CN109685685B - 一种基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法 - Google Patents

一种基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，步骤为：S1构建水资源宏观配置模型并得水资源宏观配置方案；S2概化水资源多目标均衡调度系统并进行参数设置；S3基于水资源宏观配置方案，从模型计算时段角度耦合时间序列，从各用水户需水量及生态节点处旬均径流量值耦合目标函数；从各水源可供水量及各用水户需水量耦合约束条件；S4构建水资源多目标均衡调度模型，采用高斯优化混沌粒子群算法求解得到多目标均衡解；S5判断多目标均衡解是否满足最优均衡解，不满足重复S4；满足输出最优解。该方法能够精准考虑水资源分配过程中的实时影响与事前约束因素，为决策者提供更为合理的水资源调度方案，利用有限的水资源来发挥最大供水效益。

Description

一种基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法
技术领域
本发明属于水资源配置与调度技术领域，具体涉及一种基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法。
背景技术
21世纪以来，随着城市规模的不断扩大以及经济条件的不断改善，同时伴随着城市发展定位的逐步深入，城市对水资源的需求量呈稳定增长至相对平缓的趋势，不同行业间用水对水质要求的差异性越来越明显，这给城市水资源调配工作带来了一定的挑战。同时，为了缓解城市水资源相对紧张的局面，对水资源进行科学的规划以及合理的调度显得尤为必要。
现有的水资源调度方法通常是基于水利工程安全的前提下，依据水利工程的运行规则及性能对已知的水资源量进行供水策略的制定，其最大的约束在于水利工程的运行性能以及所能支配的水资源量。而与之功能类似的水资源调配方式还有对水资源的宏观配置，两者可以做如下理解：通过水资源合理配置来实现宏观层面的水资源整体规划，通过水资源调度能结合水利工程将水资源落实到微观调配实践当中。
水资源宏观配置和微观调度是实现水资源合理调配的两个不可分割的步骤，但现有的技术尚未有耦合两者的深入研究。水资源配置和调度耦合研究的必要性如下：水资源合理配置的模拟是根据多年历史来水系列和相应年份的用水资料，建立合理配置模型进行长系列运行操作求得的，它反映了在多年来水情况下，为获得全系统最佳效益所应遵循的调度方式，在通常情况下，可利用该配置模型制订年调度运行计划，并可获得相应多年系列的最佳效益，然而，把该配置模型应用于某个具体调度时段(如旬、日等)进行调度时，未必能获得最佳效益，甚至出现较大的偏差，同时这种模型也无法准确描述系统在具体调度时段的状态，无法给出某一具体时段的调度过程，所以需要研究水资源在具体时段的最优调度决策。另外，水资源调度方案除了受到当前条件下各行业用水需求形势、经济政策、水资源禀赋等多种因素影响，同时也受到水利有关部门水量宏观配置方案的严格约束，因此需要在事前约束与实时影响之间取得水资源调度方案的均衡解。因此，如何实现水资源宏观配置与水资源微观调度的紧密耦合是今后在水资源调配研究领域中应该着重思考的课题。
发明内容
本发明的目的是通过水资源宏观规划与微观调度运行的紧密耦合，实现在水资源分配过程中同时考虑事前约束与实时影响因素，从而实现水资源调度方案的最优均衡解。
本发明采用上述的技术目的，采用如下的技术方案。
本发明的一种基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，包括以下步骤：
S1构建水资源宏观配置模型，并运行得出最优的水资源宏观配置方案；
S2概化水资源多目标均衡调度系统，并进行模型参数设置；
S3基于水资源宏观配置方案，耦合多目标均衡调度模型的时间序列，目标函数和约束条件；
S4构建水资源多目标均衡调度模型，采用高斯优化混沌粒子群算法(GCPSO)对模型进行求解并得到多目标均衡解；
S5判断多目标均衡解是否满足全时段、各计算分区最优均衡解，若不满足，重复S4；若满足，则输出水资源多目标均衡调度最优解。
本发明的基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，进一步的，步骤S3包括，
S31从模型计算时段的角度，耦合多目标均衡调度模型的时间序列；
S32从各用水户需水量及自然状态下各生态节点处旬均径流量值两个指标出发，耦合多目标均衡调度模型的目标函数；
S33从各水源可供水量及各用水户需水量两个指标出发，耦合多目标均衡调度模型的约束条件。
本发明的基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，进一步的，
步骤S1，水资源宏观配置模型构建过程中，考虑规划层面的相关控制条件与原则，包括水量平衡条件、水资源总量控制条件、节水优先原则等，得出各水源利用方案以及社会经济需水方案，具体内容包括生态节点处月均径流量值，不同水利工程合理供水范围，不同水源实际供水量，和各用户实际供水量；水资源宏观配置方案以月为计算时段。
本发明的基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，进一步的，步骤S2，水资源多目标均衡调度系统概化过程中，以供需平衡分析为基础绘制概化系统网络图，网络图包括节点、水传输系统、分区；同时对系统参数进行设置。
本发明的基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，进一步的，节点包括计算分区、水库、引提水枢纽、输水交汇点、湖泊及湿地；
水传输系统分为供水系统和弃水系统，供水系统有人工渠系和天然河道两类，弃水系统主要指河道输水和计算分区排水系统；
分区包括流域和行政分区，属于相同分区的各类节点都应位于相应的平面内，且上游水资源分区断面的出境水量是下游水资源分区的入境水量；
多目标均衡调度模型的参数包括渠系、河道、排水渠道的蒸发和渗漏比例、当地未控径流可利用水量比例、计算分区灌溉渠系蒸发、渗漏及入河比例。
本发明的基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，进一步的，步骤S31耦合后的时间序列以旬为计算时段，通过事先根据各计算分区内生活、生产、生态需水的时间分布特征，对水资源宏观配置模型的方案结果进行数据预处理；
生活用水、生态用水、工业用水需水量旬数据可通过配置方案中的月数据平均求得；
农业用水参考当地农业灌溉制度表，根据农作物种类、种植结构及灌溉定额划分成旬数据。
本发明的基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，进一步的，步骤S32目标函数的耦合，在社会效益目标中，以水资源宏观配置方案生成的各分区各用水户实际供水量耦合代替多目标均衡调度模型中的各用水户需水量；在生态效益目标中，以宏观配置方案所得的旬均径流量值耦合代替自然状态下旬均径流量值；
耦合后的目标函数表达式为：
社会效益目标：
Figure BDA0001926696380000031
经济效益目标：
Figure BDA0001926696380000032
生态效益目标：
Figure BDA0001926696380000033
Figure BDA0001926696380000034
式中，由水资源宏观配置方案耦合得到的有Wtij、Nme,m，分别表示第t时段第j个计算分区内第i类用水户需水量，万m3，以及自然状态下各生态节点处的旬均流量值，m3/s；
Gstij、Ggtij、Gdtij、Grtij分别表示第t时段第j个计算分区内地表水、地下水、外调水和再生水分别供给第i类用水户水量，万m3；
Bstij、Bgtij、Bdtij、Brtij分别表示第t时段第j个计算分区内第i类用水户分别从当地地表水、当地地下水、外调水及再生水取单位水量所产生的效益，元/万m3；
Cstij、Cgtij、Cdtij、Crtij分别表示第t时段第j个计算分区内第i类用水户分别从当地地表水、当地地下水、外调水及再生水取单位水量所需的费用，元/万m3；
Nm0,m表示实施调度后各生态节点处的旬均流量值，m3/s；Mm表示实施调度后与自然状态下各生态节点的旬均流量值偏差百分率，％。
本发明的基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，进一步的，步骤S33的约束条件的耦合时，各水源供给各用水户供水量之和不超过宏观配置模型中各水源实际供水量；调度模型中各用水户实际需水情况以水资源宏观配置模型输出的各计算分区内各用水户供水量耦合代替，并根据不同用水户用水保证率的高低调整各水源在不同用水户之间的供水比例；
耦合后的约束条件表达式为：
(1)各水源供水能力约束
当地地表水可供水量约束：
Figure BDA0001926696380000041
当地地下水可开采量约束：
Figure BDA0001926696380000042
外调水可供水量约束：
Figure BDA0001926696380000043
再生水可供水量约束：
Figure BDA0001926696380000044
式中，由水资源宏观配置方案耦合得到的有Wstj、Wgtj、Wdtj、Wrtj，分别表示第t时段第j个计算分区内当地地表水、当地地下水、外调水及再生水的实际可供水量，万m3；
(2)各用水户需水能力约束
城镇生活需水量约束(优先保证)：Wt1j≤Gst1j+Ggt1j+Gdt1j≤Ut1j；
农村生活需水量约束(优先保证)：Wt5j≤Gst5j+Ggt5j+Gdt5j≤Ut5j；
河道外生态需水量约束：βsWt3j≤Gst3j+Ggt3j+Gdt3j+Grt3j≤Ut3j；
工业、农业需水量约束：Gt2j+Gt4j≤Max{(Wt2j+Wt4j),(Wtj-Gt1j-Gt3j-Gt5j)}；
Gt1j＝Gst1j+Ggt1j+Gdt1j；
Gt2j＝Gst2j+Ggt2j+Gdt2j+Grt2j；
Gt3j＝Gst3j+Ggt3j+Gdt3j+Grt3j；
Gt4j＝Gst4j+Ggt4j+Gdt4j+Grt4j；
Gt5j＝Gst5j+Ggt5j+Gdt5j；
Figure BDA0001926696380000045
式中，由水资源宏观配置方案耦合得到的有Wt1j、Wt2j、Wt3j、Wt4j、Wt5j、Wtj，分别表示第t时段第j个计算分区内城镇生活、工业及三产、河道外生态、农业、农村生活需水量以及各用水户需水总量，万m3；
Ut1j、Ut3j、Ut5j分别表示第t时段第j个计算分区内城镇生活、河道外生态及农村生活预测需水量，万m3，在水资源宏观配置模型前计算求得；
βs表示河道外生态需水量满足系数，βs≤1，可根据情况取若干值进行计算，也可根据区域对河道外生态环境需水的特殊要求，取计算后的特定值进行计算，并以此供区域水资源调度决策参考；
Gt1j、Gt2j、Gt3j、Gt4j、Gt5j分别表示第t时段第j个计算分区内各种水源给城镇生活、工业及三产、河道外生态、农业及农村生活总供水量，万m3。
本发明的基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，进一步的，步骤S4，高斯优化混沌粒子群算法是在引入混沌原理的同时，引入高斯函数惩罚系数对标准的粒子群算法进行改进后而形成。
本发明的基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，进一步的，步骤S5，水资源多目标均衡解包括不同规划水平年不同来水条件下的水资源多目标均衡调度供需平衡分析结果以及各重要水库下泄流量情况。
本发明采用上述技术方案，取得如下的技术效果。
该方法从水资源宏观配置与微观调度运行的角度将水资源调配的两种不同尺度的方法耦合起来，提供了一种基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法。
水资源宏观配置可以在综合考虑区域用水需求增加、各类水源可供水量变动、水利工程建设等多种因素的前提下，从宏观层面总量控制区域水量调度方案，对研究区域的水量传递与转换关系进行总体有效调控，从而确定天然水循环与人工侧支水循环下区域水利工程的实际入流。同时，通过水资源宏观配置系统的多次模拟，能够清晰界定特定水利工程的合理供水范围以及区域内各水源、各用水户合理供水量，从而为区域水资源调度提供可靠的边界条件。
该方法能够较为精准地考虑水资源分配过程中一些实时影响与事前约束因素，可以为决策者提供更为合理的水资源调度方案，从而充分利用有限的水资源来发挥最大的供水效益。
附图说明
图1为本发明的一种基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法的技术路线图；
图2为实施例中济南市水资源多目标均衡调度概化网络图；
图3为实施例中近期杏林水库下泄流量图；
图4为实施例中近期石店水库下泄流量图；
图5为实施例中中期杏林水库下泄流量图；
图6为实施例中中期石店水库下泄流量图；
图7为实施例中远期杏林水库下泄流量图；
图8为实施例中远期石店水库下泄流量图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案进行进一步的描述，使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施。
一种基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，该方法包括以下步骤：
S1构建水资源宏观配置模型，并运行得出最优水资源宏观配置方案；
S2概化水资源多目标均衡调度系统，并进行模型参数设置；
S3基于水资源宏观配置方案，耦合多目标均衡调度模型的时间序列、目标函数和约束条件；
S4构建水资源多目标均衡调度模型，采用高斯优化混沌粒子群算法(GCPSO)对模型进行求解并得到多目标均衡解；
S5判断多目标均衡解是否满足全时段、各计算分区最优均衡解，若不满足，重复S4；若满足，则输出水资源多目标均衡调度最优解。
具体的，步骤S3，包括：
S31从模型计算时段的角度，耦合多目标均衡调度模型的时间序列；
S32从各用水户需水量及自然状态下各生态节点处旬均径流量值两个指标出发，耦合多目标均衡调度模型的目标函数；
S33从各水源可供水量及各用水户需水量两个指标出发，耦合多目标均衡调度模型的约束条件；
进一步的，步骤S1水资源宏观配置模型构建过程中，考虑规划层面的相关控制条件与原则，包括水量平衡条件、水资源总量控制条件、节水优先原则等；同时，步骤S1运行得出的水资源宏观配置方案以月为计算时段。更为具体的，得到各水源利用方案以及社会经济需水方案，具体内容包括各生态节点处月均径流量，不同水源实际供水量，和各用户实际供水量。以上均为月数据。同时各水源利用方案中还包括不同水利工程合理供水范围。
进一步的，步骤S2水资源多目标均衡调度系统概化，以供需平衡分析为基础绘制出概化系统网络图。具体的，得到包括节点、水传输系统和分区的概化系统网络图；同时对系统参数进行设置。
网络图的节点包括计算分区、水库、引提水枢纽、输水交汇点、湖泊及湿地等；
水传输系统分为供水系统和弃水系统，供水系统有人工渠系和天然河道两类，弃水系统主要指河道输水和计算分区排水系统；
分区主要包括流域和行政分区，属于相同分区的各类节点都应位于相应的平面内，且上游水资源分区断面的出境水量是下游水资源分区的入境水量。
多目标均衡调度模型的参数主要包括渠系、河道、排水渠道的蒸发和渗漏比例、当地未控径流可利用水量比例、计算分区灌溉渠系蒸发、渗漏及入河比例等。
进一步的，步骤S31耦合后的时间序列以旬为计算时段。通过事先根据各计算分区内生活、生产、生态需水的时间分布特征，对水资源宏观配置模型的方案结果进行数据预处理。
生活用水作为区域供水级别最高的用水户，其需水量主要跟区域人口及生活用水定额有关，需水过程相对比较均匀，因此生活需水量旬数据可通过配置方案中的月数据平均求得；
生态用水与生活用水类似，其需水量主要跟区域生态环境面积及生态用水定额有关，其需水过程也相对较均匀，因此也可通过月数据平均求得；
工业用水主要跟区域内各企业性质及工作时间有关，除特殊工业用水外，大部分工业用水过程在年内也无较大变化，因此亦可通过月数据平均求得；
农业用水作为区域用水大户，其用水过程与当地灌溉制度等有着极大关系，因此在处理配置方案月数据时，应参考当地农业灌溉制度表，根据农作物种类、种植结构及灌溉定额等合理划分成旬数据。
进一步的，步骤S32目标函数的耦合具体体现在：在社会效益目标中，以水资源宏观配置方案生成的各分区各用水户实际供水量耦合代替多目标均衡调度模型中的各用水户需水量；在生态效益目标中，以宏观配置方案所得的旬均径流量值耦合代替自然状态下旬均径流量值。
所述耦合后的目标函数表达式为：
社会效益目标：
Figure BDA0001926696380000071
经济效益目标：
Figure BDA0001926696380000072
生态效益目标：
Figure BDA0001926696380000073
Figure BDA0001926696380000081
式中，由水资源宏观配置方案耦合得到的有Wtij、Nme,m，分别表示第t时段第j个计算分区内第i类用水户需水量，万m3，以及自然状态下各生态节点处的旬均流量值，m3/s。另外，Gstij、Ggtij、Gdtij、Grtij分别表示第t时段第j个计算分区内地表水、地下水、外调水和再生水分别供给第i类用水户水量，万m3；Bstij、Bgtij、Bdtij、Brtij分别表示第t时段第j个计算分区内第i类用水户分别从当地地表水、当地地下水、外调水及再生水取单位水量所产生的效益，元/万m3；Cstij、Cgtij、Cdtij、Crtij分别表示第t时段第j个计算分区内第i类用水户分别从当地地表水、当地地下水、外调水及再生水取单位水量所需的费用，元/万m3；Nm0,m表示实施调度后各生态节点处的旬均流量值，m3/s；Mm表示实施调度后与自然状态下各生态节点的旬均流量值偏差百分率，％。
进一步的，步骤S33所述约束条件的耦合具体体现在：各水源供给各用水户供水量之和应不超过宏观配置模型中各水源实际供水量；多目标均衡调度模型中各用水户实际需水情况可以水资源宏观配置模型输出的各计算分区内各用水户供水量耦合代替，并根据不同用水户用水保证率的高低调整各水源在不同用水户之间的供水比例。
所述耦合后的约束条件表达式为：
各水源供水能力约束
当地地表水可供水量约束：
Figure BDA0001926696380000082
当地地下水可开采量约束：
Figure BDA0001926696380000083
外调水可供水量约束：
Figure BDA0001926696380000084
再生水可供水量约束：
Figure BDA0001926696380000085
式中，由水资源宏观配置方案耦合得到的有Wstj、Wgtj、Wdtj、Wrtj，分别表示第t时段第j个计算分区内当地地表水、当地地下水、外调水及再生水的实际可供水量，万m3。
(2)各用水户需水能力约束
城镇生活需水量约束(优先保证)：Wt1j≤Gst1j+Ggt1j+Gdt1j≤Ut1j
农村生活需水量约束(优先保证)：Wt5j≤Gst5j+Ggt5j+Gdt5j≤Ut5j
河道外生态需水量约束：βsWt3j≤Gst3j+Ggt3j+Gdt3j+Grt3j≤Ut3j
工业、农业需水量约束：Gt2j+Gt4j≤Max{(Wt2j+Wt4j),(Wtj-Gt1j-Gt3j-Gt5j)}
Gt1j＝Gst1j+Ggt1j+Gdt1j
Gt2j＝Gst2j+Ggt2j+Gdt2j+Grt2j
Gt3j＝Gst3j+Ggt3j+Gdt3j+Grt3j
Gt4j＝Gst4j+Ggt4j+Gdt4j+Grt4j
Gt5j＝Gst5j+Ggt5j+Gdt5j
Figure BDA0001926696380000091
式中，由水资源宏观配置方案耦合得到的有Wt1j、Wt2j、Wt3j、Wt4j、Wt5j、Wtj，分别表示第t时段第j个计算分区内城镇生活、工业及三产、河道外生态、农业、农村生活需水量以及各用水户需水总量，万m3；Ut1j、Ut3j、Ut5j分别表示第t时段第j个计算分区内城镇生活、河道外生态及农村生活预测需水量，万m3，在水资源宏观配置模型前计算求得；βs表示河道外生态需水量满足系数，βs≤1，可根据情况取若干值进行计算，也可根据区域对河道外生态环境需水的特殊要求，取计算后的特定值进行计算，并以此供区域水资源调度决策参考；Gt1j、Gt2j、Gt3j、Gt4j、Gt5j分别表示第t时段第j个计算分区内各种水源给城镇生活、工业及三产、河道外生态、农业及农村生活总供水量，万m3。
进一步的，步骤S4所述GCPSO算法是在引入混沌原理的同时，通过引入高斯函数惩罚系数对标准的粒子群算法进行改进后而形成的一种具有较强寻优能力的优化算法。其具体求解步骤不是本项发明的重点内容，因而在此不展开赘述。
进一步的，步骤S5所述水资源多目标均衡解包括不同规划水平年不同来水条件下的水资源多目标均衡调度供需平衡分析结果以及各重要水库下泄流量情况。
以下以济南市为例，采用基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法对其水资源进行合理有效分配。
济南市是山东省省会，是山东省政治、经济、文化中心和交通枢纽，是历史文化名城，因泉水众多，被誉为“泉城”，且作为全国第一座水生态文明建设试点城市，其水资源与社会经济、生态环境的协调可持续发展已经提升到了一个更为重要的高度。济南市现状水资源开发利用率为63.6％，其中，地表水开发率为39.2％，地下水开采率为52.8％，由此可以看出，济南市水资源尚有一定的开发利用潜力，但考虑到水生态文明城市建设要求，以及济南市应急水源和战略储备水源的建设等，未来进一步大规模开发利用水资源的潜力不大；现状下垫面条件下，济南市人均水资源量为245.1m3，远低于国际公认的人均水资源量标准，属于严重缺水地区；另外，济南市需水量大户主要集中分布在主城区和东部地区，而与需水量分布不相适宜的是其供水水源主要分布在南部、西部和北部区域，供需在空间上极度不协调；济南市供水水源多样化、水源地众多，但现状供水水源比较单一，城区水源仅以黄河水为主，且南部地表水利用量较少，工业企业再生水利用量较少，多水源间缺少互备互调；同时，济南市作为著名的“泉城”，为保持城区泉水的常年喷涌必须限制地下水的开采量，为此停止了城区地下水源地和自备井地下水的开采，在一定程度上限制了济南市城区地下水的供水能力，可见保泉与供水的矛盾较为突出。因此，亟需对济南市水资源进行合理、有效地分配，提高水资源利用效率，为济南市社会经济以及生态环境的可持续协调发展奠定良好的水资源条件。
S1根据前述方法，构建水资源宏观配置模型，并运行得出最优水资源宏观配置方案。
S2水资源多目标均衡调度系统概化与参数设置。
根据济南市水资源系统的特点和现状、规划的水利工程情况以及水资源调度的要求等，将水资源系统中各计算分区、重要水利工程及河渠道交汇点等作为概化网络图的各类节点，并且各节点间通过河渠道及相关的供用耗排水线路进行连接，形成济南市水资源多目标均衡调度概化网络图，如图2所示。
济南市河流分属黄河流域、海河流域和淮河流域，市辖历下区、市中区、槐荫区、天桥区、历城区、长清区、章丘市、平阴县、济阳县及商河县，其中历下区、市中区、槐荫区、天桥区和历城区又可统称为城五区，考虑到行政分区在基础经济社会资料条件和行政管理上的便利以及流域水资源特性要求等，在计算分区上以流域分区套县市进行划分，最终概化出的系统网络图上共划分为6个计算分区。
选取与济南市供水有直接关系的12座重要水库作为重要水利工程，包括卧虎山水库、锦绣川水库、石店水库、崮头水库、狼猫山水库、杜张水库、垛庄水库、大站水库、杏林水库以及东湖水库、鹊山水库和玉清湖水库。值得说明的是，除河渠道交汇点作为重要节点外，在各流域重要河流的源流和末端均需设置流域控制性工程断面作为流域水量考核断面，用以反映该流域的来水和下泄情况。
根据济南市现状水资源禀赋条件及规划水利工程建设等情况，最终确定出其水文控制站点、引水汇水节点、排水节点、流域水资源分区控制断面等22个，其中海河流域3个、淮河流域8个、黄河流域11个；水库共计12座，其中山丘区水库9座、平原区水库3座；概化成地表水供水渠道13条、外调水渠道15条(其中包括南水北调济平干渠在济南市的3段)、河段32条、排水渠道9条。
根据济南市1956-2014年长系列水文统计资料以及近几年统计和调研资料等，确定调度模型各项参数。
S3基于水资源宏观配置方案，耦合多目标均衡调度模型的时间序列、目标函数和约束条件。
S31从模型计算时段的角度，耦合多目标均衡调度模型的时间序列。
根据济南市生活、生产、生态需水的时间分布特征，将水资源宏观配置方案中的数据进行预处理。生活、生态及工业用水直接将月数据平均成旬数据求得，农业用水根据济南市灌溉制度表进行预处理求得。
S32从各用水户需水量及自然状态下各生态节点处旬均径流量值两个指标出发，耦合多目标均衡调度模型的目标函数。
S33从各水源可供水量及各用水户需水量两个指标出发，耦合多目标均衡调度模型的约束条件。
S4构建水资源多目标均衡调度模型，采用高斯优化混沌粒子群算法(GCPSO)对模型进行求解并得到多目标均衡解；
S5判断多目标均衡解是否满足全时段、各计算分区最优均衡解，若不满足，重复S4；若满足，则输出水资源多目标均衡调度最优解。
最终得出济南市近期(现状年，2014年)、中远期(2020年、2030年)不同来水条件下(平水年、偏枯水年及特枯水年)水资源多目标均衡调度结果，分别见表1至3；
同时，可得出不同来水条件下各重要水库下泄流量情况与水库下游河道生态基流量的对比结果，本案例中选取淮河流域的杏林水库以及黄河流域的石店水库为例，着重分析其下游河道生态基流保证率结果，见图3至8。
表1济南市近期(2014年)不同来水条件下河道外水资源供需平衡分析结果单位：106m3、％
Figure BDA0001926696380000111
Figure BDA0001926696380000121
表2济南市中期(2020年)不同来水条件下河道外水资源供需平衡分析结果单位：106m3、％
Figure BDA0001926696380000122
Figure BDA0001926696380000131
表3济南市远期(2030年)不同来水条件下河道外水资源供需平衡分析结果单位：106m3、％
Figure BDA0001926696380000132
Figure BDA0001926696380000141
济南市基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度结果的具体分析过程如下：
(1)济南市河道外水资源供需平衡结果分析
由表1至3可以看出，近期，济南市各计算分区河道外社会经济及生态环境用水在平水年均不缺水；偏枯水年各计算分区均呈现出不同程度的缺水现象，其中章丘市缺水率最高，为6.31％，但尚在可控范围内；特枯水年全市缺水率为8.39％，尚在可控范围内。中远期，济南市各计算分区河道外社会经济及生态环境用水在平水年均不缺水；偏枯水年来水条件下，中远期全市整体呈现出缺水现象，分别为3.11％、3.50％，城五区缺水率分别为2.64％、2.75％；特枯水年各计算分区也呈现出一定的缺水现象，中远期最高缺水率均发生在商河县，分别为6.57％、7.47％，但均在可控范围内。由此可以看出，采用本发明提出的基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法对济南市近期、中远期水资源进行调度后，能够有效改善现状条件下济南市河道外局部缺水的现象，且能够提高济南市整体水资源利用效益，为济南市社会经济发展提供良好的水资源基础条件。
(2)济南市河道内生态用水保证率结果分析
由图3至8可以看出，近期，在平水年及偏枯水年来水条件下，济南市各控制性水库河道下泄量均能满足其相应河流的生态基流要求，且河道内生态用水保证率能够达到75％；特枯水年来水条件下，尚不能满足生态基流要求，特别是玉符河上卧虎山水库河道下泄量在任何月份均为0，经分析，这与济南市近几年在南部山区实行“回灌补源”有关。中期，在加大外调水量及实现东联供水工程后，除特枯水年外，在任何来水条件下，各水库下泄流量均分别能满足其相应河道内生态基流要求，即各河道生态基流保证率能达到75％。远期，在进一步加大调引黄河、长江水后，各水库下泄量均能确保其相应下游河道生态基流保证率在90％及以上。由此可以看出，采用本发明提出的基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法对济南市近期、中远期水资源进行调度后，能够有效改善济南市河道内生态用水在部分年份及月份得不到满足的现状，为济南市河道内生态环境保护及水生态文明城市建设提供了重要的水资源基础，且为济南市“泉城”的持续发展提供了重要保障。
本发明提供的技术方案，不受上述实施例的限制，凡是利用本发明的结构和方式，经过变换和代换所形成的技术方案，都在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1构建水资源宏观配置模型，并运行得出最优的水资源宏观配置方案；
S2概化水资源多目标均衡调度系统，并进行模型参数设置；
S3基于水资源宏观配置方案，耦合多目标均衡调度模型的时间序列，目标函数和约束条件；
S4构建水资源多目标均衡调度模型，采用高斯优化混沌粒子群算法对模型进行求解并得到多目标均衡解；
S5判断多目标均衡解是否满足全时段、各计算分区最优均衡解，若不满足，重复S4；若满足，则输出水资源多目标均衡调度最优解；
其中，步骤S3包括，
S31从模型计算时段的角度，耦合多目标均衡调度模型的时间序列；
S32从各用水户需水量及自然状态下各生态节点处旬均径流量值两个指标出发，耦合多目标均衡调度模型的目标函数；
S33从各水源可供水量及各用水户需水量两个指标出发，耦合多目标均衡调度模型的约束条件；
步骤S31耦合后的时间序列以旬为计算时段，通过事先根据各计算分区内生活、生产、生态需水的时间分布特征，对水资源宏观配置模型的方案结果进行数据预处理；
生活用水、生态用水、工业用水需水量旬数据通过配置方案中的月数据平均求得；
农业用水参考当地农业灌溉制度表，根据农作物种类、种植结构及灌溉定额划分成旬数据；
步骤S32目标函数的耦合，在社会效益目标中，以水资源宏观配置方案生成的各分区各用水户实际供水量耦合代替多目标均衡调度模型中的各用水户需水量；在生态效益目标中，以宏观配置方案所得的旬均径流量值耦合代替自然状态下旬均径流量值；
耦合后的目标函数表达式为：
社会效益目标：
Figure FDA0002574515920000011
经济效益目标：
Figure FDA0002574515920000012
生态效益目标：
Figure FDA0002574515920000013
Figure FDA0002574515920000021
式中，由水资源宏观配置方案耦合得到的有Wtij、Nme,m，分别表示第t时段第j个计算分区内第i类用水户需水量，万m3，以及自然状态下各生态节点处的旬均流量值，m3/s；
Gstij、Ggtij、Gdtij、Grtij分别表示第t时段第j个计算分区内地表水、地下水、外调水和再生水分别供给第i类用水户水量，万m3；
Bstij、Bgtij、Bdtij、Brtij分别表示第t时段第j个计算分区内第i类用水户分别从当地地表水、当地地下水、外调水及再生水取单位水量所产生的效益，元/万m3；
Cstij、Cgtij、Cdtij、Crtij分别表示第t时段第j个计算分区内第i类用水户分别从当地地表水、当地地下水、外调水及再生水取单位水量所需的费用，元/万m3；
Nm0,m表示实施调度后各生态节点处的旬均流量值，m3/s；Mm表示实施调度后与自然状态下各生态节点的旬均流量值偏差百分率，％；
步骤S33的约束条件的耦合时，各水源供给各用水户供水量之和不超过宏观配置模型中各水源实际供水量；调度模型中各用水户实际需水情况以水资源宏观配置模型输出的各计算分区内各用水户供水量耦合代替，并根据不同用水户用水保证率的高低调整各水源在不同用水户之间的供水比例；
耦合后的约束条件表达式为：
(1)各水源供水能力约束
当地地表水可供水量约束：
Figure FDA0002574515920000022
当地地下水可开采量约束：
Figure FDA0002574515920000023
外调水可供水量约束：
Figure FDA0002574515920000024
再生水可供水量约束：
Figure FDA0002574515920000025
式中，由水资源宏观配置方案耦合得到的有Wstj、Wgtj、Wdtj、Wrtj，分别表示第t时段第j个计算分区内当地地表水、当地地下水、外调水及再生水的实际可供水量，万m3；
(2)各用水户需水能力约束
城镇生活需水量约束：Wt1j≤Gst1j+Ggt1j+Gdt1j≤Ut1j；
农村生活需水量约束：Wt5j≤Gst5j+Ggt5j+Gdt5j≤Ut5j；
河道外生态需水量约束：βsWt3j≤Gst3j+Ggt3j+Gdt3j+Grt3j≤Ut3j；
工业、农业需水量约束：Gt2j+Gt4j≤Max{(Wt2j+Wt4j),(Wtj-Gt1j-Gt3j-Gt5j)}；
Gt1j＝Gst1j+Ggt1j+Gdt1j；
Gt2j＝Gst2j+Ggt2j+Gdt2j+Grt2j；
Gt3j＝Gst3j+Ggt3j+Gdt3j+Grt3j；
Gt4j＝Gst4j+Ggt4j+Gdt4j+Grt4j；
Gt5j＝Gst5j+Ggt5j+Gdt5j；
Figure FDA0002574515920000031
式中，由水资源宏观配置方案耦合得到的有Wt1j、Wt2j、Wt3j、Wt4j、Wt5j、Wtj，分别表示第t时段第j个计算分区内城镇生活、工业及三产、河道外生态、农业、农村生活需水量以及各用水户需水总量，万m3；
Ut1j、Ut3j、Ut5j分别表示第t时段第j个计算分区内城镇生活、河道外生态及农村生活预测需水量，万m3，在水资源宏观配置模型前计算求得；
βs表示河道外生态需水量满足系数，βs≤1；
Gt1j、Gt2j、Gt3j、Gt4j、Gt5j分别表示第t时段第j个计算分区内各种水源给城镇生活、工业及三产、河道外生态、农业及农村生活总供水量，万m3。
2.根据权利要求1所述的基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，其特征在于：
步骤S1，水资源宏观配置模型构建过程中，考虑规划层面的相关控制条件与原则，包括水量平衡条件、水资源总量控制条件、节水优先原则，得出各水源利用方案以及社会经济需水方案，具体内容包括各生态节点处月均径流量值，不同水利工程合理供水范围，不同水源实际供水量，和对各用水户实际供水量；水资源宏观配置方案以月为计算时段。
3.根据权利要求1所述的基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，其特征在于：
步骤S2，水资源多目标均衡调度系统概化过程中，以供需平衡分析为基础绘制概化系统网络图，网络图包括节点、水传输系统、分区；同时对系统参数进行设置。
4.根据权利要求3所述的基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，其特征在于：
节点包括计算分区、水库、引提水枢纽、输水交汇点、湖泊及湿地；
水传输系统分为供水系统和弃水系统，供水系统有人工渠系和天然河道两类，弃水系统主要指河道输水和计算分区排水系统；
分区包括流域和行政分区，属于相同分区的各类节点都应位于相应的平面内，且上游水资源分区断面的出境水量是下游水资源分区的入境水量；
多目标均衡调度模型的参数包括渠系、河道、排水渠道的蒸发和渗漏比例、当地未控径流可利用水量比例、计算分区灌溉渠系蒸发、渗漏及入河比例。
5.根据权利要求1所述的基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，其特征在于：
步骤S4，高斯优化混沌粒子群算法是在引入混沌原理的同时，引入高斯函数惩罚系数对标准的粒子群算法进行改进后而形成。
6.根据权利要求1所述的基于宏观配置方案的水资源多目标均衡调度方法，其特征在于：
步骤S5，水资源多目标均衡解包括不同规划水平年不同来水条件下的水资源多目标均衡调度供需平衡分析结果以及各重要水库下泄流量情况。
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