一种山区水库实时防洪补偿调度逆算方法

本发明属于水库防洪调度，尤其是一种山区水库实时防洪补偿调度逆算方法。

背景技术：

1、由于特殊的地理环境和气候条件，我国的洪涝灾害频繁发生。为应对洪涝灾害，我国修建了大量的水库工程，在各大流域逐步形成了以水库群为核心的流域防洪工程体系。水库防洪调度技术就是合理地利用水库的防洪库容削减洪涝灾害的技术。作为工程防洪措施与非工程防洪措施有机结合的典范，水库防洪调度在历次大洪水中发挥了巨大的防洪减灾效益。

2、随着国家数字孪生流域建设的展开，防洪“四预”对水库调度预演提出了新的要求，要支持防洪调度“逆算”的功能。实时防洪调度逆算，通常以防洪点最大削峰为调度目标，同时须要对水库至防洪断面间的区间洪水做补偿调度。现有的模型一般对区间洪水采用直接平移的方法演算到水库下游，对水库出流过程做约束。这种方法下，区间流量对水库出库做约束后会形成“凹过程”的出库流量，而河道洪水的坦化变形过程呈现“削峰填谷”的特点，因此，经马斯京根演算后的出库流量过程较原始过程下凹程度降低，趋于平坦，会造成防洪断面的响应流量偏大。且随着洪水量级的增大、河道划分的河段数量的增加，误差会逐渐增大，进一步加大防洪断面的风险。同时，逆流向的马斯京根演算公式无法收敛，通常会得到锯齿状的洪水过程，无法用于实时防洪补偿调度。

3、因此，亟需开发一种考虑山区洪水逆流向演算的实时防洪补偿调度模型，消除目前实时补偿调度技术中出库“凹过程”坦化带来的流量误差，更好的响应防洪“四预”对实时防洪调度的“逆算”新需求。

技术实现思路

1、发明目的：提供一种山区水库实时防洪补偿调度逆算方法，以解决现有技术存在的上述问题。

2、技术方案：一种山区水库实时防洪补偿调度逆算方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、构建山区水库实时防洪补偿调度逆算模型，包括目标函数和约束条件；

4、步骤s2、采用马斯京根法和误差修正法，构建山区洪水逆流向演算方法；

5、步骤s3、根据目标函数和山区洪水逆流向演算方法，计算得出水库补偿调度的理想出库过程；

6、步骤s4、采用多阶段约束控制法，根据水库的实际运行条件和约束条件，对水库补偿调度的理想出库过程进行调节计算，得出水库调度方案。

7、根据本技术的一个方面，所述步骤s1进一步为：

8、步骤s11、确定山区水库实时防洪补偿调度逆算模型的目标函数，以防洪断面洪峰流量最小为模型的目标函数：

9、minf=∑t=1t［msjg（q（t））+q区间（t）-q安（t）］2

10、其中，t为水库的调度期时段数，q（t）为水库的泄流过程， q区间（t）为水库至防洪断面间的未控区间的流量过程，q安（t）为防洪断面安全流量；

11、步骤s12、确定模型约束条件，具体如下：

12、水量平衡约束：

13、w（t）=w（t-1）+［q入库（t）+q入库（t-1）］/2﹒δt-［q（t）+q（t-1）］/2﹒δt

14、其中， w（t-1）、w（t）分别表示水库第t时段初和时段末的蓄水量， q入库（t-1）、q入库（t）分别表示t时段初和时段末的水库入库流量， q（t-1）、q（t）分别表示t时段始末水库泄流量；

15、水库水位约束： zmin＜z（t）＜zmax

16、其中， z（t）表示水库水位， zmin表示水库允许消落的最低水位， zmax表示水库的最高控制水位；

17、调度期末水位约束： z（t）end≥z期末

18、其中，z（t）end表示调度期末的水位，z期末表示调度期末的水位控制值；

19、水库泄流能力约束： q（t）≤q泄流（z(t)）

20、其中， q泄流表示水库的泄流能力；

21、出库允许变幅约束：｜q（t）- q（t-1）｜≤δq

22、其中，δq表示出库流量允许变幅的最大值；

23、出库流量非负约束： q（t）≥0。

24、根据本技术的一个方面，所述步骤s2进一步为：

25、步骤s21、将下游断面的洪水响应过程q下逆流向平移相应河段演进时长至上游断面作为初始解q0，

26、q0［i］=q下［i+τ］

27、其中，i为时序，τ为河段演进时长；

28、步骤s22、采用马斯京根法将所述初始解q0正流向演算至下游断面，得到存在误差的流量过程q′下，

29、q′下=msjg(q0)

30、其中，msjg()表示水文学马斯京根演算法，将上游断面流量过程演算至下游断面；

31、步骤s23、将所述下游断面的洪水响应过程q下与存在误差的流量过程q′下相减，得到误差项dq，

32、dq=q下-q′下

33、步骤s24、将所述误差项dq逆流向传播至上游断面，与初始解q0加和，抵消正流向演算的误差，得到上断面流量过程中间解q′0，

34、dq′［i］= dq［i+τ］

35、q′0［i］= q0［i］+ dq′［i］

36、步骤s25、判断所述上断面流量过程中间解q′0在下游的响应过程是否满足精度要求，若满足则得到了下游断面洪水逆流向演算的上断面流量过程q逆算；否则，返回步骤s21，将所述上断面流量过程中间解q′0作为新一轮误差修正的初始解，继续循环反向传播并削减误差，直至得到满足精度要求的上断面流量过程，

37、delta=α﹒max（q区间）

38、q逆算= q′0max（｜msjg(q′0)-q区间｜）≤delta

39、q0= q′0max（｜msjg(q′0)-q区间｜）＞delta

40、其中，delta为误差允许最大值，α为误差允许系数，表征计算结果误差允许范围及其与下断面流量过程的相关关系；

41、步骤s26、最终得到满足精度要求的上断面逆流向演算流量过程，

42、q逆算=r_ msjg(q下)

43、其中，r_ msjg()表示山区洪水逆流向演算方法，将下游断面流量过程逆流向演算至上游断面。

44、根据本技术的一个方面，所述步骤s3具体为：

45、步骤s11中的目标函数

46、minf=∑t=1t［msjg（q（t））+q区间（t）-q安（t）］2

47、等价于

48、minf=∑t=1t［msjg（q（t））- （q安（t）-q区间（t））］2

49、令q′区间（t）= q安（t）-q区间（t），则有

50、minf=∑t=1t［msjg（q（t））- q′区间（t）］2

51、基于先演后合原理，将流量过程逆向演算至水库，则上式等价于

52、minf=∑t=1t［ r_ msjg（msjg (q（t）) ）- r_ msjg(q′区间（t）)］2

53、即有

54、minf=∑t=1t［q（t）- q逆（t）］2

55、其中， q′区间（t）表示安全流量与区间洪水过程的差值，也是出库过程在断面上的理想响应过程；q逆（t）为q′区间（t）逆流向演算后的结果，

56、根据目标函数，可以得到水库的理想出库过程如下：

57、q0(t)= q逆（t）= r_ msjg（q′区间（t））= r_ msjg（q安- q区间（t））

58、其中，q0(t)为水库的理想出库过程。

59、根据本技术的一个方面，所述步骤s4进一步为：

60、步骤s41、将防洪调度分为预泄、削峰、消落三个主要阶段做约束控制，得出每个阶段的防洪调度的出库过程，具体如下：

61、预泄阶段，根据水库的当前水位、最低水位及削峰段预计拦蓄洪量，确定预泄段预泄水量，据此在步骤s3得出的水库补偿调度的理想出库过程基础上做调节计算，同时基于步骤s1中的约束条件，得到预泄阶段约束控制后的出库过程；

62、削峰阶段，根据预泄阶段的调节计算得到预泄段末水位，基于削峰阶段起始水位、最高水位约束、来水情况确定削峰阶段可用的防洪库容，在预泄阶段的泄流过程基础上进一步做调节计算，基于步骤s1中的约束条件，得到削峰阶段约束控制后的出库过程；

63、回落阶段，根据削峰阶段的调节计算得到削峰段末水位，基于回落段起始水位、调度期末水位、来水情况确定回落阶段需要下泄的水量，在削峰阶段的泄流过程基础上进一步做调节计算，基于步骤s1中的约束条件，得到回落阶段约束控制后的出库过程；

64、步骤s42、检查每个阶段的防洪调度的出库过程是否满足最高水位、期末水位的约束条件，若满足，则输出水库调度方案，否则返回步骤s41中重新修正。

65、根据本技术的一个方面，所述步骤s4进一步为：

66、步骤s411、根据水库的实时水情、雨情、工情、灾情及预报的入库和下游区间洪水过程，确定水库的当前状态和理想出库流量；

67、步骤s412、利用图神经网络对水库的当前状态和理想出库流量进行编码；

68、步骤s413、根据隐变量和水库的约束条件，生成一系列可行的出库流量方案，并评估每个方案的价值，选择价值最高的方案作为每个阶段的防洪调度的出库过程，完成利用蒙特卡罗树搜索算法对水库的防洪调度的价值函数进行探索和决策过程；

69、步骤s414、利用反向传播算优化方法，调整深度神经网络的参数，使得防洪调度的价值函数能够更好地拟合水库防洪调度的目标和约束；

70、步骤s415：重复步骤s411至步骤s414，直到达到预设的迭代次数或者收敛条件，输出每个阶段的防洪调度的出库过程；

71、步骤s421、利用模糊集合和模糊关系来描述水库防洪调度中的不确定性和模糊性；

72、步骤s422、根据水库的状态和出库流量的模糊关系，推导出水库的出库流量的模糊结果，实现利用模糊推理来实现模糊的判断和决策；

73、步骤s423、根据水库的状态和出库流量的隶属度和模糊关系，综合计算出水库的出库流量的隶属度，然后根据隶属度的最大值或者平均值，得出水库的出库流量的具体数值；

74、步骤s424、对每个阶段的防洪调度的出库过程进行调节计算，使其满足最高水位、期末水位的约束条件，同时也考虑水库的实际运行情况和防洪调度的目标；

75、步骤s425：重复步骤s421至步骤s424，直到达到预设的迭代次数或者收敛条件，输出每个阶段的防洪调度的出库过程。

76、有益效果

77、1.本发明提出的山区水库实时防洪补偿调度逆算方法，考虑了实时防洪补偿调度中“凹过程”理想解逆流向演算的问题，削减了原有的实时防洪补偿调度技术中出库“凹过程”坦化带来的流量误差，降低了防洪点的防洪风险，有利于获得更为精准、实用的防洪调度方案。

78、2.本发明考虑了实时防洪调度中预泄、削峰、消落三个主要阶段，可操作性强，更能满足实际需求。