CN112785087A - 一种考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法 - Google Patents

一种考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法，包括根据调水工程各对象的水力联系以及水力响应特性，构建跨流域调水工程模型网络概化图；在模型网络概化图的基础上，构建调水工程旬水量优化调度模型并运用差分进化算法实现模型的高效求解；根据模型求解得到的最优解，制定调水工程旬水量优化调度计划。优点是：充分考虑了调水工程中各对象的水力响应特性，可实现调水工程旬调度过程中水位、流量和泵站能耗的精细化模拟；调水工程旬水量优化调度模型能充分利用调水工程沿线湖泊的调蓄能力，优化旬调水过程，均衡供水缺额、调水能耗、湖泊不平衡水量等多维目标，以编制最优的跨流域调水工程旬水量优化调度计划。

Description

一种考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计 划编制方法
技术领域
本发明涉及水资源优化调度技术领域，尤其涉及一种考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法。
背景技术
跨流域调水工程是解决水资源空间分布不均的有效手段，是合理利用区域水资源、保障经济社会可持续发展的重大举措。其中，水量调度模型是编制跨流域调水工程水量调度计划的基础，按照时间尺度不同，水量调度模型又分为年月水量调度模型和旬水量调度模型，分别支撑调水工程年月水量调度计划和旬水量调度计划的编制。
旬水量调度模型是在确定的年月水量调度计划的基础上，充分考虑可供水量、各用水户的用水需求、工程计划检修及各渠段输水能力，优化决策调水工程在旬内的逐日输、供水过程，在最大程度满足供水需求的同时，尽可能降低调水工程的运行成本。旬水量调度模型利用不断更新的来水、需水等预报信息，对运行策略逐步进行调整和修正，提高水资源利用率并降低跨流域调水工程产生的能耗，以达到水量优化调度的目的。
现行调水工程旬水量调度计划编制方法都是以水量平衡模型为核心进行求解计算。水量平衡模型主要以水量为决策变量，对输水过程的水力响应特性考虑不充分，泵站的能耗计算只能以能源单耗等方式进行概算，无法反映精细化的输、供水过程。随着调水工程对调度的精细化水平要求逐步提高,现有的以水量平衡计算为核心的旬水量调度模型难以满足生产需求,亟待寻求能够反映调水工程输水水力响应特性、精确计算泵站能耗的旬水量调度计划编制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法，包括如下步骤
S1、根据调水工程各对象的水力联系以及水力响应特性，构建跨流域调水工程模型网络概化图；
S2、在模型网络概化图的基础上，构建调水工程旬水量优化调度模型并运用差分进化算法实现模型的高效求解；
S3、根据模型求解得到的最优解，制定调水工程旬水量优化调度计划。
优选的，步骤S1具体为，将跨流域调水工程中需要考虑的各类对象进行概化，生成跨流域调水工程模型网络概化图；所述各类对象包括泵站、输水渠道、湖泊、节制闸和分水口。
优选的，泵站的概化方式为，将泵站概化为泵站计算节点，按照过泵流量以及泵站上下游水位计算泵站能耗。
优选的，节制闸的概化方式为，将节制闸概化为闸门计算节点，按照出入流平衡进行水量平衡计算。
优选的，分水口的概化方式为，将分水口概化为分水口计算点，按照需水量和供水量进行水量平衡计算。
优选的，湖泊的概化方式为，若调水工程按照设计供水能力供水在预设日期内对湖泊水位影响小，则将湖泊概化为水位边界；若调水工程按照设计供水能力供水在预设日期内对湖泊水位影响大，则将湖泊概化为调蓄水库。
优选的，输水渠道的概化方式为，当输水渠道的某一端为湖泊，则按照水头损失模型将其概化；当输水渠道的一端与湖泊相连，由于湖泊的调蓄能力，输水渠道的流量短时不稳定不会产生回水效应类的水位变化，与湖泊相连一端的水位与湖泊水位一致，输水渠道另一端的水位为湖泊水位叠加渠道水力损失，渠道水力损失由一维恒定流模型在输水渠道给定流量及分水口流量情况下的水面线模拟结果推导得出；当输水渠道的两端均为节制闸或泵站，则按照积分时滞模型将其概化，积分时滞模型将将渠道分为均流区时滞段和回水区积分段，当上下游节制闸同步调控流量时，由于时滞的存在，短时间内回水区的出入流不平衡，将引起下游节制闸前和上游节制闸后的水位波动，所述水位波动采用积分时滞模型计算，所述积分时滞模型为，
Figure BDA0002947657920000031
其中，y为下游控制点水位相对于设定值的变化量；t为时间；As为回水区水面面积；qin为渠道入流量；τd为均匀流区的迟滞时间；qout为下游渠道出流量。
优选的，步骤S2包括如下内容，
S21、选择旬缺水量最少、旬能耗最小、湖泊不平衡水量最小作为调水工程旬水量优化调度模型的目标函数；
S22、采用差分进化算法求解调水工程旬水量优化调度模型以得到最优解。
优选的，调水工程旬水量优化调度模型的目标函数的计算方式如下，
旬缺水量最少的计算公式如下：
Figure BDA0002947657920000032
其中，T1为旬缺水量；Qs,t为t时段系统总供水流量；Qd,t为t时段系统总需水流量；△t为水量计算时间间隔；T为旬内水量计量的总时段数；△t×T＝240小时，旬调度的调度期为10天；供水流量Qs,t和需水流量Qd,t指调水工程末端出口断面的需水和供水流量，沿线其余分水口均按需求流量完全满足；
旬能耗最小的计算公式如下，
Figure BDA0002947657920000033
其中，T2为旬能耗；ρ为水的密度；g为重力加速度；n为泵站总数；Qi,t为第i个泵站t时段的提水流量；Hi,t为第i个泵站t时段的提水扬程，
Figure BDA0002947657920000034
Figure BDA0002947657920000035
为t时段第i座泵站后平均水位，
Figure BDA0002947657920000036
为t时段第i座泵站前平均水位，当Hi,t＞0且达到水泵最低运行扬程时，上述泵站为提水运行状态，ηi,t第i个泵站t时段的运行效率；
湖泊不平衡水量最小的计算公式如下，
Figure BDA0002947657920000037
其中，T3为湖泊不平衡水量；m为湖泊个数；Qi,out,t为第i个湖泊t时段的调出流量；Qi,in,t表示第i个湖泊t时段的调入流量。
优选的，在采用差分进化算法求解调水工程旬水量优化调度模型的过程中，以调水工程中各泵站的引水流量和湖泊的调出流量的逐日过程作为决策变量，运用基于水位模拟的调水工程旬水量模拟方法实现水量平衡的模拟以计算出目标函数值；
所述基于水位模拟的调水工程旬水量模拟方法具体包括如下步骤，
生成一组决策变量解集后，按照模型网络概化图的各模型的计算顺序，依次对各模型进行水量平衡计算，得到各对象的流量和水位过程；
提取各泵站的提水流量和扬程，按泵站扬程和流量查找对应的机效率特性表，判断是否在不可行工作区间；若是可行工作区间，则按泵站流量-扬程-能耗计算能耗；若是不可行工作区间，则人为设置一个低效率值；
按照各目标函数的计算方式，计算各目标函数值。
本发明的有益效果是：充分考虑了调水工程中各对象的水力响应特性，可实现调水工程旬调度过程中水位、流量和泵站能耗的精细化模拟，能充分利用调水工程沿线湖泊的调蓄能力，优化旬调水过程，均衡供水缺额、调水能耗、湖泊不平衡水量等多维目标，以编制最优的跨流域调水工程旬水量优化调度计划。
附图说明
图1是本发明跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法的流程图；
图2是本发明中输水渠道积分时滞模型示意图；
图3是本发明实施例中引江济淮工程概化图；
图4是本发明实施例中引江济淮工程模型网络概化图；
图5是本发明实施例中调水工程在旬内对湖泊水位影响分析结果图。
图6是本发明实施例中编制的旬水量优化调度计划的详细结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1所示，本实施例中，提供了一种考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法，包括如下步骤
S1、根据调水工程各对象的水力联系以及水力响应特性，构建跨流域调水工程模型网络概化图；
S2、在模型网络概化图的基础上，构建调水工程旬水量优化调度模型并运用差分进化算法((DE算法))实现模型的高效求解；
S3、根据模型求解得到的最优解，制定调水工程旬水量优化调度计划。
本实施例中，步骤S1具体为，将跨流域调水工程中需要考虑的各类对象进行概化，生成跨流域调水工程模型网络概化图；所述各类对象包括泵站、输水渠道、湖泊、节制闸和分水口。
本实施例中，泵站的概化方式为，将泵站概化为泵站计算节点，按照过泵流量以及泵站上下游水位计算泵站能耗。
本实施例中，节制闸的概化方式为，将节制闸概化为闸门计算节点，按照出入流平衡进行水量平衡计算。
本实施例中，分水口的概化方式为，将分水口概化为分水口计算点，按照需水量和供水量进行水量平衡计算。
本实施例中，湖泊的概化方式为，若调水工程按照设计供水能力供水在预设日期内对湖泊水位影响较小，则将湖泊概化为水位边界；若调水工程按照设计供水能力供水在预设日期内对湖泊水位影响较大，则将湖泊概化为调蓄水库。
其中，预设日期为一个短期时间，具体可以设置为10天，也可以根据实际情况进行设置。在判断调水工程按照设计供水能力供水在预设日期内对湖泊水位影响大小时，可以设置影响阈值，小于影响阈值即为影响较小；大于或等于影响阈值即为影响较大；影响阈值可以根据实际情况进行设置，以便更好的满足实际需求。
本实施例中，输水渠道的概化方式为，当输水渠道的某一端为湖泊，则按照水头损失模型将其概化；当输水渠道的一端与湖泊相连，由于湖泊的调蓄能力，输水渠道的流量短时不稳定不会产生回水效应类的水位变化，与湖泊相连一端的水位与湖泊水位一致，输水渠道另一端的水位为湖泊水位叠加渠道水力损失，渠道水力损失由一维恒定流模型在输水渠道给定流量及分水口流量情况下的水面线模拟结果推导得出；当输水渠道的两端均为节制闸或泵站，则按照积分时滞模型将其概化，如图2所示，积分时滞模型将将渠道分为均流区时滞段和回水区积分段，当上下游节制闸同步调控流量时，由于时滞的存在，短时间内回水区的出入流不平衡，将引起下游节制闸前和上游节制闸后的水位波动，所述水位波动采用积分时滞模型计算，所述积分时滞模型为，
Figure BDA0002947657920000061
其中，y为下游控制点水位相对于设定值的变化量；t为时间；As为回水区水面面积；qin为渠道入流量；τd为均匀流区的迟滞时间；qout为下游渠道出流量。
本实施例中，步骤S2包括如下内容，
S21、选择旬缺水量最少、旬能耗最小、湖泊不平衡水量最小作为调水工程旬水量优化调度模型的目标函数；
S22、采用差分进化算法求解调水工程旬水量优化调度模型以得到最优解。
本实施例中，调水工程旬水量优化调度模型的目标函数的计算方式如下，
旬缺水量最少的计算公式如下：
Figure BDA0002947657920000062
其中，T1为旬缺水量；Qs,t为t时段系统总供水流量，单位为m3/s；Qd,t为t时段系统总需水流量，单位为m3/s；△t为水量计算时间间隔，单位为小时；T为旬内水量计量的总时段数；△t×T＝240小时，旬调度的调度期为10天；供水流量Qs,t和需水流量Qd,t指调水工程末端出口断面的需水和供水流量，沿线其余分水口均按需求流量完全满足；
旬能耗最小的计算公式如下，
Figure BDA0002947657920000063
其中，T2为旬能耗；ρ为水的密度；g为重力加速度；n为泵站总数；Qi,t为第i个泵站t时段的提水流量，单位为m3/s；Hi,t为第i个泵站t时段的提水扬程，单位为m；
Figure BDA0002947657920000071
为t时段第i座泵站后平均水位，单位为m；
Figure BDA0002947657920000072
为t时段第i座泵站前平均水位，单位为m；当Hi,t＞0且达到水泵最低运行扬程时，上述泵站为提水运行状态，ηi,t第i个泵站t时段的运行效率；
湖泊不平衡水量最小的计算公式如下，
Figure BDA0002947657920000073
其中，T3为湖泊不平衡水量；m为湖泊个数；Qi,out,t为第i个湖泊t时段的调出流量，单位为m3/s；Qi,in,t表示第i个湖泊t时段的调入流量，单位为m3/s。
本实施例中，在采用差分进化算法求解调水工程旬水量优化调度模型的过程中，以调水工程中各泵站的引水流量和湖泊的调出流量的逐日过程作为决策变量，运用基于水位模拟的调水工程旬水量模拟方法实现水量平衡的模拟以计算出目标函数值；
所述基于水位模拟的调水工程旬水量模拟方法具体包括如下步骤，
生成一组决策变量解集后，按照模型网络概化图的各模型的计算顺序，依次对各模型进行水量平衡计算，得到各对象的流量和水位过程；
提取各泵站的提水流量和扬程，按泵站扬程和流量查找对应的机效率特性表，判断是否在不可行工作区间；若是可行工作区间，则按泵站流量-扬程-能耗计算能耗；若是不可行工作区间，则人为设置一个低效率值(比如0.1)；
按照各目标函数的计算方式，计算各目标函数值。最后根据调水工程旬水量优化调度模型的目标函数的最优值，制定调水工程旬水量优化调度计划。
实施例二
如图3至图6所示，本实施例中，以引江济淮工程为例，按照本发明描述的步骤，编制引江计划工程的旬水量优化调度计划。
引江济淮工程是一项跨流域、跨区域重大战略性水资源配置和综合利用工程，连接长江、淮河两大水系，由引江济巢、江淮沟通、江水北送三部分构成。工程可分段为引江济巢输水线路、江淮沟通线路和江水北送线路，整体工程的概化图如图3所示。在引江济巢段，菜子湖枞阳泵站和西河凤凰颈站作为引江口门，分别是菜子湖引江输水线路和西兆河引江输水线路。其中，枞阳泵站引江水经长河入菜子湖，穿过与巢湖流域的分水岭后，入巢湖支流罗埠河；凤凰颈引江水沿西河主干向西上溯至缺口入兆河，再沿兆河主干向北经兆河闸入巢湖。庐江节制闸和白山节制闸可分别控制菜子湖和巢湖向江淮沟通段的输水量。本发明主要针对引江济巢输水线路、江淮沟通线路为例进行实施例计算。
按照本发明所提方法，对引将济淮工程进行模型网络概化图构建，具体如图4所示。枞阳泵站、凤凰颈泵站、派河口泵站、蜀山泵站概化为泵站计算节点；兆河节制闸、白山节制闸、庐江节制闸、东淝河节制闸、小合进水控制闸概化为节制闸计算节点；沿线各分水口门概化为分水口计算节点；菜子湖、巢湖受调水工程调水影响较小，概化为水位边界；瓦埠湖受调水工程调水影响较大，概化为调蓄水库，具体如图5所示。
模型网络概化图构建完成后，按照本发明方法以2019年4月中旬(2019年4月10～4月20日)的实际工况为例，进行旬水量调度计划编制。2019年4月中旬水量调度计划编制的边界条件如下表所示：
表1 2019年4月中旬水量调度计划编制的边界条件
Figure BDA0002947657920000081
按照本发明所提方法，可求得最优的引江济淮工程旬水量优化调度过程，具体如图6(a)和(b)所示的菜子湖线枞阳泵站、巢湖线凤凰颈泵站的引水流量和闸下、闸上水位过程，图6中(c)所示的江淮沟通段蜀山泵站的引水流量和泵前、泵后水位过程，以及图6中(d)所示的淮河调入流量过程。统计模型计算结果后得到优化调度计划结果：调度目标缺水率为0％，能耗为12939kWh，湖泊无弃水。具体的总需水量为181.74×106m3，总供水量为181.74×106m3，枞阳引水96.73×106m3，凤凰颈引水82.62×106m3。
为验证本发明编制的引江济淮工程旬水量优化调度计划在提高供水保证率、降低输水能耗、减少弃水方面的优势，对比分析其与常规方法编制的旬水量调度计划的差异，结果如下：常规方法编制的旬水量调度计划，缺水率为0％，能耗为15382kWh，湖泊弃水5.41×106m3。方案总需水量为181.74×106m3，总供水量为181.74×106m3，枞阳引水90.96×106m3，凤凰颈引水96.13×106m3。本发明编制的调度计划可以降低泵站能耗2443kWh，减少弃水5.41×106m3。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明提供了一种考虑水力响应特性的跨流域调水工程水量优化调度计划编制方法，本方法充分考虑了调水工程中各对象的水力响应特性，可实现调水工程旬调度过程中水位、流量和泵站能耗的精细化模拟，能充分利用调水工程沿线湖泊的调蓄能力，优化旬调水过程，均衡供水缺额、调水能耗、湖泊不平衡水量等多维目标，以编制最优的跨流域调水工程旬水量优化调度计划。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法，其特征在于：包括如下步骤
S1、根据调水工程各对象的水力联系以及水力响应特性，构建跨流域调水工程模型网络概化图；
S2、在模型网络概化图的基础上，构建调水工程旬水量优化调度模型并运用差分进化算法实现模型的高效求解；
S3、根据模型求解得到的最优解，制定调水工程旬水量优化调度计划。
2.根据权利要求1所述的考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法，其特征在于：步骤S1具体为，将跨流域调水工程中需要考虑的各类对象进行概化，生成跨流域调水工程模型网络概化图；所述各类对象包括泵站、输水渠道、湖泊、节制闸和分水口。
3.根据权利要求2所述的考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法，其特征在于：泵站的概化方式为，将泵站概化为泵站计算节点，按照过泵流量以及泵站上下游水位计算泵站能耗。
4.根据权利要求2所述的考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法，其特征在于：节制闸的概化方式为，将节制闸概化为闸门计算节点，按照出入流平衡进行水量平衡计算。
5.根据权利要求2所述的考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法，其特征在于：分水口的概化方式为，将分水口概化为分水口计算点，按照需水量和供水量进行水量平衡计算。
6.根据权利要求2所述的考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法，其特征在于：湖泊的概化方式为，若调水工程按照设计供水能力供水在预设日期内对湖泊水位影响小，则将湖泊概化为水位边界；若调水工程按照设计供水能力供水在预设日期内对湖泊水位影响大，则将湖泊概化为调蓄水库。
7.根据权利要求2所述的考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法，其特征在于：输水渠道的概化方式为，当输水渠道的某一端为湖泊，则按照水头损失模型将其概化；当输水渠道的一端与湖泊相连，由于湖泊的调蓄能力，输水渠道的流量短时不稳定不会产生回水效应类的水位变化，与湖泊相连一端的水位与湖泊水位一致，输水渠道另一端的水位为湖泊水位叠加渠道水力损失，渠道水力损失由一维恒定流模型在输水渠道给定流量及分水口流量情况下的水面线模拟结果推导得出；当输水渠道的两端均为节制闸或泵站，则按照积分时滞模型将其概化，积分时滞模型将将渠道分为均流区时滞段和回水区积分段，当上下游节制闸同步调控流量时，由于时滞的存在，短时间内回水区的出入流不平衡，将引起下游节制闸前和上游节制闸后的水位波动，所述水位波动采用积分时滞模型计算，所述积分时滞模型为，
Figure FDA0002947657910000021
其中，y为下游控制点水位相对于设定值的变化量；t为时间；As为回水区水面面积；qin为渠道入流量；τd为均匀流区的迟滞时间；qout为下游渠道出流量。
8.根据权利要求1所述的考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法，其特征在于：步骤S2包括如下内容，
S21、选择旬缺水量最少、旬能耗最小、湖泊不平衡水量最小作为调水工程旬水量优化调度模型的目标函数；
S22、采用差分进化算法求解调水工程旬水量优化调度模型以得到最优解。
9.根据权利要求8所述的考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法，其特征在于：调水工程旬水量优化调度模型的目标函数的计算方式如下，
旬缺水量最少的计算公式如下：
Figure FDA0002947657910000022
其中，T1为旬缺水量；Qs,t为t时段系统总供水流量；Qd,t为t时段系统总需水流量；△t为水量计算时间间隔；T为旬内水量计量的总时段数；△t×T＝240小时，旬调度的调度期为10天；供水流量Qs,t和需水流量Qd,t指调水工程末端出口断面的需水和供水流量，沿线其余分水口均按需求流量完全满足；
旬能耗最小的计算公式如下，
Figure FDA0002947657910000031
其中，T2为旬能耗；ρ为水的密度；g为重力加速度；n为泵站总数；Qi,t为第i个泵站t时段的提水流量；Hi,t为第i个泵站t时段的提水扬程，
Figure FDA0002947657910000032
Figure FDA0002947657910000033
为t时段第i座泵站后平均水位，
Figure FDA0002947657910000034
为t时段第i座泵站前平均水位，当Hi,t＞0且达到水泵最低运行扬程时，上述泵站为提水运行状态，ηi,t第i个泵站t时段的运行效率；
湖泊不平衡水量最小的计算公式如下，
Figure FDA0002947657910000035
其中，T3为湖泊不平衡水量；m为湖泊个数；Qi,out,t为第i个湖泊t时段的调出流量；Qi,in,t表示第i个湖泊t时段的调入流量。
10.根据权利要求8所述的考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法，其特征在于：在采用差分进化算法求解调水工程旬水量优化调度模型的过程中，以调水工程中各泵站的引水流量和湖泊的调出流量的逐日过程作为决策变量，运用基于水位模拟的调水工程旬水量模拟方法实现水量平衡的模拟以计算出目标函数值；
所述基于水位模拟的调水工程旬水量模拟方法具体包括如下步骤，
生成一组决策变量解集后，按照模型网络概化图的各模型的计算顺序，依次对各模型进行水量平衡计算，得到各对象的流量和水位过程；
提取各泵站的提水流量和扬程，按泵站扬程和流量查找对应的机效率特性表，判断是否在不可行工作区间；若是可行工作区间，则按泵站流量-扬程-能耗计算能耗；若是不可行工作区间，则人为设置一个低效率值；
按照各目标函数的计算方式，计算各目标函数值。
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