一种基于优化的河流时间水权实时调度管理方法

摘要

本发明涉及一种基于优化的河流时间水权实时调度管理方法，属于环境保护与资源综合利用技术领域。根据流域管理部门规定的水量分配目标，确定优化目标和约束条件，通过引水闸门不同时间的开闭定量控制河流时间水权的分配，建立基于河流时间水权的混合整数优化调度模型；确定优化的闸门开闭调度方案，进行闸门关闭的概率计算分析，确定闸门关闭的起始时间和时间长度，得到较优的河流时间水权实时调度管理方法。本方法明确了河流时间水权实时调度管理的数学量化方法，有利于市场经济下水资源的高效利用；根据优化模型能得到更合理的时间水权调度规则，保障最严格水资源管理制度的实施，具有理论意义明确、技术方法先进、便于实际应用的优点。

主权项

一种基于优化的河流时间水权实时调度管理方法，其特征在于该调度管理方法包括以下各步骤：(1)根据河流管理部门的要求，确定中游供水区的需水量和下游供水区的需水量W_ddem，将它们作为河流的供水目标，其中j为河流中游供水区的序号，j＝1，2，…，m，m为河流中游供水区总数，河流下游有一个供水区，每个供水区通过一条渠道从河流引水，每个供水区通过一条分支回流至河道，中游的每个渠道入口设有闸门，通过河流中游和下游的控制断面的水量全部供给下游供水区使用，下游供水区直接从河流引水(不受闸门控制)；(2)建立一个基于河流时间水权的0‑1混合整数优化调度模型，优化模型的目标函数为：$\mathrm{MinZ}=\underset{t=t_0}{\overset{t_n}{\Sigma }}(\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{w}_1{W}_{\mathrm{mlack}}^j\left(t\right)+w_2{W}_{\mathrm{dlack}}\left(t\right))$上式中：t为优化模型的时段指标，t＝t₀、……t_n，t₀为第一个时段，t_n为模型计算的最后时段，为t时段河流中游第j个供水区的缺水量，W_dlack(t)为t时段河流下游供水区的缺水量，w₁、w₂为权重系数，通过随机或人工生成，满足w₁+w₂＝1；(3)设定优化模型关于河流、河流中游供水区、河流下游供水区、汇流节点、渠道和闸门的约束条件，如下：河流：$W_{\mathrm{riv}\_\mathrm{in}}^j\left(t\right)=w_{\mathrm{riv}\_\mathrm{out}}^j\left(t\right)+W_{\mathrm{riv}\_\sup }^j\left(t\right)+L_{\mathrm{riv}}^j\left(t\right)$$W_{\mathrm{riv}\_\mathrm{in}}^j\left(t\right)\le Q_{\mathrm{riv}\_\max }$$W_{\mathrm{riv}\_\sup }^j\left(t\right)\le Q_{d\_\max }$河流中游供水区：$W_{\sup }^j\left(t\right)=W_{\mathrm{con}}^j\left(t\right)+W_{\mathrm{ret}}^j\left(t\right)$$W_{\sup }^j\left(t\right)=W_{\mathrm{mdem}}^j\left(t\right)-W_{\mathrm{mlack}}^j\left(t\right)$$W_{\sup }^j\left(t\right)=\alpha \left(t\right)\times W_{\mathrm{cha}\_\mathrm{out}}^j\left(t\right)$河流下游供水区：W_dsup(t)＝W_ddem(t)‑W_dlack(t)+W_dinc(t)汇流节点：$W_{\mathrm{con}\_\mathrm{out}}\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{N}{\Sigma }}{W}_{\mathrm{con}\_\mathrm{in}}^l\left(t\right)$渠道：$W_{\mathrm{cha}\_\mathrm{out}}^j\left(t\right)=(1-\beta )\times W_{\mathrm{riv}\_\sup }^j\left(t\right)$闸门：α(t)∈{0,1}其中，分别为第t时段向中游第j个供水区供水的河流入流量、河流出流量，河流供水量和河流损失量，Q_{riv_max}为河流的过流能力，Q_{d_max}为河流的引水能力，和分别为第t时段河流中游第j个供水区得到的供水量、耗水量、回归下游河流的水量、需水量和缺水量，W_dsup(t)、W_ddem(t)、W_dlack(t)、W_dinc(t)分别为第t时段河流下游供水区的供水量、需水量、缺水量和加大量，W_{con_out}(t)为第t时段汇流节点的出流量，表示第t时段汇流节点的第l个分支入流量，N为流入同一汇流节点的分支总数，为第t时段向中游第j个供水区供水的渠道出流量，α(t)为第t时段闸门开启或关闭状态，取值为0或1，β为渠道的损失系数，取值范围为0‑1的实数，上述约束条件中，河流的过流能力、河流的引水能力和渠道的损失系数由河流管理部门提供；(4)采用混合整数规划方法求解，以天为时间步长，根据30年水文历史资料中的河流上游入流量W_{riv_in}(t)，求解上述步骤(2)和步骤(3)构成的混合整数优化调度模型，得到优化的30年内第t时段河流中游第j个供水区的缺水量河流下游供水区缺水量W_dlack(t)和第t时段闸门开启或关闭状态α(t)；(5)随机或人工生成多组w₁、w₂，得到权重集合w^Ω，重复步骤(4)，计算得到30年的多组优化的第t时段河流中游第j个供水区的缺水量河流下游供水区缺水量W_dlack(t)和第t时段闸门开启或关闭状态α(t)，形成一个由多组优化的第t时段河流中游供水区的缺水量河流下游供水区的缺水量W_dlack(t)和闸门开启或关闭状态α(t)组成的非劣解集WΩW_dlack(t)，α(t))；(6)根据上述步骤(5)多组优化的第t时段河流中游第j个供水区的缺水量和第t时段河流下游供水区的缺水量W_dlack(t)，通过下式计算得到河流中游供水区缺水率R_{m_lack}和河流下游供水区缺水率R_{d_lack}：$R_{m\_\mathrm{lack}}=\underset{t=t_0}{\overset{T}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{W}_{\mathrm{mlack}}^j\left(t\right)/\underset{t=t_0}{\overset{T}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{W}_{\mathrm{mdem}}^j\left(t\right)$$R_{d\_\mathrm{lack}}=\underset{t=t_0}{\overset{T}{\Sigma }}{W}_{\mathrm{dlack}}\left(t\right)/\underset{t=t_0}{\overset{T}{\Sigma }}{W}_{\mathrm{ddem}}\left(t\right)$当河流中游供水区缺水率R_{m_lack}与河流下游供水区缺水率R_{d_lack}的值相等时(或某一个特定的协调值)，从上述非劣解集W^Ω中检索出与河流中游供水区缺水率R_{m_lack}和河流下游供水区缺水率R_{d_lack}相等条件下(或某一个特定的协调值)相对应的α(t)；(7)根据上述步骤(6)的α(t)值，利用概率统计方法，得到河流中游一年内每天闸门关闭的分布概率Pⁱ，Pⁱ＝N(i)/30，N(i)为30年中第i天闸门关闭的次数，i＝1，2，…，365；(8)将上述一年内每天闸门关闭的概率Pⁱ划分为四个调度时期计算每个调度时期内闸门关闭的天数期望值T_x，作为该调度时期内河流下游供水区授权取水的时间长度：$T_x=\underset{i=1}{\overset{M_x}{\Sigma }}{P}^i$其中，x＝1,2,3,4，分别代表四个调度时期，M_x为每个调度时期的天数；(9)取每个调度时期内闸门关闭的起始时间T_x0＝t_x0，t_x0为每个调度时期的起始时间，然后根据上述每个调度时期内闸门关闭的天数期望值T_x，依次计算每个调度时期内闸门连续T_x天关闭的累积频率P_x，得到多个累积频率P_x，$P_x=\underset{i=T_{x0}}{\overset{T_{x0}+T_x}{\Sigma }}{P}^i/T_x$其中，T_x0为满足t_x0≤T_x0≤t_x0+M_x‑T_x中的正整数，从多个累积频率P_x检索出与最大累积频率P_{x_max}相对应的闸门关闭起始时间T_x0；(10)根据河流管理部门提供的河流从上游流至下游所需的时间Δt，以T_x0‑Δt作为每个调度时期闸门关闭的起始时间，得到以T_x0‑Δt、T_x为优化参数的河流时间水权实时调度管理方法。