CN110633849B - 一种基于启发式大系统分解协调思想的水资源配置方法 - Google Patents
一种基于启发式大系统分解协调思想的水资源配置方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110633849B CN110633849B CN201910851356.9A CN201910851356A CN110633849B CN 110633849 B CN110633849 B CN 110633849B CN 201910851356 A CN201910851356 A CN 201910851356A CN 110633849 B CN110633849 B CN 110633849B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- water
- reservoir
- amount
- shortage
- calculation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 581
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 128
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000013468 resource allocation Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000013589 supplement Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000003809 water extraction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 109
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims description 69
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 42
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 35
- 230000009191 jumping Effects 0.000 claims description 9
- 230000002950 deficient Effects 0.000 claims description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 5
- 239000008400 supply water Substances 0.000 claims description 4
- 238000005065 mining Methods 0.000 claims description 3
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 claims description 3
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 abstract description 6
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 6
- 238000004088 simulation Methods 0.000 abstract description 4
- 239000002352 surface water Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006735 deficit Effects 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 2
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- -1 commend river Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N h2o hydrate Chemical compound O.O JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- DNHVXYDGZKWYNU-UHFFFAOYSA-N lead;hydrate Chemical compound O.[Pb] DNHVXYDGZKWYNU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q10/00—Administration; Management
- G06Q10/04—Forecasting or optimisation specially adapted for administrative or management purposes, e.g. linear programming or "cutting stock problem"
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q10/00—Administration; Management
- G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling
- G06Q10/063—Operations research, analysis or management
- G06Q10/0631—Resource planning, allocation, distributing or scheduling for enterprises or organisations
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
- G06Q50/06—Energy or water supply
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
- Y02A20/152—Water filtration
Landscapes
- Business, Economics & Management (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Human Resources & Organizations (AREA)
- Economics (AREA)
- Strategic Management (AREA)
- Tourism & Hospitality (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Marketing (AREA)
- Entrepreneurship & Innovation (AREA)
- General Business, Economics & Management (AREA)
- Operations Research (AREA)
- Development Economics (AREA)
- Quality & Reliability (AREA)
- Game Theory and Decision Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Educational Administration (AREA)
- Public Health (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Primary Health Care (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
- Feedback Control In General (AREA)
Abstract
本发明公开了基于启发式大系统分解协调思想的水资源配置方法，以天然河道拓扑结构为依据，以计算单元个数为循环，逐时段对各个计算单元进行水资源配置；以各子系统缺水量为启发信息，考虑河道的最大可补充量及计算单元内供水能力，处理完缺水的计算单元后，再进行河道内断面生态流量的补偿调度；遵循地下水补充配置需同时考虑各时段地下水提水能力约束和年总量控制，以子系统缺水量和区域地下水用水量为启发信息，将地下水用量进行配置。本发明提出的水资源配置方法计算速度快、计算效率高。通过模拟模型和与实际运行规则相结合，能够较好地处理配置问题的相关约束，比启发式智能算法的随机寻优策略更加贴合实际，具有较好的工程实用价值。
Description
技术领域
本发明属于水资源配置技术领域，特别涉及一种基于启发式大系统分解协调思想的水资源配置方法。
背景技术
水资源配置问题是一个多层次，多水源的高纬度的大规模非线性规划问题，具有多决策变量、多目标、多约束、多耦合等特点。水资源配置涉及到的水利工程有地表水系统的本地河网水引提水工程、水库蓄水工程、外调水工程、区域外调入水工程和地下水系统提水工程，流域内大量水利工程运行过程等均为模型的决策变量。同时需要满足各类水利工程的约束、天然河道的约束等。水利工程间存在时间和空间耦合，例如下游水库(断面)的入库流量受上游下泄流量影响，计算分区的回归水量在一定的时间后汇入河道影响区域水资源的供需分析等，为水资源配置模型的求解带来了极大的困难。
针对此类问题的求解思路有两种，第一是通过启发式智能算法对多目标问题直接寻优；第二是通过大系统分解协调等降维理论将问题拆分为各个关联的低维度的子问题进行求解。由于传统数学规划算法的不适用性，第一类求解方法很好地解决了水资源配置模型在高维度寻优空间的优化问题，是目前应用最广泛的方法，但大部分启发式智能算法并未考虑约束处理，水资源配置问题的大量显示约束和隐式约束制约了启发式智能算法在水资源配置模型求解中的效果。第二类求解方法难点在于如何协调子问题间的关系以及子问题与总问题的关系，因此存在两方面问题：如何将区域缺水最小这个总问题分解到各个子系统并确定子系统的调控对象；如何协调各子系统间的缺水量，达成区域缺水量最小目标。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的存在的缺陷或改进需求，提供一种基于启发式大系统分解协调思想的水资源配置方法，在综合考虑需要配置的水资源系统的基础上，通过大系统分解协调思想将配置对象拆解为包含计算分区供水的蓄水工程、引提水工程、地下水工程等水资源利用工程及连接各个工程的天然河道及输水管道的基本计算单元子系统；将配置问题拆解为本地地表水资源配置、水库联合优化配置及地下水补充配置三个层次，以子系统缺水量(包括子系统的区域缺水量和河道生态缺水量)和区域地下水用水量为启发信息通过启发式策略协调各子系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于启发式大系统分解协调思想的水资源配置方法，包括如下步骤：
步骤S1：以天然河道拓扑结构为依据进行搜索，将搜索到的汇水节点作为支流，再从支流的最上游重复搜索，确定计算单元的配置循序，初始化计算单元的缺水量为该计算单元的总需水量；
步骤S2：以计算单元个数为循环，逐次对各水利工程的节点进行分析计算，优先配置取水口水量，确定各子系统缺水量并更新；
步骤S3：以计算单元内水库蓄水工程个数为循环，依次从上游到下游，逐时段对各个计算单元进行本地水库蓄水工程水量配置；
步骤S4：以各子系统缺水量为启发信息，将缺水或各河道断面不能满足的计算单元作为进一步配置的缺水计算单元；
步骤S5：以缺水计算单元个数为循环，设定初始缺水量，遍历拓扑结构，寻找上游所有的水库蓄水工程，依次确定补偿供水的蓄水工程；
步骤S6：以天然河道内生态缺水的计算单元个数为循环，设定初始生态补水流量，对天然河道内断面生态流量进行补偿调度；
步骤S7：以子系统缺水量和区域地下水用水量为启发信息，初始化县级或区级地下水控制指标，以县或区的个数为循环，逐时段统计缺水计算单元，确定需要补充供水的调控对象，并对县或区内所有缺水计算单元进行供水配置。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，所述步骤S2中，当水利工程为引提水工程时，其分析计算包括如下步骤：
步骤S21：计算此取水口的可利用水量
计算表达式如下：
其中，i表示计算单元的个数，j表示水利工程的个数，t表示时段，
表示入库流量，
表示最小下泄流量；
步骤S22：确定工程提水量
计算表达式如下：
其中，i表示计算单元的个数，j表示水利工程的个数，t表示时段，
表示可利用水量，
表示取水口能力，
表示第t时段计算单元i的缺水量；
步骤S23：更新第t时段计算单元i的缺水量，以当前的缺水量与工程提水量的差值作为更新的缺水量并对当前的缺水量进行覆盖，计算表达时如下：
进一步地，所述步骤S2中，当水利工程为水库蓄水工程时，设置供水量为0，并以最小下泄流量下泄，计算时段t的末库容
若时段t的末库容
超出最大允许水位
即
其分析计算包括如下步骤：
步骤S21：确定可利用弃水量，计算表达式如下：
其中，i表示计算单元的个数，j表示水利工程的个数，t表示时段，
表示水库取水能力，
表示弃水量，弃水量除以配置时段Δt转换为弃水流量；
步骤S22：水库拟分配供水量，假定第j个水库同时可向N个计算单元供水，N个计算单元构成了一个配置集合Φ，按照各计算单元缺水比例分配水量为，计算表达式如下：
其中，i表示计算单元的个数，j表示水利工程的个数，t表示时段，
表示各计算单元缺水比例，i∈Φ，Qi,j,t为分配供水量，
表示第t时段计算单元i的缺水量；
步骤S23：更新水库分配供水量，取拟供水量和缺水量间较小值，计算表达式为：
其中，
表示水库j向计算单元i实际供水量；
步骤S24：计算水库实际分配水量，当拟供水量超过需水量时，计算单元将退回多余水量，将多余水量按照缺水比例继续分配，直至将可利用的弃水量分配完或水库供水的N个计算单元不缺水；
步骤S25：更新水库的取水量及各计算单元缺水量，以t时段内实际供水量的总和作为更新的取水量并对当前的取水量进行覆盖；以当前的缺水量与实际供水量的差值作为更新的缺水量并对当前的缺水量进行覆盖；计算表达式如下：
步骤S26：计算更新水库下泄流量及时段末库容，以当前的水库下泄流量与可利用弃水量相加，再扣除水库取水量作为更新的水库下泄流量并进行覆盖；以最大允许水位作为更新的时段末库容并进行覆盖；计算表达式如下：
其中，
表示水库下泄流量，
表示可利用弃水量，
表示水库取水量，
表示最大允许水位，
表示时段t的末库容。
进一步地，所述步骤S3具体包括：
步骤S31：更新水库取水能力，以当前的水库取水能力扣除水库取水量作为更新的水库取水能力进行覆盖，计算表达式为：
其中，
表示水库取水能力，
表示水库取水量；
步骤S32：计算可利用水量，计算表达式为：
其中，
表示水库死库容，
表示时段t的末库容；
步骤S33：计算可补偿供水的水量，即取可利用水量、取水能力和缺水量间最小值，计算表达式为：
其中，
表示可利用水量，
表示取水能力，
表示缺水量；
步骤S34：更新水库取水量，以当前的水库取水量与可补偿供水的水量的和作为更新的水库取水量进行覆盖，计算表达式为：
步骤S35：更新缺水计算单元缺水量，以当前的缺水量与可补偿供水的水量的差值作为更新的缺水量进行覆盖，并且更新水库时段末库容，计算表达式为如下：
其中，
表示第t时段计算单元i的缺水量，
表示水库时段初始库容，
表示水库时段入库流量，
表示水库时段出库流量；
步骤S36：判断计算单元不缺水或计算单元内水库蓄水工程全部遍历，符合则跳出配置，否则返回步骤S31继续遍历计算单元内的水库蓄水工程。
进一步地，所述步骤S5中，寻找上游所有的水库蓄水工程按照先下游，再上游，先支流，后干流的原则进行，具体步骤包括：
步骤S51：在配置开始之前，初始化第t时段计算单元i的缺水量为
步骤S52：计算河道补偿输水能力
假定从当前补偿供水的蓄水工程到当前计算单元需要经过断面总数为M，计算表达式如下：
其中，
表示第j个断面允许通过的最大流量，
表示下泄流量；
步骤S53：计算当前补偿供水的蓄水工程可利用水量，计算表达式为：
其中，
表示水库时段末库容，
表示水库死库容；
步骤S54：计算实际补偿供水的水量，取提水能力、河道补偿输水能力和缺水量间最小值，计算公式为：
其中，
表示取水口提引水能力，
表示取水口经过之前配置步骤后确定的提引水流量，
表示河道补偿输水能力，
表示缺水量；
步骤S55：更新当前补偿供水涉及到的蓄水工程及下游断面的运行参数，若为蓄水工程则更新水库出库流量，计算表达式为：
若为下游断面或提引水工程则更新水库出库流量，计算表达式为：
步骤S56：判断计算单元不缺水或计算单元内水库蓄水工程全部遍历，符合则跳出配置，否则返回步骤S51继续遍历上游水库蓄水工程。
进一步地，所述步骤S6中的补偿调度是指处于水库出库断面或取水口断面流量不能满足河道生态流量需求时，需要上游水库对该断面进行的补偿供水，其具体步骤包括：
步骤S61：计算生态缺水计算单元水库需补偿供水量
假定j为第i个计算单元的生态缺水断面编号，M为第i个计算单元的生态缺水断面总数，计算表达式如下：
其中，
表示断面最小生态流量，
表示断面的下泄流量；
步骤S62：计算河道可输水量，假定从当前补偿供水的蓄水工程到当前计算单元需要经过断面总数为M，计算表达式如下：
其中，
表示第j个断面允许通过的最大流量，
表示下泄流量；
步骤S63：以上游水库蓄水工程个数依次从下游到上游循环，计算可利用水量，计算表达式为：计算表达式为：
其中，
表示水库死库容，
表示时段t的末库容；
步骤S64：更新水库及下游断面处工程的运行参数，若为蓄水工程则更新水库出库流量和末库容，计算表达式分别为：
其中，
表示水库时段初始库容，
表示水库时段入库流量，
表示水库时段出库流量，
表示水库取水量，
表示生态缺水计算单元水库需补偿供水量，
表示河道可输水量；
若为下游断面或提引水工程则更新水库出库流量，计算表达式为：
步骤S65：判断计算单元不缺水或计算单元内水库蓄水工程全部遍历，符合则跳出配置，否则返回步骤S61继续遍历上游水库蓄水工程。
进一步地，所述步骤S7的具体步骤包括：
步骤S71：初始化县或区级地下水控制指标，针对未给出县或区级地下水控制总量的情况，以近年来各市级水资源公报中各县或区的地下水使用量的比例为基础，综合人口地形等因素将地市级控制指标分解到县或区级；
步骤S72：地下水初始补充配置，以县或区内缺水计算单元个数为循环，假定
为第i个县或区内第j个缺水单元在第t个时段的缺水量，
为第i个县或区在前t-1时段内地下水总开采量，时段t补充水量
计算公式为：
其中，
表示该区域地下水提水能力，
表示该区域地下水控制开采量；
步骤S73：判断当前县或区内若不存在缺水计算单元或者县或区地下水开采总量达到控制指标，则继续进行下一县或区的地下水初步补充配置，否则返回步骤S72对下一个缺水单元的补充供水配置。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提出的基于启发式大系统分解协调思想的水资源配置方法，利用大系统分解协调的思想将复杂的水资源配置网络拆分为各子系统，降低了问题的空间维度时间维度，使得子系统的求解简单高效，并且通过合理设置启发信息，动态协调各子系统关联关系，达到区域总缺水量最小的总体目标，能够有效地解决区域水资源配置的求解问题，支撑水资源配置相关工作。
(2)本发明提出的水资源配置方法计算速度快、计算效率高。通过模拟模型和与实际运行规则相结合，能够较好地处理配置问题的相关约束，比启发式智能算法的随机寻优策略更加贴合实际，具有较好的工程实用价值。
附图说明
图1为本发明基本计算单元示意图。
图2为本发明大系统多层次分解协调模型示意图。
图3为启发式大系统多层次分解协调配置方法流程图。
图4为本发明本地地表水资源配置流程图。
图5为本发明水库联合配置流程图。
图6为本发明地下水补充配置流程图。
图7为汉江上游枯水年方案缺水情况示意图。
图8为汉江上游枯水年非汛期增雨5％方案缺水情况示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的发明内容作进一步地说明。
参见图1和图2，本发明以汉江上游丹江口以上的水资源配置问题为实施例，并按照图3～图6所示的流程进行启发式大系统分解协调水资源配置模拟，以体现本发明达到的效果。汉江上游的主要支流有沮水、褒河、湑水河、子午河、月河、旬河、蜀河金钱河、玉带河、漾家河、牧马河、任河、岚河及坝河等。流域内总库容在1亿立方米以上并且具有日调节以上(不包含日调节)能力的水库有石门水库、石泉水库、安康水库、陡岭子水库、黄龙滩水库、潘口水库、鄂坪水库、丹江口水库8座水库。选择枯水年(降雨频75％)的年份的降雨径流资料，以年为调度期、以日为调度时段进行仿真计算，设计在汉江的非汛期增加5％降雨量进行对比实验说明配置模型的响应效果。
本发明实施步骤如下：
步骤1：本地地表水资源配置。
配置本地引提水工程提供的水量，使得水库最大程度地蓄水，增加水库在时间尺度和空间尺度的调控作用；确定本地水库蓄水工程最小下泄流量下泄，当在来水较大的汛期蓄水工程的水位超过最大允许水位时，将需要泄洪的流量分配至计算单元供水。并且一个蓄水工程可能包含在多个计算单元中，向多个计算单元供水，将供水量按照需水量比例在多个计算单元中分配。
①以天然河道拓扑结构为依据，将搜索到的汇水节点作为支流，再从支流的最上游重复搜索，确定计算单元的配置循序，依次从上游到下游，逐时段对汉江上游60个计算单元进行本地地表水资源配置，初始化第t时段计算单元i的缺水量
为该计算单元的总需水量。
②以计算单元个数为循环，逐次对各水利工程的节点进行分析计算，优先配置取水口水量，确定各子系统缺水量并更新。
当水利工程为引提水工程时，其分析计算包括如下步骤：
步骤一：计算此取水口的可利用水量
计算表达式如下：
其中，i表示计算单元的个数，j表示水利工程的个数，t表示时段，
表示入库流量，
表示最小下泄流量；
步骤二：确定工程提水量
计算表达式如下：
其中，i表示计算单元的个数，j表示水利工程的个数，t表示时段，
表示可利用水量，
表示取水口能力，
表示第t时段计算单元i的缺水量；
步骤三：更新第t时段计算单元i的缺水量，以当前的缺水量与工程提水量的差值作为更新的缺水量并对当前的缺水量进行覆盖，计算表达时如下：
当水利工程为水库蓄水工程时，设置供水量为0，并以最小下泄流量下泄，计算时段t的末库容
若时段t的末库容
超出最大允许水位
即
其分析计算包括如下步骤：
步骤一：确定可利用弃水量，可利用的弃水量
取水库取水能力
与弃水流量间的较小值，计算表达式如下：
其中，i表示计算单元的个数，j表示水利工程的个数，t表示时段，
表示水库取水能力，
表示弃水量，弃水量除以配置时段Δt转换为弃水流量；
步骤二：水库拟分配供水量，假定第j个水库同时可向N个计算单元供水，N个计算单元构成了一个配置集合Φ，按照各计算单元缺水比例分配水量为Qi,j,t，计算表达式如下：
其中，i表示计算单元的个数，j表示水利工程的个数，t表示时段，
表示各计算单元缺水比例，i∈Φ，Qi,j,t为分配供水量，
表示第t时段计算单元i的缺水量；
步骤三：更新水库分配供水量，取拟供水量和缺水量间较小值，计算表达式为：
其中，
表示水库j向计算单元i实际供水量；
步骤四：计算水库实际分配水量，当拟供水量超过需水量时，计算单元将退回多余水量，将多余水量按照缺水比例继续分配，直至将可利用的弃水量分配完或水库供水的N个计算单元不缺水；
步骤五：更新水库的取水量及各计算单元缺水量，以t时段内实际供水量的总和作为更新的取水量并对当前的取水量进行覆盖；以当前的缺水量与实际供水量的差值作为更新的缺水量并对当前的缺水量进行覆盖；计算表达式如下：
步骤六：计算更新水库下泄流量及时段末库容，以当前的水库下泄流量与可利用弃水量相加，再扣除水库取水量作为更新的水库下泄流量并进行覆盖；以最大允许水位作为更新的时段末库容并进行覆盖；计算表达式如下：
其中，
表示水库下泄流量，
表示可利用弃水量，
表示水库取水量，
表示最大允许水位，
表示时段t的末库容。
③以计算单元内水库蓄水工程个数为循环，依次从上游到下游，逐时段对各个计算单元进行本地水库蓄水工程水量配置。
步骤一：更新水库取水能力，以当前的水库取水能力扣除水库取水量作为更新的水库取水能力进行覆盖，计算表达式为：
其中，
表示水库取水能力，
表示水库取水量；
步骤二：计算可利用水量，计算表达式为：
其中，
表示水库死库容，
表示时段t的末库容；
步骤三：计算可补偿供水的水量，即取可利用水量、取水能力和缺水量间最小值，计算表达式为：
其中，
表示可利用水量，
表示取水能力，
表示缺水量；
步骤四：更新水库取水量，以当前的水库取水量与可补偿供水的水量的和作为更新的水库取水量进行覆盖，计算表达式为：
步骤五：更新缺水计算单元缺水量，以当前的缺水量与可补偿供水的水量的差值作为更新的缺水量进行覆盖，并且更新水库时段末库容，计算表达式为如下：
其中，
表示水库时段初始库容，
表示水库时段入库流量，
表示水库时段出库流量；
步骤六：判断计算单元不缺水或计算单元内水库蓄水工程全部遍历，符合则跳出配置，否则返回步骤一继续遍历计算单元内的水库蓄水工程。
步骤2：水库联合优化配置。
以各子系统缺水量(包括供水缺水量和河道生态需水缺水量)为启发信息，确定需要进一步配置的计算单元；综合考虑河道的最大可补充量及计算单元内供水能力，对缺水计算单元通过水库联合调度进行补偿供水时，按照“先下游，再上游，先支流，后干流”的规则确定供水优先级；在联合配置中，优先考虑计算单元的缺水量，在处理完缺水的计算单元后，再进行河道内断面生态流量的补偿调度。
①以各子系统缺水量为启发信息，将缺水或各河道断面不能满足的计算单元作为进一步配置的缺水计算单元。
②以缺水计算单元个数为循环，设定初始缺水量，遍历拓扑结构，寻找上游所有的水库蓄水工程，依次确定补偿供水的蓄水工程。
步骤一：在配置开始之前，初始化第t时段计算单元i的缺水量为
步骤二：计算河道补偿输水能力
假定从当前补偿供水的蓄水工程到当前计算单元需要经过断面总数为M，计算表达式如下：
其中，
表示第j个断面允许通过的最大流量，
表示下泄流量；
步骤三：计算当前补偿供水的蓄水工程可利用水量，计算表达式为：
其中，
表示水库时段末库容，
表示水库死库容；
步骤四：计算实际补偿供水的水量，取提水能力、河道补偿输水能力和缺水量间最小值，计算公式为：
其中，
表示取水口提引水能力，
表示取水口经过之前配置步骤后确定的提引水流量，
表示河道补偿输水能力，
表示缺水量；
步骤五：更新当前补偿供水涉及到的蓄水工程及下游断面的运行参数，若为蓄水工程则更新水库出库流量，计算表达式为：
若为下游断面或提引水工程则更新水库出库流量，计算表达式为：
步骤六：判断计算单元不缺水或计算单元内水库蓄水工程全部遍历，符合则跳出配置，否则返回步骤一继续遍历上游水库蓄水工程。
③以天然河道内生态缺水的计算单元个数为循环，设定初始生态补水流量，对天然河道内断面生态流量进行补偿调度。所述的补偿调度是指处于水库出库断面或取水口断面流量不能满足河道生态流量需求时，需要上游水库对该断面进行的补偿供水。
步骤一：计算生态缺水计算单元水库需补偿供水量
假定j为第i个计算单元的生态缺水断面编号，M为第i个计算单元的生态缺水断面总数，计算表达式如下：
其中，
表示该断面最小生态流量，
表示断面经过之前配置步骤后确定的下泄流量；
步骤二：计算河道可输水量，假定从当前补偿供水的蓄水工程到当前计算单元需要经过断面总数为M，计算表达式如下：
其中，
表示第j个断面允许通过的最大流量，
表示下泄流量；
步骤三：以上游水库蓄水工程个数依次从下游到上游循环，计算可利用水量，计算表达式为：计算表达式为：
其中，
表示水库死库容，
表示时段t的末库容；
步骤四：更新水库及下游断面处工程的运行参数，若为蓄水工程则更新水库出库流量和末库容，计算表达式分别为：
其中，
表示水库时段初始库容，
表示水库时段入库流量，
表示水库时段出库流量，
表示水库取水量，
表示生态缺水计算单元水库需补偿供水量，
表示河道可输水量；
若为下游断面或提引水工程则更新水库出库流量，计算表达式为：
其中，
表示生态缺水计算单元水库需补偿供水量，
表示河道可输水量；
步骤五：判断计算单元不缺水或计算单元内水库蓄水工程全部遍历，符合则跳出配置，否则返回步骤一继续遍历上游水库蓄水工程。
步骤3：地下水补充配置。
遵循地下水补充配置需同时考虑各时段地下水提水能力约束和年总量控制，初始化分配到县(区)，以子系统缺水量和区域地下水用水量为启发信息，将地下水用量进行配置。
步骤一：初始化县或区级地下水控制指标，针对未给出县或区级地下水控制总量的情况，以近年来各市级水资源公报中各县或区的地下水使用量的比例为基础，综合人口地形等因素将地市级控制指标分解到县或区级；
步骤二：地下水初始补充配置，以县或区内缺水计算单元个数为循环，假定
为第i个县或区内第j个缺水单元在第t个时段的缺水量，
为第i个县或区在前t-1时段内地下水总开采量，时段t补充水量
计算公式为：
其中，
表示该区域地下水提水能力，
表示该区域地下水控制开采量；
步骤三：判断当前县或区内若不存在缺水计算单元或者县或区地下水开采总量达到控制指标，则继续进行下一县或区的地下水初步补充配置，否则返回步骤S72对下一个缺水单元的补充供水配置。
本发明实施后的结果见图7和图8，分别为各方案下本发明实施例汉江上游的缺水区域分布。由图7可知，图中不缺水区域有17个区域；轻度缺水区域有8个区域；中度缺水区域有6个区域；严重缺水区域有8个区域。区域的年度总缺水量为1.2亿m3。由图8可知汉江上游在75％降水频率5％增雨方案下，区域缺水情况明显好转。图中，不缺水区域有19个，增加了旬阳县和洋县；轻度缺水区域有6个，旬阳县和洋县在降雨方案下转变为不缺水区域；中度缺水区域有7个，增加了丹凤县，由严重缺水区域在增雨方案下转化而来；严重缺水区域则减少到7个。区域的年度总缺水量减少到1.1亿m3，下降比例约为11％，计算耗时均处于秒级。上述结果表明本发明计算速度和效率较快，计算结果较为合理，缺水区域与实际情况十分贴合，并且对驱动数据十分敏感，能快速反映出不同情景下的区域总缺水量及缺水区域分布，提供区域供需平衡分析结果，具有一定的工程实用性。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于启发式大系统分解协调思想的水资源配置方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：以天然河道拓扑结构为依据进行搜索，将搜索到的汇水节点作为支流，再从支流的最上游重复搜索，确定计算单元的配置循序，初始化计算单元的缺水量为该计算单元的总需水量；
步骤S2：以计算单元个数为循环，逐次对各水利工程的节点进行分析计算，优先配置取水口水量，确定各子系统缺水量并更新；具体包括：
(1)、当水利工程为引提水工程时，其分析计算包括如下步骤：
步骤S21：计算此取水口的可利用水量
计算表达式如下：
其中，i表示计算单元的个数，j表示水利工程的个数，t表示时段，
表示入库流量，
表示最小下泄流量；
步骤S22：确定工程提水量
计算表达式如下：
其中，i表示计算单元的个数，j表示水利工程的个数，t表示时段，
表示可利用水量，
表示取水口能力，
表示第t时段计算单元i的缺水量；
步骤S23：更新第t时段计算单元i的缺水量，以当前的缺水量与工程提水量的差值作为更新的缺水量并对当前的缺水量进行覆盖，计算表达时如下：
(2)、当水利工程为水库蓄水工程时，设置供水量为0，并以最小下泄流量下泄，计算时段t的末库容
若时段t的末库容
超出最大允许水位
即
其分析计算包括如下步骤：
步骤S21：确定可利用弃水量，计算表达式如下：
其中，i表示计算单元的个数，j表示水利工程的个数，t表示时段，
表示水库取水能力，
表示弃水量，弃水量除以配置时段Δt转换为弃水流量；
步骤S22：水库拟分配供水量，假定第j个水库同时可向N个计算单元供水，N个计算单元构成了一个配置集合Φ，按照各计算单元缺水比例分配水量为，计算表达式如下：
其中，i表示计算单元的个数，j表示水利工程的个数，t表示时段，
表示各计算单元缺水比例，i∈Φ，Qi,j,t为分配供水量，
表示第t时段计算单元i的缺水量；
步骤S23：更新水库分配供水量，取拟供水量和缺水量间较小值，计算表达式为：
其中，
表示水库j向计算单元i实际供水量；
步骤S24：计算水库实际分配水量，当拟供水量超过需水量时，计算单元将退回多余水量，将多余水量按照缺水比例继续分配，直至将可利用的弃水量分配完或水库供水的N个计算单元不缺水；
步骤S25：更新水库的取水量及各计算单元缺水量，以t时段内实际供水量的总和作为更新的取水量并对当前的取水量进行覆盖；以当前的缺水量与实际供水量的差值作为更新的缺水量并对当前的缺水量进行覆盖；计算表达式如下：
步骤S26：计算更新水库下泄流量及时段末库容，以当前的水库下泄流量与可利用弃水量相加，再扣除水库取水量作为更新的水库下泄流量并进行覆盖；以最大允许水位作为更新的时段末库容并进行覆盖；计算表达式如下：
其中，
表示水库下泄流量，
表示可利用弃水量，
表示水库取水量，
表示最大允许水位，
表示时段t的末库容；
步骤S3：以计算单元内水库蓄水工程个数为循环，依次从上游到下游，逐时段对各个计算单元进行本地水库蓄水工程水量配置；
步骤S4：以各子系统缺水量为启发信息，将缺水或各河道断面不能满足的计算单元作为进一步配置的缺水计算单元；
步骤S5：以缺水计算单元个数为循环，设定初始缺水量，遍历拓扑结构，寻找上游所有的水库蓄水工程，依次确定补偿供水的蓄水工程；
步骤S6：以天然河道内生态缺水的计算单元个数为循环，设定初始生态补水流量，对天然河道内断面生态流量进行补偿调度；
步骤S7：以子系统缺水量和区域地下水用水量为启发信息，初始化县级或区级地下水控制指标，以县或区的个数为循环，逐时段统计缺水计算单元，确定需要补充供水的调控对象，并对县或区内所有缺水计算单元进行供水配置。
2.根据权利要求1所述的一种基于启发式大系统分解协调思想的水资源配置方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
步骤S31：更新水库取水能力，以当前的水库取水能力扣除水库取水量作为更新的水库取水能力进行覆盖，计算表达式为：
其中，
表示水库取水能力，
表示水库取水量；
步骤S32：计算可利用水量，计算表达式为：
其中，
表示水库死库容，
表示时段t的末库容；
步骤S33：计算可补偿供水的水量，即取可利用水量、取水能力和缺水量间最小值，计算表达式为：
其中，
表示可利用水量，
表示取水能力，
表示缺水量；
步骤S34：更新水库取水量，以当前的水库取水量与可补偿供水的水量的和作为更新的水库取水量进行覆盖，计算表达式为：
步骤S35：更新缺水计算单元缺水量，以当前的缺水量与可补偿供水的水量的差值作为更新的缺水量进行覆盖，并且更新水库时段末库容，计算表达式为如下：
其中，
表示第t时段计算单元i的缺水量，
表示水库时段初始库容，
表示水库时段入库流量，
表示水库时段出库流量；
步骤S36：判断计算单元不缺水或计算单元内水库蓄水工程全部遍历，符合则跳出配置，否则返回步骤S31继续遍历计算单元内的水库蓄水工程。
3.根据权利要求1所述的一种基于启发式大系统分解协调思想的水资源配置方法，其特征在于，所述步骤S5中，寻找上游所有的水库蓄水工程按照先下游，再上游，先支流，后干流的原则进行，具体步骤包括：
步骤S51：在配置开始之前，初始化第t时段计算单元i的缺水量为
步骤S52：计算河道补偿输水能力
假定从当前补偿供水的蓄水工程到当前计算单元需要经过断面总数为M，计算表达式如下：
其中，
表示第j个断面允许通过的最大流量，
表示下泄流量；
步骤S53：计算当前补偿供水的蓄水工程可利用水量，计算表达式为：
其中，
表示水库时段末库容，
表示水库死库容；
步骤S54：计算实际补偿供水的水量，取提水能力、河道补偿输水能力和缺水量间最小值，计算公式为：
其中，
表示取水口提引水能力，
表示取水口提引水流量，
表示河道补偿输水能力，
表示缺水量；
步骤S55：更新当前补偿供水涉及到的蓄水工程及下游断面的运行参数，若为蓄水工程则更新水库出库流量，计算表达式为：
若为下游断面或提引水工程则更新水库出库流量，计算表达式为：
步骤S56：判断计算单元不缺水或计算单元内水库蓄水工程全部遍历，符合则跳出配置，否则返回步骤S51继续遍历上游水库蓄水工程。
4.根据权利要求3所述的一种基于启发式大系统分解协调思想的水资源配置方法，其特征在于，所述步骤S6中的补偿调度是指处于水库出库断面或取水口断面流量不能满足河道生态流量需求时，需要上游水库对该断面进行的补偿供水，其具体步骤包括：
步骤S61：计算生态缺水计算单元水库需补偿供水量
假定j为第i个计算单元的生态缺水断面编号，M为第i个计算单元的生态缺水断面总数，计算表达式如下：
其中，
表示断面最小生态流量，
表示断面的下泄流量；
步骤S62：计算河道可输水量，假定从当前补偿供水的蓄水工程到当前计算单元需要经过断面总数为M，计算表达式如下：
其中，
表示第j个断面允许通过的最大流量，
表示下泄流量；
步骤S63：以上游水库蓄水工程个数依次从下游到上游循环，计算可利用水量，计算表达式为：计算表达式为：
其中，
表示水库死库容，
表示时段t的末库容；
步骤S64：更新水库及下游断面处工程的运行参数，若为蓄水工程则更新水库出库流量和末库容，计算表达式分别为：
其中，
表示水库时段初始库容，
表示水库时段入库流量，
表示水库时段出库流量，
表示水库取水量，
表示生态缺水计算单元水库需补偿供水量，
表示河道可输水量；
若为下游断面或提引水工程则更新水库出库流量，计算表达式为：
其中，
表示生态缺水计算单元水库需补偿供水量，
表示河道可输水量；
步骤S65：判断计算单元不缺水或计算单元内水库蓄水工程全部遍历，符合则跳出配置，否则返回步骤S61继续遍历上游水库蓄水工程。
5.根据权利要求1所述的一种基于启发式大系统分解协调思想的水资源配置方法，其特征在于，所述步骤S7的具体步骤包括：
步骤S71：初始化县或区级地下水控制指标，针对未给出县或区级地下水控制总量的情况，以近年来各市级水资源公报中各县或区的地下水使用量的比例为基础，将地市级控制指标分解到县或区级；
步骤S72：地下水初始补充配置，以县或区内缺水计算单元个数为循环，假定
为第i个县或区内第j个缺水单元在第t个时段的缺水量，
为第i个县或区在前t-1时段内地下水总开采量，时段t补充水量
计算公式为：
其中，
表示该区域地下水提水能力，
表示该区域地下水控制开采量；
步骤S73：判断当前县或区内若不存在缺水计算单元或者县或区地下水开采总量达到控制指标，则继续进行下一县或区的地下水初步补充配置，否则返回步骤S72对下一个缺水单元的补充供水配置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910851356.9A CN110633849B (zh) | 2019-09-10 | 2019-09-10 | 一种基于启发式大系统分解协调思想的水资源配置方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910851356.9A CN110633849B (zh) | 2019-09-10 | 2019-09-10 | 一种基于启发式大系统分解协调思想的水资源配置方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110633849A CN110633849A (zh) | 2019-12-31 |
| CN110633849B true CN110633849B (zh) | 2022-05-20 |
Family
ID=68970849
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910851356.9A Active CN110633849B (zh) | 2019-09-10 | 2019-09-10 | 一种基于启发式大系统分解协调思想的水资源配置方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110633849B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111461417B (zh) * | 2020-03-23 | 2021-04-02 | 华北电力大学（保定） | 基于大系统理论的综合能源系统协同优化一体化建模方法 |
| CN113052378B (zh) * | 2021-03-24 | 2022-02-01 | 水利部海河水利委员会水资源保护科学研究所 | 一种基于输水效率与生态效益的流域多水库联合调度方法 |
| CN113282797B (zh) * | 2021-04-20 | 2022-07-01 | 广西大学 | 一种采用并行排序构建水库调度网络节点拓扑关系的方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015098724A (ja) * | 2013-11-19 | 2015-05-28 | 株式会社東芝 | 水管理システム、水管理方法、プログラムおよびサーバ |
| CN109002946A (zh) * | 2018-10-18 | 2018-12-14 | 扬州大学 | 一种河湖补水的“两库—两站”系统水资源优化调度方法 |
| CN109658287A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-04-19 | 中国水利水电科学研究院 | 一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法 |
-
2019
- 2019-09-10 CN CN201910851356.9A patent/CN110633849B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015098724A (ja) * | 2013-11-19 | 2015-05-28 | 株式会社東芝 | 水管理システム、水管理方法、プログラムおよびサーバ |
| CN109002946A (zh) * | 2018-10-18 | 2018-12-14 | 扬州大学 | 一种河湖补水的“两库—两站”系统水资源优化调度方法 |
| CN109658287A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-04-19 | 中国水利水电科学研究院 | 一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于大系统分解协调理论的供水水库群优化调度;王双银等;《水资源管理与工程国际学术会议论文集》;20111231;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110633849A (zh) | 2019-12-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110633849B (zh) | 一种基于启发式大系统分解协调思想的水资源配置方法 | |
| CN108764573B (zh) | 一种面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置系统 | |
| CN113011662B (zh) | 一种区域企厂网河一体化联合优化调度的系统及方法 | |
| WO2022012093A1 (zh) | 一种基于"分区-分级"理论的复杂水资源系统优化配置方法 | |
| CN105913146B (zh) | 南方湿润地区的水资源优化配置系统 | |
| CN114663254B (zh) | 一种水资源-粮食-能源-生态协同调控方法 | |
| CN102629106A (zh) | 供水控制方法及系统 | |
| CN113256028B (zh) | 一种面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法 | |
| CN113449993B (zh) | 一种城市水源供水调度方法 | |
| CN104047258A (zh) | 一种面向环境保护的联合调度水库群的生态库容确定方法 | |
| CN107563538A (zh) | 大电网平台下的面向关键水位控制的多目标水库群调度优化方法 | |
| Li et al. | Large-scale hydropower system optimization using dynamic programming and object-oriented programming: the case of the Northeast China Power Grid | |
| CN113762774A (zh) | 一种矿区所在地矿井水配置方法 | |
| Li et al. | Comprehensive evaluation and scenario simulation of water resources carrying capacity: a case study in Xiong’an New Area, China | |
| CN105160443A (zh) | 基于扩展线性二次高斯方法的复杂水库群优化调度方法 | |
| CN116663740A (zh) | 一种多水库、多线路、多受水区的跨流域调水工程联合调度规则优化方法 | |
| CN104047257B (zh) | 一种面向环境保护的单一供水水库的生态库容确定方法 | |
| Chen et al. | Optimization of water resources utilization by GA–PSO in the Pinshuo open pit combined mining area, China | |
| CN113887073A (zh) | 流域水土的资源优化配置方法、系统、电子设备及存储介质 | |
| Ye et al. | Optimal operation of inter basin water transfer under the form of water sources interconnection with connected tunnel | |
| Georgakakos et al. | A control model for dependable hydropower capacity optimization | |
| CN112529247A (zh) | 基于支流水库联合补水的干流排沙优化调度方法和系统 | |
| Li et al. | Coevolutionary particle swarm optimization algorithm for water resources problems and its application | |
| CN117592758B (zh) | 一种多个跨流域调水格局的联合调度方法 | |
| CN117217440B (zh) | 基于可行策略的引调水工程多目标水量优化调度求解方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |