CN113537776B - 一种考虑河流水安全调控因子的梯级调度约束集确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑河流水安全调控因子的梯级调度约束集确定方法，该方法包含：(S100)建立梯级系统短期运行相关的河流水安全指标体系；(S200)构建水安全约束系统的自由度计算公式；(S300)构建水安全调控因子与水安全约束系统自由度及梯级系统来水流量的函数关系；(S400)建立水安全调控因子与水安全约束系统自由度之函数关系，在该函数关系中引入水安全约束松弛系数；(S500)建立水安全调控因子的推荐取值计算公式；(S600)采用Vague集相似度量方法，建立Vague集隶属函数。本发明的方法根据水安全调控因子，确定防洪安全、鱼类生境安全或航运安全的下泄流量约束区间，从而确保河流水安全。

Description

一种考虑河流水安全调控因子的梯级调度约束集确定方法

技术领域

本发明属于梯级电站短期优化调度技术领域，具体涉及一种考虑河流水安全调控因子的梯级调度约束集确定方法。

背景技术

河流梯级开发可提高水资源的利用效率与抵御自然灾害的能力，但同时也会带来诸多的负面影响与危害，例如，由于梯级开发改变了河流的自然过程，造成水体自净能力减弱、生物生境剧烈变化、水土流失加剧等，使河流生态环境系统受到严重影响。因此，在河流梯级开发中，广泛涉及到水安全问题。

梯级电站调度是一个复杂的系统工程，涉及技术方法、社会经济、自然环境等各个方面，调度目标也往往是防洪、发电、灌溉、供水、航运、生态环境保护等其中多个目标的综合。与梯级电站运行相关的河流水安全问题主要表现在防洪安全、航运安全、生态环境安全、城镇供水安全、灌溉安全等方面，而与梯级电站短期运行相关的河流水安全问题则通常为航运、鱼类生境以及防洪安全等。

在考虑河流水安全问题的梯级电站短期优化调度中，由于水安全约束通常不止一个，且约束条件复杂、模糊、多变，其度量与统一协调都非常困难，因此，通过引入水安全调控因子表征同一时空条件下的多个水安全约束，即该调控因子的取值应与梯级系统本身特性、河流水安全需求以及梯级系统的边界条件有关，集中统一对梯级电站运行方案按河流水安全的需求进行约束，提出能满足河流水安全需求的梯级电站短期优化调度约束集构建方法，是需要重点解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑河流水安全调控因子的梯级调度约束集确定方法，该方法针对河流水安全问题，根据水安全调控因子，确定防洪安全、鱼类生境安全或航运安全的下泄流量约束区间，从而确保河流水安全。

为了达到上述目的，本发明提供了一种考虑河流水安全调控因子的梯级调度约束集确定方法，该方法包含：

(S100)建立梯级系统短期运行相关的河流水安全指标体系：根据梯级系统的资料分析，采用RS理论中的属性约简方法，根据不同的时空条件对河流水安全指标进行重要度分析与约简，在防洪、航运以及鱼类生境安全三个维度建立与梯级系统运行相关的河流水安全指标，以构成不同时空条件下梯级系统短期运行的水安全约束集；

(S200)引用热力学与统计物理中的多元复相系理论，对梯级电站短期运行的河流水安全约束系统进行分析描述，构建水安全约束系统的自由度计算公式：设整个梯级的相数用φ表示，每个梯级视为一相，每一相的水安全约束数量用k_i表示，将整个梯级能够独立改变的水安全约束数ξ定义为水安全约束系统自由度，则梯级系统短期运行的水安全约束系统自由度ξ计算公式为：

(S300)根据水安全约束的集中调整需求，引入水安全调控因子S，构建水安全调控因子S与水安全约束系统自由度ξ及梯级系统来水流量Q的函数关系，为：S＝f(ξ,Q)，统一对水安全约束进行表征，以使水安全约束能够满足河流水安全需求；

(S400)建立水安全调控因子S与水安全约束系统自由度ξ之函数关系，在该函数关系中引入水安全约束松弛系数τ，水安全约束松弛系数τ为在水安全调控因子S与水安全约束系统自由度ξ之间起联结作用的因子，水安全约束松弛系数τ与水安全约束系统自由度ξ的函数关系，为：τ＝g(ξ)，该函数关系根据梯级系统本身特性及其河流的水安全需求确定；

(S500)结合水安全约束松弛系数τ的联结作用，考虑水安全调控因子S与梯级系统来水流量Q的关联S＝f(ξ,Q)，建立水安全调控因子的推荐取值计算公式，为：

针对防洪安全的水安全调控因子S：

S＝τ·lgQ Q_D≤Q≤Q_J

式中，τ根据其与水安全约束系统自由度ξ的离散推荐关系取得，Q_D为梯级系统的数年平均流量，Q_J为梯级系统正常运行与非正常运行的分界流量；

针对航运安全或鱼类生境安全的水安全调控因子S：

(S600)采用Vague集相似度量方法，建立Vague集隶属函数，确定引入水安全调控因子的约束条件集，为：

(a)防洪安全约束条件建立

根据防洪调度期间梯级系统运行的下泄流量特性以及下游防洪安全需求，构建针对下游防洪安全的下泄流量Vague集隶属函数为：

式中，u为针对防洪安全的梯级下泄流量的Vague集隶属度区间；q为调度时段下泄流量；t(q)为支持调度时段下泄流量指标靠近理想值的隶属度；1–f(q)为反对调度时段下泄流量指标靠近理想值的隶属度；Q_F为低于下游防洪最薄弱河段设计洪水标准两个等级的设计洪水标准对应流量所要求的梯级下泄流量；Q_FL为低于下游防洪最薄弱河段设计洪水标准一个等级的设计洪水标准对应流量所要求的梯级下泄流量；Q_FU为下游防洪最薄弱河段设计洪水标准对应流量所要求的梯级下泄流量；

当q>Q_F时，得到防洪调度期间针对下游防洪安全的水库下泄流量上限q_max与S的关系，在水安全调控因子S值确定时，能够确定q_max：

式中，q_max为防洪调度期间针对下游防洪安全的水库下泄流量上限；

(b)航运安全约束条件建立

根据梯级系统运行的下泄流量特性以及航运安全需求，构建针对航运安全的梯级下泄流量Vague隶属函数为：

式中，Q_A为针对航运安全的下泄流量理想值；Q_min1、Q_min2分别为针对航运安全的最小下泄流量的上限、下限，参考水文预报中的20％预测精度要求，将Q_min2设为Q_min1的1.2倍；Q_max2为梯级系统正常运行与非正常运行的分界流量；Q_max1、Q_max2分别为梯级常规调度与防洪应急调度等非常规调度的分界流量的上限、下限，参考水文预报中的20％预测精度要求，将Q_max1设为Q_max2的0.8倍；

当Q_A<q<Q_max1时，有：

设针对航运安全的梯级下泄流量理想值集合为Q^*，Q^*为调度期梯级来水总量平均分配到各调度时段进行下泄的流量集合，由Q^*所表征的针对航运安全的梯级下泄流量理想状态Vague集表示为：

式中，下角标表示不同调度时段，n为调度时段总数；

根据Vague集相似度T(q_m,q^*)和水安全系统调控因子S之间的对应调控关系式，可得：

|(1-t(q))-(0-f(q))|＝2(1-S)

其中，q_m为调度模型中下泄流量上下限值，q^*为调度模型中下泄流量上下限值的理想值；

则，可得到针对航运安全的梯级下泄流量约束区间上限q_max与水安全调控因子S的关系，在水安全调控因子S值确定时，能够确定q_max：

当Q_min2<q<Q_A时，有：

则，可得到针对航运安全的梯级下泄流量约束区间下限q_min与水安全调控因子S的关系，在水安全调控因子S值确定时，能够确定q_min；

(c)鱼类生境安全约束条件建立

根据梯级系统运行的下泄流量特性以及鱼类生境安全需求，构建针对鱼类生境安全的梯级下泄流量Vague集隶属函数如下：

式中，Q_E为调度期鱼类生境流量过程的中间值；Q_min1、Q_min2为针对鱼类生境安全的最小下泄流量的上限、下限，参考水文预报中的20％预测精度要求，将Q_min2设为Q_min1的1.2倍；Q_max1、Q_max2为梯级常规调度与防洪应急调度等非常规调度的分界流量的上限、下限，参考水文预报中的20％预测精度要求，将Q_max1设为Q_max2的0.8倍；

当Q_E<q<Q_max1时，可得到针对鱼类生境安全的梯级下泄流量约束区间上限q_max与水安全调控因子S的关系，在水安全调控因子S值确定时，能够确定q_max；

式中，q_max为针对鱼类生境安全的下泄流量约束区间上限；

当Q_min2<q<Q_E时，可得到针对鱼类生境安全的下泄流量下限q_min与水安全调控因子S的关系如下，在水安全调控因子S值确定时，能够确定q_min；

式中，q_min为针对鱼类生境安全的下泄流量下限；Q_E为调度期鱼类生境流量过程的中间值。

优选地，在步骤(S600)中，采用Vague集相似度量方法建立Vague集隶属函数的方法包含：

(S610)下泄流量指标Vague集建立

设梯级各调度时段下泄流量指标集为Q＝{q₁,q₂,…,q_n}，则Q靠近下泄流量指标理想值Q^*的程度用Vague集表示为：

v＝{(u₁,[t(q₁),1-f(q₁)]),(u₂,[t(q₂),1-f(q₂)]),...,(u_n,[t(q_n),1-f(q_n)])}

π_i＝1-t(q_i)-f(q_i)

式中，q_i为第i调度时段下泄流量，i＝1,2,…,n，n为调度时段数；t_i为支持第i调度时段下泄流量指标靠近理想值的隶属度；1–fi为反对第i调度时段下泄流量指标靠近理想值的隶属度；1–t_i–f_i反映的是既不支持也不反对的踌躇程度，是对未知信息的反映；

设梯级各调度时段下泄流量指标的理想值集合为Q^*＝{q^* ₁,q^* ₂,…,q^* _n}，Q^*为梯级在调度期的来流总量平均分配到各调度时段进行下泄的流量集合，则Q^*所表征的梯级系统短期运行下泄流量理想值状态的Vague集表示为：

(S620)建立下泄流量指标Vague集相似度T_i

Vague集A和B的相似度量公式，为：

式中，T(A,B)∈[0,1]，T(A,B)值越大，表示Vague集A和B越相似；

根据Vague集A和B的相似度量公式可得到各调度时段i下泄流量指标实际值q_i与其理想值q_i ^*的Vague集相似度T_i的计算公式，为：

式中，T_i∈[0,1]，i＝1,2,…,n；

综合梯级各调度时段i下泄流量指标实际值q_i与其理想值q_i ^*的Vague集相似度T_i，考虑调度期内各调度时段相似度T_i的最大值与平均值作用，得到梯级系统调度期下泄流量指标实际值Q与其理想值Q^*的Vague集相似度T计算公式，为：

式中，T∈[0,1]；(T_i)_max为各调度时段T_i的最大值；(T_i)_AVG为各调度时段T_i的平均值；调度期下泄流量指标实际值Q与其理想值Q^*的Vague集相似度T表征调度期实际下泄流量对其理想下泄流量的靠近程度；

(S630)建立引入水安全调控因子的约束条件集

各调度时段i下泄流量指标实际值q_i与其理想值q_i*的Vague集相似度T_i的值域区间为[0,1]，调整T_i值可调整梯级系统短期运行的下泄流量，进而可调控梯级系统短期运行对河流水安全的影响程度；

在梯级系统运行中考虑河流水安全的实际需求，建立优化调度模型中下泄流量上下限值q_m与其理想值q^*的Vague集相似度T(q_m,q^*)和水安全系统调控因子S之间的对应调控关系，为：

式中，T(q_m,q^*)∈[0,1]，S∈[0,1]；调整水安全系统调控因子S取值，可调整梯级系统短期运行的下泄流量约束区间。

优选地，在步骤(S100)中，建立梯级系统短期运行相关的河流水安全指标体系的方法包含：

(S110)根据RS理论，建立水安全指标决策表：针对河流防洪安全的指标体系包含：库区水位、区域暴雨强度、下泄流量、洪峰历时和三日洪量；

(S120)根据建立的水安全指标决策表和RS理论，计算防洪安全指标决策表正区；

(S130)根据步骤(S120)中计算得到的防洪安全指标决策表正区结果，采用依赖度计算公式，计算防洪安全依赖度；

式中，|pos_p(Q)|表示根据知识P、U中所有一定能归入Q的元素数量，γ_P(Q)表示依赖度；

(S140)根据防洪安全依赖度的计算结果，计算防洪安全重要度；

(S150)根据各水安全指标重要度计算结果，对各指标进行分级，对梯级系统的短期运行进行限制约束，使梯级系统的短期运行能满足河流水安全需求。

本发明的考虑河流水安全调控因子的梯级调度约束集确定方法，具有以下优点：

本发明的方法，在防洪、航运以及鱼类生境安全三个维度建立与三梯级系统短期运行相关的河流水安全指标体，并引用热力学与统计物理中的多元复相系理论，对梯级电站短期运行的河流水安全约束系统进行分析描述，构建水安全约束系统的自由度计算公式，进而建立水安全调控因子与水安全系统自由度及梯级系统来水流量的函数关系，并通过结合水安全约束松弛系数的联结作用，从而建立水安全调控因子的推荐经验计算公式，最终根据水安全调控因子，确定防洪安全、鱼类生境安全或航运安全的下泄流量约束区间，从而确保河流水安全。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种考虑河流水安全调控因子的梯级调度约束集确定方法，该方法是梯级电站短期优化调度的一部分，为便于理解，以下将选取与三级梯级系统类似的14个河流梯级系统作为案例分析样本，构建引入水安全调控因子的梯级电站短期优化调度约束集，具体如下：

(S100)建立梯级系统短期运行相关的河流水安全指标体系。

在梯级电站短期运行中，不可能同时考虑到所有相关的河流水安全指标，需根据不同的时空条件，有侧重的加以考虑。

根据某三梯级系统的相关资料分析，可在防洪、航运以及鱼类生境安全三个维度建立与三梯级系统短期运行相关的河流水安全指标体。此处以防洪安全为例进行具体说明。采用RS(粗糙集)理论中的属性约简方法，根据不同的时空条件对河流水安全指标进行重要度分析与约简，找出不同时空条件下与梯级系统短期运行相关的河流水安全指标，以构成不同时空条件下梯级系统短期运行的水安全约束集，具体包含：

(S110)建立水安全指标决策表：

在RS理论中，决策表用于描述论域中的对象。在决策表中，行描述对象，列描述对象属性。属性又分为条件属性和决策属性。定义，设S＝(U,A,V,f)是一个知识表达系统，U＝{u₁,u₂,…,u_n}是论域；A＝{a₁,a₂,…,a_n}是属性集合，A中的元素称为属性，A＝C∪D，C∩D＝Φ，C称为条件属性集，D称为决策属性集；V是属性取值集合；f:U×A→V为信息函数，其为每个对象的每个属性赋予一个信息值。同时具有条件属性集和决策属性集的知识表达系统称为决策表。

具体地，选取与该三梯级系统类似的14个河流梯级系统作为案例分析样本，构建该三梯级系统短期运行相关的防洪安全指标体系。论域U＝{1₁,2,3,···14}，表示有14个研究样本；C＝{K₁,K₂···K₅}为各指标条件属性，安全指标体系如表1所示。建立防洪安全指标决策表，如表2所示。

表1为三梯级系统短期运行相关的河流防洪安全指标体系

表2为防洪安全指标决策

注：决策值M的集合为决策属性集D。

以下对河流防洪安全指标和决策值进行详细说明，具体如下：

(1)库区水位条件值K₁：

当库区水位在校核洪水位与防洪高水位之间，条件值为2；

当库区水位在防洪高水位与汛限水位之间，条件值为1；

当库区水位在汛限水位之下，条件值为0；

(2)区域暴雨强度条件值K₂：

当降雨量≥100mm，条件值为2；

当降雨量在50mm～100mm之间，条件值为1；

当降雨量在0mm～50mm之间，条件值为0；

(3)下泄流量条件值K₃：

当下泄洪峰流量在P＝0.02％～2％之间，条件值为2；

当下泄洪峰流量在P＝2％～5％之间，条件值为1；

当下泄洪峰流量在P＝5％～0之间，条件值为0；

(4)洪峰历时条件值K₄：

当洪峰历时在≥5d，条件值为2；

当洪峰历时在3d～5d之间，条件值为1；

当洪峰历时≤3d，条件值为0；

(5)三日洪量条件值K₅：

当三日洪量大于调洪库容，条件值为2；

当三日洪量在防洪库容和调洪库容之间，条件值为1；

当三日洪量小于防洪库容，条件值为0；

(6)决策值M：

当对防洪安全的影响为严重、一般、无影响时，决策值M分别取2、1、0。

(S120)指标正区计算：

根据表2和粗糙集理论与方法，计算防洪安全指标决策表正区，结果如下：

ind(S)＝{(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),(10),(11),(12),(13),(14)}

POS_S(M)＝{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14}

(S130)依赖度计算：

在知识和范畴的简化过程中，要从一个给定的知识P中导出另一知识M，必究属性之间的依赖关系。有时知识的依赖性可能是部分的，就是说知识M仅有部分是由知识P导出的，为了度量知识的依赖性，可导出部分由知识的正域来定义。令K＝(U,R)为一知识库，且

当

时，称X是γ_P(M)度依赖于知识P，系数γ_P(M)可以看作是X和M之间的依赖度；|pos_P(M)|表示根据知识P，U中所有一定能归入M的元素数量。

根据步骤(S120)中计算得到的防洪安全指标决策表正区结果，计算防洪安全依赖度，结果如下：

(S140)重要度计算：

属性的重要性在信息系统中指属性对分类的重要性。利用粗糙集可以对属性的重要性进行度量，这个度量是根据论域中的样本来得到的。在RS理论中，决策表中不同的属性可能具有不同的重要性。为了找出某些属性(或属性集)的重要性，可以从决策表中去掉一些属性，再来考虑没有该属性后分类会怎么变化。若去掉该属性相应分类变化较大，则说明该属性的强度大，即重要性高；反之，说明该属性的强度小，即重要性低。

决策表中的不同属性可能具有不同的重要性，利用属性的重要性可以求取约简。在决策表中，令C和D分别表示条件属性集和决策属性集，则条件属性子集

关于决策属性D的重要性定义为：

σ_CD(C')＝γ_C(D)-γ_C-C'(D)

根据步骤(S130)的计算结果，计算防洪安全重要度，结果如下：

(S150)水安全指标重要度分级与约简

对于分类来说，并非所有的条件属性都是必要的，有些是多余的，去除这些属性不会影响原来的分类效果。约简表示不含多余属性并保证分类正确的最小条件属性集。定义，令R为一等效关系族，r∈R，如果：

ind(R)＝ind(R-{r})

称r为R中可省略的，否则r为R中不可省略的，其中ind()表示不可分辨的。对于

若r不可省略，则称R为独立的。

根据各水安全指标重要度计算结果，对各指标进行分级，分级结果如表3所示。重要度属于II级、III级的指标，其重要度相对较低，由于河流水安全涉及的因素很多，难以面面俱到，在调控中应以主要影响因素为主，因此，II级、III级重要度的指标可不作为约束考虑；而重要度I级的指标应成为水安全约束，对梯级系统的短期运行进行限制约束，使梯级系统的短期运行能满足河流水安全需求。

根据各维度水安全约束重要度值，首先对其进行两两比较，再经过归一化及一致性校验后，即可得到各维度水安全约束的重要度权重，防洪安全约束重要度权重如表4所示。

表3为防洪水安全指标重要度分级

表4为防洪安全约束重要度权重

(S200)引用热力学与统计物理中的多元复相系理论，对梯级电站短期运行的河流水安全约束系统进行分析描述，构建水安全约束系统的自由度计算公式。

引用热力学与统计物理中的多元复相系理论，对梯级电站短期运行的河流水安全约束系统进行分析描述，构建水安全约束系统的自由度计算公式。假设整个梯级的相数用φ表示，每个梯级视为一相，每一相的水安全约束数量用k_i表示。将整个梯级能够独立改变的水安全约束数ξ定义为水安全约束系统自由度，梯级系统短期运行的水安全约束系统自由度ξ计算公式如下：

式中，ξ为水安全约束系统自由度；φ为整个梯级相数；k_i为每一相的水安全约束数。则防洪安全维度，为：

梯级级数为3级，φ＝3；每级的防洪安全约束数为2，则有：ξ_f＝6。

(S300)根据各水安全约束的集中调整需求，引入水安全调控因子，统一对各水安全约束进行表征，以使水安全约束能够满足河流水安全需求。

由于在梯级系统短期运行时所需考虑的水安全约束往往不止一个，而且大多数水安全约束都是处在不断变化过程中，难以在调控中同时兼顾与准确把握。针对这种情况，一种较有效的解决方法是在梯级系统短期优化调度模型中嵌入一个调控因子，可称之为水安全调控因子，用S表示。水安全调控因子S的作用是在优化调度模型中统一表征同一时空条件下的各水安全约束，因此，其取值应与可以独立改变的水安全约束数量有关。如可独立改变的水安全约束数量越多，水安全调控因子的调控强度就应越大；反之，水安全调控因子的调控强度就应越小。

在水安全约束系统中，可以独立改变的水安全约束数量是由水安全约束系统自由度ξ来度量的，因此，水安全调控因子S的调控强度应与水安全约束系统自由度ξ有关。同时，决定梯级系统短期运行相关的河流水安全状态的重要边界条件就是梯级系统的来水流量，在枯水期，来水流量大，则河流水安全的状态就会相对较好，水安全调控因子S的调控强度就可相对较低；在汛期，如来水流量平稳，而且比较接近年均流量或超过不多，则河流水安全的状态也会相对较好，此时水安全调控因子S的调控强度就可相对较低。因此，水安全调控因子S取值还应与梯级系统的来水流量Q有关，建立水安全调控因子S与水安全约束系统自由度ξ及梯级系统来水流量Q的函数关系，为：S＝f(ξ,Q)。

(S400)建立水安全调控因子与水安全约束系统自由度之函数关系，为显化该函数关系，引入水安全约束松弛系数在其间起联结作用。

从方便调控的角度来看，水安全调控因子S的取值区间最好为[0,1]，但水安全约束系统自由度ξ与梯级系统来水流量Q的取值区间又都与其不在同一数量级，因此，S＝f(ξ,Q)函数关系难以直接显化，需要引入间接联结因子。

定义在水安全调控因子S与水安全约束系统自由度ξ之间起联结作用的因子为水安全约束松弛系数τ。水安全约束松弛系数τ与水安全约束系统自由度ξ应有函数关系：τ＝g(ξ)，该函数关系可根据具体的梯级系统本身特性及其具体河流的水安全需求来确定。针对具体的河流梯级系统，在采用水安全约束松弛系数τ的初期，可根据具体的河流水安全约束系统实际需求以及对梯级电站短期优化运行特性的分析理解，来建立τ与ξ的离散推荐函数关系。

在三梯级系统的运行初期，可根据对三梯级系统所在河段的水安全需求以及三梯级系统运行特性的分析与理解，建立三梯级系统水安全约束松弛系数τ与水安全约束系统自由度ξ的离散推荐函数关系。

如表5所示，当ξ_f取值大于或等于16时，τ为0.244，此时水安全约束系统中，防洪安全维度的约束数量多，表明河流的防洪安全需求很高，三梯级系统短期运行受防洪安全的约束强。

表5防洪安全的约束松弛系数与自由度关系

(S500)结合水安全约束松弛系数τ的联结作用，考虑水安全调控因子与梯级系统来水流量的关联S＝f(ξ,Q)，建立水安全调控因子的推荐取值计算公式。

结合水安全约束松弛系数τ的联结作用，可建立水安全调控因子S的推荐经验计算公式。

(a)针对防洪安全的水安全调控因子S：

S＝τ·lgQ Q_D≤Q≤Q_J

式中，τ根据其与水安全约束系统自由度ξ的离散推荐关系取得，Q_D为多年平均流量(m³/s)，Q_J为梯级系统正常运行与非正常运行的分界流量(m³/s)。

设该三梯级系统的分界流量Q_J为4000m³/s，多年平均流量Q_D为629m³/s。根据计算出的水安全约束系统自由度，可得水安全约束松弛系数；然后可计算出水安全调控因子S，如表6所示。

表6防洪安全的水安全调控因子

(b)针对航运安全的水安全调控因子S：

其中，τ根据其与水安全约束系统自由度ξ的离散推荐关系取得，Q_D为多年平均流量(m³/s)，Q_J为梯级系统正常运行与非正常运行的分界流量(m³/s)。

(c)针对鱼类生境安全的水安全调控因子S：

其中，τ根据其与水安全约束系统自由度ξ的离散推荐关系取得，Q_D为多年平均流量(m³/s)，Q_J为梯级系统正常运行与非正常运行的分界流量(m³/s)。

(S600)采用Vague集相似度量方法，建立Vague集隶属函数，确定引入水安全调控因子的约束条件集，具体包含：

(S610)下泄流量指标Vague集建立

考虑到下泄流量指标集合Q与下泄流量指标理想值集合Q^*之间相似程度的模糊性，采用能较好描述集合之间模糊程度的Vague集相似度量公式来进行度量。

设梯级各调度时段下泄流量指标集为Q＝{q₁,q₂,…,q_n}，则Q靠近下泄流量指标理想值Q^*的程度可用Vague集表示如下：

v＝{(u₁,[t(q₁),1-f(q₁)]),(u₂,[t(q₂),1-f(q₂)]),...,(u_n,[t(q_n),1-f(q_n)])}

π_i＝1-t(q_i)-f(q_i)

式中，qi为第i调度时段下泄流量(i＝1,2,…,n，n为调度时段数)，t(qi)为支持第i调度时段下泄流量指标靠近理想值的隶属度；1–f(q_i)为反对第i调度时段下泄流量指标靠近理想值的隶属度；1–t(q_i)–f(q_i)反映的是既不支持也不反对的踌躇程度，是对未知信息的反映。

设梯级各调度时段下泄流量指标的理想值集合为Q^*＝{q^* ₁,q^* ₂,…,q^* _n}，Q^*为梯级在调度期的来流总量平均分配到各调度时段进行下泄的流量集合。则Q^*所表征的梯级系统短期运行下泄流量理想值状态的Vague集可表示如下：

(S620)建立下泄流量指标Vague集相似度T_i

由于梯级系统短期运行对河流水安全所产生影响大多源自于梯级系统下泄流量，可采用梯级系统各调度时段下泄流量指标实际值集合Q与下泄流量指标理想值集合Q^*之间的相似度T来表征梯级系统短期运行对河流水安全的影响程度。相似度T越高，梯级系统短期运行对河流水安全的影响程度越小；反之，相似度T越低，则影响程度越大。

关于Vague集的相似度量公式有多种，而既适合于河流水安全度量，又适用于对河流水安全进行调控的公式为Vague集A和B的相似度量公式，具体如下：

式中，T(A,B)∈[0,1]。T(A,B)值越大，表示Vague集A和B越相似。

根据上式可得到各调度时段i下泄流量指标实际值q_i与其理想值q_i ^*的Vague集相似度T_i的计算公式如下：

式中，T_i∈[0,1]。

综合梯级各调度时段i下泄流量指标实际值q_i与其理想值q_i ^*的Vague集相似度T_i，考虑调度期内各调度时段相似度T_i的最大值与平均值作用，可得到梯级系统调度期下泄流量指标实际值Q与其理想值Q^*的Vague集相似度T计算公式如下：

式中，T∈[0,1]。i表示调度期；n表示调度期数；(T_i)_max为各调度时段T_i的最大值；(T_i)_AVG为各调度时段T_i的平均值。调度期下泄流量指标实际值Q与其理想值Q^*的Vague集相似度T可表征调度期实际下泄流量对其理想下泄流量的靠近程度。如T值越大，则调度期实际下泄流量越靠近其理想下泄流量，此时梯级系统运行对河流水安全的影响程度就小；反之，T值越小，调度期实际下泄流量越远离其理想下泄流量，此时梯级系统运行对河流水安全的影响程度就大。

(S630)建立引入水安全调控因子的约束条件集

各调度时段i下泄流量指标实际值q_i与其理想值q_i*的Vague集相似度T_i的值域区间为[0,1]，调整T_i值即可调整梯级系统短期运行的下泄流量，进而可调控梯级系统短期运行对河流水安全的影响程度。引入的水安全调控因子S的值域区间也为[0,1]。因此，如要在梯级系统短期运行中考虑河流水安全的实际需求，就可建立优化调度模型中下泄流量上下限值q_m与其理想值q^*的Vague集相似度T(q_m,q^*)和水安全系统调控因子S之间的对应调控关系式如下：

式中，T(q_m,q^*)∈[0,1]，S∈[0,1]。调整水安全系统调控因子S取值，即可调整梯级系统短期运行的下泄流量约束区间。梯级系统下泄流量上下限值q_m与水安全系统调控因子S之函数关系如下：

q_m＝f(S,q^*)

其含义是：调整水安全调控因子S值大小，即可调控优化调度模型中下泄流量上下限值q_m，并进而可调控梯级短期运行对相关河流水安全的影响程度。提高S值，优化调度模型中下泄流量约束的上、下限值q_m分别与其理想上下值q^*的Vague集相似度增加，则调度期梯级下泄流量的变化区间缩小，梯级运行对河流水安全的影响程度降低；反之，降低S值，优化调度模型中下泄流量约束的上、下限值q_m与其理想值q^*的Vague集相似度减小，则调度期梯级下泄流量的变化区间增大，梯级运行对河流水安全的影响程度增加。引入水安全调控因子S可对下泄流量的约束区间进行控制，即可实现通过S对梯级系统运行相关的河流水安全状态进行调控的目的。

(a)防洪安全约束条件建立

根据防洪调度期间梯级系统运行的下泄流量特性以及相关的下游防洪安全需求，可构建针对下游防洪安全的下泄流量Vague集隶属函数如下：

式中，q为调度时段下泄流量(m³/s)；Q_F为低于下游防洪最薄弱河段设计洪水标准两个等级的设计洪水标准对应流量所要求的梯级下泄流量(m³/s)；Q_FL为低于下游防洪最薄弱河段设计洪水标准一个等级的设计洪水标准对应流量所要求的梯级下泄流量(m³/s)；Q_FU为下游防洪最薄弱河段设计洪水标准对应流量所要求的梯级下泄流量(m³/s)。

当q>Q_F时可得到防洪调度期间针对下游防洪安全的水库下泄流量上限q_max与S的关系如下：

式中，q_max为防洪调度期间针对下游防洪安全的水库下泄流量上限(m³/s)。给定一个水安全调控因子S值，即可得到q_max，q_max即为防洪安全的下泄流量约束区间上限。

(b)航运安全约束条件建立

根据梯级系统运行的下泄流量特性以及相关的航运安全需求，可构建针对航运安全的梯级下泄流量Vague隶属函数如下：

式中，q为调度时段下泄流量(m³/s)；Q_A为针对航运安全的下泄流量理想值(m³/s)；Q_min1、Q_min2分别为针对航运安全的最小下泄流量的上限、下限(m³/s)，参考水文预报中的20％预测精度要求，将Q_min2设为Q_min1的1.2倍；Q_max2为梯级系统正常运行与非正常运行的分界流量；Q_max1、Q_max2分别为梯级常规调度与防洪应急调度等非常规调度的分界流量的上限、下限(m³/s)，参考水文预报中的20％预测精度要求，将Q_max1设为Q_max2的0.8倍。

当Q_A<q<Q_max1时，可得：

/>

设针对航运安全的梯级下泄流量理想值集合为Q^*，Q^*为调度期梯级来水总量平均分配到各调度时段进行下泄的流量集合。由Q^*所表征的针对航运安全的梯级下泄流量理想状态Vague集可表示如下：

式中，下角标表示不同调度时段，n为调度时段总数；

根据Vague集相似度T(q_m,q^*)和水安全系统调控因子S之间的对应调控关系式可得：

|(1-t(q))-(0-f(q))|＝2(1-S)

则可得到针对航运安全的梯级下泄流量约束区间上限q_max与水安全调控因子S的关系如下：

式中，q_max为梯级针对航运安全的最大下泄流量(m³/s)。给定一个水安全调控因子S值，即可得到与S对应的针对航运安全的梯级下泄流量上限q_max，q_max即为航运安全的下泄流量约束区间上限。

当Q_min2<q<Q_A时可得：

同样地，可得到针对航运安全的梯级下泄流量约束区间下限q_min与水安全调控因子S的关系如下：

式中，q_min为针对航运安全的梯级下泄流量约束区间下限(m³/s)。给定一个水安全调控因子S值，即可得到与水安全调控因子S对应的针对航运安全的梯级下泄流量下限q_min，q_min即为航运安全的梯级下泄流量约束区间下限。

(c)鱼类生境安全约束条件建立

根据梯级系统运行的下泄流量特性以及相关的鱼类生境安全需求，可构建针对鱼类生境安全的梯级下泄流量Vague集隶属函数如下：

式中，q为下泄流量(m³/s)；Q_E为调度期鱼类生境流量过程的中间值(m³/s)；Q_min1、Q_min2为针对鱼类生境安全的最小下泄流量的上限、下限(m³/s)，参考水文预报中的20％预测精度要求，将Q_min2设为Q_min1的1.2倍；Q_max1、Q_max2为梯级常规调度与防洪应急调度等非常规调度的分界流量的上限、下限(m³/s)，参考水文预报中的20％预测精度要求，将Q_max1设为Q_max2的0.8倍。

当Q_E<q<Q_max1时可得到针对鱼类生境安全的梯级下泄流量约束区间上限q_max与水安全调控因子S的关系如下：

式中，q_max为针对鱼类生境安全的梯级下泄流量约束区间上限(m³/s)。给定一个水安全调控因子S值，即可得到q_max，q_max即为鱼类生境安全的梯级下泄流量约束区间上限。

当Q_min2<q<Q_E时可得到针对鱼类生境安全的梯级下泄流量下限q_min与水安全调控因子S的关系如下：

式中，q_min为针对鱼类生境安全的梯级下泄流量下限(m³/s)。给定一个水安全调控因子S值，即可得到q_min，q_min即为鱼类生境安全的下泄流量约束区间下限。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种考虑河流水安全调控因子的梯级调度约束集确定方法，其特征在于，该方法包含：

(S100)建立梯级系统短期运行相关的河流水安全指标体系：根据梯级系统的资料分析，采用RS理论中的属性约简方法，根据不同的时空条件对河流水安全指标进行重要度分析与约简，在防洪、航运以及鱼类生境安全三个维度建立与梯级系统运行相关的河流水安全指标，以构成不同时空条件下梯级系统短期运行的水安全约束集；

(S200)引用热力学与统计物理中的多元复相系理论，对梯级电站短期运行的河流水安全约束系统进行分析描述，构建水安全约束系统的自由度计算公式：设整个梯级的相数用φ表示，每个梯级视为一相，每一相的水安全约束数量用k_i表示，将整个梯级能够独立改变的水安全约束数ξ定义为水安全约束系统自由度，则梯级系统短期运行的水安全约束系统自由度ξ计算公式为：

(S300)根据水安全约束的集中调整需求，引入水安全调控因子S，构建水安全调控因子S与水安全约束系统自由度ξ及梯级系统来水流量Q的函数关系，为：S＝f(ξ,Q)，统一对水安全约束进行表征，以使水安全约束能够满足河流水安全需求；

(S400)建立水安全调控因子S与水安全约束系统自由度ξ之函数关系，在该函数关系中引入水安全约束松弛系数τ，水安全约束松弛系数τ为在水安全调控因子S与水安全约束系统自由度ξ之间起联结作用的因子，水安全约束松弛系数τ与水安全约束系统自由度ξ的函数关系，为：τ＝g(ξ)，该函数关系根据梯级系统本身特性及其河流的水安全需求确定；

(S500)结合水安全约束松弛系数τ的联结作用，考虑水安全调控因子S与梯级系统来水流量Q的关联S＝f(ξ,Q)，建立水安全调控因子的推荐取值计算公式，为：

针对防洪安全的水安全调控因子S：

S＝τ·lgQ Q_D≤Q≤Q_J

式中，τ根据其与水安全约束系统自由度ξ的离散推荐关系取得，Q_D为梯级系统的数年平均流量，Q_J为梯级系统正常运行与非正常运行的分界流量；

针对航运安全或鱼类生境安全的水安全调控因子S：

(S600)采用Vague集相似度量方法，建立Vague集隶属函数，确定引入水安全调控因子的约束条件集，为：

(a)防洪安全约束条件建立

根据防洪调度期间梯级系统运行的下泄流量特性以及下游防洪安全需求，构建针对下游防洪安全的下泄流量Vague集隶属函数为：

式中，u为针对防洪安全的梯级下泄流量的Vague集隶属度区间；q为调度时段下泄流量；t(q)为支持调度时段下泄流量指标靠近理想值的隶属度；1–f(q)为反对调度时段下泄流量指标靠近理想值的隶属度；Q_F为低于下游防洪最薄弱河段设计洪水标准两个等级的设计洪水标准对应流量所要求的梯级下泄流量；Q_FL为低于下游防洪最薄弱河段设计洪水标准一个等级的设计洪水标准对应流量所要求的梯级下泄流量；Q_FU为下游防洪最薄弱河段设计洪水标准对应流量所要求的梯级下泄流量；

当q>Q_F时，得到防洪调度期间针对下游防洪安全的水库下泄流量上限q_max与S的关系，在水安全调控因子S值确定时，能够确定q_max：

式中，q_max为防洪调度期间针对下游防洪安全的水库下泄流量上限；(b)航运安全约束条件建立

根据梯级系统运行的下泄流量特性以及航运安全需求，构建针对航运安全的梯级下泄流量Vague隶属函数为：

式中，Q_A为针对航运安全的下泄流量理想值；Q_min1、Q_min2分别为针对航运安全的最小下泄流量的上限、下限，参考水文预报中的20％预测精度要求，将Q_min2设为Q_min1的1.2倍；Q_max2为梯级系统正常运行与非正常运行的分界流量；Q_max1、Q_max2分别为梯级常规调度与防洪应急调度非常规调度的分界流量的上限、下限，参考水文预报中的20％预测精度要求，将Q_max1设为Q_max2的0.8倍；

当Q_A<q<Q_max1时，有：

设针对航运安全的梯级下泄流量理想值集合为Q^*，Q^*为调度期梯级来水总量平均分配到各调度时段进行下泄的流量集合，由Q^*所表征的针对航运安全的梯级下泄流量理想状态Vague集表示为：

式中，下角标表示不同调度时段，n为调度时段总数；

根据Vague集相似度T(q_m,q^*)和水安全系统调控因子S之间的对应调控关系式，可得：

|(1-t(q))-(0-f(q))|＝2(1-S)

其中，q_m为调度模型中下泄流量上下限值，q^*为调度模型中下泄流量上下限值的理想值；

则，可得到针对航运安全的梯级下泄流量约束区间上限q_max与水安全调控因子S的关系，在水安全调控因子S值确定时，能够确定q_max：

当Q_min2<q<Q_A时，有：

则，可得到针对航运安全的梯级下泄流量约束区间下限q_min与水安全调控因子S的关系，在水安全调控因子S值确定时，能够确定q_min；

(c)鱼类生境安全约束条件建立

根据梯级系统运行的下泄流量特性以及鱼类生境安全需求，构建针对鱼类生境安全的梯级下泄流量Vague集隶属函数如下：

式中，Q_E为调度期鱼类生境流量过程的中间值；Q_min1、Q_min2为针对鱼类生境安全的最小下泄流量的上限、下限，参考水文预报中的20％预测精度要求，将Q_min2设为Q_min1的1.2倍；Q_max1、Q_max2为梯级常规调度与防洪应急调度非常规调度的分界流量的上限、下限，参考水文预报中的20％预测精度要求，将Q_max1设为Q_max2的0.8倍；

当Q_E<q<Q_max1时，可得到针对鱼类生境安全的梯级下泄流量约束区间上限q_max与水安全调控因子S的关系，在水安全调控因子S值确定时，能够确定q_max；

式中，q_max为针对鱼类生境安全的下泄流量约束区间上限；

当Q_min2<q<Q_E时，可得到针对鱼类生境安全的下泄流量下限q_min与水安全调控因子S的关系如下，在水安全调控因子S值确定时，能够确定q_min；

式中，q_min为针对鱼类生境安全的下泄流量下限；Q_E为调度期鱼类生境流量过程的中间值。

2.根据权利要求1所述的考虑河流水安全调控因子的梯级调度约束集确定方法，其特征在于，在步骤(S600)中，采用Vague集相似度量方法建立Vague集隶属函数的方法包含：

(S610)下泄流量指标Vague集建立

设梯级各调度时段下泄流量指标集为Q＝{q₁,q₂,…,q_n}，则Q靠近下泄流量指标理想值Q^*的程度用Vague集表示为：

v＝{(u₁,[t(q₁),1-f(q₁)]),(u₂,[t(q₂),1-f(q₂)]),...,(u_n,[t(q_n),1-f(q_n)])}

π_i＝1-t(q_i)-f(q_i)

式中，q_i为第i调度时段下泄流量，i＝1,2,…,n，n为调度时段数；t_i为支持第i调度时段下泄流量指标靠近理想值的隶属度；1–f_i为反对第i调度时段下泄流量指标靠近理想值的隶属度；1–t_i–f_i反映的是既不支持也不反对的踌躇程度，是对未知信息的反映；

设梯级各调度时段下泄流量指标的理想值集合为Q^*＝{q^* ₁,q^* ₂,…,q^* _n}，Q^*为梯级在调度期的来流总量平均分配到各调度时段进行下泄的流量集合，则Q^*所表征的梯级系统短期运行下泄流量理想值状态的Vague集表示为：

(S620)建立下泄流量指标Vague集相似度T_i

Vague集A和B的相似度量公式，为：

式中，T(A,B)∈[0,1]，T(A,B)值越大，表示Vague集A和B越相似；

根据Vague集A和B的相似度量公式可得到各调度时段i下泄流量指标实际值q_i与其理想值q_i ^*的Vague集相似度T_i的计算公式，为：

式中，T_i∈[0,1]，i＝1,2,…,n；

综合梯级各调度时段i下泄流量指标实际值q_i与其理想值q_i ^*的Vague集相似度T_i，考虑调度期内各调度时段相似度T_i的最大值与平均值作用，得到梯级系统调度期下泄流量指标实际值Q与其理想值Q^*的Vague集相似度T计算公式，为：

式中，T∈[0,1]；(T_i)_max为各调度时段T_i的最大值；(T_i)_AVG为各调度时段T_i的平均值；调度期下泄流量指标实际值Q与其理想值Q^*的Vague集相似度T表征调度期实际下泄流量对其理想下泄流量的靠近程度；

(S630)建立引入水安全调控因子的约束条件集

各调度时段i下泄流量指标实际值q_i与其理想值q_i*的Vague集相似度T_i的值域区间为[0,1]，调整T_i值可调整梯级系统短期运行的下泄流量，进而可调控梯级系统短期运行对河流水安全的影响程度；

在梯级系统运行中考虑河流水安全的实际需求，建立优化调度模型中下泄流量上下限值q_m与其理想值q^*的Vague集相似度T(q_m,q^*)和水安全系统调控因子S之间的对应调控关系，为：

式中，T(q_m,q^*)∈[0,1]，S∈[0,1]；调整水安全系统调控因子S取值，可调整梯级系统短期运行的下泄流量约束区间。

3.根据权利要求1所述的考虑河流水安全调控因子的梯级调度约束集确定方法，其特征在于，在步骤(S100)中，建立梯级系统短期运行相关的河流水安全指标体系的方法包含：

(S110)根据RS理论，建立水安全指标决策表：针对河流防洪安全的指标体系包含：库区水位、区域暴雨强度、下泄流量、洪峰历时和三日洪量；

(S120)根据建立的水安全指标决策表和RS理论，计算防洪安全指标决策表正区；

(S130)根据步骤(S120)中计算得到的防洪安全指标决策表正区结果，采用依赖度计算公式，计算防洪安全依赖度；

式中，|pos_p(Q)|表示根据知识P、U中所有一定能归入Q的元素数量，γ_P(Q)表示依赖度；

(S140)根据防洪安全依赖度的计算结果，计算防洪安全重要度；

(S150)根据各水安全指标重要度计算结果，对各指标进行分级，对梯级系统的短期运行进行限制约束，使梯级系统的短期运行能满足河流水安全需求。