CN104050515A - 一种基于年周期序贯决策的水资源配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于年周期序贯决策的水资源配置方法，其特征在于：以反映来水和需水的周期性和不确定性、来水与需水的相关性为依据，利用系统天然的和人工的供水调节能力，以年为优化配置周期，采用逐时段递推序贯决策的方法对水资源进行优化配置。本发明克服了确定型配置方法假设来水和需水信息完全已知、计算结果偏理想的不足，使计算结果更加贴近实际，配置的工程与非工程设施更加合理和安全；不存在各种以年为优化期的配置方法所具有的年与年之间割裂问题；不依赖于任何预报预测技术，也不需要复杂的周期分析、随机分析与模糊分析技术等，使用方便，具有广泛的普适性。

Description

一种基于年周期序贯决策的水资源配置方法

技术领域

本发明是一种基于年周期序贯决策的水资源配置方法，属于水资源配置技术领域。

背景技术

水资源配置是人类对水资源进行可持续开发利用的有效调控措施之一，能够促进水资源的合理利用，提高水资源利用效率，缓解流域或区域内的水供需矛盾，缓和生活、生产与生态用水之间的竞争态势，促进经济社会和生态环境之间协调发展。水资源配置模型作为水资源配置的重要研究手段和工具，其优劣将直接影响配置结果，进而影响决策者的实际决策。

按照来水情况是否已知，可将水资源配置方法分为确定型、随机型或模糊型等方法。由于实际水资源系统的复杂性，目前对来水和需水的不确定性描述尚没有成熟可用的方法。国内外实际应用的水资源配置模型多为确定型模型，即将来水和需水视作已知的、确定的；一些随机型、模糊型等方法虽然在一定程度上考虑了来水的不确定性，但由于设计的限制，或者忽略了某些重要约束，或者未能反映来水和需水的周期性规律影响，结果精度难以达到实际应用的要求。水资源配置面对的是将来的问题，来水和需水的不确定性是客观存在的，确定型方法的计算结果不可避免地与水库调度和供水决策的实际效果存在偏差，前者往往是偏理想的。本发明正是为解决这样的问题而研究得出的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于年周期序贯决策的水资源配置方法，以反映水资源系统的来水和需水的周期性和不确定性以及来水与需水的相关性为基础，利用系统天然的和人工的供水调节能力，提出了以年为优化配置周期(包括决策期和计划期)逐时段递推序贯决策的水资源配置方法。该方法可广泛应用于规划设计阶段的水资源优化配置、建设项目水资源论证和规划水资源论证等，也可应用于运行管理阶段的中长期水资源供求计划的制定等。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于年周期序贯决策的水资源配置方法，其特征在于：以反映来水和需水的周期性和不确定性、来水与需水的相关性为依据，利用系统天然的和人工的供水调节能力，以年为优化配置周期，采用逐时段递推序贯决策的方法对水资源进行优化配置。

作为一种技术改进，来水和需水的周期性和不确定性规律反映是：

天然来水过程受地球绕太阳公转运动的影响呈现季节性变化，来水量也会出现周期性变化，在各种周期现象中年周期最突出，对水资源配置也最重要，配置中的水供需平衡优化模拟必须包含整个年周期；配置的输入资料中每种水源输入两种过程，即多年逐时段系列过程和年内各时段多年平均过程。

作为一种技术改进，在水资源系统中同一单元在某一水平年的需水量及其过程是与来水量及其过程具有相关性的。

本发明还提供了基于年周期序贯决策的水资源配置方法的基本实施步骤，其特征在于：

步骤如下：

1)基础定义及资料输入：基础信息包括系统网络信息、水源信息、需水信息、工程及规划信息、以及运行调度规则；

2)方案初始化：包括蓄水工程条件初始化和规划年年条件初始化，前者有地表水水库蓄水量、河网蓄水量、地下水水库蓄水量的初始化，后者有规划年年份、决策期和地下水累计开采量的初始化；

3)更新优化期、决策期和计划期：决策期采用系列中对应时段的来水和需水信息，计划期采用时段多年平均来水和需水信息；

4)建立优化期的供需平衡优化模型，包括目标函数及约束方程；

5)供需平衡优化模拟，形成决策期结果并保存；

6)判断当前年份是否决策完毕：若否，则往后递推一个时段，返回步骤3)；若是，整理保存当年决策结果；

7)判断长系列年份是否决策完毕：若否，则进行系列中下一年的计算，返回步骤3)；若是，统计年系列决策结果；

8)综合分析评价配置结果：根据决策目标判据综合判断配置结果是否满意，若不满意，继续调整方案，返回步骤2)进行方案初始化；若满意，结束配置计算。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)克服了确定型配置方法假设来水和需水信息完全已知、计算结果偏理想的不足，使计算结果更加贴近实际，配置的工程与非工程设施更加合理和安全。

(2)以年为优化配置周期并逐时段递推，不存在各种以年为优化期的配置方法所具有的年与年之间割裂问题。

(3)不依赖于任何预报预测技术，也不需要复杂的周期分析、随机分析与模糊分析技术等，使用方便，具有广泛的普适性。

下面结合图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明一种实施例的年周期序贯决策水资源配置方法的原理示意图；

图2为本发明一种实施例的年周期序贯决策水资源配置方法流程；

图3为本发明一种实施例的研究区水资源系统网路图。

具体实施方式

实施例：

一种基于年周期序贯决策的水资源配置方法，包括：

(1)来水和需水的周期性与不确定性的反映

天然来水过程受地球绕太阳公转运动的影响呈现季节性变化，受太阳活动强弱变化等影响，来水量也会出现一定的周期性变化，在各种周期现象中年周期最突出，对水资源配置也最重要。此外来水量还存在不确定性，目前的技术条件还不能对未来的来水进行准确的中长期预报。需水过程受不同因素的影响具有周期性规律，且基本周期为一年，同时具有周期性与不确定性，尤其是农业需水和生态环境需水由于受天然来水的不确定性影响，农业灌溉需水量的不确定性最为突出。天然来水过程中可能包含年和多年的周期，从实际重要性和可操作性角度出发，本发明主要考虑来水和需水的年周期规律。在供需平衡模拟中不做来水和需水已知的假设，以反映它们的不确定性。

(2)来水和需水的相关性反映

在水资源系统中同一单元在某一水平年的需水量及其过程是与来水量及其过程具有相关性的。各行业的年需水量及其过程，采用相应的行业需水量计算方法，按照不同来水情况分别计算。在水资源配置中，各时段采用的需水量是与该时段的来水量相匹配的。

(3)周期序贯决策法

周期序贯决策法是一种用于随机性或不确定性动态系统的决策方法。本发明以年为优化期，共YTN个时段，除第一个时段称为当前时段外，其余时段称为未来时段，当前时段和未来时段分别构成决策期和计划期。可以月或旬为时段。例如1980～2005系列年，共26年(YN＝26)。如果以月为时段，则YTN＝12，系列总时段数STN＝312。t时段对应的优化期为t～t+YTN-1，t为决策期，t+1～t+YTN-1为计划期。如图1所示。

在使用周期序贯决策法时，认为当前时段t的来水和需水信息可以被准确的预报，并以此为前提进行配置决策；未来时段的来水和需水则受目前技术条件的限制无法被准确预报，不能直接进行配置决策，而是根据来水和需水的周期规律对未来采用具有最大可能性的趋势信息，在此基础上制定长期配置计划。面对t时段配置决策时，对定义在优化期t～t+YTN-1的问题进行求解，得出当前时段t的最优决策和计划期(t+1～t+YTN-1)的最优计划。最优决策和最优计划是相互影响的。时段t决策后，该时段严格按照决策进行调度，继而进入时段t+1，即t+1成为当前时段，优化期向后递推一个时段。对新的周期进行优化，对t+1时段进行决策，对上次得出的计划进行修正。直至最终完成整个系列的决策过程。

(4)基于年周期序贯决策的水资源配置方法的基本实施步骤：

1)基础定义及资料输入：基础信息包括系统网络信息、水源信息、需水信息、工程及规划信息、以及运行调度规则等。

2)方案初始化：包括蓄水工程条件初始化和规划年年条件初始化，前者有地表水水库蓄水量、河网蓄水量、地下水水库蓄水量等信息的初始化，后者有规划年年份、决策期和地下水累计开采量的初始化。

3)更新优化期、决策期和计划期：决策期采用系列中对应时段的来水和需水信息，计划期采用时段的多年平均来水和需水信息。

4)建立优化期的供需平衡优化模型，包括目标函数及约束方程等。

5)供需平衡优化模拟，形成决策期结果并保存。

6)判断当前年份是否决策完毕：若否，则往后递推一个时段，返回步骤3)；若是，整理保存当年决策结果。

7)判断长系列年份是否决策完毕：若否，则进行系列中下一年的计算，返回步骤3)；若是，统计年系列决策结果。

8)综合分析评价配置结果：若不满意，继续调整方案，返回步骤2)进行方案初始化；若满意，结束配置计算。

(5)海河流域示例

如图1、图2、图3所示，以海河流域为例，对本发明做进一步说明。

1)海河流域概况

海河流域位于东经111°59′～119°36′，北纬35°02′～42°42′之间，东临渤海，西倚太行，南界黄河，北接蒙古高原，流域面积31.82万km²。总地势西、北高，东、南低，西部为山西高原和太行山区，北部为蒙古高原和燕山山区，东部和东南部为广阔平原。海河流域包括海河、滦河和徒骇马颊河3大水系、7大河系、10条骨干河流。其中，海河水系是主要水系，由北部的蓟运河、潮白河、北运河、永定河和南部的大清河、子牙河、漳卫河组成；滦河水系包括滦河及冀东沿海诸河；徒骇马颊河水系位于流域最南部，为单独入海的平原河道。海河流域属于温带东亚季风气候区，多年平均降水量535mm(1956～2000系列年)，其中山丘区523mm，平原区552mm。受气候和地形的影响，降水量存在明显的地带性差异，年内分配不均，年际变化大。

海河流域包括北京、天津两市全部，河北省绝大部分，山西省东部，河南省、山东省北部，内蒙古自治区和辽宁省一小部分在内的8省(市、自治区)，是我国政治、经济和文化的中心区域，同时还是我国重要的工业和高新技术产业基地。随着环渤海经济带的构建和未来商品粮基地的发展，海河流域的人类活动强度必将进一步增强。同时海河流域作为我国十大流域中水资源最为短缺的地区，其水资源情势必将更加严峻，主要体现在：①水资源短缺，供需矛盾突出；②水资源开发程度高；③地下水严重超采，引发生态地质灾害；④水污染严重，水环境恶化；⑤河道断流，入海水量锐减，水生态退化。

2)选择研究区

综合考虑河流水系、水利工程、水源结构等因素，选取由滦河、北三河、永定河和大清河河系构成研究区。包括9个水资源三级区；地跨北京、天津、河北、山西、内蒙古和辽宁6个省、直辖市、自治区，涉及15个地市和2个盟。按照《海河流域水资源综合规划技术细则》要求，计算单元以水资源三级区套地市进行划分，其中由于辽宁省在海河流域面积太小，故将辽宁省的朝阳市和葫芦岛市合并为一个单元，简称朝葫。共39个单元，详见附表1。

3)水资源系统网络图

研究区内主要水利工程包括：大型水库包括潘家口、大黑汀、官厅、密云、于桥、王快、西大洋、安各庄等23座，此外白洋淀也作为大型水库处理；引水工程1个，为引滦工程(包括引滦济津和引滦入唐两部分)，通过潘家口和大黑汀等水库的联合调度，向天津、唐山和滦下平原灌区供水；跨流域调水工程有3个，分别为南水北调中线和东线调水工程，以及万家寨引黄工程。通过调查弄清楚了各水源工程的供水方向及各单元的排水方向。在此基础上绘制了研究区的水资源系统网络图，见附图3。

4)规划水平年和来水系列及计算时段

采用2010年为现状年，2030年为规划水平年。根据2010年供用水信息、主要断面下泄水量及入海水量等信息进行模型参数率定。

来水系列采用1980～2005年水资源系列。1980～2005年研究区多年平均水资源总量为170.58亿m³，其中地表水资源量为99.48亿m³，地下水资源量为111.48亿m³，重复量为40.36亿m³。浅层地下水可开采量为93.53亿m³。

本应用案例以月为计算时段，YTN＝12。1980～2005年系列共312个时段，即STN＝312。不仅分析整理了各种水资源多年逐时段系列，还计算了其年内各时段多年平均过程。

5)外调水供水方案

南水北调中线工程多年平均可供研究区水量为42.07亿m³；南水北调东线工程可供水量采用第三期工程调水方案，多年平均可供研究区水量为14.00亿m³；万家寨引黄工程，多年平均可供区水量为5.39亿m³。研究区将外调水作为稳定水源，进行均化处理，且仅能供给城镇生活和工业两个行业。根据受水行业需水量调整后，研究区内南水北调中线供水量为33.20亿m³，南水北调东线供水量为11.79亿m³，万家寨引黄工程供水量为3.06亿m³，研究区外调水总供水量为48.05亿m³。

6)需水方案与需水量过程

研究区规划水平年经济社会需水方案采用《海河流域水资源综合规划》中2030年推荐方案，多年平均总需水量为246.64亿m³，其中城镇生活28.82亿m³，农村生活6.24亿m³，工业63.25亿m³，农业131.50亿m³，城镇生态16.83亿m³。河道内生态环境需水方案采用由海河流域水利委员会及中国水利水电科学研究院负责的“十五”国家科技攻关计划重大项目《海河流域生态用水及控制性指标研究》中的河道内最小生态需水数据。滦河水系选取的控制站点有潘家口、桃林口、滦县；海河北系选取的控制站点有响水堡、石匣里、官厅、通县、苏庄、于桥水库；海河南系选取的控制站点为东淀。白洋淀按照水库方式处理，其死水位取停供水位，对应的蓄水量为1.54亿m³。

根据上述需水方案，考虑各用水行业的年内用水过程系数以及来水多少对需水量的影响，分析计算出了每年逐时段需水过程以及年内各时段多年平均需水过程。

7)参数率定

根据研究区现状年水资源及其开发利用现状调查评价等成果，分析水资源供、用、耗、排关系，确定社会经济和生态环境的耗水水平，并在该耗水水平下进行现状年的水资源供需平衡分析，综合率定模型各类参数。

8)模型计算与结果分析

根据本发明的方法建立了基于年周期序贯决策水资源配置模型，应用该模型对研究区2030水平年进行了水资源配置分析，某配置方案的汇总结果见附表2(只列出了来水频率90％和多年平均情况下的三级区统计结果，其余频率及计算单元的结果，因篇幅关系省略)。

研究区到2030年，多年平均河道外总需水量246.64亿m³，总供水量224.64亿m³，总缺水22.00亿m³；其中城镇生活、农村生活和工业基本不缺水，农业缺水率为15.63％，城镇生态缺水率为7.58％；90％保证率时，研究区河道外总需水量为280.48亿m³，总供水量233.97亿m³，总缺水46.51亿m³；其中城镇生活、农村生活和工业都存在一定的缺水但缺水率很低，农业缺水率为26.82％，城镇生态缺水率为10.66％。从缺水地区分布看，除一些地处山区，受水资源条件限制出现缺水外，一些南水北调受水区同样存在缺水，主要是由于南水北调工程仅向城镇生活和工业供水的限制(将来需要实际的经济机制和运行调度理制度改进)。

本发明之方法已实际应用于海河流域。该方法可广泛应用于规划设计阶段的水资源优化配置、建设项目水资源论证和规划水资源论证等，也可应用于运行管理阶段的中长期水资源供求计划的制定等。

(6)主要优点

本发明具有以下优点：1)克服了确定型配置方法假设来水和需水信息完全已知、计算结果偏理想的不足，使计算结果更加贴近实际，配置的工程与非工程设施更加合理和安全；2)以年为优化配置周期并逐时段递推，不存在各种以年为优化期的配置方法所具有的年与年之间割裂问题；3)不依赖于任何预报预测技术，也不需要复杂的周期分析、随机分析与模糊分析技术等，使用方便，具有广泛的普适性。

本发明不局限于上述的优选实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或者相近似的技术方案，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于年周期序贯决策的水资源配置方法，其特征在于：

以反映来水和需水的周期性和不确定性、来水与需水的相关性为依据，利用系统天然的和人工的供水调节能力，以年为优化配置周期，采用逐时段递推序贯决策的方法对水资源进行优化配置。

2.根据权利要求1所述的基于年周期序贯决策的水资源配置方法，其特征在于：来水和需水的周期性和不确定性规律反映的是：

天然来水过程受地球绕太阳公转运动的影响呈现季节性变化，来水量也会出现周期性变化，在各种周期现象中年周期最突出，对水资源配置也最重要，配置中的水供需平衡优化模拟必须包含整个年周期；配置的输入资料中每种水源输入两种过程，即多年逐时段系列过程和年内各时段多年平均过程。

3.根据权利要求1所述的基于年周期序贯决策的水资源配置方法，其特征在于：

来水与需水的相关性：

在水资源系统中同一单元在某一水平年的需水量及其过程是与来水量及其过程具有相关性的。

4.根据权利要求1所述的基于年周期序贯决策的水资源配置方法的基本实施步骤：其特征在于：

1)基础定义及资料输入：基础信息包括系统网络信息、水源信息、需水信息、工程及规划信息、以及运行调度规则；

2)方案初始化：包括蓄水工程条件初始化和规划年年条件初始化，前者有地表水水库蓄水量、河网蓄水量、地下水水库蓄水量的初始化，后者有规划年年份、决策期和地下水累计开采量的初始化；

3)更新优化期、决策期和计划期：决策期采用系列中对应时段的来水和需水信息，计划期采用时段多年平均来水和需水信息；

4)建立优化期的供需平衡优化模型，包括目标函数及约束方程；

5)供需平衡优化模拟，形成决策期结果并保存；

6)判断当前年份是否决策完毕：若否，则往后递推一个时段，返回步骤3)；若是，整理保存当年决策结果；

7)判断长系列年份是否决策完毕：若否，则进行系列中下一年的计算，返回步骤3)；若是，统计年系列决策结果；

8)综合分析评价配置结果：根据决策目标判据综合判断配置结果是否满意，若不满意，继续调整方案，返回步骤2)进行方案初始化；若满意，结束配置计算。