CN109658287A - 一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，涉及资源优化调度技术领域。该方法首先根据流域实际情况概化流域拓扑结构，并根据流域概化拓扑结构划分水量调度分区，然后，建立基于分区可供水量的流域水量调度模型，描述流域水资源调配问题、预报来水、水库调度和取用水户之间联系，再依据调度模型，采用差分进化算法对取用水问题进行优化，在每代个体计算适应度时，启动基于分区的空间水量均匀分配策略，模拟计算各分区的可供水量及需水量并在空间上均衡各用水户分配水量，实现基于水资源时空均匀分配的流域水量调度，从而解决空间上各用水户之间的矛盾，保证流域水资源在空间上能够得到公平合理的分配。
Description
技术领域
本发明涉及资源优化调度技术领域，尤其涉及一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法。
背景技术
水资源优化调度是指在一个特定流域或区域内，以有效、公平和可持续的原则，对有限的、不同形式的水资源，通过工程措施在各用水户之间进行的科学分配。水资源优化调度是实现水资源合理开发利用的基础，是水资源可持续利用的根本保证。
水库调度是水资源优化调度的重要手段，是人类重新分配水资源时空分布的重要工程措施，可在水库来水和用水变动的情况下，根据径流的特性和水库的任务要求，有目的、有计划地统筹安排水资源时空分布与供需平衡。运用水库的调蓄功能可以帮助处理并解决来水与用水、各用水部门之间的矛盾，优化分配水资源的时空分布并提高水资源和水能资源的利用率。
目前，通常使用的水量调度模型，都是从上游到下游逐个用水户进行水量分配，再基于优化算法自动寻优找到水库的最优水位，以使总供水缺额的目标值趋于最小。
但是，这些调度模型都只考虑了水资源分配在时间上的最优，没有充分考虑到水资源在空间上的均匀分配，从而可能会导致出现枯水年只能满足上游用水户取水需求而下游用水户极度缺水的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，包括如下步骤：
S1，概化流域拓扑结构，得到流域概化拓扑结构，根据流域概化拓扑结构划分水量调度分区；
S2，根据水量调度分区，建立基于分区可供水量的流域水量调度模型，该模型在计算过程中自适应地均衡考虑各分区缺水情况，其目标函数表示为：
其中，d为流域总体供水缺额，Di,t为第i个用水单元在t时段的需水量，Si,t为第i个用水单元在t时段的计划供水量；
约束条件包括：
水量平衡约束：
Vt+1＝Vt+(It-Qt)Δt (2)
其中，Vt为水库在t时段初的库容，It为t时段水库的平均入库流量，Qt为t时段水库的平均出库流量，Δt为时间变化量；
库水位约束：
其中，和分别为水库在t时段初所允许的运行最高最低水位；
下泄流量约束：
其中，和分别为水库在t时段所允许的最大最小平均下泄流量；
断面流量约束：
其中，为断面在t时段的最低要求平均流量；
S3，采用差分进化算法对取用水问题进行优化，优化目标为使流域内所有用水单元的供水缺额之和最小，即对S2建立的水量调度模型进行求解，使得流域总体供水缺额最小，其中，在差分进化算法每代个体计算适应度时，首先将个体值带入模型中，自上游到下游各用水单元按照用水需求量进行取水；其次，按照S1中划分的水量调度分区统计各分区缺水情况；最后，启动基于分区的空间水量均匀分配策略，具体为：在分配供水量前利用水量调度分区均衡考虑各用水单元缺水情况，使各用水单元尽量达到相同用水保证率，最后将各用水单元供水量折算到相应取水口并带入模型中进行二次计算，最终得到空间优化后的水量分配结果。
优选地，S1中，所述根据流域概化拓扑结构划分水量调度分区，具体为：根据流域概化拓扑结构，以河道交叉节点处断面与取水口取水断面节点为界，划分流域水量调度分区。
优选地，S3中，所述在分配供水量前利用分区均衡考虑各用水单元缺水率，然后分摊缺水量至各个取水口，具体包括如下步骤
B1，遍历所有计算分区，计算并统计当前分区的天然来水量、水库蓄变量和总需水量并计算分区可供水量与分区需水总量；
B2，遍历并统计与当前分区有水力联系的上游分区的剩余水量，权衡分区可供水量与分区需水总量，水量充足的情况下按照用水需求供水，水量不充足的情况下按照最大供水能力供水；
B3，根据初步分配结果，计算当前分区的缺水率，遍历并计算与当前分区有水力联系的上游分区的缺水率(过滤掉比当前分区更缺水的分区),统计所有相关分区的缺水量与需水量，并根据总需水量与总缺水量重新计算总体缺水率，最后所有相关分区均按照总体缺水率供水；
B4，将均衡后的各用水单元供水量分摊至相应取水口，再带入模型中重新模拟计算并更新当代个体适应度。
优选地，S3中所述采用差分进化算法对取用水问题进行优化，还包括如下步骤：确定调度期与时段尺度、对各汇水区进行来水预报、流域以行政区为单位申报行政区内各用水单元未来一年的逐月需水量，并根据得到的数据对取用水问题进行优化。
优选地，所述确定调度期与时段尺度，具体为，调度期根据流域气象、水文数据的分析和农作物生长特性、不同阶段用水需求来确定，年度水量调度的步长为月，月度水量调度的步长为旬。
优选地，所述流域以行政区为单位申报行政区内各用水单元未来一年的逐月需水量，其中，需水量包括用水单元的各分项用，判断需水量是否超出当前来水频率以及规划水平年下规定的取水量，如果超出，则用水单元按照一定比例对分项用水进行折减。
本发明的有益效果是：本发明提供的基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，首先根据流域实际情况概化流域拓扑结构，并根据流域概化拓扑结构划分水量调度分区，然后，建立基于分区可供水量的流域水量调度模型，描述流域水资源调配问题、预报来水、水库调度和取用水户之间联系，再依据调度模型，采用差分进化算法对取用水问题进行优化，在每代个体计算适应度时，启动基于分区的空间水量均匀分配策略，模拟计算各分区的可供水量及需水量并在空间上均衡各用水户分配水量，实现基于水资源时空均匀分配的流域水量调度，从而解决空间上各用水户之间的矛盾，保证流域水资源在空间上能够得到公平合理的分配。
附图说明
图1为本发明提供的流域水量调度方法流程示意图；
图2为流域概化拓扑结构分区图；
图3为桂江流域水资源调度概化拓扑图；
图4为无策略规则下用水单元供水情况示意图；
图5为基于分区的空间水量均匀分配策略规则下用水单元供水情况示意图。
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，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方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所要解决的技术问题是：现有流域水量调度模型缺乏对流域水资源在空间上均匀分配的考虑，提出了基于分区可供水量的流域水量调度模型，显著地提高了流域内各用水户之间用水的均衡性。根据流域概化拓扑结构构建水量分配分区，采用差分进化算法建立水库水量调度优化模型，得到了基于水资源时空均匀分配的最优水库调度决策解，为编制均衡各用水户取用水矛盾的水库水量调度计划提供了依据，为枯水期适应性调度提供理论支撑。
如图1所示，本发明提供了一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，包括如下步骤：
S1，概化流域拓扑结构，得到流域概化拓扑结构，根据流域概化拓扑结构划分水量调度分区。
其中，建立流域概化拓扑结构是研究水量调度问题的基础,而建立流域概化拓扑结构的逻辑顺序会直接影响计算机的运行速度,本发明中，为了保证建立的过程易于计算机的实现，采用如下步骤概化流域拓扑结构：
A1，获取流域的所有实体，包括河道实体、河道实体下包含的关键断面子实体、汇水区实体、用水单元实体，其中，关键断面包括控制断面、汇水区入流断面、水库所在断面、取水口取水断面、河道首末以及交叉节点处断面。
河道实体是连接其余实体的纽带，河道实体下还包含关键断面子实体，关键断面包括控制断面、汇水区入流断面、水库所在断面、取水口取水断面、河道首末以及交叉节点处断面；汇水区是概化流域内各来水区间而形成的实体,一般取干流上流量站或水库上游来水区间作为一个汇水区。用水单元是对流域内各用水户的概化，一般将行政区与水资源分区的交集内的用水户概化为一个用水单元，每个用水单元对应一个取水口从河道断面取水。
A2，在所有实体中遍历得到河道类并储存。
A3，逐河道按顺序对该河道下关键断面进行遍历并储存在计算顺序中，得到河道概化拓扑结构；在遍历过程中，对当前关键断面进行判断，若当前断面为控制断面或河道首末断面，储存当前断面并跳到下一断面；若当前断面为汇水区入流断面、水库所在断面或取水口取水断面，先将相应的汇水区、水库或取水口储存在当前断面的关联实体类中，再储存当前断面并跳到下一断面；若当前断面为交叉节点处断面，先判断与之交叉的河道是否已进行拓扑结构编译，若已编译拓扑结构，则储存当前断面并跳过到当前河道的下一断面，反之，则跳过当前节点并储存与之交叉河道的首节点。
S2，根据水量调度分区，建立基于分区可供水量的流域水量调度模型，该模型在计算过程中自适应地均衡考虑各分区缺水情况，其目标函数表示为：
其中，d为流域总体供水缺额，Di,t为第i个用水单元在t时段的需水量，Si,t为第i个用水单元在t时段的计划供水量；
在流域概化拓扑结构的基础上，建立水量调度优化数学模型。模型决策空间由流域内参与调度水库在调度期内的逐时段水位组成，优化目标为使流域内所有用水单元的供水缺额之和最小。
上述水量调度模型的约束条件包括：
水量平衡约束：
Vt+1＝Vt+(It-Qt)Δt (2)
其中，Vt为水库在t时段初的库容，It为t时段水库的平均入库流量，Qt为t时段水库的平均出库流量，Δt为时间变化量；
库水位约束：
其中，和分别为水库在t时段初所允许的运行最高最低水位；
下泄流量约束：
其中，和分别为水库在t时段所允许的最大最小平均下泄流量；
断面流量约束：
其中，为断面在t时段的最低要求平均流量；
上述约束条件可以根据流域预报来水与用水计划综合考虑各项指标进行选取。
S3，采用差分进化算法对取用水问题进行优化，优化目标为使流域内所有用水单元的供水缺额之和最小，即对S2建立的水量调度模型进行求解，使得流域总体供水缺额最小，其中，在差分进化算法每代个体计算适应度时，首先将个体值带入模型中，自上游到下游各用水单元按照用水需求量进行取水；其次，按照S1中划分的水量调度分区统计各分区缺水情况；最后，启动基于分区的空间水量均匀分配策略，具体为：在分配供水量前利用水量调度分区均衡考虑各用水单元缺水情况，使各用水单元尽量达到相同用水保证率，最后将各用水单元供水量折算到相应取水口并带入模型中进行二次计算，最终得到空间优化后的水量分配结果。
其中，差分进化算法是一种新型算法，其核心原理是基于群体智能理论，收敛速度较快且具有很强的全局搜索能力。差分进化算法的基本过程包括三个部分：分别是变异、交叉和选择。差分进化算法的作用过程类似于自然界的选择过程，同样遵守“优胜劣汰”的生存竞争准则，该准则的实现依赖于适应度值函数的引导，适应度值是一个定量衡量标准，反映了目标个体在其存在的群体中相对好坏的程度，适应度值是由适应度函数计算得来的，适应度函数由于不同的具体情景具有不同的表现形式。差分进化算法的作用过程如下，首先从最初的父代群体间选择两个不同的个体，将选择的两个个体进行向量做差，生成两个个体间的差分矢量；其次，选择父代群体间的另外一个个体，将这个选中的个体与前面求得的差分矢量进行求和计算，从而生成新的实验个体；然后，对初始父代种群个体与计算得到的实验个体进行交叉操作，从而生成全新的子代个体；最后在初始父代个体和新生成的子代个体之间进行选择，将符合目标要求的个体保存下来，从而成为下一代新生的种群。重复上述过程直到运算到指定代数，即可得到全局最优解。
本发明实施例中，在进行差分进化算法流程中，加入基于分区的空间水量均匀分配策略。具体步骤为，首先，根据流域拓扑结构，划分流域水量调度分区。水量调度分区划分时，以河道交叉断面与取水断面节点为界，将拓扑结构划分为不同分区(可见附图2)。其次，在差分进化算法中每代个体计算适应度时，先将个体值带入模型中，自上游到下游各用水单元按照用水需求量进行取水得到初步计算结果，然后启动基于分区的空间水量均匀分配策略，具体包括如下步骤：
B1，遍历所有计算分区，计算并统计当前分区的天然来水量、水库蓄变量和总需水量并计算分区可供水量与分区需水总量；
B2，遍历并统计与当前分区有水力联系的上游分区的剩余水量，权衡分区可供水量与分区需水总量，水量充足的情况下按照用水需求供水，水量不充足的情况下按照最大供水能力供水；
B3，根据初步分配结果，计算当前分区的缺水率，遍历并计算与当前分区有水力联系的上游分区的缺水率(过滤掉比当前分区更缺水的分区),统计所有相关分区的缺水量与需水量，并根据总需水量与总缺水量重新计算总体缺水率，最后所有相关分区均按照总体缺水率供水；
B4，将均衡后的各用水单元供水量分摊至相应取水口，再带入模型中重新模拟计算并更新当代个体适应度。
启用基于分区的空间水量均匀分配策略后，可使流域中各用水单元均衡取水，都保持在一个相对较高的用水保证率下，避免出现上游个别用水单元用水富足，而下游用水单元极度缺水的情况。
S3中所述采用差分进化算法对取用水问题进行优化，还包括如下步骤：确定调度期与时段尺度、对各汇水区进行来水预报、流域以行政区为单位申报行政区内各用水单元未来一年的逐月需水量，并根据得到的数据对取用水问题进行优化。
通常情况下，调度期可根据流域气象、水文数据的分析和农作物生长特性、不同阶段用水需求来确定，年度水量调度计划的调度步长为月，月度水量调度计划的调度步长为旬；
对各汇水区进行来水预报，可以利用流域各来水区间历史长系列的径流资料，调用中长期径流预报模型预测流域各汇水区调度期的径流过程，从而可进而推求流域未来一年的可供水量；
流域以行政区为单位，申报行政区内各用水单元未来一年的逐月需水量，包括用水单元的各分项用水(农业、工业、生活、生态)；然后，根据流域已制定的水量分配方案，对申报的用水计划进行核定。总体原则是各行政区分配水量不得超过当前来水频率以及规划水平年下规定的取水量，超出部分由各用水单元按照一定比例对分项用水进行折减。
在实际应用过程中，采用差分进化算法对取用水问题进行优化之前，确定调度期与时段尺度、获取来水预报以及各用水单元的需水量，并可以将其作为模型的输入数据，利用模型求出达到最优目标情况下的决策解。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)现有水量调度方法缺乏对空间均匀分配的考虑，而本方法能提高流域内上下游用水户之间供水的均衡性；
(2)基于分区的空间水量均匀分配策略能很好地适应水量调度模型与优化算法，通用性较高；
(3)可提高流域内用水户供水最低保证率，增加子代中可行解的数量。
具体实施例
本发明以桂江流域水资源调度为例，按照专利描述方法，进行按照水资源时空均匀分配规则进行调度计划的编制，与无取水规则编制的调度计划作对比，显著提高流域内上下游用水户之间供水的均衡性。
桂江，珠江流域干流西江水系一级大支流之一，发源于广西第一高峰猫儿山，流经灵川县、桂林市、阳朔县至平乐县与恭城河汇合称桂江，再流经昭平县、苍梧县至梧州市汇入西江干流浔江。本例中考虑桂江流域中的6座水库：斧子口水库、川江水库、小溶江水库、青狮潭水库、昭平水库与京南水库，流域内用水户以行政区的形式概化，包括：兴安县、灵川县、桂林市、阳朔县、平乐县与梧州市，汇水区为各水库上游来水区间以及桂林市区上游区间来水，流域概化图如附图3所示。用水单元沿桂江干流均匀分布，枯水期时极易出现上下游用水户供水分配不均的问题，因此采用基于分区的空间水量均匀分配策略势在必行。实施步骤如下：
采用桂江流域枯水年各站点实测径流数据作为来水输入，各行政区上报用水量作为需水输入，以流域内所有用水单元的供水缺额之和最小为优化目标，由流域内参与调度水库在调度期内的逐时段水位组成模型决策空间，建立水量调度优化模型。根据实际来水与申报用水，采用差分进化算法对取用水问题进行优化，在差分进化算法求解过程中，分别在基于分区的空间水量均匀分配策略与无策略的情况下计算每代个体适应度，最终得到两种情况下未来一年的各用水单元缺水情况，见附图4和附图5所示。若在无策略的情况下进行调度，用水单元最大缺水率达到了68.14％，发生在最下游的梧州市，且下游用水户缺水情况普遍比上游严重得多，原因为上游用水户把河道水量取走后导致下游极度缺水；相反，根据基于分区的空间水量均匀分配策略进行调度时，用水单元最大缺水率为48.94％，显著地提高了用水户的供水保证率，且上下游用水单元缺水率基本保持一致，水量分配结果更加公平合理。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明提供的基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，首先根据流域实际情况概化流域拓扑结构，并根据流域概化拓扑结构划分水量调度分区，然后，建立基于分区可供水量的流域水量调度模型，描述流域水资源调配问题、预报来水、水库调度和取用水户之间联系，再依据调度模型，采用差分进化算法对取用水问题进行优化，在每代个体计算适应度时，启动基于分区的空间水量均匀分配策略，模拟计算各分区的可供水量及需水量并在空间上均衡各用水户分配水量，实现基于水资源时空均匀分配的流域水量调度，从而解决空间上各用水户之间的矛盾，保证流域水资源在空间上能够得到公平合理的分配。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，概化流域拓扑结构，得到流域概化拓扑结构，根据流域概化拓扑结构划分水量调度分区；
S2，根据水量调度分区，建立基于分区可供水量的流域水量调度模型，该模型在计算过程中自适应地均衡考虑各分区缺水情况，其目标函数表示为：
其中，d为流域总体供水缺额，Di，t为第i个用水单元在t时段的需水量，Si,t为第i个用水单元在t时段的计划供水量；
约束条件包括：
水量平衡约束：
Vt+1＝Vt+(It-Qt)Δt (2)
其中，Vt为水库在t时段初的库容，It为t时段水库的平均入库流量，Qt为t时段水库的平均出库流量，Δt为时间变化量；
库水位约束：
其中，和分别为水库在t时段初所允许的运行最高最低水位；
下泄流量约束：
其中，和分别为水库在t时段所允许的最大最小平均下泄流量；
断面流量约束：
其中，为断面在t时段的最低要求平均流量；
S3，采用差分进化算法对取用水问题进行优化，优化目标为使流域内所有用水单元的供水缺额之和最小，即对S2建立的水量调度模型进行求解，使得流域总体供水缺额最小，其中，在差分进化算法每代个体计算适应度时，首先将个体值带入模型中，自上游到下游各用水单元按照用水需求量进行取水；其次，按照S1中划分的水量调度分区统计各分区缺水情况；最后，启动基于分区的空间水量均匀分配策略，具体为：在分配供水量前利用水量调度分区均衡考虑各用水单元缺水情况，使各用水单元尽量达到相同用水保证率，最后将各用水单元供水量折算到相应取水口并带入模型中进行二次计算，最终得到空间优化后的水量分配结果。
2.根据权利要求1所述的基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，其特征在于，S1中，所述根据流域概化拓扑结构划分水量调度分区，具体为：根据流域概化拓扑结构，以河道交叉节点处断面与取水口取水断面节点为界，划分流域水量调度分区。
3.根据权利要求2所述的基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，其特征在于，S3中，所述在分配供水量前利用分区均衡考虑各用水单元缺水率，然后分摊缺水量至各个取水口，具体包括如下步骤
B1，遍历所有计算分区，计算并统计当前分区的天然来水量、水库蓄变量和总需水量并计算分区可供水量与分区需水总量；
B2，遍历并统计与当前分区有水力联系的上游分区的剩余水量，权衡分区可供水量与分区需水总量，水量充足的情况下按照用水需求供水，水量不充足的情况下按照最大供水能力供水；
B3，根据初步分配结果，计算当前分区的缺水率，遍历并计算与当前分区有水力联系的上游分区的缺水率(过滤掉比当前分区更缺水的分区),统计所有相关分区的缺水量与需水量，并根据总需水量与总缺水量重新计算总体缺水率，最后所有相关分区均按照总体缺水率供水；
B4，将均衡后的各用水单元供水量分摊至相应取水口，再带入模型中重新模拟计算并更新当代个体适应度。
4.根据权利要求1所述的基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，其特征在于，S3中所述采用差分进化算法对取用水问题进行优化，还包括如下步骤：确定调度期与时段尺度、对各汇水区进行来水预报、流域以行政区为单位申报行政区内各用水单元未来一年的逐月需水量，并根据得到的数据对取用水问题进行优化。
5.根据权利要求4所述的基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，其特征在于，所述确定调度期与时段尺度，具体为，调度期根据流域气象、水文数据的分析和农作物生长特性、不同阶段用水需求来确定，年度水量调度的步长为月，月度水量调度的步长为旬。
6.根据权利要求5所述的基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，其特征在于，所述流域以行政区为单位申报行政区内各用水单元未来一年的逐月需水量，其中，需水量包括用水单元的各分项用，判断需水量是否超出当前来水频率以及规划水平年下规定的取水量，如果超出，则用水单元按照一定比例对分项用水进行折减。
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