CN107808253B - 基于协调算法的灌区渠系实时配水方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于协调算法的灌区渠系实时配水方法，包括步骤1）根据灌区用水户的用水需求进行需水计划的上报；2）当灌区总水量＜用水户需水量总和时，建立实时配水调度模型；3）构建哈密顿函数求出各用水户分配水量的最优解；4）根据最优解，对各用水户所分配的流量和闸门开度进行调度。本发明提高水量调度的准确性和及时性，也提高了水资源的有效利用率。

Description

基于协调算法的灌区渠系实时配水方法

技术领域

本发明涉及灌溉领域，具体涉及基于协调算法的灌区渠系实时配水方法。

背景技术

灌区供水以农业灌溉用水为主，兼有生活供水、工业用水和生态补水，灌区渠系是由干渠、支渠、斗渠等输水渠道组成，向农田区域进行输水灌溉。传统的配水调度多数局限在经验调度的方式，未能解决实际配水流量及需水流量前提下的配水调度，容易造成水资源浪费、配水调度不及时等问题，主要体现在：凭经验进行配水调度，水量调度准确性较低，容易造成水资源浪费；假定条件下进行水资源的配水调度，不能结合实际的渠系水资源情况进行有效的调度，造成配水调度不及时；水资源有限时，无法有效的协调生活、生产及农业灌溉水资源的有效分配。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提出一种基于协调算法的灌区渠系实时配水方法，提高了配水调度的及时性，促进农业灌溉引水、生活供水、工业用水等方面的协调发展。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

基于协调算法的灌区渠系实时配水方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据灌区用水户的用水需求进行需水计划的上报，根据干、支、斗三级渠道水利用系数和田间水利用系数计算灌区用水户需水量，所述灌区用水户包括生活供水、农业灌溉配水和工业用水；

步骤S2：当灌区总水量≥用水户需水量总和时，直接按照用水户需水量进行调配；

步骤S3：当灌区总水量＜用水户需水量总和时，建立实时配水调度模型，所述配水调度模型的非线性离散时间系统状态方程如下：

x_i(k+1)＝f_i(x_i(k),u_i(k),z_i(k),k)

x_i(0)＝x_i0

其约束条件如下：

目标函数如下：

其中，x_i(0)是第i个用水户的初始流量状态，x_i是n_i维用水户的流量状态向量，u_i是m_i维用水户闸门开度向量，z_i是各用水户之间的r_i维相互影响向量，H_ij为第i个用水户对所在渠系等级j的影响；k是用水户的时间状态量，N_f是未来某一时刻的时间状态量，N是用水户的数量，h_i是用水户在N_f时刻状态下对干渠水量分配影响程度的关系函数，g_i是用水户在k时刻状态下对支渠水量分配影响程度的关系函数；

步骤S4：利用步骤S3构建的目标函数建立拉格朗日函数，在拉格朗日函数中引入共态变量，构建哈密顿函数求出各用水户分配水量的最优解；

步骤S5：根据步骤S4得到的最优解，对各用水户所分配的流量和闸门开度进行调度，实现灌区实时配水调度。

进一步地，所述步骤S1中灌区用水户的需水量预测计算方法如下：农业灌溉配水需水量预测：

其中，W_支s为第s条支渠分水口的毛需水量，单位为m³；K'为第s条支渠下的斗渠数；η_k′-s为第s条支渠下第k'条斗渠分水口到第s条支渠分水口之间的渠道水利用系数；

其中，W_斗k′为第s条支渠下第k'条斗渠分水口的毛需水量，单位为m³；J为第k'条斗渠下的农渠数；η_j′-k′为第k'条斗渠下第j'条农渠分水口到第k'条斗渠分水口之间的渠道水利用系数；

其中，W_农j′为第k'条斗渠下第j'条农渠分水口的毛需水量，单位为m³；I为第j'条农渠灌溉的农田数量；A_ji为第j'条农渠灌溉的第i'个农田面积，单位为亩；M_j′i′为第i'个农田面积的灌水定额，单位为m³/亩；η_农j′为第j'条农渠的平均水利用系数，η_田为田间水利用系数；

生活供水需水量预测：

其中，W_活a为第a个水厂取水口的需水量，m_ab为第a个水厂取水口的第b个抄表流量，η_活ab为第a个水厂取水口的第b个抄表流量计量系数；

工业用水需水量预测：

其中，W_工c第c个工厂取水口的需水量，m_cd为第c个工厂取水口的第d个抄表流量，η_工cd为第c个工厂取水口的第d个抄表流量计量系数。

进一步地，所述步骤4具体为：

将目标函数引入拉格朗日乘子向量λ_i,i＝1,2,…，N，将约束条件归入目标函数，构成拉格朗日函数,

根据拉格朗日对偶原理，L(x,u,z,λ)存在鞍点，则目标函数等价于

s.t.x_i(k+1)＝f_i(x_i(k),u_i(k),z_i(k),k)

x_i(0)＝x_i0

按时间指数k对第一级斗渠进行分解，对用水户i用共态变量Pi表示，构建哈密顿函数，

则最优条件为

在第一级上，当λ＝λ^*,p＝p^*时，由条件

可以得到

x_i(k+1)＝f_i(x_i(k),u_i(k),z_i(k),k)

i＝1,2,...,Nk＝0,1,...,N_f-1

第二级支渠的协调任务是更新p_i，由条件

第l步的协调向量为

第三级干渠更新λ的值，利用梯度法或共轭梯度法，由最优条件

和

第三级干渠上第l次迭代协调向量为

当两级的误差接近于零时，所得的解为模型的最优解。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

在灌区水资源总量无法满足需求时，依靠实时配水调度模型的演算，更加科学、有效的指导管理人员进行及时、有效的配水调度，既提高了水量调度的准确性和及时性，又提高了水资源的有效利用率，提高灌区服务能力。

附图说明

图1是本发明基于协调算法的灌区渠系实时配水方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，基于协调算法的灌区渠系实时配水方法，包括以下步骤：步骤S1：根据灌区用水户的用水需求进行需水计划的上报，根据干、支、斗三级渠道水利用系数和田间水利用系数计算灌区用水户需水量，所述灌区用水户包括生活供水、农业灌溉配水和工业用水；

在本实施例中，所述步骤S1中灌区用水户的需水量预测计算方法如下：

农业灌溉配水需水量预测：

其中，W_支s为第s条支渠分水口的毛需水量，单位为m³；K'为第s条支渠下的斗渠数；η_k′-s为第s条支渠下第k'条斗渠分水口到第s条支渠分水口之间的渠道水利用系数；

其中，W_斗k′为第s条支渠下第k'条斗渠分水口的毛需水量，单位为m³；J为第k'条斗渠下的农渠数；η_j′-k′为第k'条斗渠下第j'条农渠分水口到第k'条斗渠分水口之间的渠道水利用系数；

其中，W_农j′为第k'条斗渠下第j'条农渠分水口的毛需水量，单位为m³；I为第j'条农渠灌溉的农田数量；A_ji为第j'条农渠灌溉的第i'个农田面积，单位为亩；M_j′i′为第i'个农田面积的灌水定额，单位为m³/亩；η_农j′为第j'条农渠的平均水利用系数，η_田为田间水利用系数；

生活供水需水量预测：

其中，W_活a为第a个水厂取水口的需水量，m_ab为第a个水厂取水口的第b个抄表流量，η_活ab为第a个水厂取水口的第b个抄表流量计量系数；

工业用水需水量预测：

其中，W_工c第c个工厂取水口的需水量，m_cd为第c个工厂取水口的第d个抄表流量，η_工cd为第c个工厂取水口的第d个抄表流量计量系数。

步骤S2：当灌区总水量≥用水户需水量总和时，直接按照用水户需水量进行调配；

步骤S3：当灌区总水量＜用水户需水量总和时，建立实时配水调度模型进行用水户水量分配，所述配水调度模型的非线性离散时间系统状态方程如下：

x_i(k+1)＝f_i(x_i(k),u_i(k),z_i(k),k)

x_i(0)＝x_i0

其约束条件如下：

目标函数如下：

其中，x_i(0)是第i个用水户的初始流量状态，x_i是n_i维用水户的流量状态向量，u_i是m_i维用水户闸门开度向量，z_i是各用水户之间的r_i维相互影响向量，H_ij为第i个用水户对所在渠系等级j的影响；k是用水户的时间状态量，N_f是未来某一时刻的时间状态量，N是用水户的数量，h_i是用水户在N_f时刻状态下对干渠水量分配影响程度的关系函数，g_i是用水户在k时刻状态下对支渠水量分配影响程度的关系函数；

步骤S4：利用步骤S3构建的目标函数建立拉格朗日函数，在拉格朗日函数中引入共态变量，构建哈密顿函数求出各用水户分配水量的最优解；

在本实施例中，所述步骤4具体为：

将目标函数引入拉格朗日乘子向量λ_i,i＝1,2,…，N，将约束条件归入目标函数，构成拉格朗日函数,

根据拉格朗日对偶原理，L(x,u,z,λ)存在鞍点，则目标函数等价于

s.t.x_i(k+1)＝f_i(x_i(k),u_i(k),z_i(k),k)

x_i(0)＝x_i0

按时间指数k对第一级斗渠进行分解，对用水户i用共态变量Pi表示，构建哈密顿函数，

则最优条件为

在第一级上，当λ＝λ^*,p＝p^*时，由条件

可以得到

x_i(0)＝x_i0

x_i(k+1)＝f_i(x_i(k),u_i(k),z_i(k),k)

i＝1,2,...,Nk＝0,1,...,N_f-1

第二级支渠的协调任务是更新p_i，由条件

第l步的协调向量为

第三级干渠更新λ的值，利用梯度法或共轭梯度法，由最优条件

和

第三级干渠上第l次迭代协调向量为

当两级的误差接近于零时，所得的解为模型的最优解。

步骤S5：根据步骤S4得到的最优解，对各用水户所分配的流量和闸门开度进行调度，实现灌区实时配水调度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (1)

1.基于协调算法的灌区渠系实时配水方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据灌区用水户的用水需求进行需水量的上报，根据干、支、斗三级渠道水利用系数和田间水利用系数计算灌区用水户需水量，所述灌区用水户包括生活供水、农业灌溉配水和工业用水；

步骤S2：当灌区总水量≥用水户需水量总和时，直接按照用水户需水量进行调配；

步骤S3：当灌区总水量＜用水户需水量总和时，建立实时配水调度模型，所述配水调度模型的非线性离散时间系统状态方程如下：

x_i(k+1)＝f_i(x_i(k),u_i(k),z_i(k),k)

x_i(0)＝x_i0

其约束条件如下：

目标函数如下：

其中，x_i(0)是第i个用水户的初始流量状态，x_i是n_i维用水户的流量状态向量，u_i是m_i维用水户闸门开度向量，z_i是各用水户之间的r_i维相互影响向量，H_ji为第i个用水户对所在渠系等级j的影响；k是用水户的时间状态量，N_f是未来某一时刻的时间状态量，N是用水户的数量，h_i是用水户在N_f时刻状态下对干渠水量分配影响程度的关系函数，g_i是用水户在k时刻状态下对支渠水量分配影响程度的关系函数；

步骤S4：利用步骤S3构建的目标函数建立拉格朗日函数，在拉格朗日函数中引入共态变量，构建哈密顿函数求出各用水户分配水量的最优解；

步骤S5：根据步骤S4得到的最优解，对各用水户所分配的流量和闸门开度进行调度，实现灌区实时配水调度；

所述步骤S1中灌区用水户的需水量预测计算方法如下：

农业灌溉配水需水量预测：

其中，W_支s为第s条支渠分水口的毛需水量，单位为m³；K'为第s条支渠下的斗渠数；η_k′-s为第s条支渠下第k'条斗渠分水口到第s条支渠分水口之间的渠道水利用系数；

其中，W_斗k′为第s条支渠下第k'条斗渠分水口的毛需水量，单位为m³；J为第k'条斗渠下的农渠数；η_j′-k′为第k'条斗渠下第j'条农渠分水口到第k'条斗渠分水口之间的渠道水利用系数；

其中，W_农j′为第k'条斗渠下第j'条农渠分水口的毛需水量，单位为m³；I为第j'条农渠灌溉的农田数量；A_ji为第j'条农渠灌溉的第i'个农田面积，单位为亩；M_j′i′为第i'个农田面积的灌水定额，单位为m³/亩；η_农j′为第j'条农渠的平均水利用系数，η_田为田间水利用系数；

生活供水需水量预测：

其中，W_活a为第a个水厂取水口的需水量，m_ab为第a个水厂取水口的第b个抄表流量，η_活ab为第a个水厂取水口的第b个抄表流量计量系数；

工业用水需水量预测：

其中，W_工c第c个工厂取水口的需水量，m_cd为第c个工厂取水口的第d个抄表流量，η_工cd为第c个工厂取水口的第d个抄表流量计量系数；

所述步骤S4具体为：

将目标函数引入拉格朗日乘子向量λ_i,i＝1,2,…，N，将约束条件归入目标函数，构成拉格朗日函数,

根据拉格朗日对偶原理，L(x,u,z,λ)存在鞍点，则目标函数等价于

s.t.x_i(k+1)＝f_i(x_i(k),u_i(k),z_i(k),k)

x_i(0)＝x_i0

按时间指数k对第一级斗渠进行分解，对用水户i用共态变量p_i表示，构建哈密顿函数，

则最优条件为

在第一级上，当λ＝λ^*,p＝p^*时，由条件

可以得到

x_i(0)＝x_i0

x_i(k+1)＝f_i(x_i(k),u_i(k),z_i(k),k)

i＝1,2,...,N k＝0,1,...,N_f-1

第二级支渠的协调任务是更新p_i，由条件

第l步的协调向量为

第三级干渠更新λ的值，利用梯度法或共轭梯度法，由最优条件

和

第三级干渠上第l次迭代协调向量为

当两级的误差接近于零时，所得的解为模型的最优解。

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