CN113256028B - 一种面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法，包括对干旱区内各调配单元常规水源和应急水源分类识别；针对不同干旱程度选取应急供水调配模式；计算分析各调配单元不同干旱程度下供需水量；制定各调配单元不同调配模式下各水源和用水户干旱应急供水调配规则；以整体缺水量最小、整体受灾损失和经济成本最小、水库实际蓄水量与目标蓄水量偏差最小作为目标构建双层大范围长历时干旱应急供水调配模型，所述模型中包括数据输入模块、干旱程度评价模块、供需水模块和优化调配模块。本发明能提高干旱条件下应急供水调配效率、公平性及可持续性。

Description

一种面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法
技术领域
本发明涉及水资源调配的技术领域，特别是一种面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法。
背景技术
干旱可能发展为重大的环境灾难，会导致重大的经济损失、社会问题和生态影响。随着全球气候变化加剧，极端气候事件发生的频率不断增加，旱灾发生的频率及规模也不断加大，不仅影响粮食安全，还会引发供水危机和生态危机。干旱是最主要的自然灾害之一。水资源调配是缓解旱情的有效手段之一，干旱发生时，通过水利工程群的调配，不仅能在一定程度上增加整个干旱期的可供水量，还能灵活地控制供水过程，适当压缩干旱初期供水量，保证干旱发展后期基本的用水需要，从而降低重度干旱在整个干旱期的比重，减少旱灾损失。目前，已有众多学者进行相关研究，例如利用多目标线性规划优化干旱期间城市供水；构建双层动态优化模型解决多水库之间干旱应急调度问题等。以上研究大部分集中于封闭区域内部各用水户之间的水量分配，另有一部分着眼于小范围内单个水库干旱应急调水决策问题，均未在大范围长历时干旱情况下的配水和调水问题进行统一考虑。
2014年2月的《华北水利水电大学学报》的第35卷第1期公开了邵东国、李旭东、唐明和黄文红的《干旱条件下城市水资源应急调配模型》的文章，该文章以南昌市为例，构建了基于城市供水水源管理与行政分区的二层大系统分解协调应急调配模型，分别以2010年、2020年、2030年为水平年，在不同干旱条件下进行水资源供需分析，结果表明，该市南昌县与进贤县7-9月最易发生干旱缺水；不同干旱条件下，全市缺水率将达23.70%-45.85%；如采用水资源统一调配供水方案，则可使全市缺水率下降到0.00%-41.63%，基于水资源统一管理理念及实际情况，限制性协调供水方案可用来降低缺水率，减轻干旱带来的损失，论证了所提模型方法的有效性。该方法的缺点是：①该方法只考虑不同水平年、不同来水频率下的干旱情景，没有考虑到干旱在年内的动态演变过程；②没有对区域内的常规水源及应急水源进行划分，不便于指导决策者对是否启用应急水源等相关措施进行决策；③在调配情景中只考虑了供水端的不同方案，没有考虑不同的干旱阶段在供需两侧应采取怎样的抗旱措施。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提出的一种面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法，针对大范围长历时干旱特点，行政分区及水资源分区对干旱区进行划分，对各调配单元常规水源和应急水源进行分类识别，并对不同干旱程度下各水源可供水量及各行业需水量进行评估计算，在基于时段旱情判断的基础上，制定调配模式与调配规则，以整体缺水量最小、整体受灾损失和经济成本最小、水库实际蓄水量与目标蓄水量偏差最小作为目标，构建应急供水调配模型，求解得到调配方案。
本发明的目的是提供一种面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法，包括以下步骤：
步骤1：根据行政分区和水资源分区对大范围干旱区进行划分，得到调配单元；
步骤2：对所述调配单元中的常规水源和应急水源进行分类统计；
步骤3：对干旱区利用ArcGIS软件及DEM数据对不同干旱程度下各水库之间水力联系进行识别，确定上下游关系，并对水库进行编码；
步骤4：建立各水源、调配单元之间的拓扑关系，绘制干旱区水资源系统网络图；
步骤5：针对不同干旱程度选定相应的应急供水调配模式；
步骤6：对各调配单元不同干旱程度下可供水量及需水量进行分析计算；
步骤7：制定不同调配模式下各水源供水及各行业用水优先序；
步骤8：构建双层大范围长历时干旱应急供水调配模型，优化求解得到调配方案。
优选的是，所述步骤2包括对两种水源中地表水、地下水、非常规水、外调水数量和基本参数进行分类统计，用于对不同干旱程度不同调配模式下可供水量进行计算。
在上述任一方案中优选的是，所述分类统计的结果还用于在不同干旱程度下，提取相应水源的可供水量进行调配，包括：
1）发生轻度干旱时使用常规水源可供水量进行调配；
2）发生中度干旱时在所述轻度干旱的调配基础上增添当地地表水、地下水应急水源供水量；
3）发生重度干旱时启用应急水源工程进行供水；
4）连续多年干旱时启用外调应急水源供水。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤3为利用ArcGIS软件对DEM数据进行分析，生成干旱区河网，结合各水库经纬度坐标，确定各水库上下游关系，并对水库进行编码，识别干旱区各水库之间河道在轻旱、中旱、重旱时期内水流连通性，判断不同干旱程度下水库之间的水力联系。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤3包括以下子步骤：
步骤31：根据DEM数据利用ArcGIS软件生成干旱区河网，确定水库之间的上下游关系；
步骤32：对水库进行编码；
步骤33：依据历史资料，判断不同干旱程度下各水库之间是否连通。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤4包括以下子步骤：
步骤41：建立干旱区内不同干旱程度下各调配单元、供水节点、用水节点、输水系统和退水系统中的点、线、面要素之间的拓扑关系，绘制干旱区各要素关系图；
步骤42：对调配单元内引提水及应急水源工程统一建立一个虚拟供水节点；
步骤43：将所述虚拟供水节点融入到所述干旱区各要素关系图中，形成所述水资源系统网络图。
在上述任一方案中优选的是，所述供水节点包括水库、引水工程、提水工程和应急水源工程。
在上述任一方案中优选的是，所述用水节点包括生活、生产和生态用水。
在上述任一方案中优选的是，所述应急供水调配模式包括：
1）调配模式一，适用于轻度干旱，压缩需水量；
2）调配模式二，适用于中度干旱，在所述调配模式一的基础上进行调配单元内供水挖潜；
3）调配模式三，适用于重度干旱，在所述调配模式二的基础上启用应急水源工程；
4）调配模式四，适用于连续多年干旱，在所述调配模式三的基础上启用应急外调水。
在上述任一方案中优选的是，所述分析计算包括以下内容：
1）在需水量计算方面，确定不同干旱程度下生活、生产、生态抗旱用水定额，根据各时段t社会经济指标，采用定额法对需水量进行分析计算；
2）在可供水量计算方面，根据不同干旱程度及调配模式，分别进行计算。
在上述任一方案中优选的是，所述根据不同干旱程度及调配模式的计算方法如下：
1）轻度干旱可供水量为对应时段轻度干旱条件下的常规水源可供水量；
2）中度干旱可供水量包括对应时段中度干旱条件下的常规水源可供水量、各调配单元内水库应急水量、各调配单元内在不产生区域水位持续下降为约束条件下的地下水应急开采量，其中：
水库应急水量为水库死水位对应水库蓄水量；
地下水应急开采量应建立地下水流数值模型模拟不同开采程度下对地下水位变化及恢复情况，选取不产生区域水位持续下降情况下的可开采量；
3）重度干旱可供水量包括对应时段重度干旱条件下的常规水源可供水量、各调配单元内水库应急水量、各调配单元内在不产生区域水位持续下降为约束条件下的地下水应急开采量及应急水源地储存量；
4）连续多年干旱可供水量包括对应时段连续多年干旱条件下的常规水源可供水量、各调配单元内水库应急水量、各调配单元内在不产生区域水位持续下降为约束条件下的地下水应急开采量、应急水源地储存量、应急外调水量，应急外调水量即调配单元外水库满足该水库所在单元用水需求后的可供水量，计算公式如下：
Figure 795048DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 281524DEST_PATH_IMAGE002
表示调配单元k的应急外调水量；
Figure 572828DEST_PATH_IMAGE003
表示可向调配单元k供水的j水库应急供水量，J表示调配单元k内的水库总个数。
在上述任一方案中优选的是，所述用水优先序包括：
1）水库向各调配单元供水优先序依次为：水库所在调配单元用水、受灾程度较高调配单元用水、受灾程度较低调配单元用水；
2）水源供水优先序依次为：常规地表水、常规再生水、常规地下水、常规外调水、应急地表水、应急地下水、应急水源供水和应急外调水；
3）行业用水优先序依次为：生活用水、生产用水、生态用水。
在上述任一方案中优选的是，双层大范围长历时干旱应急供水调配模型包括数据输入模块、干旱等级评价模块、供需水模块和优化调配模块。
在上述任一方案中优选的是，所述数据输入模块用于输入t时段供需水、降水预测数据及各水库信息。
在上述任一方案中优选的是，所述干旱程度评价模块用于根据降水数据计算SPI指数，判断各调配单元t时段干旱程度，选取相应调配模式与调配规则。
在上述任一方案中优选的是，所述供需水模块用于根据干旱程度评价结果调取相应干旱程度及调度模式下所需的供需水数据，并依据方案需求对供需水量进行处理。
在上述任一方案中优选的是，所述优化调配模块用于以整体受灾损失和经济成本最小、水库实际蓄水量与目标蓄水量偏差最小作为下层优化目标，以整体缺水量最小作为上层优化目标，实现双层大范围长历时干旱应急供水调配。
在上述任一方案中优选的是，下层优化得到各水库向调配单元供水的最优方案，下层优化目标函数：
Figure 308703DEST_PATH_IMAGE004
Figure 710865DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 848586DEST_PATH_IMAGE006
表示t时段k调配单元i水库需要满足的最小需水量，
Figure 310791DEST_PATH_IMAGE007
表示i水库向k调配单元的供水量，
Figure 268383DEST_PATH_IMAGE008
表示i水库向k调配单元供水的单位效益，
Figure 739815DEST_PATH_IMAGE009
表示t时段i水库向干旱水库输水的单位成本，
Figure 732042DEST_PATH_IMAGE010
表示t时段从i水库调水的水量，
Figure 365149DEST_PATH_IMAGE011
表示t时段i水库是否调水，
Figure 807107DEST_PATH_IMAGE012
表示t时段i水库实际蓄水量和目标蓄水量之间的差值，T表示干旱期内总时段数。
在上述任一方案中优选的是，上层优化将下层优化得到的最优解作为参数，优化得到各调配单元内向用水节点供水的最优方案，上层优化目标函数：
Figure 754334DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 601068DEST_PATH_IMAGE014
表示k调配单元内p用水行业的用水权重系数，
Figure 670655DEST_PATH_IMAGE015
表示t时段k调配单元内p用水行业的需水量，
Figure 602839DEST_PATH_IMAGE016
表示t时段k调配单元内向p用水行业的供水量，m表示干旱区内调配单元数，P表示调配单元内全部用水行业种类。
在上述任一方案中优选的是，所述双层大范围长历时干旱应急供水调配模型的模型约束条件包括水库水量平衡约束、水库可供水量约束、水库输水能力约束、需水约束、可供水量约束和非负约束中至少一种。
在上述任一方案中优选的是，所述水库水量平衡约束的公式为：
Figure 150495DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 117314DEST_PATH_IMAGE018
表示t时段i水库的实际蓄水量，
Figure 561065DEST_PATH_IMAGE019
表示t时段i水库的来水量，
Figure 246124DEST_PATH_IMAGE020
表示t时段i水库因蒸发、下渗损失的水量。
在上述任一方案中优选的是，所述水库可供水量约束的公式为：
Figure 863050DEST_PATH_IMAGE021
。
在上述任一方案中优选的是，所述水库输水能力约束的公式为：
Figure 684375DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure 564607DEST_PATH_IMAGE023
表示t时段内i水库向k调配单元供水河道的供水能力。
在上述任一方案中优选的是，所述需水约束的公式为：
Figure 468453DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure 623491DEST_PATH_IMAGE025
表示t时段k调配单元内p行业的最小需水量；
Figure 33744DEST_PATH_IMAGE026
表示t时段k调配单元内p行业的最理想需水量。
在上述任一方案中优选的是，所述可供水量约束的公式为：
Figure 616035DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 10107DEST_PATH_IMAGE028
表示t时段k调配单元各水源的可供水量之和。
在上述任一方案中优选的是，所述非负约束的公式为
Figure 703257DEST_PATH_IMAGE029
Figure 108961DEST_PATH_IMAGE030
Figure 862154DEST_PATH_IMAGE031
。
本发明提出了一种面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法，针对大范围长历时干旱情景，分区对常规水源和应急水源进行分类识别，根据长历时干旱从轻度干旱到连续多年干旱发展过程，对不同程度干旱情况采用不同的调配模式、调配规则，并进行相应供需水计算。采用整体缺水量最小、整体受灾损失与及经济成本最小、水库实际蓄水量与目标蓄水量最小作为目标函数构建双层优化调配模型，降低各区域之间及当前时段利益与未来利益之间的供水利益冲突，提高了干旱水资源调配的效率、公平性及可持续性，使调配方案更具合理性。
DEM数据是指数字高程模型数据。
ArcGIS软件是一款美国ESRI公司研发的地理信息系统软件。
附图说明
图1为按照本发明的面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法的一优选实施例的流程图。
图2为按照本发明的面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法的水源分类统计的一实施例的示意图。
图3为按照本发明的面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法的不同干旱程度下应急供水调配模式的一实施例的示意图。
图4为按照本发明的面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法的大范围长历时干旱应急供水调配模型构建方法的一实施例的流程图。
图5为按照本发明的面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法的一优选实施例的系统网络示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例一
本发明提出一种面向大范围长历时干旱的应急供水调配模型，来解决大范围长历时干旱下的水资源配置问题，降低干旱带来的社会经济损失。
如图1所示，执行步骤110，针对大范围干旱区，利用ArcGIS软件对地市级行政分区和水资源分区进行剖分叠加，形成“水资源分区+行政分区”的调配单元，便于分析计算和政府部门决策管理。
执行步骤120，区分各调配单元内常规供水水源及应急供水水源，同时对两种水源中地表水、地下水、非常规水、外调水数量和基本参数（例如水库的水位库容曲线、水利工程供水能力）等进行分类统计，便于对不同干旱程度不同调配模式下可供水量进行计算，水源统计分类如图2所示。
进一步的便于在不同干旱程度下，提取相应水源的可供水量进行调配，包括：
1）在轻度干旱时使用常规水源可供水量进行调配；
2）中度干旱时在轻度干旱的基础上增添当地地表水、地下水应急水源供水量；
3）重度干旱时启用应急水源工程进行供水；
4）连续多年干旱时启用外调应急水源供水。
执行步骤130，利用ArcGIS软件对DEM数据进行分析，生成干旱区河网，结合各水库经纬度坐标，确定各水库上下游关系，并对水库进行编码，识别干旱区各水库之间河道在轻旱、中旱、重旱时期内水流连通性，判断不同干旱程度下水库之间的水力联系，包括以下内容：
1、根据DEM数据利用ArcGIS软件生成干旱区河网，确定水库之间的上下游关系；
2、对水库进行编码；
3、依据历史资料，判断不同干旱程度下各水库之间是否连通。
执行步骤140，建立各水源、调配单元之间的拓扑关系，绘制干旱区水资源系统网络图，包括以下步骤：
步骤141，建立干旱区内不同干旱程度下各调配单元、供水节点、用水节点、输水系统、退水系统等点、线、面要素之间的拓扑关系，绘制干旱区各要素关系图，其中供水节点包括水库、引水工程、提水工程、应急水源工程等；
步骤142，对调配单元内引提水及应急水源工程统一建立一个虚拟供水节点；
步骤143，用水节点包括生活、生产、生态用水等，隐含在调配单元中，形成水资源系统网络图。
执行步骤150，如图3所示，针对不同干旱程度选定相应的应急供水调配模式，应急供水调配模式包括：
1）调配模式一，适用于轻度干旱，压缩需水量；
2）调配模式二，适用于中度干旱，在所述调配模式一的基础上进行调配单元内供水挖潜；
3）调配模式三，适用于重度干旱，在所述调配模式二的基础上启用应急水源工程；
4）调配模式四，适用于连续多年干旱，在所述调配模式三的基础上启用应急外调水。
执行步骤160，对各调配单元不同干旱程度下可供水量及需水量进行分析计算，分析计算包括以下内容：
1、在需水量计算方面，确定不同干旱程度下生活、生产、生态抗旱用水定额，根据各时段t社会经济指标，采用定额法对需水量进行分析计算；
2、在可供水量计算方面，根据不同干旱程度及调配模式，分别进行计算，方法如下：
①轻度干旱可供水量为对应时段轻度干旱条件下的常规水源可供水量；
②中度干旱可供水量包括对应时段中度干旱条件下的常规水源可供水量、各调配单元内水库应急水量、各调配单元内在不产生区域水位持续下降为约束条件下的地下水应急开采量，其中：
水库应急水量为水库死水位对应水库蓄水量；
地下水应急开采量应建立地下水流数值模型模拟不同开采程度下对地下水位变化及恢复情况，选取不产生区域水位持续下降情况下的可开采量；
③重度干旱可供水量包括对应时段重度干旱条件下的常规水源可供水量、各调配单元内水库应急水量、各调配单元内在不产生区域水位持续下降为约束条件下的地下水应急开采量及应急水源地储存量；
④连续多年干旱可供水量包括对应时段连续多年干旱条件下的常规水源可供水量、各调配单元内水库应急水量、各调配单元内在不产生区域水位持续下降为约束条件下的地下水应急开采量、应急水源地储存量、应急外调水量，应急外调水量即调配单元外水库满足该水库所在单元用水需求后的可供水量，计算公式如下：
Figure 212364DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 443625DEST_PATH_IMAGE002
表示调配单元k的应急外调水量；
Figure 825540DEST_PATH_IMAGE003
表示可向调配单元k供水的j水库应急供水量，J表示调配单元k内的水库总个数。
执行步骤170，根据各调配单元不同干旱程度下选取的调配模式，针对干旱区社会经济发展及生态保护需求，制定各水库向各调配单元供水优先序，制定各调配单元内水源供水优先序及行业用水优先序，包括以下内容：
1、水库向各调配单元供水优先序依次为：水库所在调配单元用水、受灾程度较高调配单元用水、受灾程度较低调配单元用水；
2、水源供水优先序依次为：常规地表水、常规再生水、常规地下水、常规外调水、应急地表水、应急地下水、应急水源供水、应急外调水；
3、行业用水优先序依次为：生活用水、生产用水、生态用水。
执行步骤180，构建双层大范围长历时干旱应急供水调配模型，模型优化求解得到大范围长历时干旱最优调配方案，双层大范围长历时干旱应急供水调配模型包括数据输入模块、干旱等级评价模块、供需水模块和优化调配模块，模型构建流程见图4，各模块包括以下内容：
1、数据输入模块用于输入t时段供需水、降水预测数据及各水库信息。
2、干旱程度评价模块用于根据降水数据计算SPI指数，判断各调配单元t时段干旱程度，选取相应调配模式与调配规则。
3、供需水模块用于根据干旱程度评价结果调取相应干旱程度及调度模式下所需的供需水数据，并依据方案需求对供需水量进行处理。
4、优化调配模块用于以整体受灾损失和经济成本最小、水库实际蓄水量与目标蓄水量偏差最小作为下层优化目标，以整体缺水量最小作为上层优化目标，实现双层大范围长历时干旱应急供水调配。
下层优化得到各水库向调配单元供水的最优方案；上层优化将下层优化得到的最优解作为参数，优化得到各调配单元内向用水节点供水的最优方案。模型目标函数及约束条件如下：
上层优化目标函数：
Figure 749634DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 852719DEST_PATH_IMAGE014
表示k调配单元内p用水行业的用水权重系数，
Figure 887671DEST_PATH_IMAGE015
表示t时段k调配单元内p用水行业的需水量，
Figure 127022DEST_PATH_IMAGE016
表示t时段k调配单元内向p用水行业的供水量，m表示干旱区内调配单元数，P表示调配单元内全部用水行业种类。
下层优化目标函数：
Figure 956438DEST_PATH_IMAGE004
Figure 546820DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 385463DEST_PATH_IMAGE006
表示t时段k调配单元i水库需要满足的最小需水量，
Figure 10479DEST_PATH_IMAGE007
表示i水库向k调配单元的供水量，
Figure 276375DEST_PATH_IMAGE008
表示i水库向k调配单元供水的单位效益，
Figure 619632DEST_PATH_IMAGE009
表示t时段i水库向干旱水库输水的单位成本，
Figure 996387DEST_PATH_IMAGE010
表示t时段从i水库调水的水量，
Figure 210330DEST_PATH_IMAGE011
表示t时段i水库是否调水，
Figure 378619DEST_PATH_IMAGE012
表示t时段i水库实际蓄水量和目标蓄水量之间的差值，T表示干旱期内总时段数。
模型约束条件包括水库水量平衡约束、水库可供水量约束、水库输水能力约束、需水约束、可供水量约束和非负约束中至少一种，具体约束表达式如下：
①、水库水量平衡约束：
Figure 678013DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure 327300DEST_PATH_IMAGE018
表示t时段i水库的实际蓄水量，
Figure 926909DEST_PATH_IMAGE019
表示t时段i水库的来水量，
Figure 534608DEST_PATH_IMAGE020
表示t时段i水库因蒸发、下渗损失的水量；
②、水库可供水量约束；
Figure 321298DEST_PATH_IMAGE021
③、水库输水能力约束：
Figure 305435DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure 759550DEST_PATH_IMAGE023
表示t时段内i水库向k调配单元供水河道的供水能力；
④、需水约束：
Figure 538150DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure 546557DEST_PATH_IMAGE025
表示t时段k调配单元内p行业的最小需水量；
Figure 68805DEST_PATH_IMAGE026
表示t时段k调配单元内p行业的最理想需水量；
⑤、可供水量约束：
Figure 377427DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 326928DEST_PATH_IMAGE028
表示t时段k调配单元各水源的可供水量之和；
⑥、非负约束:
Figure 619370DEST_PATH_IMAGE029
Figure 679729DEST_PATH_IMAGE030
Figure 105507DEST_PATH_IMAGE031
实施例二
某一干旱区内划分了A、B、C三个调配单元，区域内有编号为1、2、3的三座水库，调配过程如下：
①“水库-水库”及“水库-调配单元”之间拓扑关系如表1所示。
Figure 225910DEST_PATH_IMAGE033
表1“水库-水库”及“水库-调配单元”之间拓扑关系
②绘制如图5所示的系统网络图。
③经判断，干旱区内某时段t时，调配单元A为轻度干旱，选取压缩需水量的调配模式；调配单元B为中度干旱，选取“压缩需水+调配单元内供水挖潜”的调配模式；调配单元C为重度干旱，选取“压缩需水+调配单元内供水挖潜+应急水源工程”的调配模式。
④各水库常规可供水量、应急可供水量、水库目标蓄水量及最小应满足需水量如表2所示。
Figure 474489DEST_PATH_IMAGE034
表2水库调配数据参数
⑤经下层优化调配后，各水库向各调配单元供水量如表3所示。
Figure 604119DEST_PATH_IMAGE035
表3时段t水库优化调配方案
⑥根据上层优化调配结果，将各调配单元常规供水量计入常规地表水源可供水量中，将应急供水量计入地表水挖潜供水量中，对各调配单元可供水量及需水量进行计算，如表4所示。
Figure 887332DEST_PATH_IMAGE036
表4调配单元供需水计算
⑦经过下层优化调配后，各调配单元不同行业供水量如表5所示。
Figure 913057DEST_PATH_IMAGE037
表5各调配单元行业用水优化调配方案
实施例三
双层大范围长历时干旱应急供水调配模型的构建求解方法包括以下步骤：
步骤1、输入t时段供需水、降水预测数据及各水库信息；
步骤2、根据降水数据计算SPI指数，判断干旱区t时段干旱程度，选取相应调配模式与调配规则；
步骤3、根据步骤2中干旱程度评价结果调取相应干旱程度及调配模式下所需的供需水数据，并依据方案需求对供需水量进行处理；
步骤4、以整体受灾损失和经济成本最小、水库实际蓄水量与目标蓄水量偏差最小作为下层优化目标，以整体缺水量最小作为上层优化目标，构建双层大范围长历时干旱应急供水调配模型。
下层优化得到各水库水源向调配单元供水的最优方案；上层优化将下层优化得到的最优解作为参数，优化得到各调配单元内各水源向各用水户供水的最优方案。模型目标函数及约束条件如下：
上层优化目标函数：
Figure 648932DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 316674DEST_PATH_IMAGE014
表示k调配单元内p用水行业的用水权重系数，
Figure 126498DEST_PATH_IMAGE015
表示t时段k调配单元内p用水行业的需水量，
Figure 588703DEST_PATH_IMAGE016
表示t时段k调配单元内向p用水行业的供水量，m表示干旱区内调配单元数，P表示调配单元内全部用水行业种类；
下层优化目标函数：
Figure 811874DEST_PATH_IMAGE004
Figure 283307DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 275534DEST_PATH_IMAGE006
表示t时段k调配单元i水库需要满足的最小需水量，
Figure 905711DEST_PATH_IMAGE007
表示i水库向k调配单元的供水量，
Figure 616178DEST_PATH_IMAGE008
表示i水库向k调配单元供水的单位效益，
Figure 625722DEST_PATH_IMAGE009
表示t时段i水库向干旱水库输水的单位成本，
Figure 472455DEST_PATH_IMAGE010
表示t时段从i水库调水的水量，
Figure 807622DEST_PATH_IMAGE011
表示t时段i水库是否调水，用0或1表示；
Figure 739806DEST_PATH_IMAGE038
表示t时段i水库实际蓄水量和目标蓄水量之间的差值，T表示干旱期内总时段数
模型约束条件包括水库水量平衡约束、水库可供水量约束、水库输水能力约束、需水约束、可供水量约束等，具体约束表达式如下：
①、水库水量平衡约束：
Figure 553041DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure 254281DEST_PATH_IMAGE018
表示t时段i水库的实际蓄水量，
Figure 494769DEST_PATH_IMAGE019
表示t时段i水库的来水量，
Figure 914249DEST_PATH_IMAGE020
表示t时段i水库因蒸发、下渗损失的水量；
②、水库可供水量约束；
Figure 265596DEST_PATH_IMAGE021
③、水库输水能力约束：
Figure 86921DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure 498311DEST_PATH_IMAGE023
表示t时段内i水库向k调配单元供水河道的供水能力；
④、需水约束：
Figure 405087DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure 560125DEST_PATH_IMAGE025
表示t时段k调配单元内p行业的最小需水量；
Figure 501536DEST_PATH_IMAGE026
表示t时段k调配单元内p行业的最理想需水量；
⑤、可供水量约束：
Figure 83827DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 232828DEST_PATH_IMAGE028
表示t时段k调配单元各水源的可供水量之和；
⑥、非负约束:
Figure 191557DEST_PATH_IMAGE029
Figure 987475DEST_PATH_IMAGE030
Figure 209509DEST_PATH_IMAGE031
步骤5、模型求解得到大范围长历时干旱最优调配方案。
为了更好地理解本发明，以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。本说明书中每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (8)

1.一种面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法，包括以下步骤：
步骤1：根据行政分区和水资源分区对大范围干旱区进行划分，得到调配单元；
步骤2：对所述调配单元中的常规水源和应急水源进行分类统计；
步骤3：对干旱区利用ArcGIS软件及DEM数据对不同干旱程度下各水库之间水力联系进行识别，确定上下游关系，并对水库进行编码；
步骤4：建立各水源、调配单元之间的拓扑关系，绘制干旱区水资源系统网络图；
步骤5：针对不同干旱程度选定相应的应急供水调配模式；
步骤6：对各调配单元不同干旱程度下可供水量及需水量进行分析计算；
步骤7：制定不同调配模式下各水源供水及各行业用水优先序；
步骤8：构建双层大范围长历时干旱应急供水调配模型，优化求解得到调配方案；
其中，上层优化将下层优化得到的最优解作为参数，优化得到各调配单元内向用水节点供水的最优方案，上层优化目标函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示k调配单元内p用水行业的用水权重系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示t时段k调配单元内p 用水行业的需水量，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示t时段k调配单元内向p用水行业的供水量，m表示干旱区内调 配单元数，P表示调配单元内全部用水行业种类；
下层优化得到各水库向调配单元供水的最优方案，下层优化目标函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
Figure DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
表示t时段k调配单元i水库需要满足的最小需水量，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示i水库向k调配单 元的供水量，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表示i水库向k调配单元供水的单位效益，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表示t时段i水库向干旱水库输 水的单位成本，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表示t时段从i水库调水的水量，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
表示t时段i水库是否调水，表示t时 段i水库实际蓄水量和目标蓄水量之间的差值，T表示干旱期内总时段数，n表示可向调配单 元k供水的水库总个数。
2.如权利要求1所述的面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法，其特征在于，所述分类统计的结果还用于在不同干旱程度下，提取相应水源的可供水量进行调配，包括：
1）发生轻度干旱时使用常规水源可供水量进行调配；
2）发生中度干旱时在所述轻度干旱的调配基础上增添当地地表水、地下水应急水源供水量；
3）发生重度干旱时启用应急水源工程进行供水；
4）连续多年干旱时启用外调应急水源供水。
3.如权利要求2所述的面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法，其特征在于，所述步骤3包括以下子步骤：
步骤31：根据DEM数据利用ArcGIS软件生成干旱区河网，确定水库之间的上下游关系；
步骤32：对水库进行编码；
步骤33：依据历史资料，判断不同干旱程度下各水库之间是否连通。
4.如权利要求3所述的面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法，其特征在于，所述步骤4包括以下子步骤：
步骤41：建立干旱区内不同干旱程度下各调配单元、供水节点、用水节点、输水系统和退水系统中的点、线、面要素之间的拓扑关系，绘制干旱区各要素关系图；
步骤42：对调配单元内引提水及应急水源工程统一建立一个虚拟供水节点；
步骤43：将所述虚拟供水节点融入到所述干旱区各要素关系图中，形成所述水资源系统网络图。
5.如权利要求4所述的面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法，其特征在于，所述分析计算包括以下内容：
1）在需水量计算方面，确定不同干旱程度下生活、生产、生态抗旱用水定额，根据各时段t社会经济指标，采用定额法对需水量进行分析计算；
2）在可供水量计算方面，根据不同干旱程度及调配模式，分别进行计算。
6.如权利要求5所述的面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法，其特征在于，所述根据不同干旱程度及调配模式的计算方法如下：
1）轻度干旱可供水量为对应时段轻度干旱条件下的常规水源可供水量；
2）中度干旱可供水量包括对应时段中度干旱条件下的常规水源可供水量、各调配单元内水库应急水量、各调配单元内在不产生区域水位持续下降为约束条件下的地下水应急开采量，其中：
水库应急水量为水库死水位对应水库蓄水量；
地下水应急开采量应建立地下水流数值模型模拟不同开采程度下对地下水位变化及恢复情况，选取不产生区域水位持续下降情况下的可开采量；
3）重度干旱可供水量包括对应时段重度干旱条件下的常规水源可供水量、各调配单元内水库应急水量、各调配单元内在不产生区域水位持续下降为约束条件下的地下水应急开采量及应急水源地储存量；
4）连续多年干旱可供水量包括对应时段连续多年干旱条件下的常规水源可供水量、各调配单元内水库应急水量、各调配单元内在不产生区域水位持续下降为约束条件下的地下水应急开采量、应急水源地储存量、应急外调水量，应急外调水量即调配单元外水库满足该水库所在单元用水需求后的可供水量，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
表示调配单元k的应急外调水量；
Figure DEST_PATH_IMAGE032
表示可向调配单元k供水的j水库应急 供水量，J表示调配单元k之外可向调配单元k供水的水库总个数。
7.如权利要求6所述的面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法，其特征在于，所述双层大范围长历时干旱应急供水调配模型包括数据输入模块、干旱等级评价模块、供需水模块和优化调配模块。
8.如权利要求7所述的面向大范围长历时干旱的应急供水调配方法，其特征在于，所述优化调配模块用于以整体受灾损失和经济成本最小、水库实际蓄水量与目标蓄水量偏差最小作为下层优化目标，以整体缺水量最小作为上层优化目标，实现双层大范围长历时干旱应急供水调配。
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