CN107563568A - 一种流域运行水位水质效益评估方法及系统 - Google Patents
一种流域运行水位水质效益评估方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种流域运行水位水质效益评估方法及系统。该系统包括流域信息一张图展示模块、水质效益评估计算模块、流域水资源优化调度方案编制平台模块、调度模拟仿真评价模块、调度经验迭代自更新模块，采用机器计算与人工经验互相补充的方式，实现水质效益评估计算。本发明能够定量评估不同时期流域水体运行水位下水资源调度对流域水质响应。
Description
技术领域
本发明涉及一种流域运行水位水质效益评估方法及系统。
背景技术
在流域水环境保护领域，水位是湖泊贮水量变化的度量，其变动的高低、范围、频率、发生的时间、持续的时长和规律性等对于流域及其主要湖体水质变化有重要影响，需根据变动的特征实施适应性的调控策略。根据流域水环境治理目标要求，需要以流域水质提升为基本目标，建立水位运行与水质的响应关系，定量评估不同时期流域运行水位下水资源调度对洱海水质响应。目前流域运行水位水质效益评估以及水资源优化调度基本上是靠人工经验判断。
目前流域运行水位水质效益评估以及水资源优化调度，主要的缺点有：(1)湖体的水位控制运行基本上是依靠人工经验判断，完全依赖人的经验，主观性较大，无法定量判断；(2)受人的精力及能力限制，无法高效快速生成调度方案，工作效率低；(3)对生成的调度方案无法客观、科学地评估好坏；(4)无法把不同人的经验，不同时期的经验进行综合应用，无法进行经验知识迭代更新和应用，无法进一步提升调度水平。
本发明旨在以一种模型计算和人工经验迭代的方式，建立一套流域运行水位水质效益评估系统，定量评估不同时期湖体运行水位下水资源调度对流域水质响应，从而实现不同时期水资源优化调度，确保维持湖体最佳运行水位，保证综合效益最大化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种流域运行水位水质效益评估方法及系统，本发明能够定量评估不同时期流域水体运行水位下水资源调度对流域水质响应。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种流域运行水位水质效益评估方法，包括如下步骤，
S1、建立流域信息一张图展示模块，为流域水资源调度及水质管理提供信息辅助支撑；
S2、建立水质效益评估计算模块，该水质效益评估计算模块包括水位运行与水质响应关系曲线、水位调控基本情景、流域三维水动力-水质模型、流域水资源优化调度4个子模块；
S3、构建流域水资源优化调度方案编制平台模块，获取步骤S1建立的流域信息一张图展示模块的数据信息，并基于步骤S2建立的水质效益评估计算模块对该数据信息进行分析计算，生成流域水资源优化调度方案；
S4、构建调度模拟仿真评价模块，对于步骤S3生成的流域水资源优化调度方案，利用步骤S2建立的水质效益评估计算模块进行反向计算，生成流域水资源优化调度方案的评价报告；同时，调度模拟仿真评价模块能够展现水质效益评估计算模块的反向计算结果；
S5、构建调度经验迭代自更新模块，基于专家经验对生成的流域水资源优化调度方案进行评价分析，并反馈信息至水质效益评估计算模块、调度模拟仿真评价模块，以实现水质效益评估计算模块、调度模拟仿真评价模块的更新完善。
在本发明一实施例中，所述步骤S1中建立的流域信息一张图展示模块能够展示流域各类信息，包括实时监测信息、流域基础信息、业务管理信息；其中，实时监测信息包括水质监测信息、气象监测信息、水文监测信息；流域基础信息包括流域水系图、流域基础属性资料；业务管理信息包括流域历史调度信息、专家经验信息、综合业务办理信息。
在本发明一实施例中，所述步骤S2的具体实现过程如下，
(1)建立水位运行与水质响应关系曲线子模块：
按照湖体的枯水期和丰水期对历史基础数据进行划分，分别将枯水期和丰水期的湖体特征数据与对应年份的湖体水质监测数据进行一一对应，生成给定数据组，并制作关系散点图；采用最小二乘法对给定数据组进行多项式曲线拟合，最后给出拟合的多项式系数，并生成拟合关系曲线；
(2)建立水位调控基本情景子模块：
湖体水位调控基本情景包括全年最低运行水位、全年最高运行水位、当前运行水位、枯水期最高水位、丰水期最低水位；依托水位调控基本情景子模块，能够分析不同情景下的水质、水龄变化规律；
(3)建立流域三维水动力-水质模型子模块：
流域三维水动力-水质模型是采用污染源分析模型、水动力学模型与水质模型集成模拟的方式，模拟计算流域区域水动力、浮游生物动态变化、磷循环、氮循环和溶解氧平衡，同时能够对污染物在水环境中的行为进行模拟和预测；
(4)建立流域水资源优化调度子模块：
构建不确定性模拟-优化方法，基于建立好的水位运行与水质的响应关系曲线以及不同水位调控基本情景下的水质、水龄变化规律，以流域三维水动力-水质模型为核心，实现流域水资源优化调度；其中，不确定性模拟-优化方法具体构建方式为：
利用非线性区间分析方法求出每个目标函数和约束函数在湖体枯水期和丰水期的上下界，采用区间序关系来处理不确定性目标函数，利用目标函数中点值来计算多目标优化问题的非劣解，同时，通过区间可能度来处理约束函数，将非线性区间多目标优化问题转化为确定性多目标优化问题，利用微型多目标遗传算法对转换后的确定性多目标优化问题进行求解；
不确定性模拟-优化方法的基本公式如下：
s.t.gj(x)≤(＝,≥)0；j＝1,2,···,m
xL≤x≤xR,x＝[x1,x1,···,xn]T
式中f(x)和g(x)分别为目标函数和约束函数，x为n维设计向量，xR、xL分别为设计向量的上下限；参数I、m、n分别表示优化问题中的目标函数、约束函数、涉及变量的个数。
本发明还提供了一种流域运行水位水质效益评估系统，包括，
流域信息一张图展示模块，为流域水资源调度及水质管理提供信息辅助支撑；
水质效益评估计算模块，该水质效益评估计算模块包括水位运行与水质响应关系曲线、水位调控基本情景、流域三维水动力-水质模型、流域水资源优化调度4个子模块；
流域水资源优化调度方案编制平台模块，获取所述流域信息一张图展示模块的数据信息，并基于所述水质效益评估计算模块对该数据信息进行分析计算，生成流域水资源优化调度方案；
调度模拟仿真评价模块，对于所述流域水资源优化调度方案编制平台模块生成的流域水资源优化调度方案，利用所述水质效益评估计算模块进行反向计算，生成流域水资源优化调度方案的评价报告；同时，调度模拟仿真评价模块能够展现水质效益评估计算模块的反向计算结果；
调度经验迭代自更新模块，基于专家经验对生成的流域水资源优化调度方案进行评价分析，并反馈信息至水质效益评估计算模块、调度模拟仿真评价模块，以实现水质效益评估计算模块、调度模拟仿真评价模块的更新完善。
在本发明一实施例中，所述流域信息一张图展示模块能够展示流域各类信息，包括实时监测信息、流域基础信息、业务管理信息；其中，实时监测信息包括水质监测信息、气象监测信息、水文监测信息；流域基础信息包括流域水系图、流域基础属性资料；业务管理信息包括流域历史调度信息、专家经验信息、综合业务办理信息。
在本发明一实施例中，所述水质效益评估计算模块具体实现功能如下：
(1)建立水位运行与水质响应关系曲线子模块：
按照湖体的枯水期和丰水期对历史基础数据进行划分，分别将枯水期和丰水期的湖体特征数据与对应年份的湖体水质监测数据进行一一对应，生成给定数据组，并制作关系散点图；采用最小二乘法对给定数据组进行多项式曲线拟合，最后给出拟合的多项式系数，并生成拟合关系曲线；
(2)建立水位调控基本情景子模块：
湖体水位调控基本情景包括全年最低运行水位、全年最高运行水位、当前运行水位、枯水期最高水位、丰水期最低水位；依托水位调控基本情景子模块，能够分析不同情景下的水质、水龄变化规律；
(3)建立流域三维水动力-水质模型子模块：
流域三维水动力-水质模型是采用污染源分析模型、水动力学模型与水质模型集成模拟的方式，模拟计算流域区域水动力、浮游生物动态变化、磷循环、氮循环和溶解氧平衡，同时能够对污染物在水环境中的行为进行模拟和预测；
(4)建立流域水资源优化调度子模块：
构建不确定性模拟-优化方法，基于建立好的水位运行与水质的响应关系曲线以及不同水位调控基本情景下的水质、水龄变化规律，以流域三维水动力-水质模型为核心，实现流域水资源优化调度；其中，不确定性模拟-优化方法具体构建方式为：
利用非线性区间分析方法求出每个目标函数和约束函数在湖体枯水期和丰水期的上下界，采用区间序关系来处理不确定性目标函数，利用目标函数中点值来计算多目标优化问题的非劣解，同时，通过区间可能度来处理约束函数，将非线性区间多目标优化问题转化为确定性多目标优化问题，利用微型多目标遗传算法对转换后的确定性多目标优化问题进行求解；
不确定性模拟-优化方法的基本公式如下：
s.t.gj(x)≤(＝,≥)0；j＝1,2,···,m
xL≤x≤xR,x＝[x1,x1,···,xn]T
式中f(x)和g(x)分别为目标函数和约束函数，x为n维设计向量，xR、xL分别为设计向量的上下限；参数I、m、n分别表示优化问题中的目标函数、约束函数、涉及变量的个数。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)相比传统经验模式，本发明采用机器计算和人工经验互相补充方式，实现水质效益评估计算，定量评估不同时期湖体运行水位下水资源调度对湖体水质响应，准确性更高；
(2)相比传统模式，本发明能够更高效、便捷地为用户提供调度方案，且实现调度方案可视化；
(3)相比传统模式，本发明有更综合更可靠的评价方式，能够对评价结果进行直观呈现，帮助用户决策分析；
(4)相比传统模式，本发明将不同人的经验，不同时期的经验进行综合应用，能够更有效地进行经验总结和调度水平提升。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明流域运行水位水质效益评估系统模块组成。
图3为本发明流域信息一张图展示模块。
图4为本发明水质效益评估计算模块。
图5为本发明水位运行与水质响应关系建立流程步骤。
图6为本发明枯水期(丰水期)水位运行与水质的响应关系。
图7为本发明流域三维水动力-水质模型基本架构图。
图8为本发明流域水资源优化调度过程关系图。
图9为本发明方案编制平台模块与其他模块以及用户间的关系图。
图10为本发明流域水资源调度方案案例图。
图11为本发明调度结果模拟仿真过程图。
图12为本发明调度经验迭代自更新模块与其他模块关系图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明的一种流域运行水位水质效益评估方法，包括如下步骤，
S1、建立流域信息一张图展示模块，为流域水资源调度及水质管理提供信息辅助支撑；
S2、建立水质效益评估计算模块，该水质效益评估计算模块包括水位运行与水质响应关系曲线、水位调控基本情景、流域三维水动力-水质模型、流域水资源优化调度4个子模块；
S3、构建流域水资源优化调度方案编制平台模块，获取步骤S1建立的流域信息一张图展示模块的数据信息，并基于步骤S2建立的水质效益评估计算模块对该数据信息进行分析计算，生成流域水资源优化调度方案；
S4、构建调度模拟仿真评价模块，对于步骤S3生成的流域水资源优化调度方案，利用步骤S2建立的水质效益评估计算模块进行反向计算，生成流域水资源优化调度方案的评价报告；同时，调度模拟仿真评价模块能够展现水质效益评估计算模块的反向计算结果；
S5、构建调度经验迭代自更新模块，基于专家经验对生成的流域水资源优化调度方案进行评价分析，并反馈信息至水质效益评估计算模块、调度模拟仿真评价模块，以实现水质效益评估计算模块、调度模拟仿真评价模块的更新完善。
在本实施例中，所述步骤S1中建立的流域信息一张图展示模块能够展示流域各类信息，包括实时监测信息、流域基础信息、业务管理信息；其中，实时监测信息包括水质监测信息、气象监测信息、水文监测信息；流域基础信息包括流域水系图、流域基础属性资料；业务管理信息包括流域历史调度信息、专家经验信息、综合业务办理信息。
在本实施例中，所述步骤S2的具体实现过程如下，
(1)建立水位运行与水质响应关系曲线子模块：
按照湖体的枯水期和丰水期对历史基础数据进行划分，分别将枯水期和丰水期的湖体特征数据与对应年份的湖体水质监测数据进行一一对应，生成给定数据组，并制作关系散点图；采用最小二乘法对给定数据组进行多项式曲线拟合，最后给出拟合的多项式系数，并生成拟合关系曲线；
(2)建立水位调控基本情景子模块：
湖体水位调控基本情景包括全年最低运行水位、全年最高运行水位、当前运行水位、枯水期最高水位、丰水期最低水位；依托水位调控基本情景子模块，能够分析不同情景下的水质、水龄变化规律；
(3)建立流域三维水动力-水质模型子模块：
流域三维水动力-水质模型是采用污染源分析模型、水动力学模型与水质模型集成模拟的方式，模拟计算流域区域水动力、浮游生物动态变化、磷循环、氮循环和溶解氧平衡，同时能够对污染物在水环境中的行为进行模拟和预测；
(4)建立流域水资源优化调度子模块：
构建不确定性模拟-优化方法，基于建立好的水位运行与水质的响应关系曲线以及不同水位调控基本情景下的水质、水龄变化规律，以流域三维水动力-水质模型为核心，实现流域水资源优化调度；其中，不确定性模拟-优化方法具体构建方式为：
利用非线性区间分析方法求出每个目标函数和约束函数在湖体枯水期和丰水期的上下界，采用区间序关系来处理不确定性目标函数，利用目标函数中点值来计算多目标优化问题的非劣解，同时，通过区间可能度来处理约束函数，将非线性区间多目标优化问题转化为确定性多目标优化问题，利用微型多目标遗传算法对转换后的确定性多目标优化问题进行求解；
不确定性模拟-优化方法的基本公式如下：
s.t.gj(x)≤(＝,≥)0；j＝1,2,···,m
xL≤x≤xR,x＝[x1,x1,···,xn]T
式中f(x)和g(x)分别为目标函数和约束函数，x为n维设计向量，xR、xL分别为设计向量的上下限；参数I、m、n分别表示优化问题中的目标函数、约束函数、涉及变量的个数。
本发明还提供了一种流域运行水位水质效益评估系统，包括，
流域信息一张图展示模块，为流域水资源调度及水质管理提供信息辅助支撑；
水质效益评估计算模块，该水质效益评估计算模块包括水位运行与水质响应关系曲线、水位调控基本情景、流域三维水动力-水质模型、流域水资源优化调度4个子模块；
流域水资源优化调度方案编制平台模块，获取所述流域信息一张图展示模块的数据信息，并基于所述水质效益评估计算模块对该数据信息进行分析计算，生成流域水资源优化调度方案；
调度模拟仿真评价模块，对于所述流域水资源优化调度方案编制平台模块生成的流域水资源优化调度方案，利用所述水质效益评估计算模块进行反向计算，生成流域水资源优化调度方案的评价报告；同时，调度模拟仿真评价模块能够展现水质效益评估计算模块的反向计算结果；
调度经验迭代自更新模块，基于专家经验对生成的流域水资源优化调度方案进行评价分析，并反馈信息至水质效益评估计算模块、调度模拟仿真评价模块，以实现水质效益评估计算模块、调度模拟仿真评价模块的更新完善。
在本实施例中，所述流域信息一张图展示模块能够展示流域各类信息，包括实时监测信息、流域基础信息、业务管理信息；其中，实时监测信息包括水质监测信息、气象监测信息、水文监测信息；流域基础信息包括流域水系图、流域基础属性资料；业务管理信息包括流域历史调度信息、专家经验信息、综合业务办理信息。
在本实施例中，所述水质效益评估计算模块具体实现功能如下：
(1)建立水位运行与水质响应关系曲线子模块：
按照湖体的枯水期和丰水期对历史基础数据进行划分，分别将枯水期和丰水期的湖体特征数据与对应年份的湖体水质监测数据进行一一对应，生成给定数据组，并制作关系散点图；采用最小二乘法对给定数据组进行多项式曲线拟合，最后给出拟合的多项式系数，并生成拟合关系曲线；
(2)建立水位调控基本情景子模块：
湖体水位调控基本情景包括全年最低运行水位、全年最高运行水位、当前运行水位、枯水期最高水位、丰水期最低水位；依托水位调控基本情景子模块，能够分析不同情景下的水质、水龄变化规律；
(3)建立流域三维水动力-水质模型子模块：
流域三维水动力-水质模型是采用污染源分析模型、水动力学模型与水质模型集成模拟的方式，模拟计算流域区域水动力、浮游生物动态变化、磷循环、氮循环和溶解氧平衡，同时能够对污染物在水环境中的行为进行模拟和预测；
(4)建立流域水资源优化调度子模块：
构建不确定性模拟-优化方法，基于建立好的水位运行与水质的响应关系曲线以及不同水位调控基本情景下的水质、水龄变化规律，以流域三维水动力-水质模型为核心，实现流域水资源优化调度；其中，不确定性模拟-优化方法具体构建方式为：
利用非线性区间分析方法求出每个目标函数和约束函数在湖体枯水期和丰水期的上下界，采用区间序关系来处理不确定性目标函数，利用目标函数中点值来计算多目标优化问题的非劣解，同时，通过区间可能度来处理约束函数，将非线性区间多目标优化问题转化为确定性多目标优化问题，利用微型多目标遗传算法对转换后的确定性多目标优化问题进行求解；
不确定性模拟-优化方法的基本公式如下：
s.t.gj(x)≤(＝,≥)0；j＝1,2,···,m
xL≤x≤xR,x＝[x1,x1,···,xn]T
式中f(x)和g(x)分别为目标函数和约束函数，x为n维设计向量，xR、xL分别为设计向量的上下限；参数I、m、n分别表示优化问题中的目标函数、约束函数、涉及变量的个数。
以下为本发明的具体实现过程。
本发明旨在以一种模型计算和人工经验迭代的方式，建立一套如图2所示的流域运行水位水质效益评估系统，定量评估不同时期流域水体运行水位下水资源调度对流域水质响应；其中流域运行水位水质效益评估系统主要组成模块包括：流域信息一张图展示模块、水质效益评估计算模块、方案编制平台模块、生成模拟仿真评价模块、调度经验迭代自更新模块，基于该系统，如图1所示，本发明的流域运行水位水质效益评估方法具体实现包含步骤：
步骤S1，信息辅助支撑：基于信息一张图展示流域各类信息，包括实时监测信息、流域基础信息、业务管理信息。实时监测信息包括水质监测信息、气象监测信息、水文监测信息等；流域基础信息包括流域水系图、流域基础属性资料等；业务管理信息包括流域历史调度信息、专家经验信息、综合业务办理信息等。为流域水资源优化调度分析提供信息辅助支撑，为决策者制定切实可行的水量调度方案提供全面的信息支持。
步骤S2，水质效益评估模型开发：以流域水质为基本目标，建立水位运行与水质的响应关系，定量评估不同时期湖体运行水位下水资源调度对湖体水质响应。以水位调控的基本情景设计为依托，分析不同情景下的水质、水龄等变化规律。依据建立的流域三维水动力-水质模型，开发不确定性模拟-优化方法，实现不同时期流域水资源优化调度，确保维持湖体最佳运行水位，保证综合效益最大化。
步骤S3，调度方案编制：调度方案编制构建流域水资源优化调度方案的实用易用编制平台，通过该模块，用户可快速获得具体、可视化、可执行的调度方案，为调度研究工作及高效调度提供便利。
步骤S4，调度模拟仿真：基于模拟仿真模型对方案进行调度模拟仿真，并实现对调度方案过程及最终结果进行直观展现，方便用户直观了解调度成效，为配置的调度方案进行合理评价提供一个可视化环境，为调度分析提供参考依据。
步骤S5，调度专家经验加入：将前人所做工作以及专家经验智能地编入到系统中，形成独立的模块，基于专家经验对生成的方案进行评价分析，实现模型计算与人工经验的互补应用，同时专家经验可促进模型的升级改进，提高模型计算精准度。专家经验可随着调度经验的不断累积，逐步迭代完善。
对以上技术方案做进一步描述：
在步骤S1中：
建立流域信息一张图展示模块，为流域水资源调度及水质管理提供信息辅助支撑，流域信息一张图展示模块基本结构如图3所示。
在步骤S2中：
建立水质效益评估计算模块，水质效益评估计算模块包括水位运行与水质响应关系曲线、水位调控基本情景、流域三维水动力-水质模型、流域水资源优化调度4个重要子模块，如图4所示。其中水位运行与水质响应关系曲线、水位调控基本情景是基础模块，流域三维水动力-水质模型是核心计算模块，流域水资源优化调度是目标应用模块。
1、水位运行与水质响应关系曲线：
如图5所示，建立水位运行与水质的响应关系，定量评估不同时期湖体运行水位下水资源调度对湖体水质响应。基于历史湖体基础数据资料，建立水位运行与水质关系式，需要收集整理的历史基础数据资料包括：(1)湖容、平均运行水位、最低的运行水位、蓄满率等主要湖体特征数据；(2)对应年份的湖体水质监测数据。为保证数据的可靠性，需要至少5年以上的历史基础数据资料。在历史资料完备情况下，对历史基础资料做分析处理，首先按照湖体的不同时期对历史基础数据进行划分(湖体的不同时期可分为枯水期和丰水期两个阶段)，分别将枯水期和丰水期的湖体特征数据与对应年份的湖体水质监测数据进行一一对应，生成给定数据组，并制作关系散点图。采用最小二乘法对给定数据组进行多项式曲线拟合，最后给出拟合的多项式系数，并生成拟合关系曲线，如图6所示。
曲线拟合过程说明：给定数据点pi(xi,yi)，其中i＝1,2,…,m。求近似曲线y＝φ(x)。并且使得近似曲线与y＝f(x)的偏差最小。近似曲线在点pi处的偏差δi＝φ(xi)-yi，i＝1,2,...,m。按偏差平方和最小的原则选取拟合曲线，偏差平方和最小计算公式如下：
2、水位调控基本情景：
湖体水位调控基本情景包括全年最低运行水位、全年最高运行水位、当前运行水位、枯水期最高水位、丰水期最低水位等。依托水位调控基本情景，分析不同情景下的水质、水龄等变化规律。
3、流域三维水动力-水质模型：
如图7所示，开发构建流域三维水动力-水质模型。流域三维水动力-水质模型是采用污染源分析模型(SWAT)、水动力学模型(EFDC)与水质模型(WASP)集成模拟的方式，模拟计算该区域水动力、浮游生物动态变化、磷循环、氮循环和溶解氧平衡，同时能够对污染物在水环境中的行为进行模拟和预测。污染物在水体中的迁移、变化过程非常复杂。用模型模拟的方法有助于了解污染物的变化规律。
涉及水质模型介绍：
(1)污染源分析模型(SWAT)
SWAT模型是一个长时段的流域分布式水文模型，具有很强的物理基础，适用于具有不同的土壤类型、不通过的土地利用方式和管理条件下的复杂的大流域。SWAT模型主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响。它可以模拟流域内多种不同的水循环物理过程。
(2)水动力学模型(EFDC)
水动力学模型集水动力模块、泥沙输运模块、污染物模块和水质预测模块一体，可以用于包括河流、湖泊、水库、湿地和近岸海域一维、二维和三维物理、化学过程的模拟，定量模拟环境特征、污染负荷与水质间的动态响应关系，具有水环境质量的情景预测能力。
模型由水动力学模块、水质模块组成。可以同WASP耦合，用于水质模拟。
(3)水质模型(WASP)
水质模型是污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关系的数学描述，如表1所示，为水质模型的基本要素说明。它利用数学语言来阐述水体污染过程中的物理、化学、生物化学及生物生态各方面之内在规律和相互联系。它可用于水质模拟和预警预测，进行水质评价，制订污染物排放标准和水质规划，为水资源的综合整治和科学管理提供科学依据。
表1 水质模型的基本要素说明
模型输入参数：包括各河段的基本信息和污染物初始浓度，上游进水量和进水水质，点源污染的污染负荷，以及温度、光照条件等气象信息。
模型输出参数：污染物浓度的模拟值。
4、流域水资源优化调度：
如图8所示，基于建立好的水位运行与水质的响应关系以及不同水位调控基本情景下的水质、水龄等变化规律，以流域三维水动力-水质模型计算为核心，实现流域水资源优化调度。开发不确定性模拟-优化方法，实现不同时期流域水资源优化调度(调度变量包括：水位变动的幅度、频率、时机、持续时间以及变化率等)，确保维持湖体最佳运行水位，保证综合效益最大化。
水资源优化调度过程中，水位运行与水质的响应关系和不同水位调控基本情景下的水质、水龄等变化规律为流域水资源优化调度提供历史基础参考依据；流域三维水动力-水质模型对水体中的污染物浓度进行预测预报，为流域水资源优化调度提供水质评价参考；在约束条件下，通过不确定性模拟-优化方法计算，最终计算得出最佳水位位置，保证在该水位情况下，水质能够达到最优。
不确定性模拟-优化方法构造了一种基于区间的不确定性多目标优化方法。该方法利用非线性区间分析方法求出每个目标函数和约束在湖体不同时期(枯水期丰水期)的上下界，采用区间序关系来处理不确定性目标函数，利用目标函数中点值来计算多目标优化问题的非劣解，同时，通过区间可能度来处理约束函数，将非线性区间多目标优化问题转化为确定性多目标优化问题，利用微型多目标遗传算法对转换后的确定性多目标优化问题进行求解。
不确定性模拟-优化方法的基本公式如下：
s.t.gj(x)≤(＝,≥)0；j＝1,2,···,m
xL≤x≤xR,x＝[x1,x1,···,xn]T
式中f(x)和g(x)分别为目标函数和约束函数，x为n维设计向量，xR、xL分别为设计向量的上下限；参数I、m、n分别表示优化问题中的目标函数、约束函数、涉及变量的个数。
在本发明中，x表示水位，f(x)为步骤S2中生成的水位运行与水质响应关系式，f(x)值越大，表示水质越好；g(x)表示水位与湖体蓄满率关系式，由湖体地形特征数据决定，湖体蓄满率<＝1。
例如，在步骤S2中，根据历史数据拟合生成f(x)＝0.356*x+0.78*x+100；g(x)＝x*0.357+1。
在步骤S3中：
构建流域水资源优化调度方案的实用易用编制平台，通过该模块，基于步骤S2中提到的湖体的不同时期(枯水期和丰水期)，用户可以选择不同的水位调控情景，快速获得具体、可视化、可执行的调度方案，为调度研究工作及高效调度提供便利。
对用户使用方案编制平台过程中，涉及到的平台数据自动获取、用户条件输入、以及平台计算结果输出情况进行说明，并描述方案编制平台模块与其他模块以及用户间的关系，具体如下：
平台数据自动获取：基于步骤S1中的流域信息一张图展示模块，获取去年全年最低运行水位、去年全年最高运行水位、当前运行水位、去年枯水期最高水位、去年丰水期最低水位、对应水质情况数据；
用户条件输入：用户输入水质目标要求，例如“水质控制在5以上”；同时选择确定不同的水位调控情景。
平台计算结果输出：方案编制平台调用步骤S2中水质效益评估计算模块，进行模型自动计算，输出最终计算结果，计算结果包括全年最低运行水位控制、全年最高运行水位控制、当前运行水位控制、枯水期最高水位控制、丰水期最低水位控制。
方案编制平台模块与其他模块以及用户间的关系如图9所示，图9中生成的流域水资源调度方案案例如图10所示。
在步骤S4中：
如图11所示，生成模拟仿真评价模块，对于步骤S3中生成的调度方案，平台可利用步骤S2中的水质效益评估计算模块进行反向计算，计算过程调用步骤S1中流域信息一张图展示模块提供的数据。通过反向计算，利用最优控制水位计算该水位下的水质情况，并与实际水质情况进行比较分析，根据二者的相差度对调度方案进行评价，生成调度方案评价报告，评价结果包括“好、中、差”三种。同时基于模拟仿真模型，对反向计算成果进行直观展现，用户可通过平台直观查看到在计算出的最优控制水位条件下，模拟仿真的水位变化情况，以过程线形式展现，同时展现现实的水质变化过程线，二者间的差距用户可进行肉眼比较。
在步骤S5中：
生成调度经验迭代自更新模块，将前人所做工作以及专家经验智能地编入到系统中，形成独立的模块，基于专家经验对生成的方案进行评价分析，实现模型计算与人工经验的互补应用，同时专家经验可促进模型的升级改进，提高模型计算精准度。专家经验可随着调度经验的不断累积，逐步迭代完善。
其中，专家经验由用户不断收集提供，添加到平台中，历史调度成果由流域水资源优化调度方案编制平台历史调度方案及评价结果累积生成，由专家经验和历史调度成果两部分资料为调度经验迭代自更新模块提供原材料，实现该模块迭代完善；基于不断完善的调度经验迭代自更新模块，为水质效益评估计算模块提供人工经验干预，提高模型精准度；为模拟仿真评价模块提供人工经验评价，实现机器计算评价和人工经验评价的互补，保证生成的调度方案的可靠性。调度经验迭代自更新模块与其他模块关系详见图12。
(1)本发明实现水质效益评估计算，定量评估不同时期湖体运行水位下水资源调度对湖体水质响应，实现不同时期流域水资源优化调度，确保维持湖体最佳运行水位，保证综合效益最大化。
(2)建立实用易用的调度方案编制平台，用户可快速获得具体、可视化、可执行的调度方案，提高工作效率，为调度研究工作及高效调度提供便利。
(3)对生成的调度方案进行评价分析，同时评价过程添加人工经验进行干预分析，保证评价结果的客观性、科学性，提高调度方案编制质量。对调度方案进行模拟仿真，提供一个可视化的环境，方便用户直观了解调度成效，为调度分析提供参考依据。
(4)将不同人的经验，不同时期的经验进行综合应用，生成调度经验迭代自更新模块，通过资料不断积累实现平台的自我迭代更新，为模型计算以及方案评价提供人工经验辅助支撑，逐步提高调度水平。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种流域运行水位水质效益评估方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1、建立流域信息一张图展示模块，为流域水资源调度及水质管理提供信息辅助支撑；
S2、建立水质效益评估计算模块，该水质效益评估计算模块包括水位运行与水质响应关系曲线、水位调控基本情景、流域三维水动力-水质模型、流域水资源优化调度4个子模块；
S3、构建流域水资源优化调度方案编制平台模块，获取步骤S1建立的流域信息一张图展示模块的数据信息，并基于步骤S2建立的水质效益评估计算模块对该数据信息进行分析计算，生成流域水资源优化调度方案；
S4、构建调度模拟仿真评价模块，对于步骤S3生成的流域水资源优化调度方案，利用步骤S2建立的水质效益评估计算模块进行反向计算，生成流域水资源优化调度方案的评价报告；同时，调度模拟仿真评价模块能够展现水质效益评估计算模块的反向计算结果；
S5、构建调度经验迭代自更新模块，基于专家经验对生成的流域水资源优化调度方案进行评价分析，并反馈信息至水质效益评估计算模块、调度模拟仿真评价模块，以实现水质效益评估计算模块、调度模拟仿真评价模块的更新完善。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S1中建立的流域信息一张图展示模块能够展示流域各类信息，包括实时监测信息、流域基础信息、业务管理信息；其中，实时监测信息包括水质监测信息、气象监测信息、水文监测信息；流域基础信息包括流域水系图、流域基础属性资料；业务管理信息包括流域历史调度信息、专家经验信息、综合业务办理信息。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S2的具体实现过程如下，
(1)建立水位运行与水质响应关系曲线子模块：
按照湖体的枯水期和丰水期对历史基础数据进行划分，分别将枯水期和丰水期的湖体特征数据与对应年份的湖体水质监测数据进行一一对应，生成给定数据组，并制作关系散点图；采用最小二乘法对给定数据组进行多项式曲线拟合，最后给出拟合的多项式系数，并生成拟合关系曲线；
(2)建立水位调控基本情景子模块：
湖体水位调控基本情景包括全年最低运行水位、全年最高运行水位、当前运行水位、枯水期最高水位、丰水期最低水位；依托水位调控基本情景子模块，能够分析不同情景下的水质、水龄变化规律；
(3)建立流域三维水动力-水质模型子模块：
流域三维水动力-水质模型是采用污染源分析模型、水动力学模型与水质模型集成模拟的方式，模拟计算流域区域水动力、浮游生物动态变化、磷循环、氮循环和溶解氧平衡，同时能够对污染物在水环境中的行为进行模拟和预测；
(4)建立流域水资源优化调度子模块：
构建不确定性模拟-优化方法，基于建立好的水位运行与水质的响应关系曲线以及不同水位调控基本情景下的水质、水龄变化规律，以流域三维水动力-水质模型为核心，实现流域水资源优化调度；其中，不确定性模拟-优化方法具体构建方式为：
利用非线性区间分析方法求出每个目标函数和约束函数在湖体枯水期和丰水期的上下界，采用区间序关系来处理不确定性目标函数，利用目标函数中点值来计算多目标优化问题的非劣解，同时，通过区间可能度来处理约束函数，将非线性区间多目标优化问题转化为确定性多目标优化问题，利用微型多目标遗传算法对转换后的确定性多目标优化问题进行求解；
不确定性模拟-优化方法的基本公式如下：
<mrow>
<munder>
<mi>min</mi>
<mi>x</mi>
</munder>
<mo>{</mo>
<msub>
<mi>f</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>,</mo>
<msub>
<mi>f</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mrow>
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<mi>x</mi>
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</mrow>
<mo>,</mo>
<mn>...</mn>
<mo>,</mo>
<msub>
<mi>f</mi>
<mi>I</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>}</mo>
</mrow>
s.t. gj(x)≤(＝,≥)0；j＝1,2,…,m
xL≤x≤xR,x＝[x1,x1,…,xn]T
式中f(x)和g(x)分别为目标函数和约束函数，x为n维设计向量，xR、xL分别为设计向量的上下限；参数I、m、n分别表示优化问题中的目标函数、约束函数、涉及变量的个数。
4.一种流域运行水位水质效益评估系统，其特征在于：包括，
流域信息一张图展示模块，为流域水资源调度及水质管理提供信息辅助支撑；
水质效益评估计算模块，该水质效益评估计算模块包括水位运行与水质响应关系曲线、水位调控基本情景、流域三维水动力-水质模型、流域水资源优化调度4个子模块；
流域水资源优化调度方案编制平台模块，获取所述流域信息一张图展示模块的数据信息，并基于所述水质效益评估计算模块对该数据信息进行分析计算，生成流域水资源优化调度方案；
调度模拟仿真评价模块，对于所述流域水资源优化调度方案编制平台模块生成的流域水资源优化调度方案，利用所述水质效益评估计算模块进行反向计算，生成流域水资源优化调度方案的评价报告；同时，调度模拟仿真评价模块能够展现水质效益评估计算模块的反向计算结果；
调度经验迭代自更新模块，基于专家经验对生成的流域水资源优化调度方案进行评价分析，并反馈信息至水质效益评估计算模块、调度模拟仿真评价模块，以实现水质效益评估计算模块、调度模拟仿真评价模块的更新完善。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述流域信息一张图展示模块能够展示流域各类信息，包括实时监测信息、流域基础信息、业务管理信息；其中，实时监测信息包括水质监测信息、气象监测信息、水文监测信息；流域基础信息包括流域水系图、流域基础属性资料；业务管理信息包括流域历史调度信息、专家经验信息、综合业务办理信息。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述水质效益评估计算模块具体实现功能如下：
(1)建立水位运行与水质响应关系曲线子模块：
按照湖体的枯水期和丰水期对历史基础数据进行划分，分别将枯水期和丰水期的湖体特征数据与对应年份的湖体水质监测数据进行一一对应，生成给定数据组，并制作关系散点图；采用最小二乘法对给定数据组进行多项式曲线拟合，最后给出拟合的多项式系数，并生成拟合关系曲线；
(2)建立水位调控基本情景子模块：
湖体水位调控基本情景包括全年最低运行水位、全年最高运行水位、当前运行水位、枯水期最高水位、丰水期最低水位；依托水位调控基本情景子模块，能够分析不同情景下的水质、水龄变化规律；
(3)建立流域三维水动力-水质模型子模块：
流域三维水动力-水质模型是采用污染源分析模型、水动力学模型与水质模型集成模拟的方式，模拟计算流域区域水动力、浮游生物动态变化、磷循环、氮循环和溶解氧平衡，同时能够对污染物在水环境中的行为进行模拟和预测；
(4)建立流域水资源优化调度子模块：
构建不确定性模拟-优化方法，基于建立好的水位运行与水质的响应关系曲线以及不同水位调控基本情景下的水质、水龄变化规律，以流域三维水动力-水质模型为核心，实现流域水资源优化调度；其中，不确定性模拟-优化方法具体构建方式为：
利用非线性区间分析方法求出每个目标函数和约束函数在湖体枯水期和丰水期的上下界，采用区间序关系来处理不确定性目标函数，利用目标函数中点值来计算多目标优化问题的非劣解，同时，通过区间可能度来处理约束函数，将非线性区间多目标优化问题转化为确定性多目标优化问题，利用微型多目标遗传算法对转换后的确定性多目标优化问题进行求解；
不确定性模拟-优化方法的基本公式如下：
<mrow>
<munder>
<mi>min</mi>
<mi>x</mi>
</munder>
<mo>{</mo>
<msub>
<mi>f</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>,</mo>
<msub>
<mi>f</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
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<mo>(</mo>
<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>,</mo>
<mn>...</mn>
<mo>,</mo>
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<mi>f</mi>
<mi>I</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>}</mo>
</mrow>
s.t. gj(x)≤(＝,≥)0；j＝1,2,…,m
xL≤x≤xR,x＝[x1,x1,…,xn]T
式中f(x)和g(x)分别为目标函数和约束函数，x为n维设计向量，xR、xL分别为设计向量的上下限；参数I、m、n分别表示优化问题中的目标函数、约束函数、涉及变量的个数。
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| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 350001 unit 6, 4 building, 245 Xiu Shan Road, Xin Dian Town, Jinan District, Fuzhou, Fujian, 608 Applicant after: Four creation technology limited company Address before: 350012 unit 6, 4 building, 245 Xiu Shan Road, Xin Dian Town, Jinan District, Fuzhou, Fujian, 608 Applicant before: Fujian Strong Software Co., Ltd. |
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