CN109948235B - 水资源调度与精准化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水资源调度与精准化配置方法，该方法首先将用水户分类并进行相应的需水量计算，其次建立并求解水量模拟模型，得到河道各重要断面的实时水位，再针对不同类型闸站，根据其主要功能制定相应的调度规则，得到相应的调度方案，最后对调度方案进行调整。本发明基于多目标、多层次针对研究区从供水、防洪、发电等角度综合考虑水资源调配目标，且从多维时间、空间角度选择不同的计算模式，有利于实现更加精细化的水资源供需分析，有助于制定更加符合实际情况的调度方案，具有广泛的应用前景。

Description

水资源调度与精准化配置方法

技术领域

本发明涉及水资源调度与配置方法，尤其是一种多目标、多层次下的水资源调度与精准化配置方法。

背景技术

世界多地均存在水资源时空分布不均匀的现象，水资源短缺和水环境恶化问题严重影响经济社会的可持续发展；这些问题很大程度上是水资源的不合理利用造成的，需要加强水资源的管理和调控；流域水资源调配研究始于上世纪中叶，发展至今已成为实现水资源可持续利用的重要手段。

目前，水资源调配技术大多从宏观层次进行水资源的分配，以水资源分区或者行政分区作为计算单元统计不同用户的供需情况，即简单的水源-用户模式，无法从微观层次进一步统计灌区、取水口的水资源利用情况；并且由于水利工程运行情况较为复杂，仅考虑供水为目标的水资源调度往往不能反映实际调度，因此需要综合考虑防洪、发电、供水、航运等目标制定更加符合实际情况的调度。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种多目标、多层次的水资源调度与精准化配置方法，通过建立水源-取水口-用水户水位的微观调控模式，实现更加精细化的水资源供需分析，并使调度方案更符合实际情况。

技术方案：为实现以上目的，本发明所述的水资源调度与精准化配置方法包括以下步骤：

(1)按是否直接从干线取水将用水户分成干线用水户和面上用水户，分别进行需水量计算；

(2)建立水量模拟模型，对水量模拟模型进行求解，得到河道断面的实时水位；

(3)针对包括泵站、闸门、船闸在内的不同类型闸站，制定相应的调度规则，得到相应的调度方案；

(4)核定闸站调度方案是否满足防洪、发电要求，将出流量调整至约束条件的边界，重复上述计算步骤(1)-(4)直至闸站调度方案实现水资源的供需平衡。

进一步地，步骤(1)中，干线用水户按其功能分为农业、工业、生活、船闸和生态五类，农业需水根据灌溉制度和灌溉面积进行计算，工业、生活、船闸和生态需水按定额法进行计算；面上用水户作为受水区河道出流量直接从河道中扣除。

进一步地，步骤(2)中，水量模拟模型包括产流模拟、汇流模拟及河网水流运动。

进一步地，对于产流模拟，不同下垫面利用不同产流模型分别计算，利用水文分析法和人工调试法确定模型参数；对于汇流模拟，利用汇流曲线法模拟河道汇流；对于河网水流运动，利用一维水动力学模型理论模拟水流形态。

进一步地，步骤(2)包括如下步骤：

步骤201、针对下垫面所包括的水面、水田、旱地和城镇道路四种类型，分别构建产流模型进行研究区产流量的计算，面上用水户需水在汇流之前扣除，即在产流模型计算产流量时扣除；

步骤202、根据区域产流情况进行汇流量的计算，按河道、湖泊分别模拟，河道采用汇流曲线法汇流，湖泊直接汇流，当日产流当日汇流；

步骤203、根据水动力学模型理论，建立一维河网水动力模型，采用Saint-Venant方程组模拟河网水流形态，利用Preissmann四点加权隐式差分格式离散后通过迭代法求解；

步骤204、建立节点以及河网水量平衡方程组，求解该方程组得到河道各断面的实时水位。

进一步地，对节点以及河网水量平衡方程组采用逐次超松弛迭代法进行求解。

进一步地，步骤(3)包括如下步骤：

步骤301、建立包含水利工程的河网水系拓扑图；

步骤302、对于闸门、泵站调度，针对其引调水功能建立闸门开度、泵站开机数与闸站上下游水位、供水水源水位、用户需水之间的函数关系式；

对于排洪功能，建立闸门开度、泵站开机数与上游来水、区间降雨以及闸站上下游水位之间的函数关系式；

步骤303，对于船闸调度，按统计平均日开闸次数、船闸等级、闸上和闸下最低通航水位、开闸耗水量，针对不同船闸等级分别建立开闸耗水量与通航水位之间的调度函数。

进一步地，所述水利工程包括闸门、泵站、船闸。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明基于多目标、多层次的水资源调度与精准化配置方法针对研究区从供水、防洪、发电等角度综合考虑水资源调配目标，且从多维时间、空间角度选择不同的计算模式，与传统水资源调配相比更能反映实际情况；通过建立水源-取水口-用水户水位的微观调控模式，克服了现有水资源调配技术大多从宏观层次进行水资源的分配，无法从微观层次进一步统计灌区、取水口的水资源利用情况的弊端，有利于实现更加精细化的水资源供需分析；综合考虑了防洪、发电、供水、航运等目标，有助于制定更加符合实际情况的调度方案。本发明可应用于复杂水资源系统模拟、调度与配置等诸多领域，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明水资源调度与精准化配置方法流程图；

图2为闸站形态以及过流概化示意图；

图3为节点水量平衡概化示意图；

图4为河网水量平衡概化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

图1所示的是本发明水资源调度与精准化配置方法流程图，包括如下步骤：

步骤1，按是否直接从干线取水将用水户分成干线用水户和面上用水户两类；面上用水户作为受水区河道出流量在汇流之前扣除，即在产流模型计算产流量时扣除；干线用水户按其功能分为农业、工业、生活、船闸和生态五类，农业需水根据灌溉制度和灌溉面积进行计算，其余按定额法计算需水，在水动力模型模拟河网水流运动时扣除；

步骤2，建立水量模拟模型，主要包括产流、汇流以及河网水流运动三部分；对水量模拟模型进行求解，得到河道各重要端面的实时水位。

对于产流模拟，不同下垫面利用不同产流模型分别计算，利用水文分析法和人工调试法率定模型参数；对于汇流模拟，利用汇流曲线法模拟河道汇流；对于河网水流运动，利用一维水动力学模型理论模拟水流形态，需要考虑干线取水以及河道闸站启闭对水流形态的影响；

步骤201，不同下垫面具有不同的产流规律，因此下垫面的分类对于产流量模拟十分重要，本方法将下垫面分成四类：水面、水田、旱地和城镇道路分别构建产流模型进行研究区产流量的计算，面上用水户需水应在汇流之前扣除，即在产流模型计算产流量时扣除；

步骤202，根据区域产流情况进行汇流量的计算，按河道、湖泊分别模拟，前者采用汇流曲线法汇流，后者直接汇流，当日产流当日汇流；

步骤203，根据水动力学模型理论，建立一维河网水动力模型，采用Saint-Venant方程组模拟河网水流形态，利用Preissmann四点加权隐式差分格式离散后通过迭代法求解；

Saint-Venant方程组由连续方程和动力方程组成，用水位和流量为变量的平底梯形河道的水流非恒定运动的基本方程组如下：

其中，Q为流量，x为距离，t为时间，A为过水面积，Z为水位，u为流速，R为水力半径，

sz为河道断面湿周，B为水面宽，n为河道糙率，g为重力加速度，q_L为旁侧入出流量，为正代表入流为负代表出流，v_x为入流沿水流方向的速度，假定旁侧入流垂直于主流，则v_x＝0，u为流速，为简化公式表达，定义中间变量

S为两侧边坡系数之和，ΔZ_*为上一时段水位增量，Δt为计算时段长；

Preissmann四点加权隐式差分格式基本形式如下：

其中，ξ为变量可以代表流量、水位、流速、河宽等，下标i表示断面位置，上标j表示时刻，θ为权重系数，0≤θ≤1。

步骤204，进一步建立节点以及河网水量平衡方程组，并且通过求解该方程组得到河道各重要断面的实时水位。

(1)节点水量平衡概化示意图如图3所示：

箭头所示方向为定义的流向。从首节点流向末节点为正号，反之则为负号。图中Q₁、Q₂、Q₃为河道1、2、3流量，Q_g为堰流量，Q₄为外加流量，例如降雨、蒸发或引水等，A为节点面积，Δt为时段长，

为节点水位上一次迭代值，Z_N1为节点水位当前计算值；

节点N₁水量平衡方程：

其中：将流入或流出节点N₁的流量表达为该河首末节点水位的线性函数：

Q₁＝b₁₁+b₁₂Z_N1+b₁₃Z_N2

Q₂＝b₂₁+b₂₂Z_N1+b₂₃Z_N3

Q₃＝a₃₁+a₃₂Z_N1+a₃₃Z_N4

自由出流模式下：

淹没出流模式下：

式中：Z_N1、Z_N2、Z_N3、Z_N4、Z_N5分别为节点N1、N2、N3、N4、N5的水位，

H_d分别为堰闸上、闸下水位，H₀为堰闸底高程，μ为自由出流系数，

为淹没出流系数，ε为侧向收缩系数，g为重力加速度。b11、b12、b13、b21、b22、b23、a31、a32、a33均为系数。

(2)河网水量平衡概化示意图如图4所示。图4所示为一简单河网，由9条河，11个节点，2个闸组成，节点4、5、6为水位边界点，水位为已知值，对每个节点可以列出下列方程式：

节点1：K_1,1Z₁+K_1,2Z₈＝K_1,R

节点2：K_2,1Z₂+K_2,2Z₈＝K_2,R

节点3：K_3,1Z₃+K_3,2Z₈+K_3,3Z₉＝K_3,R

节点4：已知值

节点5：已知值

节点6：已知值

节点7：K_7,1Z₇+K_7,2Z₈＝K_7,R+Q_g1

节点8：K_8,1Z₈+K_8,2Z₁+K_8,3Z₂+K_8,4Z₃+K_8,5Z₉+K_8,6Z₇＝K_8,R

节点9：K_9,1Z₉+K_9,2Z₈+K_9,3Z₃+K_9,4Z₅+K_9,5Z₁₀＝K_9,R

节点10：K_10,1Z₁₀+K_10,2Z₉＝K_10,R+Q_g2

节点11：K_11,1Z₁₁+K_11,2Z₄＝K_11,R-Q_g2

闸门1：Q_g1＝f(Z₆,Z₇)

闸门2：Q_g2＝f(Z₁₀,Z₁₁)

其中，Z₁、Z₂、…、Z₁₁分别为节点1到11的水位值，Q_g1、Q_g2分别为闸门1和闸门2的过闸流量，K_m,n为节点水量平衡方程式中的系数，均是已知系数，m＝1、2、…、11，n＝1、2、…、6；K_1，R～K_11，R为已知系数，下标R代表right(右)；上述系数根据方程组采用逐次超松弛(Successive Over Relaxation)迭代法进行求解。

(3)方程组采用逐次超松弛(Successive Over Relaxation)迭代法进行求解，简称SOR迭代法，它是在高斯-赛德尔迭代(GS法)基础上为提高收敛速度，采用加权平均而得到的新算法，方程如下所示：

其中，w为松弛参数，

分别为方程组本次计算值和上一次迭代值，a_ij、b_i分别为方程组中的已知系数。

步骤3，针对不同类型闸站(泵站、闸门、船闸)，根据其主要功能制定相应的调度原则，通过闸站联合调控实现流域防洪、发电以及供水等目标。

步骤301，建立包含水利工程的河网水系拓扑图，明确各水利工程(闸门，泵站，船闸)的实际职能；

步骤302，对于闸门、泵站调度，针对其引调水功能以及排洪功能分别制定不同的调度规则(规则如下函数关系所示)；对于排洪调度规则，应充分考虑上游来水、区间降雨以及闸站上下游水位，并且在整理与分析历史调度情况的基础上，整理相应调度规则；

对于引调水调度规则，通过可以收集到的闸站上下游水位、用水户需水量、水源可供水量、闸站上游来水量、区间降水量等长系列资料建立闸门开度、泵站开机数与闸站上下游水位、供水水源水位、以及用户需水之间的关系，建立如下函数：

其中，K_i为闸门开度，Q_i为泵站开机数，Zup_i、Zdn_i分别为闸站i上、下游水位，D_ij为与闸站i相关的用水户j的需水量，AW_k为研究区水源k的可供水量，a_k、b_k、c_k、d_k、e_k、a_q、b_q、c_q、d_q、e_q为闸站i调度函数中的已知系数；

对于排洪调度规则，应充分考虑上游来水、区间降雨以及闸站上下游水位，并且在整理与分析历史调度情况的基础上，整理相应调度规则，建立如下函数：

K_i＝a′_k·Zup_i+b′_k·Zdn_i+c′_kI_i+d′_kP_i+e′_k

Q_i＝a′_q·Zup_i+b′_q·Zdn_i+c′_qI_i+d′_qP_i+e′_q

其中，I_i为闸站i上游来水，P_i为闸站i所在水资源区特定时间段内降雨量，a′_k、b′_k、c′_k、d′_k、e′_k、a′_q、b′_q、c′_q、d′_q、e′_q为闸站i调度函数中的已知系数；

步骤303，对于船闸调度，在制定调度方案时，按统计平均日开闸次数、船闸等级、闸上和闸下最低通航水位、开闸耗水量等信息，针对不同船闸等级分别建立开闸耗水量与通航水位之间的调度函数，以指导船闸实际的运行调度；

步骤304，水利工程(水闸、船闸、泵站等)对于自然条件下的河道将产生水流形态的影响，闸站形态以及过流概化示意图如图2所示，分别在建筑物的上游和下游设节点，每个建筑物都位于上游和下游节点之间，节点间水位和流量关系取决于闸站的调度运行和堰流公式，计算公式如下：

闸门开启时，根据闸上下游水位，分自由出流和淹没出流两种情况：

当0.8(H_v-H₀)≥H_d-H₀时为自由出流：

当0.8(H_v-H₀)＜H_d-H₀时为淹没出流：

其中，Q_gate为过闸流量，H_v、H_d分别为闸上、闸下水位，H₀为闸底高程，B_g为闸孔总宽度，ε为侧向收缩系数，μ为自由出流系数，

为淹没出流系数，k为开闸系数；

求解方便起见，将上述非线性公式线性化：

自由出流：

淹没出流：

上述公式线性化后直接带入河网计算公式进行求解；

步骤305，对于具有水力联系的闸站，需要考虑其联合调度情况，即在所选调度规则的基础上对当前调度方案进行调整，以实现水资源在整个流域的全局调度。

步骤4，核定闸站调度方案是否满足防洪、发电要求，在此基础上根据不同时间尺度和空间尺度分别进行水资源供需平衡分析，对于不合理的情况，调整闸站调度方案，相应的将出流量调整至约束条件的边界，再重复上述计算步骤直至输出合理的闸站调度方案。

该基于多目标、多层次的水资源调度与精准化配置方法，针对研究区从供水、防洪、发电等角度综合考虑水资源调配目标，且从多维时间、空间角度选择不同的计算模式，与传统水资源调配相比有利于实现更加精细化的水资源供需分析以及制定更加符合实际情况的调度。

Claims (6)

1.一种水资源调度与精准化配置方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)按是否直接从干线取水将用水户分成干线用水户和面上用水户，分别进行需水量计算；

(2)建立水量模拟模型，对水量模拟模型进行求解，得到河道断面的实时水位；

(3)针对包括泵站、闸门、船闸在内的不同类型闸站，制定相应的调度规则，得到相应的调度方式；

步骤(3)包括如下步骤：

步骤301、建立包含水利工程的河网水系拓扑图；

步骤302、对于闸门、泵站调度，针对其引调水功能建立闸门开度、泵站开机数与闸站上下游水位、供水水源水位、用户需水之间的函数关系式；

其中，K_i为闸门开度，Q_i为泵站开机数，Zup_i、Zdn_i分别为闸站i上、下游水位，D_ij为与闸站i相关的用水户j的需水量，AW_k为研究区水源k的可供水量，a_k、b_k、c_k、d_k、e_k、a_q、b_q、c_q、d_q、e_q为闸站i调度函数中的已知系数；

对于排洪功能，建立闸门开度、泵站开机数与上游来水、区间降雨以及闸站上下游水位之间的函数关系式；

K_i＝a′_k·Zup_i+b′_k·Zdn_i+c′_kI_i+d′_kP_i+e′_k

Q_i＝a′_q·Zup_i+b′_q·Zdn_i+c′_qI_i+d′_qP_i+e′_q

其中，I_i为闸站i上游来水，P_i为闸站i所在水资源区特定时间段内降雨量，a′_k、b′_k、c′_k、d′_k、e′_k、a′_q、b′_q、c′_q、d′_q、e′_q为闸站i调度函数中的已知系数；步骤303，对于船闸调度，按统计平均日开闸次数、船闸等级、闸上和闸下最低通航水位、开闸耗水量，针对不同船闸等级分别建立开闸耗水量与通航水位之间的调度函数；

闸门开启时，根据闸上下游水位，分自由出流和淹没出流两种情况：

当0.8(H_v-H₀)≥H_d-H₀时为自由出流：

当0.8(H_v-H₀)＜H_d-H₀时为淹没出流：

其中，Q_gate为过闸流量，H_v、H_d分别为闸上、闸下水位，H₀为闸底高程，B_g为闸孔总宽度，ε为侧向收缩系数，μ为自由出流系数，

为淹没出流系数，k为开闸系数；

求解方便起见，将上述非线性公式线性化：

自由出流：

淹没出流：

上述公式线性化后直接带入河网计算公式进行求解；

(4)核定闸站调度方案是否满足防洪、发电要求，将出流量调整至约束条件的边界，重复上述计算步骤(1)-(4)直至闸站调度方案实现水资源的供需平衡。

2.根据权利要求1所述的水资源调度与精准化配置方法，其特征在于：步骤(1)中，干线用水户按其功能分为农业、工业、生活、船闸和生态五类，农业需水根据灌溉制度和灌溉面积进行计算，工业、生活、船闸和生态需水按定额法进行计算；面上用水户作为受水区河道出流量直接从河道中扣除。

3.根据权利要求1所述的水资源调度与精准化配置方法，其特征在于：步骤(2)中，水量模拟模型包括产流模拟、汇流模拟及河网水流运动。

4.根据权利要求3所述的水资源调度与精准化配置方法，其特征在于：对于产流模拟，不同下垫面利用不同产流模型分别计算，利用水文分析法和人工调试法确定模型参数；对于汇流模拟，利用汇流曲线法模拟河道汇流；对于河网水流运动，利用一维水动力学模型理论模拟水流形态。

5.根据权利要求1所述的水资源调度与精准化配置方法，其特征在于：步骤(2)包括如下步骤：

步骤201、针对下垫面所包括的水面、水田、旱地和城镇道路四种类型，分别构建产流模型进行研究区产流量的计算，面上用水户需水在汇流之前扣除，即在产流模型计算产流量时扣除；

步骤202、根据区域产流情况进行汇流量的计算，按河道、湖泊分别模拟，河道采用汇流曲线法汇流，湖泊直接汇流，当日产流当日汇流；

步骤203、根据水动力学模型理论，建立一维河网水动力模型，采用Saint-Venant方程组模拟河网水流形态，利用Preissmann四点加权隐式差分格式离散后通过迭代法求解；

步骤204、建立节点以及河网水量平衡方程组，求解该方程组得到河道各断面的实时水位。

6.根据权利要求5所述的水资源调度与精准化配置方法，其特征在于：对节点以及河网水量平衡方程组采用逐次超松弛迭代法进行求解。

Images