水库群防洪库容时空分配设计方法与流程

本发明涉及水库调度技术领域，特别涉及一种水库群防洪库容时空分配设计方法。

背景技术：

洪水灾害是我国最严重的自然灾害之一，水库可通过拦洪蓄水来调节水流过程，削减进入下游河道的洪峰流量，从而达到减免洪灾的目的。然而，在洪水调度实践中，过多的考虑防洪安全，较少的考虑水库兴利效益的现象，造成了一系列不合理的问题，洪水资源化这一概念被适时地提出。水库汛限水位是协调水库防洪与兴利矛盾的关键要素。我国洪水资源化的主要途径是开展水库汛限水位设计运用研究，通过调整防洪调度参数和规则来进行，其中主要是分期汛限水位和汛限水位动态控制。汛限水位设计本质上是水库防洪库容的设计，而单库汛限水位设计与运用的基础理论及试点水库的研究工作已经取得了显著的进展，形成了一系列较为成熟的理论方法。相对于单一水库汛限水位问题，水库群汛限水位的联合运用与动态控制问题更加复杂。对于水库群系统，由于水库之间存在一定的水力联系，上下游水库存在库容补偿，单纯提高某一水库的汛限水位，未必能提高梯级水库的洪水资源利用率。而且，随着水库系统中水库数量(维数)的增加，需考虑的信息越来越多，汛限水位的控制也将变得越来越复杂，目前对水库群库容分配问题的研究不多，一般为水库群系统整体构建多目标优化模型，研究侧重点多为优化求解算法，并未深入考虑水库群库容的时空分配问题。

在现有的技术中存在如下问题：(1)目前针对水库群库容分配问题仅限于空间分配角度；(2)目前的水库群联合调度运行库容分配设计方法一般为水库群大系统整体同时优化，需优化的决策变量太多，且未能考虑水库群大系统内各个水库承担调度任务的差异性。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种水库群防洪库容时空分配设计方法，该方法能够在空间和时间上优化设计水库群库容分配方案，同时能兼顾水库群大系统内各个子系统所承担调度任务的差异性。

本发明提供了一种水库群防洪库容时空分配设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将水库群划分成多个子水库群，其中，水库群视为一个大系统，多个子水库群视为大系统中的多个子系统；建立水库群大系统库容时空分配的优化模型，优化模型有两级目标函数，一级目标函数为水库群大系统整体的目标优化，二级目标函数为水库群大系统中各子系统的多目标优化，优化的决策变量为各子系统库容分配；所述一级目标函数选取为水库群大系统所承担的总调度任务；所述二级目标函数选取为各子系统所承担的调度任务；

步骤2，对水库群大系统进行空间分区，计算水库在空间分区上的各子系统库容分配初始方案值，实现水库群大系统的分区控制，具体实现如下：

步骤2-1，根据包括水库群串并联复杂分布、水库所承担的下游防洪控制点任务在内的多个因素，进行水库群大系统的空间分区，将水库群大系统分解为多个子系统；

步骤2-2，建立水库群大系统库容空间分配优化模型，以步骤1中建立的一级目标函数为优化目标，以各子系统库容分配为决策变量，进行模型优化求解，推求出相应于上述一级目标函数最优的空间分区的各子系统库容分配初始方案值；

步骤3，在水库群大系统空间分区的基础上，对各子系统各水库进行汛期分期，开展各子系统内各水库的分期库容分配设计，计算水库群大系统在时间分期上即各分期之间的库容分配，具体实现如下：

步骤3-1，对各子系统内各水库进行汛期分期，划分成前汛期、主汛期和后汛期三个汛期时段；

步骤3-2，建立各子系统内各水库分期库容分配的多目标优化模型，各子系统以步骤1中建立的二级目标函数为优化目标，以步骤2优化的各子系统库容分配初始方案值为库容约束下限值，以各子系统内各水库分期库容分配为决策变量，开展模型优化求解；

步骤4，步骤2和步骤3的两级优化模型嵌套进行，计算得到水库群大系统在空间分区上和在时间分期上的库容分配非劣解。

上述步骤1中，水库群大系统所承担的总调度任务为总发电量最大、发电效益最大或综合效益最大。

上述步骤1中，水库群大系统中各子系统所承担的分调度任务为防洪效益最大、发电效益最大、供水效益最大、灌溉效益最大、航运效益最大中的任意两个或多个。

上述步骤3中，考虑到各子系统所承担的调度任务存在差异，各子系统在满足步骤2优化的各子系统库容分配初始方案值的基础上，构建适用于各子系统本身的多目标优化模型，选取相应于各子系统本身所承担的调度任务为二级目标函数，单独开展各子系统时间分期上的库容分配的优化求解。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提出了一种水库群防洪库容时空分配设计方法，该方法能够同时在空间和时间上优化设计水库群库容分配方案。

(2)本发明所提出的水库群防洪库容时空分配设计方法兼顾考虑了各个子系统所承担调度任务的差异性，使得库容优化分配方案在实际调度过程中更易于操作。

附图说明

图1为本发明实施例一中水库群防洪库容时空分配设计方法的流程图；

图2为本发明实施例一中水库群大系统空间分区示意图，(a)为水库群大系统考虑串并联复杂分布因素的空间分区示意图；(b)为子系统中相邻水库的关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的一种水库群防洪库容时空分配设计方法的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例一>

如图1所示，本实施例一所提供的一种水库群防洪库容时空分配设计方法包括以下步骤：

步骤1，将水库群划分成多个子水库群，其中，水库群视为一个大系统，多个子水库群视为大系统中的多个子系统；建立水库群大系统库容时空分配的优化模型，优化模型有两级目标函数，一级目标函数为水库群大系统整体的目标优化，二级目标函数为水库群大系统中各子系统的多目标优化，优化的决策变量为各子系统库容分配；

一级目标函数可以选取为水库群大系统总发电量最大、发电效益最大或综合效益最大等，以防洪库容为约束条件；例如，若以水库群系统总发电量最大为目标函数，以防洪库容为约束条件，则表达式为：

目标函数：

约束条件：

式中：e总为整个水库群大系统汛期发电量，n为水库群大系统中子系统个数，i为水库大系统中第i个子系统,i＝1,2,3…,n，ei(·)为子系统i的汛期发电量，为子系统i的防洪库容分配值，t为汛期时段长，t为汛期时段长t内的第t时段,t＝1,2,3…,t，ηit为子系统i在t时段的发电效率系数，qit为子系统i在t时段的出库流量，hit为子系统i在t时段的发电水头，vf原为水库大系统原防洪库容值，为子系统i原防洪库容值；

在满足一级目标优化的初步库容分配方案值的基础上，二级目标函数可以选取为子系统所承担的调度任务，所述调度任务可以选择防洪效益最大、发电效益最大、供水效益最大及其他综合利用调度目标中的任意两个或多个，其他综合利用调度目标包括但不限于灌溉效益最大、航运效益最大。

若子系统为防洪为主，兼顾发电与供水，则二级目标可以选取为防洪库容最大、发电量最大、发电保证率最大和供水效益最大，该子系统的目标函数表达式为：

(1)防洪库容最大：

(2)供水效益最大：

(3)发电量最大：

(4)发电保证率最大：

式(1)中：k为洪水场次，vf,i为相应于第i场次洪水条件下的防洪库容值，i＝1,2,…,k，为k个洪水场次情景下的防洪库容平均值；

式(2)中，w为供水效益，t为总供水时段长，δt为单位供水时段长，为第t时段供水量；

式(3)(4)中，n为计算时段的年数，m为年内的天数，ni,j为第i年中的第j天的发电量，e为总发电量；pf为保证出力，#为计数符号，若ni,j≥pf则加1，否则加0，pe为发电保证率。

二级目标函数可通过进化算法、约束法、权重法等方法建立多目标优化模型，并将目标函数变形表达。

步骤2.对水库群大系统进行空间分区，计算水库群在空间分区上的各子系统库容分配初始方案值，实现水库群大系统的分区控制，具体实现如下：

步骤2-1.按水库群串并联复杂分布、水库所承担的下游防洪控制点任务等多个因素，进行水库群大系统的空间分区，将水库群大系统分解为n个子系统；

如图2(a)所示，可依据水库群大系统串并联分布情况，将水库群大系统在空间上分区为子系统a,b,c,…；各子系统分别由串联的水库群组成，例如子系统a中的单库ai和ai+1(1≤i≤n)的关系，为子系统a的入库流量，为水库ai到水库ai+1的区间入流，如图2(b)；子系统a和子系统b构成并联关系，拥有共同的下游防洪控制点a，子系统a和子系统b整体和子系统c构成串联关系，下游有防洪控制点b；

步骤2-2.建立水库群大系统库容空间分配优化模型，以步骤1中建立的一级目标函数为优化目标，以各子系统库容分配为决策变量，进行模型优化求解，推求出相应于上述一级目标函数最优(最大或最小)的空间分区的各子系统库容分配初始方案值为子系统i的防洪库容分配值，i＝1,2,…,n，n为水库大系统中子系统个数。

步骤3.在水库群大系统空间分区的基础上，对各子系统各水库进行汛期分期，开展各子系统内各水库的分期库容分配(分期汛限水位)设计，计算水库群大系统在时间分期上即各分期之间的库容分配，具体实现如下：

步骤3-1.采用变点分析法等常用的分期方法对子系统内各水库进行汛期分期，划分成前汛期主汛期和后汛期三个汛期时段，i＝1,2,…,n，n为水库大系统中子系统个数；

步骤3-2.建立各子系统内各水库分期库容分配的多目标优化模型，各子系统以步骤1中建立的二级目标函数为优化目标，以步骤2优化的各子系统库容分配初始方案值为库容约束下限值，以各水库分期库容分配为决策变量，开展模型优化求解；

考虑到各子系统承担的调度任务存在差异，各子系统可在满足步骤2中库容空间分区的初始分配方案值的基础上，单独开展各子系统时间分期上的库容分配的优化求解，选取不同的二级目标函数，构建适用于各个子系统本身的多目标优化模型；例如某单库以防洪为主，兼顾发电，则二级目标可以选取为防洪库容最大、发电量最大；例如某单库以灌溉为主，兼顾发电，则二级目标可以选取为灌溉保证率最大、发电量最大。

步骤4.步骤2和步骤3的两级优化模型嵌套进行，计算得到水库群大系统在空间分区上和在时间分期上的库容分配非劣解，在子系统内部可依据决策倾向灵活选取具体的水库库容分配实施方案。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。