移、转化、传输机理，将环境水力学理论与水资源系统分析技术相结合，构建了基于时间序列分析、神经网络、遗传算法、混沌分析等理论方法的河湖水系水量、水位、水质整体快速模拟模型技术，实现了河湖水系水量、水位、水质的同步快速模拟，具有机理性与系统性相结合、省时、快捷、参数少等特点，为实时预测河湖水系突发污染及洪水演进范围提供了技术支撑。

附图说明

图1为本发明方法流程框图；

图2为河湖水体多元信息整合示意图；

图3为多决策目标辨识框架示意图；

图4为修正当前决策方案布置中的迭代过程示意图；

图5为决策域展示图。

具体实施方式

本发明是一种水量-水质-水位联合调控模拟方法，基于自优化技术对水量水质的适应性调控进行模拟，适用于水资源优化配置方面。本发明能对河湖水体模拟结果进行在线辨识、收敛判断，并根据收敛结果自动生成反馈修正量，同时将反馈修正量加入运行规则中，促进模型进行最优化模拟，从而获得最优目标值。在满足水位与水质要求上实现水量最优化配置，得到生态环境最优化控制。该技术对河湖水体进行水量-水质-水位联合调控，实现了水资源高效配置。

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

图1为本发明方法的整体框架图，具体实施步骤如下：

步骤1，采集并整合待调控河湖区的监测数据，获得河湖水体多元信息，所述的河湖水体多元信息包括水量信息、水动力条件和水质信息。

待调控河湖区监测数据包括GIS监测数据、RS（遥感）监测数据和水文环境监测数据。河湖水体多元信息包括由河湖水系地理空间信息、工程技术信息、水文气象信息、水环境信息、社会经济信息、土地利用信息和运行管理信息构成的水量信息、水动力条件和水质信息，见图2。

步骤2，根据河湖水体多元信息选择适用于待调控河湖区的水量水质模型，并通过预计率定和反演获得水量水质模型参数。

步骤3，基于河湖水体多元信息和水量水质模型参数构建待调控河湖区的当前水体量质耦合模型。

基于河湖水体多元信息、水质水量模型参数、待调控河湖区所在地的水量与水位需求，构建用以模拟水体量质耦合的顺时序模拟模型，即当前水体量质耦合模型，见公式（1）和（2）。

本具体实施中，采用水流运动方程与对流迁移扩散方程构建水体量质耦合模型。

水流运动模型的基本方程是圣维南方程组，如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂A}{\∂t}+\frac{\∂Q}{\∂t}=q\\ \frac{\∂Q}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x}({\mathrm{\αQ}}^2/A)+\mathrm{Ag}\frac{\∂Z}{\∂x}+g\frac{Q\left|Q\right|}{C^2\mathrm{RA}}=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

式（1）中：

Q为断面的流量，单位：m³/s；

Z为水位，单位：m；

A为断面面积，单位：m²；

g为重力加速度，单位：m/s²；

q为旁侧入流，单位：m³/s；

R为水力半径；

C为谢才系数；

α为动量校正系数；

x、t分别表示距离和时间，距离单位：m，时间单位：s。

对流迁移扩散方程如下：

$\frac{\∂\mathrm{AM}}{\∂t}+\frac{\∂\mathrm{QM}}{\∂t}-\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{AD}\frac{\∂M}{\∂x}\right)=-\mathrm{AKM}+M_{2}q---\left(2\right)$

式（2）中：

M为物质浓度，单位：mg/L；

D为纵向扩散系数，单位：m²/s；

A是横断面面积，单位：m²；

q为旁侧入流流量，单位：m³/s；

M₂为源汇浓度，单位：mg/L；

K为线性衰减系数，单位：L/d；

x、t分别表示空间坐标和时间坐标，空间坐标单位：m；时间坐标单位：s。

步骤4，构建经济蓄水线、防破坏线和生态环境水位。

从用水需求出发，运用水量平衡公式，以河渠的控制约束条件以及水功能区的约束条件为约束条件，对河湖水体系统进行“需求向”的逆时序模拟决策，并构建经济蓄水线、防破坏线和生态环境水位。河渠的控制约束条件及水功能区的约束条件分别为待调控河湖区所在地对水体的水量和水质提出的要求。

经济蓄水线的含义为：当水量超过经济蓄水线时，蓄水即为不经济。防破坏线为待调控河湖区所在地经济生活遭受破坏的临界水量。生态环境水位为待调控河湖区所在地生态环境情况对水位提出的要求，即水位不得低于生态环境水位，如果低于生态环境水位，则会造成环境的破坏。以构建的经济蓄水线、防破坏线和生态环境水位为模拟决策的决策域的约束，决策域见图5。

步骤5，基于量质耦合模型管理待调控河湖区的用水总量、用水效率及纳污能力控制目标实现程度的辨识，获得初始当前决策方案。

步骤6，根据当前水体量质耦合模型和当前决策方案获得待调控河湖区的水量、水位和水质模拟结果。

步骤7，根据待调控河湖区的水量、水位和水质模拟结果修正当前决策方案。

见图3，以水量、水位和水质为决策目标，以经济蓄水线、防破坏线和生态环境水位为决策域的约束，判断决策目标的模拟结果是否同时满足河湖水体系统需求：

（1）若决策目标的模拟结果同时满足河湖水体系统需求，则当前决策方案为满足河湖水体系统需求的全局最优决策方案，基于当前决策方案输出控制指令信息和模拟结果，并根据全局最优决策方案调整实际闸门开度；同时，根据当前决策方案修正水量水质模型参数并获得修正后的水体量质耦合模型，下次调控中，以修正后的水体量质耦合模型为当前水体量质耦合模型。

上述根据当前决策方案修正水体量质耦合模型参数具体为：采用全局最优决策方案修正水量水质模型参数，例如，对流扩散系数、渠道燥率、纵向弥散系数等。

（2）若决策目标的模拟结果不能同时满足河湖水体系统需求，则根据决策目标各自的反馈修正量δ调整决策变量并获取优化后的决策方案，以优化后的决策方案为当前决策方案，循环执行步骤6；所述的决策目标的反馈修正量为决策目标的模拟值与目标值之差。

决策目标各自的反馈修正量δ分别为水量、水位和水质的实际值与目标值之差。

反馈修正量δ的形式可表示为：

$\mathrm{\δ}=f\left(\right|S^k-S|,|Z^k-Z|,|H_t^k-H_t\left|\right)---\left(3\right)$

式（3）中：

S为水质目标值，可以为某种水质组分，例如：氨氮、COD等；

Z为水量目标值，例如：供水量或弃水量等；

H_t为t时段水库蓄水量对应的水位目标值；

上标k表示第k次迭代，即，S^k、Z^k、分别为第k次迭代后的水质、水量、水位的模拟值。

上述根据决策目标各自的反馈修正量δ调整决策变量的思路为：

本发明中，决策的对象为闸门开度，调整决策变量即增大或减小闸门开度，增大或减小闸门开度后的闸门开度即为决策方案。根据每次调整决策变量后的决策目标反馈修正量的变化判断决策目标的变化趋势，并根据决策目标的变化调整闸门开度。例如，根据水量决策目标的反馈修正量的变化判断闸门开度调整方向，若水量反馈修正量较上一水量反馈修正量小，则闸门开度调整方向正确；若水量反馈修正量较前一次大，则闸门开度调整方向错误。同理，根据水质反馈修正量的变化判断水位和水质变化趋势，若上游水位和水质变差，则根据最近连续两次调整后水位和水质的反馈修正量的变化趋势决定闸门开度的调整方向。闸门开度包括两个调整方向，增大闸门开度为一个调整方向，减小闸门开度为另一个调整方向。

（3）若循环执行步骤6的次数达到规定次数且决策目标的模拟结果仍未同时满足河湖水体系统需求，执行步骤8。

本步骤中，河湖水体系统需求指河湖水体系统的水量分配准则、水位控制准则和水质控制准则。水量分配准则为：待调控河湖区的水量控制在防破坏线与经济蓄水线之间。水位控制准则为：水位控制下限应为待调控河湖区所在地的航运最低水位与生态最低水位中的较低值，水位控制上限为待调控河湖区所在地的防涝排渍标准。水质控制准则为：水体水质需满足待调控河湖区所在地的水质要求。例如，水质控制准则具体可为：根据水体污染物浓度来判断水体是否满足水质需求，水体污染物浓度根据采集到的进入水体和进出水体的污染物浓度及流量计算得到。

本步骤中，决策变量为闸门开度，调整决策变量即增大或减小闸门开度，调整后的决策变量值即为当前决策方案。每调整一次决策变量即为一次迭代，每次迭代后根据当前决策方案模拟水量、水位和水质，并继续判断水量、水位和水质是否同时满足河湖水体系统需求。图4为本步骤中迭代过程示意图。

步骤8，放宽决策域的约束，重新执行步骤7。

修正水量、水位和水质的决策域后重新执行步骤7。以水量决策目标为例，经过规定次数的迭代仍无法满足水量决策目标，即认为“需求向”模拟得到的决策域无法满足水体要求，则可以采用放宽约束条件，降低精度的方式来避免死循环，那么可以扩展水量决策目标的决策域，即增大水量决策目标上限或降低水量决策目标下限。

本发明涉及如下模块：

1、信息采集模块。

信息采集模块综合集成了常规水文环境监测点定位监测、车船移动式动态监测、遥感技术自动监测以及地形测绘、社会经济现状调查等技术，可采集包括河湖水系地理空间信息、工程技术信息、水文气象信息、水环境信息、社会经济信息、土地利用信息、运行管理信息等监测数据。

2、信息融合模块。

利用小波分析、证据分析、分形分析等现代系统分析理论技术，融合信息采集模块采集的常规河湖水位、流量及水质定点在线监测数据与高精度遥感（RS）动态观测数据，并基于地理信息系统与数据库管理等技术，构建了包含自然地理、水文气象、水流水质及社会经济、水库闸站、渠（管）道工程等多源信息的河湖水系综合信息管理平台，实现不同精度与不同尺度数据间的有机融合与转换，有利于解决不同信息源之间的数据兼容性问题。

3、多元模拟模块

根据河湖水系产汇流过程及其伴生物质迁移、转化、传输机理，选择河湖水系控制断面水量、水位、水质多元整体模拟模型及其输入、输出参数；试验率定水动力学及污染物扩散等参数，或根据历史资料反演系统模型参数；构建河湖水系水量、水位、水质整体模拟的一、二维水流水质与时间序列分析、神经网络、遗传算法、混沌分析等相结合的混合模型系统，并可利用多源信息融合数据改变河湖水系环境条件，进行不同环境变化条件下的河湖水系水量、水位、水质的多元同步快速模拟。

4、多层调控模块

按照大系统多层递阶控制原理，根据河湖水系河渠、闸站、湖库相互连接物理结构关系，通过分别设置闸站调控单元、河渠调控单元、湖库调控单元，并以水势能量与物质通量为关联变量，构建河湖水系多层递阶调控模块。其中：闸站调控单元下又含有节制闸、泄水闸、分水闸、提水泵站、排水泵站等不同类型的闸站调控方式；河渠调控单元下分为直道、弯道、岔道，不同型式的渐变段，明渠与暗管，硬化渠道与自然河道等不同区段调控方式；湖库调控单元下含有大、中、小型湖库及其多年、年、季等不同性能的调节方式。具有分类齐全、操作性强等特点，适用于河流系统、湖泊系统、水库群系统、灌溉供水系统、防洪排涝系统等不同类型河湖水系的水量、水位、水质联合调控。

5、多目标识别模块

通过设置河湖水系水量、水位、水质相互转换器，将传统的水量、水位或水质等单目标识别方法，拓展到水量、水位、水质三位一体的多目标综合识别方法，可有效实现最严格水资源管理制度中“三条红线”的同步控制，解决兴利、防洪、减污多目标之间的冲突问题，保证目标快速收敛与优化，节省计算时间，提高模型求解的计算效率。

6、反馈修正模块

构建河湖水系水量分配及其闸站控制、入河湖污染物总量等自适应修正模型系统，并根据多目标识别模块识别的多目标状态距离用水总量、用水效率、防洪排涝控制水位、水环境承载能力等理想控制目标的偏差情况，自动形成反馈修正量，重新返回多元模拟模块进行多元模拟分析与多层调控模块进行多层调控决策分析，直至满足多目标识别模块的识别要求，进入系统输出模块。

7、系统输出模块

系统输出模块输出河湖水系水量分配表、供需平衡表、用水效率表，还输出典型湖库蓄水量、水位、水质及上下游关键控制断面最高（低）水位-流量-水质变化等图表。

Claims (3)

1.河湖水体量质耦合自优化模拟调控方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1，采集并整合待调控河湖区的监测数据，获得河湖水体多元信息，所述的河湖水体多元信息包括水量信息、水动力条件和水质信息；根据河湖水体多元信息选择适用于待调控河湖区的水量水质模型，并通过预计率定和反演获得水量水质模型参数；

步骤2，基于河湖水体多元信息和水量水质模型参数构建待调控河湖区的当前水体量质耦合模型，其中，水体量质耦合模型为基于水流运动方程与对流迁移扩散方程构建的顺时序模拟模型；

步骤3，从用水需求出发，运用水量平衡公式，以河渠的控制约束条件以及水功能区的约束条件为约束条件，对河湖水体系统进行“需求向”的逆时序模拟决策，并构建经济蓄水线、防破坏线和生态环境水位；

步骤4，基于量质耦合模型管理待调控河湖区的用水总量、用水效率及纳污能力控制目标实现程度的辨识，获得初始当前决策方案；

步骤5，根据当前水体量质耦合模型和当前决策方案获得待调控河湖区的水量、水位和水质模拟结果；

步骤6，根据待调控河湖区的水量、水位和水质模拟结果修正当前决策方案，本步骤具体为：

以水量、水位和水质为决策目标，以经济蓄水线、防破坏线和生态环境水位为决策域的约束，判断决策目标的模拟结果是否同时满足河湖水体系统需求；

若决策目标的模拟结果同时满足河湖水体系统需求，则当前决策方案为满足河湖水体系统需求的全局最优决策方案，基于当前决策方案修正当前水体量质耦合模型参数并获得修正后的水体量质耦合模型，以修正后的水体量质耦合模型为当前水体量质耦合模型；

若决策目标的模拟结果不能同时满足河湖水体系统需求，则根据决策目标的反馈修正量调整决策变量并获取调整后的决策方案，以调整后的决策方案为当前决策方案，循环执行步骤5；所述的决策目标的反馈修正量为决策目标的模拟值与目标值之差；

若循环执行步骤5的次数达到规定次数且决策目标的模拟结果仍未同时满足河湖水体系统需求，执行步骤7；

所述的河湖水体系统需求指河湖水体系统的水量分配准则、水位控制准则和水质控制准则；

步骤7，放宽决策域的约束，重新执行步骤6。

2.如权利要求1所述的河湖水体量质耦合自优化模拟调控方法，其特征在于：

所述的水量分配准则为：待调控河湖区的水量控制在防破坏线与经济蓄水线之间；

所述的水位控制准则为：水位控制下限为待调控河湖区所在地的航运最低水位与生态最低水位中的较低值，水位控制上限为待调控河湖区所在地的防涝排渍标准；

所述的水质控制准则为：水体水质需满足待调控河湖区所在地的水质要求。

3.如权利要求1所述的河湖水体量质耦合自优化模拟调控方法，其特征在于：

所述的根据决策目标的反馈修正量调整决策变量并获取调整后的决策方案具体为：

根据决策目标反馈修正量的变化判断决策目标的变化趋势，并根据决策目标的变化趋势增大或减小决策变量，从而获得调整后的决策方案。