本发明涉及水库抗旱减灾技术领域，尤其是涉及一种多年调节水库旱限水位的最优控制方法及专用控制系统。
背景技术：
多年调节水库通常位于梯级水库群的“龙头”位置，在梯级水库群中发挥补偿作用，其运行调度的好坏直接影响整个梯级水库群未来一年或几年的效益。文献研究表明，现有成果主要针对发电、航运等问题开展多年调节水库年末消落水位的研究，目标是提高经济效能。
旱限水位概念是指江河湖库水位持续偏低、流量持续偏少，存在潜在的干旱威胁，影响城乡生活、工农业生产、生态环境等用水安全，需设置的抗旱警戒水位。旱限水位控制研究在国内处于起步阶段，当前研究主要针对年调节水库，应对未来一月或数月的干旱问题，考虑设计来水和用水需求，以逐月滑动计算的水库应供水量的最大值作为旱限水位计算依据。目前有学者根据年调节水库入库径流划分枯水时段，提出了水库旱限水位分期控制方法，按照不同时期入库径流和需水变化分期设置限制水位。因此，现有旱限水位的研究较少涉及多年调节水库，对多年调节水库的跨年度补水考虑不足，不能应对流域发生跨年和连续干旱（干旱历时超过一年）问题，常使得枯水年水库旱限水位以下的蓄水量不敢动用，丰水年又有大量弃水产生，造成水资源浪费，经济效益损失。
国家防办已明确给出年调节水库旱限水位的概念和计算方法，但对于多年调节水库旱限水位的概念未给出明确定义。多年调节水库具有跨年度调度补偿功能，在此将多年调节水库旱限水位界定为：“当流域遭受干旱、河流来水偏枯时，以抗旱减灾为目标，统筹河道径流与流域旱情，平衡年际、年内用水关系，优化跨年度预留水量，控制应对不同干旱等级的旱情，需设置的抗旱警戒水位”。对于多年调节水库旱限水位的控制方法，目前尚缺乏行之有效手段，如何高效快捷的确定多年调节水库应对不同旱情的旱限水位是本领域技术人员研究的重点和难点。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种多年调节水库旱限水位的最优控制方法，同时本发明还提供了该方法的专用控制系统，以协调河道径流与流域旱情，平衡年际、年内用水关系，优化多年调节水库应对不同干旱等级的旱限水位，实现多年调节水库跨年度“蓄丰补枯”、增加供水，减少干旱年份旱灾损失。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述一种多年调节水库旱限水位的最优控制方法，包括以下步骤：
步骤1、采集多年调节水库旱限水位最优控制模型所需数据，即：采集调度周期初水库蓄水位数据、调度周期内的径流过程数据、水库及电站的特征参数和出力特性参数、水库综合利用要求数据、水库下游用水户的用水需求过程数据；
步骤2、建立并存储多年调节水库入库径流的最小周期分析方法，所述最小周期为最优控制的调度周期；所述最小周期分析方法为：以小波分析技术为核心、以单频复正弦调制高斯波作为基小波，对多年调节水库入库径流的最小周期进行分析，确定多年调节水库旱限水位最优控制模型的调度周期；
步骤3、建立并存储基于边际效益递减理论的农业用水边际效益；其中，所述农业用水边际效益为多年调节水库旱限水位最优控制模型目标函数的边界输入；基于边际效益递减理论求解得到水库下游各用水户的农业用水边际效益，拟合建立农业边际效益函数，确定多年调节水库旱限水位最优控制模型目标函数的边界输入；
步骤4、建立并存储多年调节水库旱限水位最优控制模型，即：引入最优控制理论，以调度周期内流域供水效益最大为优化目标，建立多年调节水库旱限水位最优控制模型目标函数的泛函表达式；
步骤5、求解多年调节水库旱限水位最优控制模型；即：采用融合自适应控制技术的人工智能算法求解，基于前期来水规律，通过对后期来水预报和下游需水的分析，以多年调节水库时段内泄水及其下游河段引水过程为被控对象，通过融合自适应技术的人工智能算法，在线量测包括水库蓄水量、流域缺水率指标，判断流域供水效益最大化目标的实现状况，控制引导闭环迭代；
步骤6、生成并输出多年调节水库旱限水位控制策略，即：以旱限水位最优控制规则和旱限水位最优控制曲面两种方式来展示应对不同干旱等级的旱限水位最优控制策略。
本发明所述多年调节水库旱限水位的专用控制系统，包括：
数据采集模块，用于采集调度周期初水库蓄水位数据、调度周期内的径流过程数据、水库及电站的特征参数和出力特性参数、水库综合利用要求数据、水库下游用水户的用水需求过程数据；
入库径流最小周期分析模块，接收数据采集模块发送的数据，用于确定多年调节水库旱限水位最优控制模型计算的调度周期；
基于边际效益递减理论的农业用水边际效益分析模块，接收数据采集模块发送的数据，用于确定农业用户的边际效益，拟合建立农业用户的边际效益函数；
多年调节水库旱限水位最优控制模型模块，接收入库径流最小周期分析模块和基于边际效益递减理论的农业用水边际效益分析模块发送的数据，用于建立多年调节水库旱限水位最优控制模型；
多年调节水库旱限水位最优控制模型求解算法模块，用于对多年调节水库旱限水位最优控制模型进行求解；
旱限水位控制策略生成模块，用于生成应对不同干旱等级的旱限水位；
旱限水位控制策略输出模块，用于输出应对不同干旱等级的旱限水位。
本发明优点在于，基于水库前期来水规律，通过对后期来水预报和流域旱情的预估，建立多年调节水库旱限水位最优控制模型，采用融合自适应控制技术的人工智能算法进行求解，优化确定应对不同干旱等级的旱限水位，为确定多年调节水库旱限水位提供了一种有效途径。
另外，本发明以黄河干流具有多年调节能力的龙羊峡水库为例，选择资料相对完整、连续枯水时间相对较长的黄河流域1990-1999年水文序列作为典型时段优化算例，经计算分析确定龙羊峡水库入库径流具有最小三年的周期，以此作为龙羊峡水库旱限水位最优控制的调度周期，通过对农业用水边际效益的分析，确定了最优控制模型目标函数的边界输入，并进行连续三年滑动计算，由此在验证多年调节水库（龙羊峡水库）旱限水位最优控制模型合理性的基础上，提出了多年调节水库应对不同干旱等级的旱限水位，为科学指导多年调节水库跨年度抗旱调度提供技术支撑。与1990-1999年龙羊峡水库实际调度相比，实施多年调节水库（龙羊峡水库）旱限水位最优控制，通过控制旱限水位、合理预留水量，充分发挥了龙羊峡水库的跨年度水量补偿作用，10年序列中的流域缺水率均控制在10%上下。而实际调度中由于缺少对径流、旱情的考虑和预判，年末水量预留不合理，年际间供水极不均衡，干旱年份流域缺水率高达34.5%，缺水损失巨大、河道断流，而无旱年份缺水率则低至2.2%。
附图说明
图1是本发明实施例的最优控制方法流程图。
图2是本发明实施例的旱限水位最优控制曲面图。
图3是本发明实施例的专用控制系统结构示意图。
图4是本发明实施例的龙羊峡水库最优旱限水位控制补水量与实际调度对比示意图。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明所述多年调节水库旱限水位的最优控制方法，现以黄河干流具有多年调节能力的龙羊峡水库为例作进一步详细说明：
步骤1、采集多年调节水库旱限水位最优控制模型所需数据，即：通过数据采集模块采集调度周期初水库蓄水位数据、调度周期内的径流过程数据、水库及电站的特征参数、电站出力特性参数、水库综合利用要求数据、水库下游用水户的用水需求过程数据；
步骤2、通过入库径流最小周期分析模块，建立并存储多年调节水库入库径流的最小周期分析方法，所述最小周期为最优控制的调度周期；所述最小周期分析方法为：以小波分析技术为核心、以单频复正弦调制高斯波作为基小波，对龙羊峡水库入库径流的最小周期进行分析，确定多年调节水库旱限水位最优控制模型的调度周期；单频复正弦调制高斯波基本方程为：
式中，C为常数，取6.2。
将单频复正弦调制高斯波作为母函数对标准化处理后的年径流量进行小波变换：
式中，Wf(a,b)为小波系数，随参数a、b而变。参数b表示分析的时间中心或时间点，参数a是以x =b为中心的附近范围大小；
在时间域上关于参数a的所有小波系数的平方进行积分即为小波方差：
小波方差随参数a的变化过程称为小波方差图，反映了波动的能量随尺度的分布，据此确定入库径流时间序列存在的最小周期，得到多年调节水库旱限水位最优控制模型计算所需的调度周期；
通过分析龙羊峡水库年入库径流序列小波方差，径流量小波方差图出现了3个峰值，分别对应的时间尺度为3a、6a和32a。第一峰值为32a，说明年径流在32a的周期震荡最强，为年径流变化的第一个主周期；第二峰值为6a，说明年径流在6a的周期震荡次之；最小主周期为3a。因此，确定龙羊峡水库入库径流具有3年最小周期，以此作为龙羊峡水库旱限水位最优控制模型计算的调度周期；
步骤3、通过基于边际效益递减理论的农业用水边际效益分析模块，接收数据采集模块发送的数据，建立并存储基于边际效益递减理论的农业用水边际效益；其中，所述农业用水边际效益为多年调节水库旱限水位最优控制模型目标函数的边界输入；基于边际效益递减理论求解得到水库下游各用水户的农业用水边际效益，拟合建立农业边际效益函数，以此作为多年调节水库旱限水位最优控制模型目标函数的边界输入；
步骤4、通过多年调节水库旱限水位最优控制模型模块，接收入库径流最小周期分析模块和基于边际效益递减理论的用水边际效益分析模块发送的数据，引入最优控制理论，建立并存储多年调节水库旱限水位最优控制模型，即：以调度周期内流域供水效益最大为优化目标，建立多年调节水库旱限水位最优控制模型目标函数的泛函表达式：
式中：为水库调度的决策时段，是流域供水效益泛函的一般表达，为地区部门时段供水量为的情况下的边际效益，为地区部门时段的供水量；
多年调节水库旱限水位最优控制模型约束条件为：
（1）工程安全约束：
式中：为水库时刻的蓄水量，为水库死库容或者时刻要求的最低蓄水量；在汛期为防洪限制水位对应的水库蓄水量，在非汛期为正常蓄水位对应的水库蓄水量。
（2）出库水量约束：
式中：分别为水库t时段最小、最大允许出库径流量。
（3）区间无入流水量连续性约束：
式中：为断面时刻的径流量，为上一断面时刻的径流量，为水量传播系数。
（4）断面生态约束：
式中：分别为低限生态环境流量、断面流量和断面过流能力。
（5）水库出力约束：
式中：分别为水库t时段最小出力、调度出力和最大出力。
（6）非负约束：任意变量均为非负变量；
步骤5、多年调节水库旱限水位最优控制模型求解算法模块，用于对多年调节水库旱限水位最优控制模型进行求解；即：采用融合自适应控制技术的人工智能算法求解，基于前期来水规律，通过对后期来水预报和下游需水的分析，以多年调节水库时段内泄水及其下游河段引水过程为被控对象，通过融合自适应技术的人工智能算法，在线量测包括水库蓄水量、流域缺水率指标，判断流域供水效益最大化目标的实现状况，控制引导闭环迭代；
步骤6、旱限水位控制策略生成模块，用于生成应对不同干旱等级的旱限水位；旱限水位控制策略输出模块，用于输出应对不同干旱等级的旱限水位；即：以旱限水位最优控制规则和旱限水位最优控制曲面两种方式来展示应对不同干旱等级的旱限水位最优控制策略。
通过分析龙羊峡水库初期蓄水+入库径流与不同等级旱情间的关系，生成龙羊峡水库旱限水位最优控制曲面图，如图2所示。根据流域干旱等级和入库径流的预报，结合年初蓄水量，根据控制曲面快速定位多年调节水库应对不同干旱等级的最优旱限水位，为龙羊峡水库跨年度抗旱减灾提供决策参考。
本实施例分析如下：
（1）时段选择
以黄河干流具有多年调节能力的龙羊峡水库为例，选择资料相对完整、连续枯水时间相对较长的黄河流域1990-1999年水文序列作为典型时段优化算例。1990～1999年黄河年均天然径流量为445.2亿m3，相当于黄河多年均值的83%。据统计10年平均消耗径流量超过300亿m3，黄河下游频繁出现断流、缺水现象，给流域经济社会和生态环境造成重大的损失。从径流丰枯变化来看，1990~1999年黄河河川径流年际波动较大，最大径流量为560.0亿m3，最小径流量仅307.7亿m3，枯水和偏枯年份有6年。1990年代黄河径流及丰枯状态见表1
。
经分析计算龙羊峡水库入库径流具有最小3年的短周期特征，以此作为龙羊峡水库旱限水位最优控制的调度周期，基于3年的可预报期限，多年调节水库旱限水位最优控制模型按3年为一个决策时段依次开展旱限水位的最优控制。
（2）优化过程
1990-1999年序列属黄河连续干旱、枯水时段，优化调度对于合理确定年末预留抗旱水量、减少旱灾损失具有重要作用。利用龙羊峡水库最优控制模型对1990—1999年进行3年期连续滑动优化，控制应对不同干旱等级的旱限水位，调度期第一年年末水库控制蓄水量为旱限水位（蓄水量），后2年继续参加滑动优化。1990-1999年龙羊峡水库最优控制旱限水位（蓄水量）见表2
。
（3）效果分析
与1990～1999年龙羊峡水库实际调度相比，实施旱限水位最优控制，通过控制旱限水位、合理预留水量充分发挥了龙羊峡水库的跨年度水量补偿作用，10年序列中的流域缺水率均控制在10%上下；而实际调度中由于缺少对径流、旱情的考虑和预判，年末水量预留不合理，年际间供水极不均衡，干旱年份流域缺水率高达34.5%，缺水损失巨大、河道断流，而无旱年份缺水率则低至2.2%。1990-1999年龙羊峡水库最优控制与实际调度结果对比见表3
。
序列优化，1990年入库径流146.1亿m3，流域无旱，龙羊峡水库年初蓄水量210.0亿m3，控制年度出库水量161.6亿m3、旱限水位的蓄水量194.5亿m3，流域缺水率为10.8%；1991年入库径流157.0亿m3，流域轻旱，控制出库水量213.1亿m3、旱限水位的蓄水量138.4亿m3，年度补水56.1亿m3，流域缺水率为9.8%；1992年入库径流218.0亿m3，流域无旱，控制旱限水位的蓄水量163.1亿m3，缺水率为10.4%；1993年入库径流219.3亿m3，下游无旱，控制旱限水位的蓄水量153.1亿m3，缺水率为9.3%。1994～1999年黄河径流连续偏枯、流域遭遇旱情，通过龙羊峡水库年度蓄泄优化、控制旱限水位的蓄水量，跨年度调剂水量增加干旱年份的供水量，将流域缺水率控制在8.3%～10.2%。其中1994年龙羊峡水库入库径流144.9亿m3，流域重旱，控制年度出库水量182.6亿m3、旱限水位的蓄水量115.4亿m3，年度补水37.7亿m3，流域缺水率为8.3%；1995年入库径流157.7亿m3，流域中旱，控制龙羊峡水库年度出库水量149.5亿m3、旱限水位的蓄水量123.6亿m3，年度蓄水8.2亿m3，流域缺水率为10.2%；1996年入库径流142.7亿m3，流域特旱，控制龙羊峡水库年度出库水量154.8亿m3、旱限水位的蓄水量115.5亿m3，年度补水12.1亿m3，流域缺水率为10.2%；1997年入库径流142.7亿m3，流域特旱，控制龙羊峡水库年度出库水量182.6亿m3、旱限水位的蓄水量63.1亿m3，年度补水48.4亿m3，流域缺水率控制为9.0%，缓解了流域旱情。与实际调度相比，最优控制考虑了序列年中径流、旱情的波动，控制1990、1994、1995年度出库水量、旱限水位，通过跨年度预留水量，增加1991、1992、1996、1997年供水量、控制流域缺水率，减少了旱灾损失。龙羊峡水库最优旱限水位控制补水量与实际调度对比，见图4。
1990-1999年黄河连续干旱、枯水序列旱限水位控制结果表明，最优控制模型基于自适应技术在历史和未来径流预报、需水预测的基础上，优化控制水库调度时段的出库水量过程，实现多年调节水库旱限水位最优化的“蓄丰补枯”目标，增加干旱枯水年份的供水量，减轻流域旱灾损失。