一种非汛期水量协同优化调度方法

摘要

本发明涉及一种非汛期水量协同优化调度方法，先从河流流域的生态、生活、工业、农业等整体上考虑各方的用水和回水信息、并通过计算河道产汇流、河道外需水量以及河道内最小需水量，确定河段和控制断面最小需水流量。通过对流域河道进行实时水量监控，当控制断面流量低于其最小需水流量时，自动输出缺水预警等级；最后，在不同预警等级下，通过协同粒子群智能优化算法，动态整体调控水库群，达到水量统一调度功能。此方法充分考虑了生态、生活、工业、农业的用水，依据非汛期“先确保生活，后满足农工”的原则，确保流域各个用水部门用水的均衡。

主权项

1.一种非汛期水量协同优化调度方法，其特征是由两部分构成：第一部分：获取研究流域的河流、水库整体流量方法；主要包括：通过分析非汛期水利分布，构建网络概化图；然后以网络概化图中河流干流为主研究对象，考虑生态、生活、工业、农业各方的用水和回水信息，获取各河流干流的最小需水量；在此基础上，将河道的水流量按照河流走向，由控制断面划分成各个河段，建立各河段最小需水流量模型，采集各河段的区间入流量，计算出各控制断面最小需水流量；第二部分：在获取各控制断面最小需水流量之后，实时监控控制断面的径流量，当某控制断面的实时径流量小于该控制断面最小需水流量时，则启动预警，并采用协同粒子群智能优化算法，动态协同调控流域水库群，进行整体水量分配规划，并计算出水量分配规划后各控制断面径流量，输出最终水库水量分配计划，获得非汛期流域水量调度方案；其中，所述的网络概化图是指待研究流域的干流、支流、控制断面和水库群分布的网络概化图；具体步骤如下：(1)根据水文站、水库坝址、水系分布及行政区界，标记待研究河段干流、支流，划分河段，确定控制断面；分析待研究河道的水库分布和管辖区域，抽象出待研究流域的干流、支流、控制断面和水库群分布的网络概化图；(2)以河流干流为主研究对象，获取河道的产汇流、河道外用水量、河道的工、农、林、生活回水量以及河道内最小需水量；(3)建立河段最小需水流量模型，将河道的水流量按照河流走向，由控制断面划分成各个河段；河道最小需水流量等于河道各河段的产汇流和+各种回水量-河道外需水量-河道内最小需水量；将河道最小需水流量根据以往各个河段分配系数来确定各河段最小需水流量；(4)获取河段的区间入流量区间入流量有别于工、农、林、生活回水量，它主要指一些小支流的流入干流的流量；计算河段区间入流量时，考虑到缺水期小支流基本断流，故只考虑流域河段上集水面积大于500km²的支流，对于集水面积500km²以下的支流，一般不计小支流的入流量；1)对于集水面积大于2000km²的支流，由于已计算了河道外及河道内需水流量，故支流流入干流河段的区间入流量，取其支流最下游一个河段的最小流量减去同一河段的河段外耗水量；2)对于集雨面积小于2000km²的支流，由于河段相对于其他河段来说，社会经济发展速度相对较慢，河道外耗水也较小，因此计算区间入流量时将忽略河道外耗水量；此时，河道内用水主要是生态需水量；因此，对于集水面积小于2000km²的支流河段，流入干流的区间入流量将直接取支流河段的生态流量；(5)计算控制断面最小需水流量为确定水量调度启动条件与方法，需将前述计算结果的河段最小需水流量换算成该河段控制断面的最小需水流量，以便进行监测；由于以河段上断面作为本河段的控制断面，因此各河段控制断面最小需水流量等于各河段最小需水流量减去同河段的区间入流量；(6)监测每个控制断面的径流量，分析干流、支流各个控制断面区间区域的来水量和回水量，如果控制断面的实时径流量小于控制断面最小需水流量，则启动预警；(7)预警启动后，采用协同粒子群智能优化算法，动态协同调控水库群，进行整体水量分配，其详细过程如下：(I)在一个D维空间中，设定种群规模为m、迭代次数为iter、加速因子c₁＝c₂＝2.0，权重因子w；针对水量调度问题，设置为粒子位置矢量，其各个位置矢量为水库对应的出库流量为(粒子i情况下j库t时段出库流量)，表示如下：$Q_i^{\mathrm{iter}}=(Q_{i1},Q_{i2},······,Q_{\mathrm{ik}})=(q_{i1}^1,q_{i1}^2,······,q_{i1}^D,q_{i2}^1···q_{i2}^D,···,q_{\mathrm{ij}}^1,q_{\mathrm{ij}}^2,···q_{\mathrm{ij}}^t···,q_{\mathrm{ij}}^D,···,q_{\mathrm{ik}}^1,q_{\mathrm{ik}}^2,···,q_{\mathrm{ik}}^D)---\left(1\right)$其粒子位置是由速度向量来改变的，定义如下：$V_i^{\mathrm{iter}}=(v_{i1}^1,v_{i1}^2,······,v_{i1}^D,v_{\mathrm{ij}}^1,v_{\mathrm{ij}}^2,···v_{\mathrm{ij}}^t···,v_{\mathrm{ij}}^D,···,v_{\mathrm{ik}}^1,v_{\mathrm{ik}}^2,···,v_{\mathrm{ik}}^D)---\left(2\right)$其中分别为粒子i情况下j库t时段水库的库容。上述及以下叙述中，i代表粒子，i＝1，2…，m，；j代表水库，j＝1，2，…，k，k为水库总数量；t代表时段，t＝1，2，…，D，D为总调度期。随机初始化m个粒子，所有的粒子组成一个特征空间，每个粒子的位置向量都是解空间中一个潜在的可行解；在每一次迭代中，粒子通过两个“极值”来更新自己的位置，一个是粒子本身的最好解，称为个体极值点pbest，另一个是整个种群目前的最好解，称为全局最优解，初始化pbest＝gbest＝0；(II)计算各粒子的适应度值；特征选择算法的适应度函数设计为：$\mathrm{Fit}\left(Q_i^{\mathrm{iter}}\right)=\max (R_1+R_2-D_1)---\left(3\right)$其中：R₁表示每个控制断面径流量；R₂表示水库下泄流量转换到控制断面的调节水流量；若以月作为调度，D₁表示每个控制断面月均最小需水流量；其约束条件如下：水量平衡约束：$v_{\mathrm{ij}}^t=v_{\mathrm{ij}}^{t-1}+h(I_{\mathrm{ij}}^t-q_{\mathrm{ij}}^t)\mathrm{\Delta t}-L_{\mathrm{ij}}^t---\left(4\right)$水库库容约束：$v_{j\min }^t\le v_{\mathrm{ij}}^t{\le v}_{j\max }^t---\left(5\right)$出库流量约束：$Q_{j\min }^t\le q_{\mathrm{ij}}^t{\le Q}_{j\max }^t---\left(6\right)$非负约束：$q_{\mathrm{ij}}^t,v_{\mathrm{ij}}^{t-1},v_{\mathrm{ij}}^t\ge 0---\left(7\right)$式(4)中分别为j库t时段初、末库容；为j库t时段的天然入库流量；h为水量与流量之间的转换系数，h＝2.592×10⁶s^-1；为j库t时段的损失水量；为j库t时段出库流量；式(5)中分别为j库t时段允许的最小、最大库容；式(6)中分别为j库t时段最小、最大下泄流量能力。一般取枯水期调节流量，分别为t时刻j库的库容量对应的最大下泄流量；求解方法：利用水库的库容量与水位，水位与下泄流量对应关系表(水库设计参数)，确定水库的库容量与下泄流量(下泄能力)的函数关系；根据水库的t时刻的库容量，来确定水库最大的下泄能力；(III)更新全局极值gbest；比较各个粒子适应度大小，依据下式(8)挑选出适应度值F最大的粒子，并记录下其序号，这个新粒子适应度是否优于全局极值gbest，如果优于则更新全局极值gbest，i＝i+1；F(Q_i)＝maxFit(8)(IV)判断是否满足终止条件：终止条件为迭代次数i已达到最大迭代次数iter，或者其中eps为非常小的正数。如果满足终止条件，输出gbest；否则转向下一步；(V)i是否恒等于m余3取整的值当条件不成立时，判断新粒子适应度是否优于pbest适应度，如果优于则将pbest设为新位置，并微调w，更新粒子的速度与位置：$V_{i+1}^{\mathrm{iter}}=w{V}_i^{\mathrm{iter}}+c_1{r}_{1j}^{\mathrm{iter}}(p_{\mathrm{ibest}}^{\mathrm{iter}}-Q_i^{\mathrm{iter}})+c_2{r}_{2j}^{\mathrm{iter}}(g_{\mathrm{best}}^{\mathrm{iter}}-Q_i^{\mathrm{iter}})---\left(9\right)$$Q_{i+1}^{\mathrm{iter}}=Q_i^{\mathrm{iter}}+V_{i+1}^{\mathrm{iter}}---\left(10\right)$当条件成立时，将全局极值对应的粒子作为父代，按照变异操作速度向量中各个分量的有$V_{j\min }^t={\mathrm{\alpha Q}}_{j\min }^t+(1-\alpha )Q_{j\max }^t---\left(11\right)$$V_{j\max }^t={\mathrm{\beta Q}}_{j\min }^t+(1-\beta )Q_{j\max }^t---\left(12\right)$α＝(1+rand())/2(13)β＝(1-rand())/2(14)rand()为[0，1]的一个随机数，另外，若时，当时，依据式(9)，(10)重新更新粒子i的位置和速度；(VI)转向第(II)步循环，直到跳出循环输出gbest，获得年调度期各个水库水量分配的最优调度方案；(8)依据年调度期内各个水库水量分配的调度方案，计算出各控制断面径流量；依据动态水库群调控，将每个水库调节水量依据分配系数，将水量分配到各个控制断面，其中分配系数由各个水库的控制范围以及控制的流域面积来决定：由于水库只能对位于控制河段下游的控制断面起到调节作用，因此分别考虑每个水库的调控作用时，对于无法调节的断面，其分配系数设置为0；对于能够调节的断面，其分配系数设置为该断面控制的流域面积与所有能够调节的断面流域面积和之比；(9)输出最终水库水量分配计划和各控制断面径流量，获得非汛期流域水量调度方案，按该调度方案实施非汛期水量协同优化调度。