CN117592758A - 一种多个跨流域调水格局的联合调度方法 - Google Patents

一种多个跨流域调水格局的联合调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于跨流域水资源多源调配技术领域，公开了一种多个跨流域调水格局的联合调度方法，包括：步骤1、获取多个跨流域调水格局中的每个单项调水工程的参数特征，根据多个参数特征构建调水系统；步骤2、根据调水系统构建联合调度模型，并获取N个维度中每个维度下联合调度模型的多层级优解集；步骤3、根据多层级优解集，确定调水系统在每个维度中均达到预设要求的运行方式，根据运行方式确定联合调度方法。本发明能够为多个跨流域调水工程格局下的多源调水系统构建，及多源调水系统联合调度提供方法路径以及技术支撑，实现多个跨流域调水格局下的多源调水系统高效运行。

Description

一种多个跨流域调水格局的联合调度方法
技术领域
本发明公开了一种多个跨流域调水格局的联合调度方法，属于跨流域水资源多源调配技术领域。
背景技术
跨流域调水工程是缓解水资源时空分布不均，提升缺水区域供水安全保障能力的重要途径。目前，典型的跨流域调水通常通过调水管线、调蓄水库等工程措施，将水资源从丰沛流域调至短缺流域，然后，受调水区和受水区的气候变化、社会经济发展变化等影响，可能导致原有的跨流域调水工程无法满足新的供需关系。
因此，在现有跨流域调水工程基础上，补充或增加新调水工程，从而将单一的跨流域调水工程拓展为多个跨流域调水工程组成的多个跨流域调水格局。另一方面，国家大力推进水网工程建设，提高区域之间的水资源调配能力。基于此，构建多个跨流域调水工程互联互通的水资源调配格局是跨流域调水工程的发展趋势。然而，由若干典型调水工程组成的多个跨流域调水格局，各组成部件拓扑结构更为庞杂，使得调水工程之间存在多个水源之间向外调水、内部补水以及水库工程之间水文与库容补偿等多重调度关系，并耦合为多源调水系统。从调度运行过程看，多源调水系统内各单项调水工程之间存在多维度、多层级、动态的相互博弈关系。
然而，如何构建清晰表征多个跨流域调水格局下的单项调水工程之间拓扑结构，以及功能组成的多源调水系统，在尽可能实现各自调水目标的基础上，充分满足多个跨流域调水格局下所面对的联合调度要求，最终均衡实现多源调水系统的联合调度综合效益，仍是制约跨流域调水工程发展瓶颈所在。
发明内容
本申请的目的在于，提供一种多个跨流域调水格局的联合调度方法，以解决目前如何将多个单一的跨流域调水工程均衡利益最大化问题，拓展为多个跨流域调水组成的多个跨流域调水格局下水资源多源调配的技术问题。为实现上述目的，本发明提出了一种多个跨流域调水格局的联合调度方法，具体方案如下：
一种多个跨流域调水格局的联合调度方法，包括：
步骤1、获取多个跨流域调水格局中的每个单项调水工程的参数特征，根据多个所述参数特征构建调水系统；
步骤2、根据所述调水系统构建联合调度模型，并获取N个维度中每个维度下所述联合调度模型的多层级优解集；
步骤3、根据所述多层级优解集，确定所述调水系统在每个维度中均达到预设要求的运行方式，根据所述运行方式确定联合调度方法。
优选的，根据所述运行方式确定联合调度方法，具体包括：
根据所述运行方式提取所述调水系统的联合调度规则；
根据所述联合调度规则确定联合调度方法。
优选的，所述步骤1具体包括：
步骤1.1、获取多个跨流域调水格局中的每个单项调水工程的参数特征，根据所述参数特征获取多个所述单项调水工程之间的关系特征；
步骤1.2、根据所述关系特征，确定多个所述单项调水工程分别在所述多个跨流域调水格局中的拓扑结构和系统功用，根据所述拓扑结构和所述系统功用构建调水系统。
优选的，根据所述调水系统构建联合调度模型，具体包括：
步骤2.1、根据多个所述单项调水工程之间的关系特征和接收的所述调水系统的联合调度目标，确定所述调水系统的目标函数和约束条件；
步骤2.2、根据所述目标函数和所述约束条件构建所述联合调度模型。
优选的，所述目标函数包括所述调水系统的联合调水量总量最大和长系列调水变幅最小。
优选的，所述约束条件包括调水系统水量平衡、水库水量平衡、水库运行水位、工程输水能力和非负约束。
优选的，根据所述多层级优解集，确定所述调水系统在每个维度中均达到预设要求的运行方式，具体包括：
步骤3.1、根据N个维度的所述多层级优解集，拟定所述调水系统的运行方式；
步骤3.2、判断所述运行方式是否在每个维度均满足预设要求，如否，则更新所述运行方式，得到使每个维度均达到预设要求的所述调水系统的运行方式。
优选的，所述运行方式的更新方式具体为：
根据未达到预设要求的维度对应的另一层级优解更新所述运行方式。
优选的，所述预设要求为所述调水系统的运行方式满足长系列检验资料的校验结果。
优选的，所述参数特征包括调水量、输水隧道过流能力、水库特征水位和区位信息。
有益效果：本发明公开了面向多个跨流域调水格局的多源调水联合调度方法，首先，解析组成多个跨流域调水格局的各单项调水工程主要设计参数、各自功能任务以及流域水文情势等条件，构建形成多源调水系统；其次，建立耦合多个独立调水工程在内的多源调水系统联合调度模型，采用基于模拟联合优化的框架性方法求解模型；最后，拟定跨流域调水工程调度运行方式，采用长系列资料校验其合理性与有效性，提取多源调水系统联合调度规则。本发明能够为多个跨流域调水工程格局下的多源调水系统构建，及多源调水系统联合调度提供方法路径以及技术支撑，实现多个跨流域调水格局下的多源调水系统高效运行。
附图说明
图1为本发明多个跨流域调水格局的联合调度方法；
图2为本发明实施例二中的多个跨流域格局示意图；
图3为本发明实施例二中汉江-嘉陵江-白龙江跨流域调水格局拓扑结构图示意图；
图4为本发明实施例二中汉江-嘉陵江-白龙江调水系统联合调度降低调水过程的变幅图；
图5是本发明实施例二中汉江-嘉陵江-白龙江调水系统联合调度图，其中（a）为汉江调水曲线图，（b）为嘉陵江调水曲线图，（c）为白龙江调水曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
实施例一：
如图1所示，在一个实施例中，公开了一种多个跨流域调水格局的联合调度方法，包括以下步骤：
步骤1、获取多个跨流域调水格局中的每个单项调水工程的参数特征，根据多个所述参数特征构建调水系统；
本实施例中，所述步骤1具体包括：步骤1.1、获取多个跨流域调水格局中的每个单项调水工程的参数特征，根据所述参数特征获取多个所述单项调水工程之间的关系特征。
本实施例中，所述参数特征包括调水量、输水隧道过流能力、水库特征水位和区位信息。所述关系特征包括每个单项调水工程之间的区位关系，还包括：各单项调水工程所在流域水文同步性和异步性规律，单项调水工程之间水文互补性能。
具体的，本实施例中，解析多个跨流域调水格局所涉及的各单项调水工程的目标调水量、输水隧道设计过流能力、水库主要特征水位和区位信息等设计参数特征。根据上述的参数特征获取多个所述单项调水工程之间的关系特征，具体包括：根据区位信息获取各单项调水工程之间的区位关系，整编调水区主要取水断面径流资料，分析计算各单项调水工程可调水量，揭示各单项调水工程所在流域水文同步性与异步性规律，厘清各单项调水工程之间水文互补性能。
步骤1.2、根据所述关系特征，确定多个所述单项调水工程分别在所述多个跨流域调水格局中的拓扑结构和系统功用，根据所述拓扑结构和所述系统功用构建调水系统。
具体的，本实施例中，明确各单项调水工程的调水目标，根据所述关系特征，论证各单项调水工程于多个跨流域调水格局中的功能定位即系统功用，构建各单项调水工程之间的拓扑结构，根据所述拓扑结构和功能定位搭接形成多源的调水系统，根据所述调水系统及各单项调水工程的调水目标明确多个跨流域调水格局的联合调度目标即调水系统的联合调度目标。
步骤2、根据所述调水系统构建联合调度模型，并获取N个维度中每个维度下所述联合调度模型的多层级优解集；
进一步的，根据所述调水系统建模联合调度模型，具体包括：步骤2.1、根据多个所述单项调水工程之间的关系特征和接收的所述调水系统的联合调度目标，确定所述调水系统的目标函数和约束条件；
具体的，本实施例中，根据所述关系特征，确定多源的调水系统的目标函数和约束条件，其中目标函数以综合目标最优确定，具体根据接收的调水系统的联合调度目标确定，约束条件以各单项调水工程各自的约束和各单项调水工程之间的相互制约确定。
步骤2.2、根据所述目标函数和所述约束条件构建所述联合调度模型。
具体的，本实施例中，所述联合调度模型采用内嵌智能优化算法的模拟联合优化框架性方法，参照联合调度模型的水量调配关系，模拟调水系统的联合调度过程。参数化模型的决策变量，离散化联合调度的计算步长，采用智能优化算法，求解满足联合调度模型中目标函数和约束条件的优解，提取N个维度下每个维度的多个优解，记为多层级优解集。
具体的，本实施例中，选取水库库容作为联合调度的决策变量，采用智能优化算法寻找优解，并得到决策变量的多层级优解集。
进一步的，本实施例中，所述目标函数包括所述调水系统的联合调水量总量最大和长系列调水变幅最小。
具体的，本实施例中，联合调水量最大目标函数表达式如式（1）：
（1）
式中，为调水系统在联合调度周期内实际调水量合计值，单位为亿m3；/>为联合调度在时段/>的实际调水量，单位为亿m3；/>为总调度时段数。
具体的，本实施例中，长系列调水变幅最小目标函数表达式如式（2）：
（2）
式中，为长系列调水变幅最小函数，无量纲；/>为联合调度在时段/>的目标调水流量，单位为m3/s；/>为联合调度在时段/>的实际调水流量，单位为m3/s；两者之间取绝对值表示时段/>实际调水与目标调水之间差异，计算经离散化后的总调度时段/>内的平均值可用于表征长系列调水变幅。
进一步的，所述约束条件包括调水系统水量平衡、水库水量平衡、水库运行水位、工程输水能力和非负约束。
具体的，本实施例中，调水系统水量平衡约束条件表达式如式（3）：
（3）
式中，为单项调水工程在/>时段实际调水流量合计，/>、/>分别为单项调水工程/>在/>时段天然径流流量、上下游其他用户预留流量，单位均为m3/s；/>为参与计算的单项调水工程的个数。
具体的，本实施例中，水库水量平衡约束条件表达式如式（4）：
（4）
式中，与/>为调蓄水库/>在/>时段以及/>时段的库容值，单位为万m3；、/>、/>、/>分别为调蓄水库/>在/>时段的天然入库流量、水库调水流量、水库泄放生态流量、水库运行损失流量，单位均为m3/s；/>为计算步长对应的实际时间尺度。
具体的，本实施例中，水库运行水位约束条件表达式如式（5）：
（5）
式中，与/>为调蓄水库/>在/>时段允许达到的最低水位与最高水位；/>为调蓄水库/>在调度时段/>实际运行水位，上述变量单位均为m；
具体的，本实施例中，水库运行水位约束条件表达式如式（6）：
（6）
式中，与/>为单项调水工程/>在/>时段实际调水流量与调水系统最大输水能力，单位为m3/s；
具体的，本实施例中，还包括非负约束，即模型中各物理变量均为非负数。
步骤3、根据所述多层级优解集，确定所述调水系统在每个维度中均达到预设要求的运行方式，根据所述运行方式确定联合调度方法。
进一步的，根据所述多层级优解集，确定所述调水系统在每个维度中均达到预设要求的运行方式，具体包括：步骤3.1、根据N个维度的所述多层级优解集，拟定所述调水系统的运行方式。
具体的，本实施例中，在求解获得N个维度的多层级优解后，分析N个维度的最优解，根据最优解剖析各单项调水工程的调水过程和各单项调水工程之间的互补效果，根据最优解提取调水系统的联合调度规则，根据联合调度规则初步拟定所述调水系统的运行方式，即基于长系列计算资料初步拟定多个跨流域调水格局下多个跨流域调水工程的联合调度运行方式。
步骤3.2、判断所述运行方式是否在每个维度均满足预设要求，如否，则更新所述运行方式，得到使每个维度均达到预设要求的所述调水系统的运行方式。
进一步的，所述运行方式的更新方式具体为：根据未达到预设要求的维度对应的另一层级优解更新所述运行方式。
具体的，本实施例中，采用长系列径流成果，根据初步拟定的调度运行方式模拟多个跨流域调水工程的调度运行，判断所述调度运行方式是否满足预设要求。
具体的，当调度运行方式不满足预设要求时，调整未达到预设要求的维度对应的优解，从多层级优解集中选取另一层级优解，更新调度运行方式。应当了解的是，本实施例中，初步拟定调度运行方式时选取的最优解集，更新时，以每个维度次一级优解更新。另一个实施例中，初步拟定联合调度运行方式时，选用的优解为多层级优解集中的任意一个，更新时，选用的另一层级优解为多层级优解集中的任意另一个。
进一步的，所述预设要求为所述调水系统的运行方式满足长系列检验资料的校验结果。
具体的，本实施例中，判断调度运行方式是否达到预设要求，具体为：根据初步拟定或更新后的调度运行方式进行模拟调度运行，调度运行后得到调度运行结果，分析调度运行结果的合理性和有效性。如合理且有效，则该调度运行结果对应的调度运行方式满足预设要求，如不合理或无效，则重复上述步骤，更新调度运行方式，直至得到的调度运行结果合理且有效。
进一步的，根据所述运行方式确定联合调度方法，具体包括：根据所述运行方式提取所述调水系统的联合调度规则；根据所述联合调度规则确定联合调度方法。
具体的，另一个实施例中，根据调度运行结果绘制多个跨流域调水格局下的各单项调水工程的调度曲线，采用长系列检验资料校验，按照确定的调度曲线样式，莫比验算调水系统的联合调度结果，判断所述联合调度结果是否满足联合调度模型的目标函数，如不满足，调整调度曲线，直至其满足联合调度模型的目标函数，最终提取确定多源调水系统联合调度规则的调度图表达形式。
具体的，本实施例中还包括，根据满足预设要求的调度运行方式提取调水系统的联合调度规则，根据联合调度规则制定调度手册，调度手册为多个跨流域调水格局下的多个流域调水工程的联合调度提供调度方法。具体的，图1中构建调水系统下方的解析各单项调水工程的参数特征、分析各单项调水工程之间的关系特征和论证各单项调水工程于多个跨流域调水格局中的拓扑结构和功能定位均为构建调水系统的条件；构建联合调度模型下方的目标函数、约束条件及目标函数、约束条件下的具体条件均为构建联合调度模型的条件。
实施例二、
具体的，本实施例中，以汉江、嘉陵江、白龙江三个单项调水工程组成的跨流域调水格局为例阐述本发明的多个跨流域调水格局的联合调度方法。如图2所示，为本实施例中的多个跨流域调水格局。如图3所示为本实施例中汉江-嘉陵江-白龙江多个跨流域调水工程组成的多个跨流域调水格局的拓扑结构，具体的，图中表示河流，/>表示引水路线，表示水利枢纽，/>表示控制闸。
本实施例主要包含引汉济渭工程与引嘉入汉工程两大调水工程体系。其中引汉济渭工程联通汉江、渭河两大水系，通过在汉江的干流和支流子午河上分别修建黄金峡水库和三河口水库两个水源工程，调水穿越近百公里的秦岭输水隧洞，供给以西安为代表的关中平原重要城市，工程设计调水规模为15亿m3。引嘉入汉工程由巨亭引水线路与白龙江引水线路组成，巨亭引水线路取水于嘉陵江干流的巨亭水库，输水至汉江干流。白龙江引水线路于白龙江的宝珠寺水库取水至嘉陵江干流的巨亭水库后，汇入巨亭引水线路。
根据发明的多个跨流域调水格局的联合调度方法，具体的，本实施例中，首先分析基于汉江-嘉陵江-白龙江多个跨流域调水工程的多个跨流域调水格局，具体的，本多个跨流域调水格局中取水水源自上而下为宝珠寺水库、巨亭水库、三河口水库、黄金峡水库，且调水区域至受水区域通过白龙江输水隧洞、嘉陵江输水隧洞、秦岭输水隧洞连通。主要工程设计参数如表1所示。分别解析汉江-嘉陵江-白龙江多个跨流域调水格局内每个单项调水工程的设计参数，分析计算白龙江-嘉陵江-汉江三个调水区域的水文补充性能，从而构成了汉江-嘉陵江-白龙江的多源调水系统。
表1：多个跨流域调水格局中主要工程设计参数
其次，论证白龙江-嘉陵江-汉江多源调水系统联合调度目标主要为增加受水区域调水量、降低调水过程变幅。由此，建立汉江-嘉陵江-白龙江多源调水系统的联合调度模型，明确该模型的目标函数与各主要约束条件。具体的，选用1955年-2020年合计65年的长系列水文资料，并校验各取水断面长系列径流成果，以水库库容为决策变量，采用月尺度为模型计算步长，完成汉江-嘉陵江-白龙江多源调水系统联合调度模拟演算。针对模型中多目标求解，参数优化联合NSGA-II智能算法，决策变量离散化长度为768，选择种群规模4000，种群迭代数8000，交叉与变异概率0.55、0.45。依据上述模拟联合优化的方式求解模型，反复迭代生成联合调度的多个目标下的每个目标的多层级优解集。
针对联合调度多层级优解集生成满足目标函数的较好方案，并初步拟定汉江-嘉陵江-白龙江多个跨流域调水工程调度运行方式，分析联合调度目标可达性。首先，从完成增加受水区域调水量目标分析，适宜的联合调度结果如表2所示。其次，从降低调水过程变幅目标分析，合理的联合调度结果如图4所示。
表2：根据增加受水区域调水量目标获得的联合调度结果
由表2可知，采用汉江-嘉陵江-白龙江多源调水系统联合调度，各调水水源均能够发挥各自水源调配特点，充分参与联合调度，并满足受水区域供水需求，关中区域可实现调水目标且达到保证率要求，同时南水北调受水区也能较多增加供水量；由图4可见，受水区域调水过程变幅有比较明显降低。统计长系列1955年-2020年调水过程，峰值降低效果显著，对一般枯水年降低较为明显。表明汉江-嘉陵江-白龙江多源调水系统的联合调度可实现降低调水过程变幅目标。由此，提取汉江-嘉陵江-白龙江多源调水系统的联合调度规则，并通过长系列径流资料验证联合调度规则合理性与有效性。最终确定汉江-嘉陵江-白龙江多源调水系统联合调度图，如图5所示，具体包括汉江调度曲线、嘉陵江调度曲线和白龙江调度曲线。
本发明公开了面向多个跨流域调水格局的多源调水联合调度方法，首先，解析组成多个跨流域调水格局的各单项调水工程主要设计参数、各自功能任务以及流域水文情势等条件，构建形成多源调水系统；其次，建立耦合多个独立调水工程在内的多源调水系统联合调度模型，采用基于模拟联合优化的框架性方法求解模型；最后，拟定跨流域调水工程调度运行方式，采用长系列资料校验其合理性与有效性，提取多源调水系统联合调度规则。本发明能够为多个跨流域调水工程格局下的多源调水系统构建，及多源调水系统联合调度提供方法路径以及技术支撑，实现多个跨流域调水格局下的多源调水系统高效运行。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利的范围约束。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多个跨流域调水格局的联合调度方法，其特征在于，包括：
步骤1、获取多个跨流域调水格局中的每个单项调水工程的参数特征，根据多个所述参数特征构建调水系统；
步骤2、根据所述调水系统构建联合调度模型，并获取N个维度中每个维度下所述联合调度模型的多层级优解集；
步骤3、根据所述多层级优解集，确定所述调水系统在每个维度中均达到预设要求的运行方式，根据所述运行方式确定联合调度方法。
2.根据权利要求1所述的多个跨流域调水格局的联合调度方法，其特征在于，根据所述运行方式确定联合调度方法，具体包括：
根据所述运行方式提取所述调水系统的联合调度规则；
根据所述联合调度规则确定联合调度方法。
3.根据权利要求1所述的多个跨流域调水格局的联合调度方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
步骤1.1、获取多个跨流域调水格局中的每个单项调水工程的参数特征，根据所述参数特征获取多个所述单项调水工程之间的关系特征；
步骤1.2、根据所述关系特征，确定多个所述单项调水工程分别在所述多个跨流域调水格局中的拓扑结构和系统功用，根据所述拓扑结构和所述系统功用构建调水系统。
4.根据权利要求3所述的多个跨流域调水格局的联合调度方法，其特征在于，根据所述调水系统构建联合调度模型，具体包括：
步骤2.1、根据多个所述单项调水工程之间的关系特征和接收的所述调水系统的联合调度目标，确定所述调水系统的目标函数和约束条件；
步骤2.2、根据所述目标函数和所述约束条件构建所述联合调度模型。
5.根据权利要求4所述的多个跨流域调水格局的联合调度方法，其特征在于，所述目标函数包括所述调水系统的联合调水量总量最大和长系列调水变幅最小。
6.根据权利要求4所述的多个跨流域调水格局的联合调度方法，其特征在于，所述约束条件包括调水系统水量平衡、水库水量平衡、水库运行水位、工程输水能力和非负约束。
7.根据权利要求1所述的多个跨流域调水格局的联合调度方法，其特征在于，根据所述多层级优解集，确定所述调水系统在每个维度中均达到预设要求的运行方式，具体包括：
步骤3.1、根据N个维度的所述多层级优解集，拟定所述调水系统的运行方式；
步骤3.2、判断所述运行方式是否在每个维度均满足预设要求，如否，则更新所述运行方式，得到使每个维度均达到预设要求的所述调水系统的运行方式。
8.根据权利要求7所述的多个跨流域调水格局的联合调度方法，其特征在于，所述运行方式的更新方式具体为：
根据未达到预设要求的维度对应的另一层级优解更新所述运行方式。
9.根据权利要求1所述的多个跨流域调水格局的联合调度方法，其特征在于，所述预设要求为所述调水系统的运行方式满足长系列检验资料的校验结果。
10.根据权利要求1所述的多个跨流域调水格局的联合调度方法，其特征在于，所述参数特征包括调水量、输水隧道过流能力、水库特征水位和区位信息。
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