CN107330538B - 一种气候变化条件下水库适应性调度规则编制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气候变化条件下水库适应性调度规则的编制方法，本发明同时考虑历史多情景序列和未来多情景序列来提取水库适应性调度规则，并以多情景平均效益和多情景平均稳健性作为优化目标：将历史和未来资料划分为多个情景，同时应用于适应性调度规则的编制中，实现历史资料对适应性调度规则编制的参考性，使调度规则能够更好地适应充满不确定性的未来气候条件；在目标函数中加入稳健性评价指标，最大化实现兼顾水库历史、未来多情景的适应性调度规则在不同气候变化条件下的适用性，为水库管理者编制调度决策提供了思路。本发明可广泛应用于水库适应性调度规则编制中，为编制科学有效的应对气候变化的决策提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及水库调度技术领域，特别涉及一种气候变化条件下水库适应性调度规则编制的方法。
背景技术
气候变化会影响水文循环过程，改变水资源的时空分配和径流特性，对经济社会发展产生重要影响，并可能加剧洪涝、干旱灾害以及水资源供需矛盾。水库作为人类有效应对水资源分配的重要手段，具有防洪、发电、灌溉、供水、航运等功能与任务。水库调度是水库实现其兴利除害功能、达到水资源时空分布重新分配的主要方式。在气候变化条件下，原有的一致性条件不复存在，基于历史径流序列编制的调度规则在气候变化条件下难以满足水库兴利要求，故提出适应性调度规则，利于水库管理者应对气候变化。
现有的水库适应性调度规则，主要是将未来水文气象的情景预测资料(如：未来的气温、降水和径流)作为适应性调度规则编制的依据，主要步骤为：(1)在特定的气候排放情景(如：RCPs4.5、RCPs8.5)下，利用全球大气环流模型(GCMs)和降尺度技术预测研究流域未来的气温、降水变化；(2)利用水文模型，基于降水、蒸发和径流三者关系，预测未来径流序列；(3)建立水库调度优化模型，利用未来径流序列提取适应性调度规则；(4)将基于历史径流序列的调度规则和适应性调度规则在未来时期进行模拟，比较效益等目标，对二者进行衡量和评价。
因此，现行方法存在的问题为：(1)在编制适应性调度规则时，仅以全球大气环流模型(GCMs)与水文模型所预测的结果作为水库调度优化模型的输入，忽略了历史资料的作用；(2)未来水文气象模型的预测结果存在很大的不确定性；(3)现有调度规则缺乏对调度规则的稳健性评价。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种气候变化条件下水库适应性调度规则编制的方法，该方法同时考虑历史多情景序列和未来多情景序列来提取水库适应性调度规则，并以多情景平均效益和多情景平均稳健性作为优化目标。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种气候变化条件下水库适应性调度规则编制的方法，包括步骤为：
步骤1：将历史资料序列利用滑块自助法进行分段，产生历史多情景序列；
步骤2：利用GCMs、降尺度技术预测未来研究时间内的气温和降水，以此预测结果作为水文模型的输入来预测径流，各预测结果作为未来多情景序列；
步骤3：针对历史多情景和未来多情景，以多情景平均效益最大化、多情景平均稳健性最大化为优化目标，构建水库优化调度模型，设置合适的调度规则型式，利用模拟优化法对调度规则参数进行优化，得到兼顾水库历史、未来多情景的适应性调度规则；
步骤4：与常规调度、仅基于历史的调度规则、仅基于未来的调度规则相比较，检验兼顾历史、未来多情景的适应性调度规则的适用性。
作为优选，步骤3中所述的水库调度优化目标如下：
a)多情景平均效益最大：
历史情景平均效益：
未来情景平均效益：
式中：
和
分别表示历史和未来的多情景平均效益；
和
分别表示在历史和未来情景s中第t年第i时段的目标经济效益；S1和S2分别表示历史和未来的情景数量；T1和T2分别表示历史和未来各情景的年限长度；N1表示同一历史情景下每年的计算时段总数；N2表示同一未来情景下每年的计算时段总数；
b)多情景平均稳健性最大：
历史情景稳健性：
未来情景稳健性：
式中：RH和RF分别表示历史和未来的多情景平均稳健性；S1和S2分别表示历史和未来的情景数量；T1和T2分别表示历史和未来各情景的年限长度；N1表示同一历史情景下每年的计算时段总数；N2表示同一未来情景下每年的计算时段总数；
和
分别表示为描述历史和未来稳健性的一个二元性能函数，即
和
其中
和
分别表示在历史和未来情景s中第t年第i时段的目标经济效益，BT表示可接受的系统性能该系统性能，与情景有关，具体可描述为：常规调度产生的效益、发电水库的保证出力对应的发电量、灌溉水库的灌溉保证率对应的经济效益。
本发明的有益效果：
(1)将历史和未来资料分为多情景，同时应用于适应性调度规则的编制，实现历史资料对适应性调度规则编制的参考性，能够使水库调度规则更好地应对未来不确定的气候变化。
(2)在目标函数中加入稳健性评价指标，最大化实现兼顾历史、未来多情景的适应性调度规则在不同气候变化条件下的适用性，为水库管理者编制调度决策提供了思路。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的技术方案做进一步说明。
附图1为本发明的一种气候变化条件下水库适应性调度规则编制的方法的流程图，具体步骤为：
步骤1：将历史资料序列利用滑块自助法进行分段，产生历史多情景序列；
步骤2：利用GCMs、降尺度技术预测未来研究时间内的气温和降水，以此预测结果作为水文模型的输入来预测径流，各预测结果作为未来多情景序列；
步骤3：针对历史多情景和未来多情景，以多情景平均效益最大化、多情景平均稳健性最大化为优化目标，构建水库优化调度模型，设置合适的调度规则型式，利用模拟优化法对调度规则参数进行优化，得到兼顾历史、未来多情景的适应性调度规则。
(1)目标函数为：
a)多情景平均效益最大：
历史情景平均效益：
未来情景平均效益：
式中：
和
分别表示历史和未来的多情景平均效益；
和
分别表示在历史和未来情景s中第t年第i时段的目标经济效益；S1和S2分别表示历史和未来的情景数量；T1和T2分别表示历史和未来各情景的年限长度；N1表示同一历史情景下每年的计算时段总数；N2表示同一未来情景下每年的计算时段总数；
b)多情景平均稳健性最大：
历史情景稳健性：
未来情景稳健性：
式中：RH和RF分别表示历史和未来的多情景平均稳健性；S1和S2分别表示历史和未来的情景数量；T1和T2分别表示历史和未来各情景的年限长度；N1表示同一历史情景下每年的计算时段总数；N2表示同一未来情景下每年的计算时段总数；
和
分别表示为描述历史和未来稳健性的一个二元性能函数，即
和
其中
和
分别表示在历史和未来情景s中第t年第i时段的目标经济效益，BT表示可接受的系统性能该系统性能，与情景有关，具体可描述为：常规调度产生的效益、发电水库的保证出力对应的发电量、灌溉水库的灌溉保证率对应的经济效益。
(2)约束条件为：
a)水库水量平衡约束：
式中：Vi,t,s和Vi+1,t,s分别表示水库在s情景下第t年第i时段始末的库容；Ii,t,s和Qi,t,s分别表示水库在s情景下第t年第i时段的入流量和出流量；V1,t+1,s和VN+1,t,s分别表示水库在s情景下第t+1年第1时段初的库容和第t年第N时段末的库容。
b)水库库容约束：
VLi,t,s≤Vi,t,s≤VUi,t,s (6)
式中：Vi,t,s表示水库在s情景下第t年第i时段的初始库容；VLi,t,s表示水库在s情景下第t年第i时段的最小库容，一般为死库容；VUi,t,s表示水库在s情景下第t年第i时段的最大库容，在汛期为汛限水位对应库容，在非汛期为正常高水位对应库容。
c)水库出流量约束：
QLi,t,s≤Qi,t,s≤QUi,t,s (7)
式中：Qi,t,s表示水库在s情景下第t年第i时段的实际出流量；QLi,t,s和QUi,t,s分别表示水库在s情景下第t年第i时段的最小、最大出流量。
d)功能性约束：
针对不同功能的水库，该约束表达不同，以发电水库为例。
发电水库的出力约束：
PLi,t,s≤Pi,t,s≤PUi,t,s (8)
式中：Pi,t,s表示水库在s情景第t年第i时段的实际发电出力，PLi,t,s和PUi,t,s分别表示水库在s情景第t年第i时段最小、最大发电出力。
(3)调度函数型式
以线性调度函数为例，其表达型式为：
Qi,t,s＝ai(Ii,t,s+Vi,t,s)+bi (9)
式中：Ii,t,s、Vi,t,s和Qi,t,s分别表示水库在s情景下第t年第i时段的入流量、库容和出流量；ai和bi均为调度函数参数。
步骤4：与常规调度、仅基于历史的调度规则、仅基于未来的调度规则相比较，检验兼顾历史、未来多情景的适应性调度规则的适用性。
Claims (1)
1.一种气候变化条件下水库适应性调度规则编制的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将历史资料序列利用滑块自助法进行分段，产生历史多情景序列；
步骤2：利用GCMs、降尺度技术预测未来研究时间内的气温和降水，以此预测结果作为水文模型的输入来预测径流，各预测结果作为未来多情景序列；
步骤3：针对历史多情景和未来多情景，以多情景平均效益最大化、多情景平均稳健性最大化为优化目标，构建水库优化调度模型，设置合适的调度规则型式，利用模拟优化法对调度规则参数进行优化，得到兼顾历史、未来多情景的适应性调度规则；
步骤4：与常规调度、仅基于历史的调度规则、仅基于未来的调度规则相比较，检验兼顾历史、未来多情景的适应性调度规则的适用性；
所述步骤3中水库调度的优化目标如下：
a)多情景平均效益最大：
历史情景平均效益：
未来情景平均效益：
式中：
和
分别表示历史和未来的多情景平均效益；
和
分别表示在历史和未来情景s中第t年第i时段的目标经济效益；S1和S2分别表示历史和未来的情景数量；T1和T2分别表示历史和未来各情景的年限长度；N1表示同一历史情景下每年的计算时段总数；N2表示同一未来情景下每年的计算时段总数；
b)多情景平均稳健性最大：
历史情景稳健性：
未来情景稳健性：
式中：RH和RF分别表示历史和未来的多情景平均稳健性；S1和S2分别表示历史和未来的情景数量；T1和T2分别表示历史和未来各情景的年限长度；N1表示同一历史情景下每年的计算时段总数；N2表示同一未来情景下每年的计算时段总数；
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