CN111967666B - 一种江河湖水系综合协同调度系统及其调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种江河湖水系综合协同调度系统及其调度方法，采用流域水量水质数学模型与水资源多目标协同联合调度模型联合求解的模式，进行流域联合调度方案的决策优选。构建流域水资源多目标协同联合调度模型，并在现有流域河网水量水质数学模型的基础上，扩充完善调度目标管理、调度方案分析等功能，开发优化决策模块与相应接口，耦合形成保障水安全的太湖流域水资源联合调度决策系统。通过拟定满足流域、区域多目标的调度方案集，由流域水量水质数学模型进行不同调度方案集模拟，以水量水质模拟结果作为水资源联合调度决策的输入，通过联合调度决策模型的计算和评估，实现流域水资源多目标协同联合调度方案的优选决策。

Description

一种江河湖水系综合协同调度系统及其调度方法
技术领域
本发明涉及水网系统监控领域，具体涉及一种江河湖水系综合协同调度系统及其调度方法。
背景技术
某些流域水利工程众多，工程调度与区域内的水位、水量及水质指标间具有复杂的非线性关系，且调度需求、制约因素众多，故其联合调度优化求解过程复杂、约束条件多，具有显著的非结构化特征，如直接采用优化算法驱动流域水量-水质联合调度模型求解，不仅计算代价巨大，而且未必能够得到理想的求解结果。
为此，如何设计出一种协同调度系统，通过采集得到的多组水体数据构建数学模型，并根据该模型联合求解，从而更好地反馈至决策者进行调度决策，成为了重中之重。
发明内容
发明目的：一个目的是提供一种江河湖水系综合协同调度系统，以解决现有技术存在的上述问题，进一步目的是提供一种基于上述系统的调度方法。
技术方案：一种江河湖水系综合协同调度系统，包括数模调用层、决策计算层、系统管理层；所述数模调用层用于采集水体数据，并将水体数据构建为联合调度模型；所述决策计算层用于将所述数据资源层的数据耦合形成决策模型；所述系统管理层用于将所述决策计算层的输出数据在后台进行权重配置、并实时反馈至用户侧；所述数模调用层、决策计算层、系统管理层之间相互通过本地局域网连接；所述系统管理层通过基站连接广域网。
在进一步的实施例中，所述数模调用层进一步包括排水效率采集单元、超保风险预警单元、以及区域外排水量采集单元。所述排水效率采集单元进一步用于采集重点外排枢纽i1的排水效率DSi：
Figure RE-GDA0002678159230000011
式中，Qi1表示重点外排枢纽i1控制断面实际泄流流量；
Figure RE-GDA0002678159230000012
表示重点外排枢纽i1最大设计过流流量；Zi1表示调度期间流域与区域代表站实际水位；
Figure RE-GDA0002678159230000013
表示流域与区域代表站防洪警戒水位；
所述超保风险预警单元进一步用于预警防洪代表站i2的超保风险CBi2：
Figure RE-GDA0002678159230000021
式中，
Figure RE-GDA0002678159230000022
表示t时刻防洪代表站i2的水位；
Figure RE-GDA0002678159230000023
表示防洪代表站i2的保证水位；t为超保时长；
所述区域外排水量采集单元进一步用于采集调度期内区域i3的外排水量系数WPi3：
WPi3＝Pi3/(Ri3+Wi3)
式中，Pi3表示调度期内区域i3的外排水量；Pi3表示调度期内区域i3的本地产水量； Wi3表示调度期内区域i3的他区域来水量。
在进一步的实施例中，所述数模调用层还包括供水效率计算单元、水位满足度计算单元、水质指标改善程度计算单元、水质指标达标保证率计算单元。所述供水效率计算单元进一步用于计算骨干引供水工程i4的供水效率ηi4：
ηi4＝Ri4/Yi4
式中，Ri4表示骨干引供水工程i4的入湖水量；Yi4表示骨干引供水工程i4的沿江引水水量；
所述水位满足度计算单元进一步用于计算供水代表站i5的水位满足度PGi5：
Figure RE-GDA0002678159230000024
式中，
Figure RE-GDA0002678159230000025
表示第t时刻供水代表站i5的水位；
Figure RE-GDA0002678159230000026
表示供水代表站i5的允许最低旬均水位；sgn(*)为符号函数，若*值大于0，sgn(*)值为1，否则sgn(*)值为0；
所述水质指标改善程度计算单元进一步用于计算水源地i6的水质指标的改善程度
Figure RE-GDA0002678159230000027
Figure RE-GDA0002678159230000028
式中，
Figure RE-GDA0002678159230000029
表示水源地i6的水质指标在时刻t的浓度值；
所述水质指标达标保证率计算单元进一步用于计算水源地i6的水质指标的达标保证率PQi6：
Figure RE-GDA00026781592300000210
式中，
Figure RE-GDA00026781592300000211
表示水源地i6的水质指标在时刻t的浓度值；Rx为水质指标满足Ⅲ类的临界值；sgn(*)为符号函数，若*值大于0，sgn(*)值为1，否则sgn(*)值为0；Δt为调度步长；T为调度期长。
在进一步的实施例中，所述决策计算层进一步包括生态水位保证率决策单元、调度影响区改善程度决策单元、河道流速改善程度决策单元、重点口门引供水成本决策单元。所述生态水位保证率决策单元进一步用于对湖泊i7生态水位保证率PWi7做出决策：
Figure RE-GDA0002678159230000031
式中，WLi7(t)表示湖泊i7时刻t的计算水位；WLBi7表示湖泊i7的生态水位；sgn(*)为符号函数，若*值大于0，sgn(*)值为1，否则sgn(*)值为0；T为调度期长；
所述调度影响区改善程度决策单元进一步用于对断面i7的水质指标的改善程度
Figure RE-GDA0002678159230000032
做出决策：
Figure RE-GDA0002678159230000033
式中，
Figure RE-GDA0002678159230000034
表示调度影响区代表断面i8的水质指标在时刻t的浓度值；
所述河道流速改善程度决策单元进一步用于对断面i8的流速改善程度WLi8做出决策：
Figure RE-GDA0002678159230000035
式中，vi8(t)表示河道代表断面i8时刻t的流速；
所述重点口门引供水成本决策单元进一步用于对重点口门i9的引供水成本Wi9做出决策：
Figure RE-GDA0002678159230000036
式中，
Figure RE-GDA0002678159230000037
表示重点口门i9在时刻t的引水流量。
在进一步的实施例中，所述系统管理层进一步用于对所述数模调用层和所述决策计算层采集到的指标集进行归一化处理：
Figure RE-GDA0002678159230000038
式中，m表示方案个数，n表示每个方案包含的指标个数，xij为第i个方案的第j 个指标，(i＝1,2,...,m j＝1,2,...,n)；
对特征值矩阵X＝(xij)m×n进行归一化处理，得到归一化矩阵R＝(rij)m×n；
递减型：
Figure RE-GDA0002678159230000041
递增型：
Figure RE-GDA0002678159230000042
式中，rij表示第i个方案的第j个指标的归一化指标值；max xij表示总体中指标j的最大特征值；min xij表示总体中指标j的最小特征值；
所述系统管理层进一步用于构建水资源适应性调度模型的约束条件，约束条件包括水量平衡约束、水位约束、流量约束、流速约束、水质约束；
所述水量平衡约束的表达式如下：Sn,t+1＝Sn,t+(Wn,t-Qn,t)△t-In,t
式中，Wn,t为第n个单元t时段内的入流量；Qn,t为第n个单元t时段内的出流量；Sn,t+1为第n个单元t时段末的蓄水量；Sn,t为第n个单元t时段初的蓄水量；In,t为第n 个单元t时段内的损失水量；△t为计算时段区间；
所述水位约束的表达式如下：Zn,t,min≤Zn,t≤Zn,t,max
式中，Zn,t为第n个单元t时段的水位；Zn,t,min为第n个单元t时段允许最低水位；Zn,t,max为第n个单元t时段允许最低水位；
所述流量约束的表达式如下：Qn,t,min≤Qn,t≤Qn,t,max
式中，Qn,t为第n个单元t时段的流量；Qn,t,min为第n个单元t时段允许的最小流量；Qn,t,max为为第n个单元t时段允许的最大流量；
所述流速约束的表达式如下：Vn,t,min≤Vn,t≤Vn,t,max
式中，Vn,t为第n个单元t时段的流速；Vn,t,min为第n个单元t时段允许的最小流速；Vn,t,max为第n个单元t时段允许的最大流速；
所述水质约束的表达式如下：qn,t≤qn,t,max
式中，qn,t为第n个单元t时段水质指标；qn,t,max为第n个单元t时段最低水质目标。
基于上述协同调度系统，本发明提出一种复杂江河湖水系综合协同调度方法，包括如下步骤：
步骤1、由数模调用层采集水体数据，并将水体数据构建为联合调度模型；
步骤2、由决策计算层将所述数据资源层的数据耦合形成决策模型；
步骤3、由系统管理层将所述决策计算层的输出数据在后台进行权重配置、并实时反馈至用户侧。
在进一步的实施例中，所述数模调用层利用排水效率采集单元采集重点外排枢纽i1 的排水效率DSi：
Figure RE-GDA0002678159230000051
式中，Qi1表示重点外排枢纽i1控制断面实际泄流流量；
Figure RE-GDA0002678159230000052
表示重点外排枢纽i1最大设计过流流量；Zi1表示调度期间流域与区域代表站实际水位；
Figure RE-GDA0002678159230000053
表示流域与区域代表站防洪警戒水位；
利用超保风险预警单元预警防洪代表站i2的超保风险CBi2：
Figure RE-GDA0002678159230000054
式中，
Figure RE-GDA0002678159230000055
表示t时刻防洪代表站i2的水位；
Figure RE-GDA0002678159230000056
表示防洪代表站i2的保证水位；t为超保时长；
利用区域外排水量采集单元采集调度期内区域i3的外排水量系数WPi3：
WPi3＝Pi3/(Ri3+Wi3)
式中，Pi3表示调度期内区域i3的外排水量；Ri3表示调度期内区域i3的本地产水量； Wi3表示调度期内区域i3的他区域来水量；
所述数模调用层利用供水效率计算单元计算骨干引供水工程i4的供水效率ηi4：
ηi4＝Ri4/Yi4
式中，Ri4表示骨干引供水工程i4的入湖水量；Yi4表示骨干引供水工程i4的沿江引水水量；
利用水位满足度计算单元计算供水代表站i5的水位满足度PGi5：
Figure RE-GDA0002678159230000057
式中，
Figure RE-GDA0002678159230000058
表示第t时刻供水代表站i5的水位；
Figure RE-GDA0002678159230000059
表示供水代表站i5的允许最低旬均水位；sgn(*)为符号函数，若*值大于0，sgn(*)值为1，否则sgn(*)值为0；
所述水质指标改善程度计算单元进一步用于计算水源地i6的水质指标的改善程度
Figure RE-GDA0002678159230000061
Figure RE-GDA0002678159230000062
式中，
Figure RE-GDA0002678159230000063
表示水源地i6的水质指标在时刻t的浓度值；
利用水质指标达标保证率计算单元计算水源地i6的水质指标的达标保证率PQi6：
Figure RE-GDA0002678159230000064
式中，
Figure RE-GDA0002678159230000065
表示水源地i6的水质指标在时刻t的浓度值；Rx为水质指标满足Ⅲ类的临界值；sgn(*)为符号函数，若*值大于0，sgn(*)值为1，否则sgn(*)值为0；Δt为调度步长；T为调度期长；
所述决策计算层利用生态水位保证率决策单元对湖泊i7生态水位保证率PWi7做出决策：
Figure RE-GDA0002678159230000066
式中，WLi7(t)表示湖泊i7时刻t的计算水位；WLBi7表示湖泊i7的生态水位；sgn(*)为符号函数，若*值大于0，sgn(*)值为1，否则sgn(*)值为0；T为调度期长；
利用调度影响区改善程度决策单元对断面i7的水质指标的改善程度
Figure RE-GDA0002678159230000067
做出决策：
Figure RE-GDA0002678159230000068
式中，
Figure RE-GDA0002678159230000069
表示调度影响区代表断面i8的水质指标在时刻t的浓度值；
所述河道流速改善程度决策单元进一步用于对断面i8的流速改善程度WLi8做出决策：
Figure RE-GDA00026781592300000610
式中，vi8(t)表示河道代表断面i8时刻t的流速；
利用重点口门引供水成本决策单元对重点口门i9的引供水成本Wi9做出决策：
Figure RE-GDA00026781592300000611
式中，
Figure RE-GDA00026781592300000612
表示重点口门i9在时刻t的引水流量；
所述系统管理层对所述数模调用层和所述决策计算层采集到的指标集进行归一化处理：
Figure RE-GDA0002678159230000071
式中，m表示方案个数，n表示每个方案包含的指标个数，xij为第i个方案的第j 个指标，(i＝1,2,...,m j＝1,2,...,n)；
对特征值矩阵X＝(xij)m×n进行归一化处理，得到归一化矩阵R＝(rij)m×n；
递减型：
Figure RE-GDA0002678159230000072
递增型：
Figure RE-GDA0002678159230000073
式中，rij表示第i个方案的第j个指标的归一化指标值；max xij表示总体中指标j的最大特征值；min xij表示总体中指标j的最小特征值；
所述系统管理层进一步用于构建水资源适应性调度模型的约束条件，约束条件包括水量平衡约束、水位约束、流量约束、流速约束、水质约束；
所述水量平衡约束的表达式如下：Sn,t+1＝Sn,t+(Wn,t-Qn,t)△t-In,t
式中，Wn,t为第n个单元t时段内的入流量；Qn,t为第n个单元t时段内的出流量；Sn,t+1为第n个单元t时段末的蓄水量；Sn,t为第n个单元t时段初的蓄水量；In,t为第n 个单元t时段内的损失水量；△t为计算时段区间；
所述水位约束的表达式如下：Zn,t,min≤Zn,t≤Zn,t,max
式中，Zn,t为第n个单元t时段的水位；Zn,t,min为第n个单元t时段允许最低水位；Zn,t,max为第n个单元t时段允许最低水位；
所述流量约束的表达式如下：Qn,t,min≤Qn,t≤Qn,t,max
式中，Qn,t为第n个单元t时段的流量；Qn,t,min为第n个单元t时段允许的最小流量；Qn,t,max为为第n个单元t时段允许的最大流量；
所述流速约束的表达式如下：Vn,t,min≤Vn,t≤Vn,t,max
式中，Vn,t为第n个单元t时段的流速；Vn,t,min为第n个单元t时段允许的最小流速；Vn,t,max为第n个单元t时段允许的最大流速；
所述水质约束的表达式如下：qn,t≤qn,t,max
式中，qn,t为第n个单元t时段水质指标；qn,t,max为第n个单元t时段最低水质目标。
有益效果：本发明涉及一种江河湖水系综合协同调度系统及其调度方法，采用流域水量水质数学模型与水资源多目标协同联合调度模型联合求解的模式，进行流域联合调度方案的决策优选。构建流域水资源多目标协同联合调度模型，并在现有流域河网水量水质数学模型的基础上，扩充完善调度目标管理、调度方案分析等功能，开发优化决策模块与相应接口，耦合形成保障水安全的流域水资源联合调度决策系统。通过拟定满足流域、区域多目标的调度方案集，由流域水量水质数学模型进行不同调度方案集模拟，以水量水质模拟结果作为水资源联合调度决策的输入，通过联合调度决策模型的计算和评估，实现流域水资源多目标协同联合调度方案的优选决策。
附图说明
图1为本协同调度系统的整体架构示意图。
图2为决策计算层的架构示意图。
图3为实施例中太湖流域不同水情调度期划分示意图。
图4为基于多目标协同的水资源联合调度技术示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
本发明涉及一种江河湖水系综合协同调度系统，总体架构设计主要由B/S架构的预警支持服务端构成，包括数模调用层、决策计算层、系统管理层，见图1。
所述数模调用层用于采集水体数据，并将水体数据构建为联合调度模型；所述决策计算层用于将所述数据资源层的数据耦合形成决策模型；所述系统管理层用于将所述决策计算层的输出数据在后台进行权重配置、并实时反馈至用户侧；所述数模调用层、决策计算层、系统管理层之间相互通过本地局域网连接；所述系统管理层通过基站连接广域网。
本实施例以太湖流域为例，为实现太湖流域水资源多目标优化调度及多目标智能决策，在现有流域河网水量水质数学模型的基础上，扩充完善调度方案管理、调度目标管理、调度方案决策分析等功能，开发优化决策模块与相应接口，耦合形成保障水安全的太湖流域水资源联合调度决策系统，系统功能结构图如图2所示。
决策变量是指最优决策问题中所涉及的与约束条件和目标函数有关的待确定的控制变量或操作变量。一组决策变量相对应的状态即为最优决策问题的一组方案。太湖流域水资源多目标协同联合调度模型的决策变量即决策指标体系。
所述数模调用层进一步包括排水效率采集单元、超保风险预警单元、区域外排水量采集单元、供水效率计算单元、水位满足度计算单元、水质指标改善程度计算单元、水质指标达标保证率计算单元。所述排水效率采集单元进一步用于采集重点外排枢纽i1 的排水效率DSi；所述超保风险预警单元进一步用于预警防洪代表站i2的超保风险CBi2；所述区域外排水量采集单元进一步用于采集调度期内区域i3的外排水量系数WPi3；所述供水效率计算单元进一步用于计算骨干引供水工程i4的供水效率ηi4；所述水位满足度计算单元进一步用于计算供水代表站i5的水位满足度PGi5；所述水质指标改善程度计算单元进一步用于计算水源地i6的水质指标的改善程度
Figure RE-GDA0002678159230000091
所述水质指标达标保证率计算单元进一步用于计算水源地i6的水质指标的达标保证率PQi6。
1、防洪目标领域决策指标
防洪目标领域选择重点外排枢纽的排水效率、防洪代表站的超保风险、区域外排水量系数以及预泄目标满足度4个指标作为决策变量。
重点外排枢纽i1的排水效率DSi：
Figure RE-GDA0002678159230000092
式中，Qi1表示重点外排枢纽i1控制断面实际泄流流量；
Figure RE-GDA0002678159230000093
表示重点外排枢纽i1最大设计过流流量；Zi1表示调度期间流域与区域代表站实际水位；
Figure RE-GDA0002678159230000094
表示流域与区域代表站防洪警戒水位；
防洪代表站i2的超保风险CBi2：
Figure RE-GDA0002678159230000095
式中，
Figure RE-GDA0002678159230000096
表示t时刻防洪代表站i2的水位；
Figure RE-GDA0002678159230000097
表示防洪代表站i2的保证水位；t为超保时长；
调度期内区域i3的外排水量系数WPi3：
WPi3＝Pi3/(Ri3+Wi3)
式中，Pi3表示调度期内区域i3的外排水量；Ri3表示调度期内区域i3的本地产水量； Wi3表示调度期内区域i3的他区域来水量；
骨干引供水工程i4的供水效率ηi4：
ηi4＝Ri4/Yi4
式中，Ri4表示骨干引供水工程i4的入湖水量；Yi4表示骨干引供水工程i4的沿江引水水量；
供水代表站i5的水位满足度PGi5：
Figure RE-GDA0002678159230000101
式中，
Figure RE-GDA0002678159230000102
表示第t时刻供水代表站i5的水位；
Figure RE-GDA0002678159230000103
表示供水代表站i5的允许最低旬均水位；sgn(*)为符号函数，若*值大于0，sgn(*)值为1，否则sgn(*)值为0；
水源地i6的水质指标的改善程度
Figure RE-GDA0002678159230000104
Figure RE-GDA0002678159230000105
式中，
Figure RE-GDA0002678159230000106
表示水源地i6的水质指标在时刻t的浓度值；
水源地i6的水质指标的达标保证率PQi6：
Figure RE-GDA0002678159230000107
式中，
Figure RE-GDA0002678159230000108
表示水源地i6的水质指标在时刻t的浓度值；Rx为水质指标满足Ⅲ类的临界值；sgn(*)为符号函数，若*值大于0，sgn(*)值为1，否则sgn(*)值为0；Δt为调度步长；T为调度期长；
所述决策计算层进一步包括生态水位保证率决策单元、调度影响区改善程度决策单元、河道流速改善程度决策单元、重点口门引供水成本决策单元。所述生态水位保证率决策单元进一步用于对湖泊i7生态水位保证率PWi7做出决策；所述调度影响区改善程度决策单元进一步用于对断面i7的水质指标的改善程度
Figure RE-GDA0002678159230000109
做出决策；所述河道流速改善程度决策单元进一步用于对断面i8的流速改善程度WLi8做出决策；所述重点口门引供水成本决策单元进一步用于对重点口门i9的引供水成本Wi9做出决策。
湖泊i7生态水位保证率PWi7：
Figure RE-GDA0002678159230000111
式中，WLi7(t)表示湖泊i7时刻t的计算水位；WLBi7表示湖泊i7的生态水位；sgn(*)为符号函数，若*值大于0，sgn(*)值为1，否则sgn(*)值为0；T为调度期长；
断面i7的水质指标的改善程度
Figure RE-GDA0002678159230000112
Figure RE-GDA0002678159230000113
式中，
Figure RE-GDA0002678159230000114
表示调度影响区代表断面i8的水质指标在时刻t的浓度值；
断面i8的流速改善程度WLi8：
Figure RE-GDA0002678159230000115
式中，vi8(t)表示河道代表断面i8时刻t的流速；
重点口门i9的引供水成本Wi9：
Figure RE-GDA0002678159230000116
式中，
Figure RE-GDA0002678159230000117
表示重点口门i9在时刻t的引水流量。
为了消除指标间物理量纲不同对计算结果的影响，对指标进行归一化处理。所述系统管理层进一步用于对所述数模调用层和所述决策计算层采集到的指标集进行归一化处理。设有m个方案，每个方案包括n个指标，那么关于n个指标的特征值矩阵为：
Figure RE-GDA0002678159230000118
式中：xij为第i个方案的第j个指标，(i＝1,2,...,m j＝1,2,...,n)。
按照下述公式将特征值矩阵X＝(xij)m×n进行归一化处理，得到归一化矩阵R＝(rij)m×n。
递减型(越大越优型)：
Figure RE-GDA0002678159230000119
递增型(越小越优型)：
Figure RE-GDA0002678159230000121
式中：rij表示第i个方案的第j个指标的归一化指标值；max xij表示总体中指标j的最大特征值；min xij表示总体中指标j的最小特征值。
对于部分决策指标，存在各方案间差异较小的可能情况，这种情况下按上述归一化方法进行归一化后，可能造成其归一化后差异十分显著，不能较好地反映实际情况。鉴于此，联合调度模型归一化时支持用户根据经验定义特定指标或特定站点的最大值、最小值，使得指标归一化值尽可能反映各方案间实际差异情况。
为了降低流域与区域的防洪压力、提高水资源供给保障、促进流域区域水生态环境改善，水资源系统联合调度目标函数须统筹社会、经济以及生态等多方面要求，从地区实际要求出发，研究各目标效益之间的非劣转换关系，确定水资源系统中各控制工程的最佳运行方式。
(1)总目标
水资源系统联合调度的目标往往涉及社会、经济等各个方面，目标间的不可公度性和矛盾性是水资源适应性调度问题的主要特点。为平衡和协调不同目标之间的关系，权重法和约束法是较常用的两种方法。其中，权重法是对不同的目标给予相应的权重，把各目标函数加权和作为总目标函数，通过改变权重值，生成多目标问题的非劣解集；约束法是从全体目标函数中选择一个作为主目标，并将其它目标函数转化为约束条件，通过变换约束水平，生成多目标的非劣解集。
按照上文对太湖流域水资源系统联合调度指标体系的构建，目标函数可以表达为：
Figure RE-GDA0002678159230000122
式中：f1、f2、f3分别对应防洪、供水、水环境目标领域；αi、βj、γk分别为防洪、供水、水环境目标领域决策变量的权重；X为所有自变量组成的向量；S为所有约束条件集合。
(2)防洪效益目标
基于构建的太湖流域水资源系统联合调度指标体系，水资源系统防洪效益目标函数可以表示为：
Figure RE-GDA0002678159230000131
(3)供水效益目标
基于构建的太湖流域水资源系统联合调度指标体系，水资源系统供水效益目标函数可以表示为：
Figure RE-GDA0002678159230000132
(4)水环境生态效益目标
基于构建的太湖流域水资源系统联合调度指标体系，水资源系统水环境生态效益目标函数可以表示为：
Figure RE-GDA0002678159230000133
Figure RE-GDA0002678159230000134
2、约束条件
水资源适应性调度模型的约束条件包括水量平衡约束、水位约束、流量约束、流速约束、水质约束、水质平衡约束、工程运行约束等。
(1)水量平衡约束
水资源系统中，水库、泵站、水闸等单元需要遵循水量平衡约束，表达为下式所示：
Sn,t+1＝Sn,t+(Wn,t-Qn,t)△t-In,t
式中：Wn,t为第n个单元t时段内的入流量；Qn,t为第n个单元t时段内的出流量；Sn,t+1为第n个单元t时段末的蓄水量；Sn,t为第n个单元t时段初的蓄水量；In,t为第n 个单元t时段内的损失水量；△t为计算时段区间。
(2)水位约束
水资源系统中，水库、河道等单元的水位在不同时期均需满足特定最低限和最高限要求，以满足防洪、供水、航运、生态等需要，表达为下式所示：
Zn,t,min≤Zn,t≤Zn,t,max
式中：Zn,t为第n个单元t时段的水位；Zn,t,min为第n个单元t时段允许最低水位；Zn,t,max为第n个单元t时段允许最低水位。
(3)流量约束
除水位约束外，水库、水闸、水轮机以及重要河道断面等单元在不同时段也有相应流量、流速要求，一般与调度规则、工程特性等因素相关，表达为：
Qn,t,min≤Qn,t≤Qn,t,max
式中：Qn,t为第n个单元t时段的流量；Qn,t,min为第n个单元t时段允许的最小流量；Qn,t,max为为第n个单元t时段允许的最大流量。
(4)流速约束
Vn,t,min≤Vn,t≤Vn,t,max
式中：Vn,t为第n个单元t时段的流速；Vn,t,min为第n个单元t时段允许的最小流速；Vn,t,max为第n个单元t时段允许的最大流速。
(5)水质约束
qn,t≤qn,t,max
式中：qn,t为第n个单元t时段水质指标；qn,t,max为第n个单元t时段最低水质目标。
(6)水质平衡约束
由水量水质模型描述。
(7)工程运行约束
主要包括太湖流域水利工程的过水能力、调度运行方式约束等。
(1)防洪调度情景
防洪调度情景下对象层防洪调度、供水调度以及水生态环境调度相互间的权重向量赋值依据《太湖流域洪水与水量调度方案》中防洪安全保障优先的原则，综合考虑供水安全与水生态环境安全，防洪调度较供水调度和水生态环境调度的重要性处于绝对优势地位，防洪调度过程中同时需保证流域重要饮用水源地供水安全，而水生态环境安全保障相对处于兼顾的地位，根据该原则构建防洪调度情景下对象层判别矩阵，并得到权重向量值，详见表4-1。防洪调度指标中代表站超保风险较外排工程泄流状态比较重要，权重比设置为5:1(表4-2)。供水调度指标中代表站水位满足度对饮用水源地水质改善度和引水工程供水效率分别处于比较和十分重要的地位，故而权重比分别为5:1与7:1，而饮用水源地水质改善度与引水工程供水效率相比则稍重要，权重比选择3:1(表4-3)。湖泊生态水位通常满足，而调度影响区水质改善程度应当是重点，其次是河道流速改善程度与泵引水量指标(表4-4)。
表4-1防洪调度情景下联合调度对象层判别矩阵
Figure RE-GDA0002678159230000151
注：一致性比例RI：0.02；λmax：3.02
表4-2防洪调度情景下防洪调度指标层判别矩阵
Figure RE-GDA0002678159230000152
注：一致性比例RI：0.03；λmax：4.07
表4-3防洪调度情景下供水调度指标层判别矩阵
Figure RE-GDA0002678159230000153
注：一致性比例RI：0.03；λmax：4.07
表4-4防洪调度情景下水生态环境调度指标层判别矩阵
Figure RE-GDA0002678159230000154
注：一致性比例RI：0.08；λmax：4.22
表4-1～4-4中各判别矩阵的一致性比例RI均低于0.1，表明联合调度对象层判别矩 阵、防洪调度、供水调度以及水生态环境调度的判断矩阵均有很好的一致性，各判别矩阵的权重向量赋值合理。
(2)水生态环境调度情景
水生态环境调度情景下太湖流域水资源多目标调度应以水生态环境调度为重心，同时兼顾防洪调度和供水调度，但防洪调度较供水调度稍重要。水生态环境调度相对于防洪调度处于比较重要的地位，相对于供水调度处于十分重要的地位，根据该原则构建水生态环境调度情景下对象层判别矩阵，并得到权重向量值，详见表4-5。各对象层下指标重要性与防洪调度情景一致。
表4-5水生态环境调度情景流域联合调度对象层判别矩阵
Figure RE-GDA0002678159230000161
注：一致性比例RI：0.06；λmax：3.06
(3)供水与水生态环境调度情景
供水与水生态环境调度情景下太湖流域水资源联合调度应以供水与水生态环境调度并重。根据该原则构建供水与水生态环境调度情景下对象层判别矩阵，并得到权重向量值，详见表4-6。
表4-6供水与水生态环境调度情景流域联合调度对象层判别矩阵
Figure RE-GDA0002678159230000162
注：一致性比例：0；λmax：3
(4)供水调度情景
供水调度情景太湖流域水资源联合调度应以供水调度为中心，同时兼顾水生态环境调度与防洪调度，根据该原则构建供水调度情景下对象层判别矩阵，并得到权重向量值，详见表4-7。
表4-7供水调度情景流域联合调度对象层判别矩阵
Figure RE-GDA0002678159230000163
Figure RE-GDA0002678159230000171
注：一致性比例：0.08；λmax：3.08
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (7)

1.一种江河湖水系综合协同调度系统，其特征在于包括如下模块：
用于采集水体数据，并将水体数据构建为联合调度模型的数模调用层；
其中，所述联合调度模型的总目标函数如下：
Figure FDA0002989259730000011
式中：f1、f2、f3分别对应防洪、供水、水环境目标领域的目标函数；αi、βj、γk分别为防洪、供水、水环境目标领域决策变量的权重；X为所有自变量组成的向量；S为所有约束条件集合；
其中，约束条件包括水量平衡约束、水位约束、流量约束、流速约束、水质约束；
水量平衡约束表达式如下：
Sn,t+1＝Sn,t+(Wn,t-Qn,t)Δt-In,t
式中：Wn,t为第n个单元t时段内的入流量；Qn,t为第n个单元t时段内的出流量；Sn,t+1为第n个单元t时段末的蓄水量；Sn,t为第n个单元t时段初的蓄水量；In,t为第n个单元t时段内的损失水量；Δt为计算时段区间；
水位约束表达式如下：
Zn,t,min≤Zn,t≤Zn,t,max
式中：Zn,t为第n个单元t时段的水位；Zn,t,min为第n个单元t时段允许最低水位；Zn,t,max为第n个单元t时段允许最高水位；
流量约束表达式如下：
Qn,t,min≤Qn,t≤Qn,t,max
式中：Qn,t为第n个单元t时段的流量；Qn,t,min为第n个单元t时段允许的最小流量；Qn,t,max为为第n个单元t时段允许的最大流量；
流速约束表达式如下：
Vn,t,min≤Vn,t≤Vn,t,max
式中：Vn,t为第n个单元t时段的流速；Vn,t,min为第n个单元t时段允许的最小流速；Vn,t,max为第n个单元t时段允许的最大流速；
水质约束表达式如下：
qn,t≤qn,t,max
式中：qn,t为第n个单元t时段水质指标；qn,t,max为第n个单元t时段最低水质目标；
用于将数据资源层的数据耦合形成决策模型的决策计算层；
所述决策模型以重点外排枢纽的排水效率、防洪代表站的超保风险、区域外排水量系数以及预泄目标满足度4个指标作为决策变量；
其中，重点外排枢纽i1的排水效率DSi1：
Figure FDA0002989259730000021
式中，Qi1表示重点外排枢纽i1控制断面实际泄流流量；
Figure FDA0002989259730000022
表示重点外排枢纽i1最大设计过流流量；Zi1表示调度期间流域与区域代表站实际水位；
Figure FDA0002989259730000023
表示流域与区域代表站防洪警戒水位；
防洪代表站i2的超保风险CBi2：
Figure FDA0002989259730000024
式中，
Figure FDA0002989259730000025
表示t时刻防洪代表站i2的水位；
Figure FDA0002989259730000026
表示防洪代表站i2的保证水位；
调度期内区域i3的外排水量系数WPi3：
WPi3＝Pi3/(Ri3+Wi3)
式中，Pi3表示调度期内区域i3的外排水量；Ri3表示调度期内区域i3的本地产水量；Wi3表示调度期内区域i3的他区域来水量；
骨干引供水工程i4的供水效率ηi4：
ηi4＝Ri4/Yi4
式中，Ri4表示骨干引供水工程i4的入湖水量；Yi4表示骨干引供水工程i4的沿江引水水量；
供水代表站i5的水位满足度PGi5：
Figure FDA0002989259730000027
式中，
Figure FDA0002989259730000028
表示第t时刻供水代表站i5的水位；
Figure FDA0002989259730000029
表示供水代表站i5的允许最低旬均水位；sgn(*)为符号函数，若*值大于0，sgn(*)值为1，否则sgn(*)值为0；
水源地i6的水质指标的改善程度
Figure FDA0002989259730000031
Figure FDA0002989259730000032
式中，
Figure FDA0002989259730000033
表示水源地i6的水质指标在时刻t的浓度值；
水源地i6的水质指标的达标保证率PQi6：
Figure FDA0002989259730000034
式中，Δt为调度步长；T为调度期长；
用于将所述决策计算层的输出数据在后台进行权重配置、并实时反馈至用户侧的系统管理层；
所述数模调用层、决策计算层、系统管理层之间相互通过本地局域网连接；所述系统管理层通过基站连接广域网。
2.根据权利要求1所述的一种江河湖水系综合协同调度系统，其特征在于，所述数模调用层进一步包括排水效率采集单元、超保风险预警单元、以及区域外排水量采集单元。
3.根据权利要求1所述的一种江河湖水系综合协同调度系统，其特征在于，所述数模调用层还包括供水效率计算单元、水位满足度计算单元、水质指标改善程度计算单元、水质指标达标保证率计算单元。
4.根据权利要求1所述的一种江河湖水系综合协同调度系统，其特征在于，所述决策计算层进一步包括生态水位保证率决策单元、调度影响区改善程度决策单元、河道流速改善程度决策单元、重点口门引供水成本决策单元。
5.根据权利要求4所述的一种江河湖水系综合协同调度系统，其特征在于，生态水位保证率决策单元进一步用于对湖泊i7生态水位保证率PWi7做出决策：
Figure FDA0002989259730000035
式中，WLi7(t)表示湖泊i7时刻t的计算水位；WLBi7表示湖泊i7的生态水位；sgn(*)为符号函数，若*值大于0，sgn(*)值为1，否则sgn(*)值为0；T为调度期长；
所述调度影响区改善程度决策单元进一步用于对断面i8的水质指标的改善程度
Figure FDA0002989259730000036
做出决策：
Figure FDA0002989259730000041
式中，
Figure FDA0002989259730000042
表示调度影响区代表断面i8的水质指标在时刻t的浓度值；
所述河道流速改善程度决策单元进一步用于对断面i8的流速改善程度WLi8做出决策：
Figure FDA0002989259730000043
式中，vi8(t)表示河道代表断面i8时刻t的流速；
所述重点口门引供水成本决策单元进一步用于对重点口门i9的引供水成本Wi9做出决策：
Figure FDA0002989259730000044
式中，
Figure FDA0002989259730000045
表示重点口门i9在时刻t的引水流量。
6.根据权利要求1所述的一种江河湖水系综合协同调度系统，其特征在于，所述系统管理层进一步用于对所述数模调用层和所述决策计算层采集到的指标集进行归一化处理：
Figure FDA0002989259730000046
式中，m表示方案个数，n表示每个方案包含的指标个数，xij为第i个方案的第j个指标，i＝1,2,...,m，j＝1,2,...,n；
对特征值矩阵X＝(xij)m×n进行归一化处理，得到归一化矩阵R＝(rij)m×n；
递减型：
Figure FDA0002989259730000047
递增型：
Figure FDA0002989259730000048
式中，rij表示第i个方案的第j个指标的归一化指标值；maxxij表示总体中指标j的最大特征值；minxij表示总体中指标j的最小特征值。
7.一种江河湖水系综合协同调度方法，其特征在于基于权利要求1至6中任一项所述的江河湖水系综合协同调度系统，包括如下步骤：
步骤1、由数模调用层采集水体数据，并将水体数据构建为联合调度模型；
步骤2、由决策计算层将数据资源层的数据耦合形成决策模型；
步骤3、由系统管理层将所述决策计算层的输出数据在后台进行权重配置、并实时反馈至用户侧。
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