一种多目标与多尺度均衡耦合的水库供水优化调度方法与流程

1.本发明属于水库调度领域，特别是涉及一种多用水对象的水库供水调度方法。


背景技术：

2.水库是重要的水源工程，其通过兴利库容调节汛期、枯期的来水差异，为生活、工业、农业等用水对象提供供水安全保障。然而近年来随着全球气候变暖，极端干旱事件频发，缺水情况也随着发生，通过水库供水优化调度，优化水资源的利用效率，能够降低干旱带来的损失，对实现水资源的可持续利用，保障社会经济、生态环境的协调发展具有十分重要的意义。对于用水对象有多个且类型不同(生活、工业、农业)的水库，在缺水情景下，一方面需要协调好各用水对象之间的利益冲突，另一方面需要协调好各时间段之间的用水关系。
3.针对多用水对象的水库供水调度，现有供水调度方法，如基于调度规则的常规调度方法和基于缺水量最小准则的优化调度方法，在实际使用中存在以下缺点：
4.1、基于调度规则的常规调度方法，其调度规则主要通过对历史径流的模拟运行而得到，该调度方法虽然简单、易操作，但受限于历史径流的代表性，在实际供水调度过程中，面对来水过程的随机性和用水对象的需求变化，采用常规调度方法得到的供水调度方案，很难充分发挥水库的供水效益。
5.2、基于缺水量最小准则的优化调度得到的供水调度方案，未充分考虑不同类型用水对象(如生活用水、工业用水、农业用水等)的重要程度，认为生活、工业和农业的需水权重相等，在缺水比较严重的情景下可能导致重要程度较高的用水对象受到缺水的影响较大，于水资源安全不利，与实际情况不符。
6.3、基于缺水量最小准则的优化调度得到的调度方案，受用水对象空间分布的影响较大，相同类型的用水对象在空间上的破坏深度不一致，靠近水库供水多，远离水库供水少，导致了供水不公平的现象，不利于库区周边的经济均衡发展。
7.4、基于缺水量最小准则的优化调度得到的供水调度方案，受水库年际和年内来水不均匀的影响，导致在调度时段内用水对象的破坏深度不同，尤其是在缺水情景下，易导致用水对象在同一调度时段内供水不均匀的情况，不便于水库调度。


技术实现要素：

8.针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种多目标与多尺度均衡耦合的水库供水调度方法，从供水目标上，该方法考虑了生活、工业、农业以及生态等多个目标，通过综合考虑不同目标的重要程度和最大允许破坏深度，遭遇缺水时，不同供水目标能够均衡用水；从空间尺度上，该方法考虑了缺水情况下，相同供水目标的破坏深度尽可能一致；从时间尺度上，该方法考虑了缺水情况下，各调度时间段的破坏深度尽可能一致。此外，该方法还考虑了在保障供水要求的同时，避免水库出现不必要的弃水，将多余的水量存蓄在水库，为后续的供水安全提供保障。
9.本发明采用如下技术方案解决。
10.一种多目标与多尺度均衡耦合的水库供水优化调度方法，本发明所述的的水库供水优化调度方法通过构建时段最大破坏深度最小与累积水库可供水量最大的目标函数，并结合水库供水调度的相关约束，建立基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型。
11.进一步为，本发明所述基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型，包括以下步骤：
12.步骤一：根据用水对象在调度期内各时段的破坏深度，获取用水对象在单个时段内的时段最大破坏深度；
13.步骤二：根据水库在各时段库水位对应的库容和水库的死水位对应的库容，获得累积水库可供水量；
14.步骤三：对时段最大破坏深度和累积水库可供水量2个目标进行权重赋值，建立基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型；
15.步骤四：采用线性规划方法对建立的基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型进行求解，根据求解结果得到水库各调度时段的供水方案。
16.进一步为，本发明所述基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型，在计算水库供水调度方案时，包括的步骤具体为：
17.步骤一：
18.根据用水对象在调度期内各时段的破坏深度dp
i,t
，获取用水对象在单个时段内的时段最大破坏深度fdp；
19.时段最大破坏深度描述为式(1)-(3)：
20.fdp＝max
i∈m
{g(dp
i,max
)}
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
21.dp
i,max
＝max
t∈t
{dp
i,t
}
ꢀꢀꢀ
(2)
[0022][0023]
式中，fdp为时段最大破坏深度；
[0024]
dp
i,t
为第i个用水对象第t时段的破坏深度；
[0025]
dp
i,max
为第i个用水对象调度周期的最大破坏深度；
[0026]
dp
i,allow
为第i个用水对象的最大允许破坏深度；
[0027]
wi为第i个用水对象的重要程度系数；
[0028]
和ψ分别表示破坏深度低于和高于最大允许破坏深度的权重系数，
[0029]
t为调度时段数；
[0030]
m为用水对象数量；
[0031]
步骤二：
[0032]
根据水库在各时段库水位对应的库容v
t
和水库的死水位对应的库容v
min
，获得累积水库可供水量fv；
[0033]
水库在整个配置期间累积可供水量描述为式(4)：
[0034][0035]
式中，fv为累计水库可供水量，
[0036]vt
为水库第t个时段库水位对应的库容；
[0037]
为水库第t个时段最低限制水位对应的库容；
[0038]
t为调度时段数；
[0039]
步骤三：
[0040]
对时段最大破坏深度和累积水库可供水量2个目标进行权重赋值，建立基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型；
[0041]
模型目标函数描述为式(5)：
[0042]
minf＝α1·
fdp-α2·
fv
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0043]
式中，α1为时段最大破坏深度最小目标的权重系数；
[0044]
α2为累计水库可供水量最大目标的权重系数；
[0045]
步骤四：
[0046]
采用线性规划方法对建立的基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型进行求解，根据求解结果得到水库各调度时段的供水方案。
[0047]
进一步为，本发明所述基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型包括7个约束条件：
[0048]
1)水库库容上下限约束；
[0049]
2)水库出库流量约束；
[0050]
3)用水对象用水量上限约束；
[0051]
4)管道供水量约束；
[0052]
5)水库入库水量平衡；
[0053]
6)水库水量平衡；
[0054]
7)组合管道水量平衡。
[0055]
进一步为，本发明所述的一种多目标与多尺度均衡耦合的水库供水优化调度方法，其特征在于，所述基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型包括7个约束条件，具体为：
[0056]
1)水库库容上下限约束：
[0057][0058]
式中，v
t
为水库第t时段的库水位对应的库容；
[0059]
为水库第t时段的最低限制库水位对应的库容；
[0060]
为水库第t时段的最高限制库水位对应的库容；
[0061]
2)水库出库流量约束：
[0062][0063]
式中，q
t
为水库第t时段的出库流量；
[0064]
为水库第t时段的最小允许出库流量；
[0065]
为水库第t时段的最大允许出库流量；
[0066]
3)用水对象用水量上限约束：
[0067][0068]
式中，wu
i,t
为第i个用水对象第t时段的用水量；
[0069]
为第i个用水对象第t时段的需水量；
[0070]
4)管道供水量约束：
[0071]
0≤wsp
k,t
≤wsp
k,max
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0072]
0≤wgp
k,t
≤wgp
k,max
ꢀꢀꢀ
(10)
[0073]
式中，wsp
k,t
为第k根管道第t时段的供水量；
[0074]
wsp
k,max
为第k根管道最大允许供水量；
[0075]
wgp
k,t
为第k根组合管道第t时段的供水量；
[0076]
wgp
k,max
为第k根组合管道最大允许供水量；
[0077]
5)水库入库水量平衡
[0078][0079]
式中，为水库第t时段的入库水量；
[0080]
为水库第t时段的区间水量；
[0081]
为水库第t时段的出库水量；
[0082]
6)水库水量平衡
[0083][0084][0085][0086]
式中，wsp
k,t
为k管道第t时段的供水量；
[0087]
vsl
t
、vzf
t
为水库第t时段的渗漏损失水量、蒸发损失水量；
[0088]
β、γ
t
分别为水库的渗漏损失系数、第t时段蒸发损失系数；
[0089]
7)组合管道水量平衡
[0090][0091]
式中，wgp
kk,t
为第kk个组合管道第t时段的供水量；
[0092]bkk
为与第k个组合管道连接的单管道集合。
[0093]
发明的效果
[0094]
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
[0095]
1、本发明建立的基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型，提出了反映不同用水对象重要程度的用水对象时段最大破坏深度函数，构建了破坏最小的目标函数及相关约束，通过模型计算得到了水库的供水调度方案，在供水目标上，能够合理、正确地反映不同重要程度的用水对象的用水优先级；在空间尺度上，保证了同类型供水目标的破坏深度相同；在时间尺度上，保证了各时段的破坏深度相同，与缺水量最小模型相比，不同用水对象的水量分配更加公平和合理。
[0096]
2、本发明建立的基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型，在满足用水对象时段最大破坏深度最小的前提下，考虑了累积水库可供水量最大的目标，通过对2个目标进行权重赋值构建目标函数，通过模型计算得到了水库的供水调度方案，能够在完成当前时段的供水任务的基础上，水库尽可能蓄水，为后续配置时段储存可供水量，提高库区水资源的利用效率和经济效益。
附图说明
[0097]
图1为某水库片区供水拓扑关系概化图；
[0098]
图2为本发明水库调度过程图；
[0099]
图3为本发明不同类型用水单元的月破坏深度图。
具体实施方式
[0100]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0101]
一种多目标与多尺度均衡耦合的水库供水优化调度方法，本发明所述的的水库供水优化调度方法通过构建时段最大破坏深度最小与累积水库可供水量最大的目标函数，并结合水库供水调度的相关约束，建立基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型完成。
[0102]
进一步为，本发明所述基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型，包括以下步骤：
[0103]
步骤一：根据用水对象在调度期内各时段的破坏深度，获取用水对象在单个时段内的时段最大破坏深度；
[0104]
步骤二：根据水库在各时段库水位对应的库容和水库的死水位对应的库容，获得累积水库可供水量；
[0105]
步骤三：对时段最大破坏深度和累积水库可供水量2个目标进行权重赋值，建立基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型；
[0106]
步骤四：采用线性规划方法对建立的基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型进行求解，根据求解结果得到水库各调度时段的供水方案。
[0107]
进一步为，本发明所述基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型，在计算水库供水调度方案时，包括的步骤具体为：
[0108]
步骤一：
[0109]
根据用水对象在调度期内各时段的破坏深度dp
i,t
，获取用水对象在单个时段内的时段最大破坏深度fdp；
[0110]
时段最大破坏深度描述为式(1)-(3)：
[0111]
fdp＝max
i∈m
{g(dp
i，max
)}
ꢀꢀꢀ
(1)
[0112]
dp
i，max
＝max
t∈t
{dp
i，t
}
ꢀꢀꢀ
(2)
[0113][0114]
式中，fdp为时段最大破坏深度；
[0115]
dp
i，t
为第i个用水对象第t时段的破坏深度；
[0116]
dp
i，max
为第i个用水对象调度周期的最大破坏深度；
[0117]
dp
i，allow
为第i个用水对象的最大允许破坏深度；
[0118]
wi为第i个用水对象的重要程度系数；
[0119]
和ψ分别表示破坏深度低于和高于最大允许破坏深度的权重系数，
[0120]
t为调度时段数；
[0121]
m为用水对象数量；
[0122]
步骤二：
[0123]
根据水库在各时段库水位对应的库容v
t
和水库的死水位对应的库容v
min
，获得累积水库可供水量fv；
[0124]
水库在整个配置期间累积可供水量描述为式(4)：
[0125][0126]
式中，fv为累计水库可供水量，
[0127]vt
为水库第t个时段库水位对应的库容；
[0128]
为水库第t个时段最低限制水位对应的库容；
[0129]
t为调度时段数；
[0130]
步骤三：
[0131]
对时段最大破坏深度和累积水库可供水量2个目标进行权重赋值，建立基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型；
[0132]
模型目标函数描述为式(5)：
[0133]
minf＝α1·
fdp-α2·
fv
ꢀꢀꢀ
(5)
[0134]
式中，α1为时段最大破坏深度最小目标的权重系数；
[0135]
α2为累计水库可供水量最大目标的权重系数；
[0136]
步骤四：
[0137]
采用线性规划方法对建立的基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型进行求解，根据求解结果得到水库各调度时段的供水方案。
[0138]
进一步为，本发明所述基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型包括7个约束条件：
[0139]
1)水库库容上下限约束；
[0140]
2)水库出库流量约束；
[0141]
3)用水对象用水量上限约束；
[0142]
4)管道供水量约束；
[0143]
5)水库入库水量平衡；
[0144]
6)水库水量平衡；
[0145]
7)组合管道水量平衡。
[0146]
进一步为，本发明所述的一种多目标与多尺度均衡耦合的水库供水优化调度方法，其特征在于，所述基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型包括7个约束条件，具体为：
[0147]
1)水库库容上下限约束：
[0148][0149]
式中，v
t
为水库第t时段的库水位对应的库容；
[0150]
为水库第t时段的最低限制库水位对应的库容；
[0151]
为水库第t时段的最高限制库水位对应的库容；
[0152]
2)水库出库流量约束：
[0153][0154]
式中，q
t
为水库第t时段的出库流量；
[0155]
为水库第t时段的最小允许出库流量；
[0156]
为水库第t时段的最大允许出库流量；
[0157]
3)用水对象用水量上限约束：
[0158][0159]
式中，wu
i，t
为第i个用水对象第t时段的用水量；
[0160]
为第i个用水对象第t时段的需水量；
[0161]
4)管道供水量约束：
[0162]
0≤wsp
k，t
≤wsp
k，max
ꢀꢀꢀ
(9)
[0163]
0≤wgp
k，t
≤wgp
k，max
ꢀꢀꢀ
(10)
[0164]
式中，wsp
k，t
为第k根管道第t时段的供水量；
[0165]
wsp
k，max
为第k根管道最大允许供水量；
[0166]
wgp
k，t
为第k根组合管道第t时段的供水量；
[0167]
wgp
k，max
为第k根组合管道最大允许供水量；
[0168]
5)水库入库水量平衡
[0169][0170]
式中，为水库第t时段的入库水量；
[0171]
为水库第t时段的区间水量；
[0172]
为水库第t时段的出库水量；
[0173]
6)水库水量平衡
[0174][0175][0176][0177]
式中，wsp
k，t
为k管道第t时段的供水量；
[0178]
vsl
t
、vzf
t
为水库第t时段的渗漏损失水量、蒸发损失水量；
[0179]
β、γ
t
分别为水库的渗漏损失系数、第t时段蒸发损失系数；
[0180]
7)组合管道水量平衡
[0181][0182]
式中，wgp
kk，t
为第kk个组合管道第t时段的供水量；
[0183]bkk
为与第k个组合管道连接的单管道集合。
[0184]
实施例
[0185]
以下以某水库的供水调度为实施对象，具体阐述本发明所提供的一种多目标与多尺度均衡耦合水库供水调度方法，计算得到水库的调度运行过程和各用水对象的供水过程。
[0186]
本发明实施步骤如下：
[0187]
步骤一：
[0188]
收集并整理某水库的水库信息、用水对象信息、供水管网信息等相关数据资料，某水库的供水拓扑关系概化图见图1；
[0189]
步骤二：
[0190]
构建某水库供水拓扑关系，主要包括水源与供水管道的连接关系和用水对象与供水管道的连接关系。
[0191]
步骤三：
[0192]
根据用水对象在调度期内各时段的破坏深度dp
i，t
，计算用水对象在单个时段内的时段最大破坏深度fdp，其中：
[0193]
fdp＝max
i∈m
{g(dp
i，max
)}
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0194]
dp
i，max
＝max
t∈t
{dp
i，t
}
ꢀꢀꢀ
(2)
[0195][0196]
式中，fdp为时段最大破坏深度；dp
i，t
为第i个用水对象第t时段的破坏深度；dp
i，max
为第i个用水对象调度周期的最大破坏深度；dp
i，allow
为第i个用水对象的最大允许破坏深度；wi为第i个用水对象的重要程度系数；和ψ分别表示破坏深度低于和高于最大允许破坏深度的权重系数，t为调度时段数；m为用水对象数量。
[0197]
步骤四：
[0198]
根据水库在各时段库水位对应的库容v
t
，和水库的死水位对应的库容v
min
，计算累积水库可供水量fv，其中：
[0199][0200]
式中，fv为累计水库可供水量，v
t
为水库第t个时段库水位对应的库容；为水库第t个时段最低限制水位对应的库容；t为调度时段数。
[0201]
步骤五：
[0202]
对时段最大破坏深度和累积水库可供水量2个目标进行权重赋值，建立某水库片区基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型，其中：
[0203]
minf＝α1·
fdp-α2·
fv
ꢀꢀꢀ
(5)
[0204]
式中，α1为时段最大破坏深度最小目标的权重系数；α2为累计水库可供水量最大目标的权重系数。
[0205]
模型约束条件包括以下：
[0206]
1)水库库容上下限约束：库容下限设置为死水位对应的库容，库容上限汛期设置为汛限水位对应的库容，其它时期设置为正常蓄水位对应的库容。
[0207]
2)水库出库水量约束：水库出库水量最小值设置为生态水量，最大值设置为考虑下游防洪安全的安全水量；
[0208]
3)用水对象用水量约束：用水对象用水量下限设置为0，上限设置为用水对象需水量；
[0209]
4)管道供水量约束：管道供水量下限设置为0，上限设置为管道供水能力；
[0210]
5)水库入库流量平衡；
[0211]
6)水库水量平衡；
[0212]
7)组合管道水量平衡。
[0213]
步骤六：
[0214]
采用线性规划方法对建立的基于时段最大破坏深度最小的水库供水优化调度模型进行求解，根据求解结果得到各调度时段水库的供水方案和各用水对象的用水方案。
[0215]
技术方案实施后生活、工业、农业3个用水单元的破坏深度分别为0.3、0.4、0.5；各时段需水量如表1所示。
[0216]
水库的调度过程如图2所示。
[0217]
从图中可以看出，水库的出库流量为生态流量，调度期末水库水位降到死水位，调度过程合理。不同类型用水对象的月破坏深度见图3。从图中可以看出，农业、工业和生活均出现缺水，农业各时段破坏深度均为最大允许破坏深度，工业各时段破坏深度均为最大允许破坏深度，生活各时段破坏深度均为0.1，不超过最大允许破坏深度。水量分配结果合理，且符合模型优化准则。
[0218]
表1用水单元需水情况(万m3)
[0219]
时段农业工业生活1月41.85309.572月22.42309.573月21.91309.574月13.43309.575月11.74309.576月74.87309.577月53.49309.578月74.87309.579月102.57309.5710月153.53309.5711月95.07309.5712月119.18309.57
[0220]
以上所述的仅是本发明的部分具体实施例，方案中公知的具体内容或常识在此未
作过多描述(包括但不仅限于简写、缩写)。应当指出，上述实施例不以任何方式限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。