一种城市水源供水调度方法与流程

1.本发明涉及城市水源供需调度相关技术领域，更具体的说是涉及一种城市水源供水调度方法。


背景技术：

2.越来越多的城市供水安全面临日益严峻的挑战，本地水源难以满足日益增长的用水需求，跨境调水已成为提高城市供水保障的重要手段之一，例如深圳市，多年平均供水总量约为19.73亿m3，其中境外引水量约为15.51亿m3，跨境调水量高达城市供水总量的78％。但随着引水工程体系越来越庞大，引水泵站、闸门控制节点不断增加，区域内各工程水力联系更加紧密，如何科学合理地实现水源
‑
水厂用户间水量高效调配，为水资源调度和管理提供有效的决策依据，是保障城市用水安全的基础，进行城市供水调度研究具有中重要意义。
3.传统研究中，城市本地水库作为蓄水节点与水厂进行调度，结构较为简单；而随着引调水工程、水网工程日益复杂，供水管网中出现了更多的转供节点，同时不同蓄水节点、闸泵节点、管网输水之间的供水调度协调度越来越复杂，如何克服城市供水系统中水源节点与用户间多对象、多目标水量科学调配、实现城市全局均衡供水供水保障目标，面临着挑战，因此研发中可利用多种水利工程进行综合调度满足城市用水需求是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种城市水源供水调度方法，可利用多种水利工程进行调度满足城市用水需求。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种城市水源供水调度方法，具体步骤为：
7.目标函数：从水库、水厂、泵、闸、管线的实际监测数据及工程参数获取目标函数；
8.构建rr关系矩阵：依据排序后节点之间的连接关系，建立rr关系矩阵；
9.构建城市供水转供水量模型：依据rr关系矩阵，建立供水转供水量模型；
10.构建ru关系矩阵：依据节点排序以及各个节点与各个计算单元之间的供水关系，建立ru关系矩阵；
11.计算各节点的工程能力：依据约束条件，计算工程能力；
12.构建最低缺水率模型：依据ru关系矩阵、目标函数以及工程能力构建最低缺水率模型；
13.全局水厂均衡：依据计算单元的最低缺水率模型，获取整个区域的多个计算单元的全局均衡目标值。
14.优选的，在构建rr关系矩阵中，多个节点依据在水量调配过程中的水力联系以及干支线重要性进行排序。
15.优选的，rr关系矩阵的矩阵元素代表为相邻两个节点之间的连接关系，1代表相邻
两个节点间存在连通关系；0代表相邻两个节点间不存在连通关系。
16.优选的，城市供水转供水量模型具体为：
17.(1)泵闸
‑
水库的转供算法
[0018][0019]
其中：w
m，r
代表第m个泵站提水节点/闸门传输节点对第r个蓄水节点的t时段转供水量；q
m
代表第m个泵站提水节点/闸门传输节点的t时段总供水量；q
m，s
代表第m个泵站提水节点/闸门传输节点对第s个计算单元的t时段供水量；
[0020]
(2)水库
‑
水库的转供算法
[0021][0022]
其中：w
n，r
代表第n个蓄水节点对第r个蓄水节点的t时段转供水量；h
n
代表第n个蓄水节点的水位，h
r
代表第r个蓄水节点的水位，q1、q2、q3、q4代表第n个蓄水节点的水位和出库流量曲线参数，p1、p2、p3、p4代表第r个蓄水节点的水位和出库流量曲线参数。
[0023]
优选的，ru关系矩阵中的行号代表计算单元，列号代表排序后的节点，矩阵元素代表节点与计算单元之间的供水关系；1代表节点向计算单元供水；0代表节点不向计算单元供水。
[0024]
优选的，节点包括蓄水节点、泵站提水节点、闸门传输节点。
[0025]
优选的，约束条件具体为：
[0026]
1)蓄水节点的水量平衡条件：
[0027]
v
t1，n
＝v
t0，n
+q
t，n
‑
q
t，rn
‑
e
t，n
‑
s
t，n
；
ꢀꢀꢀ
(3)
[0028]
式中：v
t1，n
为t时段末第n个蓄水节点库容，q
t，n
为t时段内第n个蓄水节点的来水量，q
t，rn
为时段t内第n个蓄水节点的出流量，v
t0，n
为t时段初第n个蓄水节点库容，e
t，n
为t时段蓄水节点n的蒸发损失量，s
t，n
为t时段蓄水节点n的渗漏损失量；
[0029]
2)泵站提水节点约束条件：
[0030][0031]
式中：b
n，t
为第n个泵站提水节点在t时段供水量；为第n个泵站在第t时段最大供水能力；
[0032]
3)闸门传输节点约束条件：
[0033][0034]
式中：z
n，t
为第n个闸门传输节点z
n
在第t时段的过流量，为第t时段闸门传输节点z
n
的最大过流量；
[0035]
4)管网水量传输约束条件：
[0036][0037][0038]
g
i,t
为泵站提水节点管线g
i
在t时段的供水量；为泵站提水节点管线g
i
在t时段
最大输水能力；
[0039]
5)计算单元的水量平衡条件：
[0040][0041]
式中：d
i，t
为计算单元i在第t时段的需水量，q
bji，t
为第j个泵站提水节点在t时段供给计算单元i的水量，q
zki，t
为第k个闸门传输节点在t时段供给计算单元i的水量；k为闸门传输节点总数。
[0042]
优选的，最低缺水率模型具体为：
[0043][0044]
式中：l(xt)为供水安全目标，d
i，t
为第i个计算单元在第t时段的需水量；q
ji，t
为第j个供水节点在第t时段给第i个计算单元的净供水量；c为供水节点总数；供水节点包括蓄水节点、泵站提水节点、闸门传输节点；i为计算单元总数；t为模拟时段总数。
[0045]
优选的，全局水厂均衡具体为：
[0046][0047]
式中：f(xt)为区域全局均衡目标,l
i，t
为第i个计算单元在第t时段的缺水率；为计算单元在t时段的缺水率的均值。
[0048]
优选的，还包括检验模型，
[0049]
re＝(m
t，out
‑
m
t，real
)/m
t，real
；
ꢀꢀꢀ
(10)
[0050]
式中：r
e
为相对误差，m
t,out
为模型在t时段的计算结果，m
t,real
为t时段实际调度结果。
[0051]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种城市水源供水调度方法，在水量平衡基础上提出了水库/闸泵
‑
水库/闸泵、水库
‑
闸泵
‑
水厂用户拓扑矩阵算法，能够支撑闸、泵、水库多节点的城市供水系统水量分配的计算；可结合水厂需水预测数据进行城市用水波动分析，为城市供水调度方案提供保障。
附图说明
[0052]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0053]
图1附图为本发明的整体流程图；
[0054]
图2附图为本发明的供水系统局部示意图；
[0055]
图3附图为深圳供水网络概化图；
[0056]
图4(a)附图为梅林水厂水源水量计算结果图；图4(b)附图为大冲水厂水源计算结果图；
[0057]
图5(a)附图为沙湾渡槽前分水水量图；图5(b)附图为沙湾渡槽至西丽水库分水水量图；图5(c)附图为北部水源分水水量图；图5(d)附图为铁石联通段分水水量图；
[0058]
其中，引水干线工程1；泵站2；第一闸门3；第一水厂4；第一水库5；第二闸门6；第二水库7；第二水厂8；引水支线工程9。
具体实施方式
[0059]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0060]
本发明实施例公开了一种城市水源供水调度方法，根据城市供水网络特点，在水量平衡原理基础上，提出水库/闸泵
‑
水库/闸泵、水库
‑
闸泵
‑
水厂用户拓扑算法，步骤如附图图1所示，目标函数：依据历史数据预估目标函数；构建rr关系矩阵：依据排序节点之间的连接关系，建立rr关系矩阵；构建供水转供水量模型：依据rr关系矩阵，建立供水转供水量模型；构建ru关系矩阵：依据节点排序以及各个节点之间的供水关系，建立ru关系矩阵；计算各节点的工程能力：依据约束条件，计算工程能力；构建最低缺水率模型：依据ru关系矩阵、目标函数以及工程能力构建最低缺水率的供水调度模型；根据相对误差指标检验模型精度。
[0061]
针对于境外引水的城市供水系统，供给侧：供水水源水量由引水源头泵站提水，经由分水闸门输送到各支线工程，沿途中结合各水库工程实现富余水量的调蓄和水库蓄水转供；需求侧：系统中存在水库直接向水厂进行供水和水厂直接从引调水工程管线直接取水情况。本技术以引水水源至城市供水水厂间水量调配过程为基础，为刻画各工程节点的水量输送情况，在原模型水库节点的基础上，采用系统概化的方法，将水库概化为蓄水节点；通过泵站进行提水的引水工程概化为泵站提水节点；通过闸门进行供水的引水工程概化为闸门传输节点，各水厂概化为独立的计算单元，其中水厂与其对应的供水水源通过管网连通。
[0062]
考虑城市供水区别于自然汇流，水量的汇聚和运移可根据引水工程能力，按照不同的需求进行水量的定向、定量分配。为刻画城市水量的分配过程，本技术结合拓扑结构理论，针对水库、泵站、闸门节点，依据不同节点在水量分配过程中的水力联系及各引水工程的重要性，遵循上游到下游，先主线工程后支线工程原则进行不同节点排序，其中，水库节点按照供水干线从源头至末端进行排序，闸门和泵站节点依据所属引水工程管线，遵循引水工程主干线所属节点在前，引水工程支线所属节点在后进行排序，建立rr(水库/闸泵
‑
水库/闸泵)关系矩阵。在附图图2所示的供水系统局部示意图中，引水干线工程1与泵站2连接，泵站分别与第一闸门3、第一水库5连接，第一闸门3与第一水厂4连接，第一水库5与第二闸门6连接，第二闸门6与第二水库7连接，第二水库7分别与第二水厂8与引水支线工程9连接，按照上述原则，对附图图2中不同节点间进行排序，依次为泵站2、第一闸门3、第一水库5、第二闸门6、第二水库8，依据节点排列顺序构建rr关系矩阵，矩阵的行号、列号与节点排列顺序对应，矩阵元素代表顺序在前的计算结点(上游节点)与顺序在后的节点的连通关系，1代表两个节点间存在连通关系(节点无下游节点时，认为与自身连通)；0代表两个节点
间不存在连通关系，rr关系矩阵具体为：
[0063][0064]
注：i为行号，j为列号(下同)，不同节点间按照上下游进行排序，对应生成的rr关系矩阵为下三角矩阵；
[0065]
其中，rr
i,j
为1代表j节点与i节点间存在连通关系；为0则代表节点间不存在连通关系，c代表节点个数。
[0066]
在进行水量计算时，认为泵站和闸门节点不具有水量调蓄的功能以工程能力约束为主，水库在进行日常调度时会进行富余引水量的调蓄和水量的再次供给，因此，依据上述构建的拓扑关系矩阵进行城市供水转供水量的计算：
[0067]
(1)泵闸
‑
水库的转供算法
[0068][0069]
其中：w
m，r
代表第m个泵站提水节点/闸门传输节点对第r个蓄水节点的t时段转供水量；q
m
代表第m个泵站提水节点/闸门传输节点的t时段总供水量；q
m，s
代表第m个泵站提水节点/闸门传输节点对第s个计算单元的t时段供水量；
[0070]
(2)水库
‑
水库的转供算法
[0071][0072]
其中：w
n，r
代表第n个蓄水节点对第r个蓄水节点的t时段转供水量；h
n
代表第n个蓄水节点的水位，h
r
代表第r个蓄水节点的水位，q1、q2、q3、q4代表第n个蓄水节点的水位和出库流量曲线参数，p1、p2、p3、p4代表第r个蓄水节点的水位和出库流量曲线参数。
[0073]
在城市供水调度系统中，为提高水厂供水的可靠性，可能存在水库直接向水厂取水和水厂直接由引调水工程供水的情况，本模型计算将水厂概化为计算单元，按照节点排序，根据图2附图中水厂对应的供水关系，建立ru(水库
‑
闸泵
‑
水厂用户)关系矩阵：
[0074][0075]
其中，ru
m,j
为1代表j节点直接像m水厂供水；ru
m,j
为0则代表水厂不从对应的节点取水，c代表节点个数，n代表计算单元个数；
[0076]
ru关系矩阵，行号代表不同计算单元，列号代表排序后的节点，矩阵元素代表节点与计算单元之间的供水关系；1代表节点向计算单元供水；0代表节点不向计算单元供水。
[0077]
依据ru拓扑矩阵确定计算单元取用水路径的选择，并根据节点实际工程能力对其对应的计算单元进行用水总量约束，实现供水调配计算。
[0078]
工程能力依靠约束条件实现，约束条件具体为：
[0079]
(1)蓄水节点的水量平衡条件：
[0080]
v
t1，n
＝v
t0，n
+q
t，n
‑
q
t，rn
‑
e
t，n
‑
s
t，n
；
ꢀꢀꢀ
(3)
[0081]
式中：v
t1，n
为t时段末第n个蓄水节点库容，q
t，n
为t时段内第n个蓄水节点的来水量，q
t，rn
为时段t内第n个蓄水节点的出流量，v
t0，n
为t时段初第n个蓄水节点库容，e
t，n
为t时段蓄水节点n的蒸发损失量，s
t，n
为t时段蓄水节点n的渗漏损失量；
[0082]
(2)泵站提水节点约束条件：
[0083][0084]
式中：b
n，t
为第n个泵站提水节点在t时段供水量；为第n个泵站在第t时段最大供水能力；
[0085]
(3)闸门传输节点约束条件：
[0086][0087]
式中：z
n，t
为第n个闸门传输节点z
n
在第t时段的过流量，为第t时段闸门传输节点z
n
的最大过流量；
[0088]
(4)管网水量传输约束条件：
[0089][0090]
其中，g
i,t
为泵站提水节点管线g
i
在t时段的供水量；为泵站提水节点管线g
i
在t时段最大输水能力；
[0091]
(5)计算单元的水量平衡条件：
[0092][0093]
式中：d
i，t
为计算单元i在第t时段的需水量，q
bji，t
为第j个泵站提水节点在t时段供给计算单元i的水量，q
zki，t
为第j个闸门传输节点供给计算单元i的水量；k为闸门传输节点总数。
[0094]
根据上述条件构建最低缺水率模型，具体为：
[0095][0096]
式中：l(xt)为供水安全目标，d
i，t
为第i个计算单元在第t时段的需水量；q
ji，t
为第j个供水节点在第t时段给第i个计算单元的净供水量；c为供水节点总数；供水节点包括蓄水节点、泵站提水节点、闸门传输节点；i为计算单元总数；t为模拟时段总数。
[0097]
根据最低缺水率模型构建全局水厂均衡模型，具体为：
[0098][0099]
式中：f(xt)为区域全局均衡目标,l
i，t
为第i个计算单元在第t时段的缺水率；为计算单元在t时段的缺水率的均值。
[0100]
本实施例中，以深圳市为例，深圳市城市供水以居民生活用水为主，由于本地水库调蓄能力较小，供水水源主要依靠境外引水，多年平均境外引水水量占城市供水总量78％。全市以东江水源工程、东深供水工程两大境外水源骨干工程为主干，44宗引调水支线工程为脉络，通过引水工程连通全市29座主要供水水库进行水量的转供和调节，以满足全市47座水厂日常供水水量需求。
[0101]
为提高片区供水保障情况，部分水厂在日常调度采用双水源取水，同时为增加供水水源的可靠性，城市供水网络通过沙湾渡槽实现东江水源工程和东深供水工程的连通。但受工程效益的影响，渡槽必须满负荷运行，在东江干线结余水量不足的情况下由东深供水工程水量进行补充。因此，在日常调度时城市引水水量的计算需要结合各水库的时段末库容，同时考虑工程因素的影响，通过闸门控制实现不同引水工程间、引水工程和水库间及水库和水库之间水量的调配以确保全市水厂正常供水。
[0102]
针对深圳市城市供水网络现状，以上述提出的改进模型为框架建立符合深圳供水系统的城市供水调度模型。模型输入包括：
①
水库、闸、泵及引水工程管网等基本工程能力信息；
②
rr关系矩阵；
③
ru关系矩阵；
④
调度期内各水厂用户的每日的需水量；
⑤
调度时段起始日水库的初始库容；
⑥
时段初境外引水总量；
⑦
各闸泵的初始状态信息。
[0103]
根据上述原则进行模型的构建，采用2020年6月30日至7月6日市实际调度水情报表，对模型连续7日全市供水水量调配计算结果进行验证。为明确模型在各时段的计算结果偏差大小，采用相对误差指标进行模型计算精度的检验。
[0104]
re＝(m
t，out
‑
m
t，real
)/m
t，real
；
ꢀꢀꢀ
(10)
[0105]
式中：r
e
为相对误差，m
t,out
为模型在t时段的计算结果，m
t,real
为t时段实际调度结果。
[0106]
全市各时段需水总量计算结果。模拟期内水厂实际需水总量为3633万m3，模型计算泵站提水节点供给总水量为3626万m3，时段内水厂总需水量与模型计算总供给量相对误差大小为0.19％，各时段模型计算误差值均在0.5％以内。表明模型计算结果较好，满足水资源管理精度要求。
[0107]
表1 水厂供水总量分配情况
[0108]
时段水厂时段需水总量(万m3)模型计算供给总量(万m3)re相对误差1535534
‑
0.19％2537535
‑
0.37％3525523
‑
0.38％4516515
‑
0.19％5506504
‑
0.40％6502501
‑
0.20％75125140.39％合计36333626
‑
0.19％
[0109]
水厂
‑
水源取水量验证
[0110]
针对于深圳市供水调度系统中水厂双水源同时取水的情况，以梅林水厂和大冲水厂为例进行计算结果验证。其中，梅林水厂从东江水源工程干线直接取水，从深圳水库取用东深供水工程转供水；大冲水厂从西丽水库取用东江水源工程转供水，从深圳水库取用东
深工程转供水。采用rr关系矩阵进行泵站提水节点排序，对水厂对应泵站提水节点供水量进行计算，因为缺少管线实际过流数据，模型对水厂的取水规律进行分析，最终采用水厂历史最大取水量数据设置为管线过流能力约束；水厂分水源计算结果如图4(a)和图4(b)所示。
[0111]
为明确水厂双水源取水的具体水量偏差，采用绝对误差进行验证，计算
[0112]
结果见表2。其中，梅林水厂在第2时段水量计算误差最大，东深供水工程水量计算结果偏大3.45万m3，东江水源工程水量计算结果偏小3.07万m3；大冲水厂计算结果最大误差同为第2时段，东深水量偏小1.96万m3，东江水量偏大1.78万m3。可以看出模型能够对水厂双水源取水水量有较好的计算精度。
[0113]
表2 水厂分水源计算结果
[0114]
[0115][0116]
注：东深为东深供水工程；东江为东江水源工程
[0117]
水库调度期末库容验证
[0118]
此模型构建以调度期首日水库的库容为初始库容，进行连续7日全市水量调配计算，调度期时段末全市主要供水水库库容计算结果表3所示，水库计算时段末库容相对误差均在5％以内，其中误差最大的为茜坑水库
‑
3.94％(负号代表计算结果较实际值偏小，下同)，鹅颈水库
‑
3.13％，石岩水库2.21％。出现这种现象的原因为茜坑水库为北线引水工程的首要调蓄水库，通过鹅茜闸门连通鹅颈水库，鹅颈水库向光明水厂供水后，富余水量通过鹅石闸门转供石岩水库，最终满足片区内水厂供水，即三个水库节点为串联关系，由于石岩水库对应的计算单元需水量大，闸门节点缺少实际过流数据约束，致使水库调度期末库容出现偏差，但是茜坑、鹅颈水库模型计算库容较实际库容偏小，石岩水库计算库容较实际库容偏大，说明模型对实际水库水量调配过程能够对不同泵站提水节点间水量分配过程实现有效刻画，计算结果精度满足调度管理的要求。
[0119]
表3 时段末水库库容计算结果
[0120][0121]
工程水量分配验证
[0122]
为验证模型改进方法的可行性，选取4个重点引水工程进行不同工程间水量分配结果验证：东江水源工程(以沙湾渡槽为节点分为沙湾渡槽前和沙湾渡槽后)；北部水源工程(以上埔泵站为起点，石岩水库为终点)；铁岗、石岩水库进行模型计算，计算结果如图5(a)
‑
图5(d)所示。
[0123]
经过与实际调度结果对比后发现，沙湾渡槽后水量分配计算结果误差较大为7％，这是因为渡槽后水厂单元存在双水源同时取水情况，因为缺乏管网过流数据,在连续时段水量分配计算时出现累计误差，导致该段工程水量分配结果存在较大偏差，除此之外，模型对其他工程水量分配结果有较高的计算精度，计算结果与实际调度水量偏差均在1％以内。
[0124]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0125]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。