CN111275242A - 一种基于禁忌搜索优化算法的下游防护的尾矿库调洪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于禁忌搜索优化算法的下游防护的尾矿库调洪方法，属于尾矿库工程领域。本发明针对无资料地区的尾矿库，通过当地等雨量线图、当地暴雨洪水查算实用手册两者结合获得的设计面暴雨时程分配，可以显著提升调洪演算精度；根据禁忌搜索优化算法配合特定参数可以加快收敛速度，避免局部最优值，从而使得本发明获得的下泄流量过程线更加精确；综上，本发明有效地解决了传统方法对下游防护考虑不足的问题，能够更有效保护尾矿库的下游防护对象。

Description

一种基于禁忌搜索优化算法的下游防护的尾矿库调洪方法
技术领域
本发明涉及一种基于禁忌搜索优化算法的下游防护的尾矿库调洪方法，属于尾矿库工程领域。
背景技术
尾矿库调洪演算是尾矿库设计过程中重要的步骤之一，其计算结果的准确性与高效性对尾矿库安全以及矿山的安全生产有重大的影响，对尾矿坝以及尾矿库排洪系统设计有重要的意义。尾矿库调洪演算计算方法很多，根据设计规范要求，有泄量库容关系曲线推求洪水过程线法，按照推理公式法推求设计洪水法等。
泄量库容关系曲线法可以用于复杂的泄流情况，同时对时段变化也无限制，其计算量较小，不需试算。但过程控制过于繁琐，曲线绘制难度相对较大。迭代法作为调洪演算最常用的方法，其计算时间较短，但精度相对较低。推理公式法采用的设计洪水推理公式采用的参数是基于全国综合而定的，不一定适合本地区，计算简便但精度较低。
发明内容
本发明提供了一种基于禁忌搜索优化算法的下游防护的尾矿库调洪方法，以用于实现对尾矿库的下游防护考虑不足的问题。
本发明的技术方案是：一种基于禁忌搜索优化算法的下游防护的尾矿库调洪方法，所述方法步骤如下：
步骤1：根据尾矿库的库容和库水位之间对应的离散数据，拟合得到库容V库与库水位Z库之间的关系函数；根据尾矿库的库水位与下泄流量之间对应的离散数据，拟合得到库水位Z库与下泄流量q泄之间的关系函数；
步骤2：根据当地等雨量线图得到各时段典型暴雨，对当地的各时段典型暴雨用同频率控制缩放得到各频率设计点暴雨时程分配过程，并对设计点暴雨时程分配过程使用当地暴雨洪水查算实用手册中该地区的暴雨点面折算系数折减得到设计面暴雨时程分配；
步骤3：根据当地土壤缺水量和设计面暴雨时程分配，利用初损后损法推求净雨，然后利用净雨通过单位线法得到典型洪水过程线；
步骤4：根据库容V库与库水位Z库之间的对应关系与库水位Z库与下泄流量q泄之间的对应关系推导出下泄流量与库容之间的关系函数；
步骤5：采用最大削峰准则作为目标函数，以水量平衡、库容上下限、下泄流量与库容之间的关系函数作为约束条件建立数学模型；
步骤6：采用禁忌搜索优化算法对步骤5中的数学模型进行求解，得到下泄流量过程线。
所述步骤6采用的禁忌搜索优化算法中参数设置为：禁忌步数为4，节点数目为144。
本发明的有益效果是：针对无资料地区的尾矿库，通过当地等雨量线图、当地暴雨洪水查算实用手册两者结合获得的设计面暴雨时程分配，可以显著提升调洪演算精度；根据禁忌搜索优化算法配合特定参数可以加快收敛速度，避免局部最优值，从而使得本发明获得的下泄流量过程线更加精确；综上，本发明有效地解决了传统方法对下游防护考虑不足的问题，能够更有效保护尾矿库的下游防护对象。
附图说明
图1是本发明方法与传统迭代法的调洪演算结果比对图。
具体实施方式
实施例1：如图1所示，一种基于禁忌搜索优化算法的下游防护的尾矿库调洪方法，所述方法步骤如下：
步骤1：根据尾矿库的库容和库水位之间对应的离散数据，拟合得到库容V库与库水位Z库之间的关系函数；根据尾矿库的库水位与下泄流量之间对应的离散数据，拟合得到库水位Z库与下泄流量q泄之间的关系函数；
步骤2：根据当地等雨量线图得到各时段典型暴雨，对当地的各时段典型暴雨用同频率控制缩放得到各频率设计点暴雨时程分配过程，并对设计点暴雨时程分配过程使用当地暴雨洪水查算实用手册中该地区的暴雨点面折算系数折减得到设计面暴雨时程分配；
步骤3：根据当地土壤缺水量和设计面暴雨时程分配，利用初损后损法推求净雨，然后利用净雨通过单位线法得到典型洪水过程线；
步骤4：根据库容V库与库水位Z库之间的对应关系与库水位Z库与下泄流量q泄之间的对应关系推导出下泄流量与库容之间的关系函数；
步骤5：采用最大削峰准则作为目标函数，以水量平衡、库容上下限、下泄流量与库容之间的关系函数作为约束条件建立数学模型；
步骤6：采用禁忌搜索优化算法对步骤5中的数学模型进行求解，得到下泄流量过程线。
进一步地，可以设置所述步骤6采用的禁忌搜索优化算法中参数设置为：禁忌步数为4，节点数目为144。
进一步地，结合实际尾矿库给出如下实验过程：
尾矿库基本情况：实施实例对云南省某磷石膏尾矿库2号库进行200年一遇(P＝0.5％)调洪演算，基本水文计算资料如表1、表2所示：
表1二百年一遇洪水过程
Figure BDA0002359423590000031
表2水位库容关系
Figure BDA0002359423590000032
针对上述给出的资料，结合本发明的方法给出如下实验步骤：
步骤1：使用excel的曲线拟合功能，根据库容和库水位之间对应的离散数据，拟合得到库容V库与库水位Z库之间的关系函数；根据尾矿库的库水位与下泄流量之间对应的离散数据，拟合得到库水位Z库与下泄流量q泄之间的关系函数：
Figure BDA0002359423590000033
q泄＝-0.8636Z库 2+3.4786Z库+2.3113
步骤2：根据当地等雨量线图得到各时段典型暴雨，对当地的各时段典型暴雨用同频率控制缩放得到各频率设计点暴雨时程分配过程，并对设计点暴雨时程分配过程使用当地暴雨洪水查算实用手册中该地区的暴雨点面折算系数折减得到设计面暴雨时程分配；
步骤3：根据当地土壤缺水量和设计面暴雨时程分配，利用初损后损法推求净雨，然后利用净雨通过单位线法得到典型洪水过程线；
步骤4：根据库容V库与库水位Z库之间的对应关系与库水位Z库与下泄流量q泄之间的对应关系推导出下泄流量与库容之间的关系函数，即：
Figure BDA0002359423590000041
步骤5：采用最大削峰准则作为目标函数：
qmax＝min(maxq泄(t)),t∈[t0,tD]
式中：qmax表示下游防护点的最大流量，m3/s；q泄(t)表示t时段的下泄流量，m3/s；t0表示调度期开始时间；tD表示调度期结束时间；
同时满足约束条件：水量平衡：
Figure BDA0002359423590000042
式中：V库(t)、V库(t+1)分别为第t时段始尾矿库始、末库容；Q入(t)、Q入(t+1)分别为第t时段始尾矿库始、末入库流量，m3/s；q泄(t)、q泄(t+1)分别为第t时段始尾矿库始、末下泄流量；Δt为时间步长，这里取600s。
库容上下限约束：
0≤V库(t)≤V库max
式中：V库(t)为调洪演算时的尾矿库库容，V库max为尾矿库最大库容。
步骤6：采用禁忌搜索优化算法对步骤5中的数学模型进行求解，禁忌搜索优化算法采用C++语言进行编程计算，相关参数有：禁忌步数为4，节点数目为144，循环次数为1000次，具体步骤如下：
(1)随机产生初始解x，置空禁忌表
(2)判断算法终止条件是否满足，是，输出优化结果，否，继续一下步骤
(3)利用当前解的邻域函数产生其所有(或若干)邻域解，并从中确定若干候选解
(4)对候选解判断藐视规则是否满足，是，则用藐视规则的最佳状态y代替x成为新的当前解，即x＝y并用与y对应的禁忌对象替换最早进入禁忌表的禁忌对象(y是现在的当前进行搜索的地方1，植入禁忌表2，切换状态)同时用y替换“best so far”状态，然后转入(6)，否，(5)
(5)判断候选解对应到各对象的禁忌属性，选择候选解集中非禁忌对象对应的最佳状态为新的当前解，同时用与之对应的禁忌对象替换最早进入禁忌表的禁忌对象。
(6)判断算法终止条件是否满足；是则结束算法并输出优化结果，否则，转(3)。
步骤7：计算结果分析：
根据步骤6得到的下泄流量过程线和和步骤3得到的典型洪水过程线获得两者第一交点的坐标，即得到该洪水过程中的最大下泄流量，将最大下泄流量与库容相比较，得出与之对应的最高水头和对应库水位；根据库水位确定实际使用库容；
步骤8：根据以上步骤得到的洪水过程线与下泄流量过程线的结果，对排水井进行下泄流量复核，其中排水井的进口过流能力将根据以下公式(其中进口过流能力决定下泄流量的上限)，针对不同泄流最高水头进行复核：
①自由泄流(分三种情况)
水位未淹没框架圈梁时，
Figure BDA0002359423590000051
水位淹没圈梁时，Qd＝Q1+Q2 (2)
水位淹没井口时，
Figure BDA0002359423590000052
式中：Qc表示未淹没圈梁时的流量；Qd表示淹没圈梁时的流量；Qe表示淹没井口时的流量；
Figure BDA0002359423590000053
(方孔)，
Figure BDA0002359423590000054
(在两圈梁之间时)；g表示重力加速度；nc表示同一个横断面上排水口的个数；m表示堰流量系数；ε表示侧向收缩系数；bc表示一个排水口的宽度，m；Hy表示溢流堰泄流水头，m；Hi表示第i层全淹没工作窗口的泄流计算水头，m；H0表示最上层未淹没工作窗口的泄流水头，m；Hj表示井口泄流水头，m；ωc表示一个排水窗口的面积，m2；ωs表示井口水流收缩断面面积，m2；ζ4表示排水井进口局部水头损失系数；ζ5表示框架局部水头损失系数，为立柱、横梁的局部水头损失系数之和；ωl表示框架立柱和圈梁之间的过水净空总面积，m2；
Figure BDA0002359423590000055
②半压力流
Figure BDA0002359423590000056
Figure BDA0002359423590000057
式中：Q表示流量；g表示重力加速度；Fs表示排水管入口水流收缩断面面积，m2；H表示计算水头，为库水位与排水管入口断面中心标高之差，m；λj表示排水井沿程水头损失系数，λ＝8g/C2；l表示排水井内管顶以上的水深，m；d表示排水井内径，m；ζ2表示排水管入口局部水头损失系数；ζ3表示排水井中水流转向局部水头损失系数；ζ4表示排水井进口局部水头损失系数；ζ5表示框架局部水头损失系数；
Figure BDA0002359423590000061
③压力流
Figure BDA0002359423590000062
Figure BDA0002359423590000063
式中：Fx表示排水管下游出口断面面积，m2；Hz表示计算水头，为库水位与排水管下游出口断面中心标高之差，m；当下游有水时，为库水位与下游水位的高差；λg表示排水管沿程水头损失系数；D表示排水管计算管段的内径，m；L表示排水管计算管段的长度，m；ζ表示排水管线上的局部水头损失系数；ζ2表示排水管入口局部水头损失系数；ζ3表示排水井中水流转向局部水头损失系数；ζ4表示排水井进口局部水头损失系数；ζ5——框架局部水头损失系数；
Figure BDA0002359423590000064
Figure BDA0002359423590000065
排洪隧洞泄流能力复核洞身段泄流能力首先按明渠均匀流考虑，计算公式为：
Figure BDA0002359423590000066
式中：Q表示流量(m3/s)；A表示过流断面面积(m2)；C表示谢才系数，曼宁公式；R表示水力半径；
复核结果如表3：
表3不同库水位排水井泄流量计算表
Figure BDA0002359423590000067
排洪隧洞泄流能力水力计算：
过流断面b×h＝1.8m×2.3m，最小坡度i＝0.015(结合原设计情况)，洞身段泄流能力复核首先按明渠均匀流考虑，计算公式为：
Figure BDA0002359423590000071
式中：Q表示流量(m3/s)；A表示过流断面面积(m2)；C表示谢才系数，曼宁公式；R表示水力半径；
库内排洪隧洞泄水能力计算表如表4所示
表4库内排洪隧洞泄水能力计算表
Figure BDA0002359423590000072
根据禁忌搜索优化算法所求得的下泄流量与时间关系曲线如附图1所示，同时对比了常规调洪方法所得到的下泄流量曲线，可以看出库容利用更加充分，对下游防护对象的安全有更好的保障。调洪结果见附图1：由图上可见，本发明采用算法较迭代法更加充分的利用了尾矿坝库容，最大下泄流量大幅度减少，能够充分的减少洪水对下游保护对象造成的损失，较传统使用的迭代法更优。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于禁忌搜索优化算法的下游防护的尾矿库调洪方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
步骤1：根据尾矿库的库容和库水位之间对应的离散数据，拟合得到库容V库与库水位Z库之间的关系函数；根据尾矿库的库水位与下泄流量之间对应的离散数据，拟合得到库水位Z库与下泄流量q泄之间的关系函数；
步骤2：根据当地等雨量线图得到各时段典型暴雨，对当地的各时段典型暴雨用同频率控制缩放得到各频率设计点暴雨时程分配过程，并对设计点暴雨时程分配过程使用当地暴雨洪水查算实用手册中该地区的暴雨点面折算系数折减得到设计面暴雨时程分配；
步骤3：根据当地土壤缺水量和设计面暴雨时程分配，利用初损后损法推求净雨，然后利用净雨通过单位线法得到典型洪水过程线；
步骤4：根据库容V库与库水位Z库之间的对应关系与库水位Z库与下泄流量q泄之间的对应关系推导出下泄流量与库容之间的关系函数；
步骤5：采用最大削峰准则作为目标函数，以水量平衡、库容上下限、下泄流量与库容之间的关系函数作为约束条件建立数学模型；
步骤6：采用禁忌搜索优化算法对步骤5中的数学模型进行求解，得到下泄流量过程线。
2.根据权利要求1所述的基于禁忌搜索优化算法的下游防护的尾矿库调洪方法，其特征在于：所述步骤6采用的禁忌搜索优化算法中参数设置为：禁忌步数为4，节点数目为144。
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