CN109598408B - 一种兼顾用水公平性和重要性的年水量调度计划编制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼顾用水公平性和重要性的年水量调度计划编制方法，包括：构建综合考虑供水社会效益、供水经济效益及供水生态效益的流域供水效益函数评价指标体系；将各评价指标生成对应的单因子分配标准，构建以各单因子分配标准与目标最优方案分配标准的差距最小的第一目标函数，求解第一目标函数得到各用水单元的归一化供水效益系数；由各用水单元的归一化供水效益系数确定流域总供水效益，构建以流域总供水效益最大为目标的第二目标函数，及以当前水库期末水位之和最大为目标的第三目标函数；求解第二目标函数及第三目标函数得到流域年度水量调度方案。本发明构建了流域供水效益函数评价指标体系，为水量调度优化分配问题提供了理论支撑。

Description

一种兼顾用水公平性和重要性的年水量调度计划编制方法
技术领域
本发明属于水库调度与水量分配领域，更具体地，涉及一种考虑流域供水效益指标的年度水量调度计划编制方法。
背景技术
合理的水量调度计划编制是解决水资源供需矛盾，开发利用水资源，保障流域内各区域公平用水权益的重要手段之一。目前的水量调度广泛采用在综合考虑水量分配方案与水库出库流量、控制断面下泄流量等约束条件下，以用水单元缺水率最小为目标进行计划编制。该方法只考虑了用水公平性，使得流域内各用水单元供水保证率达标，而没有考虑到各用水单元之间供水重要性的差异，局限性较大。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种兼顾用水公平性和重要性的年水量调度计划编制方法，由此解决现有水库调度计划编制方法缺乏对流域内部用水单元供水重要性考虑的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种兼顾用水公平性和重要性的年水量调度计划编制方法，包括：
(1)综合考虑供水社会效益、供水经济效益及供水生态效益的各项评价指标，以构建流域供水效益函数评价指标体系；
(2)根据建立的所述流域供水效益函数评价指标体系，生成各评价指标对应的单因子分配标准，构建以各单因子分配标准与目标最优方案分配标准的差距最小的第一目标函数，求解所述第一目标函数得到各用水单元的归一化供水效益系数，其中，评价指标的单因子分配标准反映评价指标在不同用水单元所占的比例；
(3)由各用水单元的归一化供水效益系数确定流域总供水效益，构建以所述流域总供水效益最大为目标的第二目标函数，及构建以当前水库期末水位之和最大为目标的第三目标函数；
(4)求解所述第二目标函数及所述第三目标函数得到流域年度水量调度方案。
优选地，步骤(2)包括：
(2.1)根据各评价指标在不同用水单元所占的比例，得到各评价指标的单因子分配标准；
(2.2)基于各评价指标的权重，构建以各单因子分配标准与目标最优方案分配标准的差距最小的第一目标函数，求解所述第一目标函数得到各用水单元的归一化供水效益系数。
优选地，步骤(2.1)包括：
由Yi＝(Xi1,Xi2,Xi3...Xin)确定由各评价指标决定的单因子分配标准，其中，Yi表示由第i个评价指标决定的单因子分配标准，Xin表示由第i个评价指标决定的第n个用水单元的分水比例，n表示用水单元的个数。
优选地，步骤(2.2)包括：
由
Figure GDA0003989777680000021
确定第一目标函数，其中，i＝1,2,3,...,m，代表第i个评价指标，m为评价指标的个数，j＝1,2,3,...,n，代表第j个用水单元，d代表各单因子分配标准与目标最优方案差值的平方和，Wi代表第i个评价指标的权重，Xij代表由第i个评价指标决定的第j个用水单元的分水比例，
Figure GDA0003989777680000022
代表第j个用水单元的分水比例；
求解所述第一目标函数得到各用水单元的归一化供水效益系数
Figure GDA0003989777680000031
其中，
Figure GDA0003989777680000032
表示第j个用水单元的归一化供水效益系数。
优选地，步骤(3)包括：
(3.1)由max
Figure GDA0003989777680000033
构建第二目标函数，其中，E为流域总供水效益，βt为用水单元实际供水权重，t＝1,2，…12，Ej *表示第j个用水单元的归一化供水效益系数；
(3.2)由max
Figure GDA0003989777680000034
构建第三目标函数，其中，Z为当前水库期末水位之和，Zj,t为水库各时段末水位值。
优选地，所述第二目标函数及所述第三目标函数满足的约束条件为：水量平衡约束、供水保证率约束、水位约束、出力约束及下泄流量约束。
优选地，步骤(4)包括：
(4.1)在参数的可行域内，将用水单元实际供水权重βt与各水库时段末水位Zj,t随机生成初始种群；
(4.2)对父代个体按照变异概率差分进行变异操作后，按交叉概率将父代与变异个体进行交叉操作，生成新个体；
(4.3)将新个体加入种群，首先考虑供水效益目标函数max E最大，若父代个体与新个体的供水效益差距比例小于预设比例值时，再考虑目标函数水库水位max Z最高，若达到预设终止条件，则执行步骤(4.4)，若未达到预设终止条件，则返回执行步骤(4.2)；
(4.4)从种群中选取最优个体，以最优个体记录的各用水单元供水权重为输入条件，与河道实际来流进行逐时段的计算，得到各用水单元在各调度时段的实际供水量过程；同时以水库初始水位为输入，进行水库水量调度计算，得到水库各调度时段水位过程、库容过程和下泄过程，并作为流域年度水量调度方案。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：构建了流域供水效益函数评价指标体系，为水量调度优化分配问题提供了理论支撑；基于模糊评价理论，显性的表达了供水效益评价函数；根据数学推导，得到了基于供水保证率和供水效益函数的流域水量调度策略，完善了优化水量调度理论，并形成了流域年度水量调度计划编制方案。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种兼顾用水公平性和重要性的年水量调度计划编制方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种桂林流域干支流网络概化图；
图3是本发明实施例提供的一种优化调度方法下4座水库的水位过程线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种兼顾用水公平性和重要性的年水量调度计划编制方法，提出了基于多因子模糊评价方法的供水效益函数，建立了基于均衡流域供水保证率与供水效益的水量调度规则，采用差分进化构建了水量调度优化模型，得到了综合考虑供水保证率与供水效益的供水决策，进而编制流域年度水量调度方案，为发展环境下适应性调度提供理论支撑。本发明综合考虑供水公平性与重要性，建立基于均衡流域供水保证率与供水效益的水量调度规则，并在此基础上进行水量调度计划编制，是适应经济发展、提高流域调度综合效益的有效途径。
如图1所示为本发明实施例提供的一种方法流程示意图，包括以下步骤：
步骤S1：构建流域供水效益函数评价指标体系
根据水量分配的公平性、高效性和可持续性三大原则，可将流域供水效益分为三个部分，包括：社会效益，经济效益及生态效益。故流域供水效益可表示为：
E＝E1+E2+E3
其中，E表示流域总的供水效益，E1表示社会效益，E2表示经济效益，E3表示生态效益。
社会效益E1体现公平性原则。由于生活用水在地区总用水中占比较大且最为重要，同时人口数量是生活用水量大小的重要体现，故可将人口数量作为供水社会效益的一项评价指标。
经济效益E2体现高效性原则。供水经济效益反映的是各用水单元所创造的经济利润，包括用水单元的工农业产值及GDP等，在本发明实施例中，可将万元GDP用水量与万元工业增加值用水量加入到供水经济效益的评价指标体系中来。
生态效益E3体现可持续性原则。通过减少污水排放、提高水质合格率等方式提高流域水量分配的生态效益，对水质达标率低的用水单元实施惩罚机制，减少供水，督促其提高水质达标率。在本发明实施例中，可以选择水质达标率作为流域供水生态效益的评价指标。
步骤S2：供水效益函数的多因子模糊评价技术原理
根据建立的供水效益函数评价指标体系，将各评价指标生成对应的单因子分配标准。理论上的最优分配方案是各单因子分配标准与联合最优标准差距最小的方案，此时供水效益最大。多因子模糊评价技术具体步骤如下：
S2.1：通过查询水资源公报、统计年鉴等方式，对选定的各评价指标项进行数据统计，如确定人口数量、万元GDP用水量等；
S2.2：根据各评价指标在不同用水单元所占的不同比例，得到各指标的单因子分配标准，由于各指标具有不同的量化标准，故要进行归一化，将不同的指标纳入到相同的评价体系中，得到单因子分配标准，公式为：
Yi＝(Xi1,Xi2,Xi3...Xin)
其中，Yi表示由第i个指标决定的单因子分配标准，Xin表示由第i个指标决定的第n个用水单元的分水比例，且n个用水单元的分水比例之和为100％，n表示用水单元的个数；
S2.3：获取评价指标权重，根据每个评价指标不同的影响程度和重要性，通过模糊评价法，赋予各指标相应权重；
S2.4：确定目标函数，根据各单因子分配标准与最优方案分配标准的差距最小时，方案达到最优，供水效益最大，故目标函数可以确定为：
Figure GDA0003989777680000061
其中，i＝1,2,3,...,m，代表第i个相关指标；
j＝1,2,3,...,n，代表第j个用水区域；
d代表各单因子分配标准与最优方案差值的平方和；
Wi代表第i个指标的权重，单位％；
Xij代表由第i个指标决定的第j个区域的分水比例；
Figure GDA0003989777680000062
代表第j个用水单元的分水比例，单位％；
故当d取得最小值时求得
Figure GDA0003989777680000063
即为最优分配方案，根据求极值的方法，当导数为零时，目标函数最小，由此得：
Figure GDA0003989777680000071
其中，
Figure GDA0003989777680000072
为第j个用水单元的理论最优分水比例，等价于第j个用水单元的归一化供水效益
Figure GDA0003989777680000073
系数。
步骤S3：基于供水效益函数和供水保证率的流域水量调度策略
理论上的最优分配方案是各单因子分配标准与联合最优标准差距最小的方案，此时供水效益最大。但同时考虑到流域实际来水与水库调度约束，因此实际条件下难以达到理论最优分配，故在本发明实施例中，不将最优水量分配方案直接作为调度目标，而是进行综合考虑供水保证率与供水效益的水库调度。将考虑供水效益的策略引入到现有的水库调度方案编制计划中来，同时考虑非汛期来水减少，不能满足所有用水单元需水的情况，将各用水单元供水保证率大于70％也作为约束条件之一，并制定流域总供水效益最大为目标函数，具体步骤如下：
S3.1：目标函数
以流域供水效益最大为目标函数，即各用水单元供水效益总和最大：
Figure GDA0003989777680000074
其中，E为流域总供水效益；βt为用水单元实际供水权重，t＝1,2，…12，由进化算法随机得到；Ej *表示第j个用水单元的归一化供水效益系数，由步骤S2最优分配方案计算得到。
考虑到少水情况下的水库调度过程中，水库需要放水来满足下游用水单元需水要求，但也需要保证水库自身水位维持在一个较高的水平，防止突发水事件带来的危害。故在本发明实施例中，将水库调度期末水位也作为目标函数，使各水库尽量保持高水位运行：
Figure GDA0003989777680000081
其中，Z为当前水库期末水位之和，Zj,t为水库各时段末水位值。
S3.2：约束条件
①水量平衡约束
W(t+1)＝W(t)+U(t)-G(t)
其中，W(t)及W(t+1)分别表示河道t时段与t+1时段的来水，U(t)表示t时段区间入流，G(t)表示t时段总供水量。
②供水保证率约束
βmin(t)≤β(t)≤βmax(t)
其中，β(t)、βmin(t)及βmax(t)分别表示t时段的实际供水率和允许的供水率上下限。
③水位约束
Zmin(t)≤Z(t)≤Zmax(t)
其中，Z(t)、Zmin(t)及Zmax(t)分别表示t时段的水库水位和允许的水位上下限。
④出力约束
Nmin(t)≤N(t)≤Nmax(t)
其中，N(t)、Nmin(t)及Nmax(t)分别表示t时段的出力和允许的最大、最小出力。
⑤下泄流量约束
Qmin(t)≤Q(t)≤Qmax(t)
其中，Q(t)、Qmin(t)及Qmax(t)分别表示t时段的出库流量和允许的最大、最小下泄流量。
步骤S4：编制流域年度水量调度计划
在本发明实施例中，建立了一个非线性、多目标优化问题，故可以选择差分进化算法作为求解供水效益最大水量分配问题的智能优化算法，采用古典多目标约束处理思路，以各用水单元实际供水权重βt与各水库时段末水位Zj,t作为进化因子，进行水量调度优化计算，具体步骤如下：
S4.1：在参数的可行域内，将用水单元实际供水权重βt与各水库时段末水位Zj,t随机生成优化算法的初始种群，时间尺度t为12个月，用水单元个数为n，故生成的初始种群中有n个初始解集{β1，β2，β3，β4，β5，β6，β7，β8，β9，β10，β11，β12，Z1，Z2，Z3，Z4，Z5，Z6，Z7，Z8，Z9，Z10，Z11，Z12}；
S4.2：对父代个体按照变异概率差分进行变异操作，之后按交叉概率将父代与变异个体进行交叉操作，生成新个体；
S4.3：将生成的新个体加入种群，比较父代个体和新个体的适应度值，首先考虑供水效益目标函数max E最大，当父代个体与新个体的供水效益差距比例小于预设比例值时，再考虑目标函数水库水位max Z最高。通过将多目标分解并作为约束计算，解决多目标难以处理的问题。其中较优者进入下一代种群。如未达到差分进化算法的终止条件，返回执行步骤S4.2，否则执行步骤S4.4；
其中，预设比例值可以根据实际需要确定，在本发明实施例中优选为0.01。
S4.4：从种群中选取最优个体，以最优个体记录的各用水单元供水权重为输入条件，与河道实际来流进行逐时段的计算，得到用水单元各时段实际供水量过程；同时以水库初始水位为输入，进行水库水量调度计算，得到水库各时段水位过程、库容过程和下泄过程，并输出为流域年度水量调度方案。
以桂江干支流4座水库，3个用水单元为例，按照上述实施例描述方法，编制桂江流域年度水量调度计划。4座水库包括：斧子口水库、川江水库、小溶江水库、思安江水库。3个用水单元包括：桂林用水单元、贺州用水单元、梧州用水单元。各单位概化空间关系如图2所示。
根据广西壮族自治区水资源公报与统计年鉴数据，选择偏枯水年份2011年进行验证。选取了人口数量、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量及水质达标率共4项指标，其特征值见表1。
表1各用水单元评价指标统计值
Figure GDA0003989777680000101
对这些指标的特征值进行归一化，得到各单因子公平标准，如表2所示。
表2各用水单元单因子公平标准
单因子标准 <![CDATA[F<sub>1</sub>]]> <![CDATA[F<sub>2</sub>]]> <![CDATA[F<sub>3</sub>]]> <![CDATA[F<sub>4</sub>]]>
桂林用水单元 0.486 0.322 0.336 0.335
贺州用水单元 0.213 0.458 0.433 0.165
梧州用水单元 0.301 0.220 0.231 0.500
根据各因子的重要性不同，在本发明实施例中，将各因子的权重归一化定为Wi＝{0.55,0.15,0.1,0.2}。桂江流域3个用水单元，4个相关指标确定的最优分配方案为：
Figure GDA0003989777680000102
将表2各单因子标准与归一化权重Wi带入，得到最终分配结果X*＝{0.4162，0.2622，0.3217}，等价于各用水单元归一化供水效益系数Ej *＝{0.4162,0.2622,0.3217}。
将上述归一化供水效益系数带入目标函数公式：
Figure GDA0003989777680000111
同时考虑目标函数：
Figure GDA0003989777680000112
通过进化算法求得当流域总供水效益最大且水库期末蓄水位最高时，各用水单元月供水比例，计算结果见表3，相应的各水库的水位变化过程如图3所示。
表3各用水单元月供水率对比
Figure GDA0003989777680000113
Figure GDA0003989777680000121
桂林、贺州及梧州用水单元的供水效益比重分别为0.4162，0.2622，0.3217，原方法的平均供水率分别为100％、100％、44％；采用本发明优化方法的平均供水率则分别为95％、73％、79％。由以上计算结果可知，在枯水年条件下，本发明改进的方法可以保证各用水单元供水率稳定，不会出现下游极端缺水状况。此外，本发明的优化方法在保证各用水单元用水公平性，即满足所有用水单元供水保证率70％的前提下，增加了供水效益更高的用水单元的供水比重，使全流域供水效益最大化。由此可见，与现有水量调度计划编制方法相比，本发明方法优势明显，为流域年度水量调度计划方案编制提供了一种新途径。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种兼顾用水公平性和重要性的年水量调度计划编制方法，其特征在于，包括：
(1)综合考虑供水社会效益、供水经济效益及供水生态效益的各项评价指标，以构建流域供水效益函数评价指标体系；
(2)根据建立的所述流域供水效益函数评价指标体系，生成各评价指标对应的单因子分配标准，构建以各单因子分配标准与目标最优方案分配标准的差距最小的第一目标函数，求解所述第一目标函数得到各用水单元的归一化供水效益系数，其中，评价指标的单因子分配标准反映评价指标在不同用水单元所占的比例；
(3)由各用水单元的归一化供水效益系数确定流域总供水效益，构建以所述流域总供水效益最大为目标的第二目标函数，及构建以当前水库期末水位之和最大为目标的第三目标函数；
(4)求解所述第二目标函数及所述第三目标函数得到流域年度水量调度方案；
步骤(3)包括：
(3.1)由
Figure FDA0003989777670000011
构建第二目标函数，其中，E为流域总供水效益，βt为用水单元实际供水权重，t＝1,2，…12，Ej *表示第j个用水单元的归一化供水效益系数；n表示用水单元的个数；
(3.2)由
Figure FDA0003989777670000012
构建第三目标函数，其中，Z为当前水库期末水位之和，Zj,t为水库各时段末水位值；
步骤(4)包括：
(4.1)在参数的可行域内，将用水单元实际供水权重βt与各水库时段末水位Zj,t随机生成初始种群；
(4.2)对父代个体按照变异概率差分进行变异操作后，按交叉概率将父代与变异个体进行交叉操作，生成新个体；
(4.3)将新个体加入种群，首先考虑供水效益目标函数max E最大，若父代个体与新个体的供水效益差距比例小于预设比例值时，再考虑目标函数水库水位max Z最高，若达到预设终止条件，则执行步骤(4.4)，若未达到预设终止条件，则返回执行步骤(4.2)；
(4.4)从种群中选取最优个体，以最优个体记录的各用水单元供水权重为输入条件，与河道实际来流进行逐时段的计算，得到各用水单元在各调度时段的实际供水量过程；同时以水库初始水位为输入，进行水库水量调度计算，得到水库各调度时段水位过程、库容过程和下泄过程，并作为流域年度水量调度方案。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：
(2.1)根据各评价指标在不同用水单元所占的比例，得到各评价指标的单因子分配标准；
(2.2)基于各评价指标的权重，构建以各单因子分配标准与目标最优方案分配标准的差距最小的第一目标函数，求解所述第一目标函数得到各用水单元的归一化供水效益系数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2.1)包括：
由Yi＝(Xi1,Xi2,Xi3...Xin)确定由各评价指标决定的单因子分配标准，其中，Yi表示由第i个评价指标决定的单因子分配标准，Xin表示由第i个评价指标决定的第n个用水单元的分水比例。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2.2)包括：
由
Figure FDA0003989777670000021
确定第一目标函数，其中，i＝1,2,3,...,m，代表第i个评价指标，m为评价指标的个数，j＝1,2,3,...,n，代表第j个用水单元，d代表各单因子分配标准与目标最优方案差值的平方和，Wi代表第i个评价指标的权重，Xij代表由第i个评价指标决定的第j个用水单元的分水比例，
Figure FDA0003989777670000031
代表第j个用水单元的分水比例；
求解所述第一目标函数得到各用水单元的归一化供水效益系数
Figure FDA0003989777670000032
其中，
Figure FDA0003989777670000033
表示第j个用水单元的归一化供水效益系数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二目标函数及所述第三目标函数满足的约束条件为：水量平衡约束、供水保证率约束、水位约束、出力约束及下泄流量约束。
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