一种充分灌溉条件下直接补渠的多库‑多站系统水资源优化配置方法技术方案

本发明专利技术公开了一种充分灌溉条件下直接补渠的多库—多站系统水资源优化配置方法，采用“多库—多站”大系统分解—直接补渠的“单库—多站”子系统逆序动态规划逐次逼近优化—“补渠泵站群”二级子系统分解‑动态规划聚合的求解方法，可获得一定供水期内所有受水区最小缺水量、对应的各水库各时段最优供水量、弃水量、外调水量，以及各补渠泵站补水量过程。本发明专利技术对平原水库灌区水资源优化配置具有重要理论意义和实际应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种充分灌溉条件下直接补渠的多库-多站系统水资源优化配置方法
本专利技术涉及充分灌溉条件下梯级水库群与多个补渠泵站群联合运行调度的方法，属于灌区水资源优化配置

技术介绍
当前由于水资源时空分布不均，已制约不少地区的经济社会发展，对于充分灌溉条件的灌区而言，在有限水资源总量和水源工程规模下，以用水综合效益最大为目标，加强区域水资源的统一调度和管理，把灌溉系统的水利工程作为统一整体来运用和调节，运用已建工程(如多个水库群和多个泵站群联合调度运行)使其发挥更大的作用，是解决灌区缺水问题的主要途径。多水库—多泵站系统运行调度作为水资源管理一项内容，如何合理地运用系统水资源调度达到某个目标使系统效益最佳，是水利工程管理中较为常见的问题。对于直接补渠的多库—多站系统水资源优化配置，由多个补渠泵站向单水库供水渠道供水，形成一个直接补渠的单库—多站系统，再由多个串联的单库—多站系统构成直接补渠的多库—多站系统，联合向多个受水区供水。虽然水源条件充分，但由于涉及多个水库群，在系统实际运行时，除末级单库—多站系统仅向受水区供水外，其余各级单库—多站系统还附加外调给下一级单库—多站系统的供水量；且对每一个单库—多站系统而言，又包含多个补渠泵站群，如何在保证受水区供水充分的条件下，降低补渠泵站群系统运行能耗，节约工程运行成本，是不可忽视的重要问题。
技术实现思路
本专利技术针对特定的年调节多水库—多泵站联合运行调度系统，在已知水库供水划分的时段数、水库数量、各水库的初始库容、死库容、兴利库容、防洪限制水位对应的库容、年可供水总量、各时段来水量过程、蒸发与渗漏量过程，各水库补渠泵站数量、各补渠泵站年允许提水总量，以及各时段各受水区需水量过程情况下，采用“多库—多站”大系统分解—直接补渠的“单库—多站”子系统逆序动态规划逐次逼近优化—“补渠泵站群”二级子系统分解-动态规划聚合的求解方法，可获得一定供水期内受水区最小缺水量、对应的各水库供水期内各时段最优供水量、弃水量、外调水量，以及各补渠泵站各时段补水量过程。本专利技术方案如下：一种充分灌溉条件下直接补渠的多库—多站系统水资源优化配置，由多个补渠泵站向单水库所在供水渠道供水，形成一个直接补渠的单库—多站系统，再由多个串联的单库—多站系统构成直接补渠的多库—多站系统，联合向多个受水区供水。其水资源优化配置方法包括以下步骤：一、模型构建，包括以下步骤1～步骤2：1.以直接补渠的多库—多站系统年内各时段的各水库供水量与受水区需水量之差的平方和最小为目标，建立如下目标函数：式中：F为研究对象年内各时段的供需水量之差的最小平方和；Z为研究对象年内各时段的供需水量之差的平方和；R为水库数量，单位：座；h为水库编号，h＝1,2,……R；N为年内划分的时段数；i为时段编号，i＝1,2,……N；Gh,i、YSh,i分别为第h座水库第i时段的供水量和对应的受水区第i时段的需水量，单位：万m3；YBh,k,i为第h座水库所在供水渠道第k座补渠泵站第i时段供水量，单位：万m3；目标函数采用平方和表达是为了加速减少水库供水量与受水区需水量之间的偏差。2.设置约束条件包括直接补渠的单库—多站系统年可供水总量约束条件，考虑上级水库调入与自身外调水量要求的单水库水量平衡约束条件，单水库库容约束条件，以及补渠泵站群运行能耗最小约束条件。二、模型求解1.数据准备，具体包括：将1年划分为N个时段，并确定各时段长度；测定各水库初始库容Vh,0；确定各水库年可供水总量SKh、死库容Vh,min、防洪限制水位对应的库容Vh,P、以及兴利库容Vh,min+Δh,1；测量和计算各水库各时段来水量LSh,i、蒸发与渗漏量EFh,i，h＝1,2,…R；确定各补渠泵站年允许提水总量BZh,k，k＝1,2,…M；测定不同时段扬程Hh,k,i下运行的提水流量Qh,k,i及对应的水泵效率ηz,h,k,i、电机效率ηmot,h,k、传动效率ηint,h,k；确定各时段各受水区的作物需水量YSh,i，h＝1,2,……R；i＝1,2,…,N。2.将直接补渠的“多库—多站”大系统模型分解为R个直接补渠的单库—多站水资源优化配置数学模型，目标函数为：3.对直接补渠的单库—多站水资源优化配置数学模型进行优化，从末级无外调水量要求的单库—多站系统出发，依次进行单库—多站系统水资源优化配置，具体包括：(1)利用动态规划逐次逼近对单座水库—多站系统水资源优化配置子模型求解，获得的水库供水量过程Gh,i和泵站群补渠总水量过程Yh,i作为原模型最优解，同时还获得目标函数最优值，水库最优弃水量过程PSh,i，以及上一级水库对其的补库水量过程BKh,i，其中，h＝1,…R；i＝1,…N。(2)利用分解-动态规划聚合方法对补群泵站群二级子系统模型求解，获得满足第i时段泵站群目标提水总量Yh,i的Lh,i值，以及对应的各泵站最优补水量组合YBh,k,i*k＝1,2,…M。4.获得多水库-多泵站系统中每个水库各时段供水量Gh,i、外调水量WDh,i、弃水量PSh,i、上一级水库最优补库水量BKh,i，以及对应的各补渠泵站补水量YBh,k,i过程，h＝1，2，…，R。进一步地，步骤(一)中的约束条件包括：(1)直接补渠的单库—多站系统年可供水总量约束条件：除末级水库仅需向所在受水区供水外，其余各级水库还需承担外调水任务，供给下一级水库，即：对第1～第R-1座水库：其中，h＝1,2,……R-1。对第R座水库：式中：WDh,i为第h座水库第i时段外调给下一级水库的供水量，单位：万m3；SKh为第h座水库的年可供水总量，单位：万m3；M为第h座水库所在供水渠道的补渠泵站数量，单位：座；k为补渠泵站编号，k＝1,2,……M；BZh,k为第h座水库所在供水渠道的第k座补渠泵站年允许提水总量，单位：万m3。(2)考虑上级水库调入与自身外调水量要求的单水库水量平衡约束条件：对于任意第h个多泵站直接补渠的单库—多站系统，考虑上级水库调入水量和水库本身外调水量要求，包括：对第1座水库，只有外调水量要求；对第2～R-1座水库，既有上级水库对其的补库水量，又有自身外调水量要求；对第R座水库，只有上级水库补库水量要求，即根据水量平衡方程：对第1座水库：V1,i＝V1,i-1+LS1,i-PS1,i-EF1,i-G1,i-WD1,i(6)对第2～第R-1座水库：Vh,i＝Vh,i-1+LSh,i+BKh,i-PSh,i-EFh,i-Gh,i-WDh,i(7)其中，h＝2,3,…,R-1。对第R座水库：VR,i＝VR,i-1+LSR,i+BKR,i-PSR,i-EFR,i-GR,i(8)在此基础上，水库调度准则如下：①当第i时段末水库蓄水量低于水库死库容Vh,min时，则第i时段应由上一级水库进行补水，补水至兴利库容，即：Vh,i＜Vh,min时：此时段水库弃水PSh,i＝0；h＝2,3,……R。②当遭遇洪水，第i时段末水库蓄水量大于防洪限制水位所对应水库蓄水量Vh,P时，则第i时段应对水库进行弃水，弃水至水库防洪限制水位，即：Vh,i＞Vh,P时：此时段无需上一级水库调水，即BKh,i＝0。③当第i时段末水库蓄水量介于死库容Vh,min与防洪限制水位所对应水库蓄水量Vh,P之间，则第i时段本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种充分灌溉条件下直接补渠的多库‑多站系统水资源优化配置方法，由多个补渠泵站向单水库所在供水渠道供水，形成一个直接补渠的单库‑多站系统，再由多个串联的单库‑多站系统构成直接补渠的多库‑多站系统，联合向多个受水区供水，其特征在于，水资源优化配置方法包括以下步骤：一、模型构建，包括以下步骤1～步骤2：1.以直接补渠的多库‑多站系统年内各时段的各水库供水量与受水区需水量之差的平方和最小为目标，建立如下目标函数：

【技术特征摘要】
1.一种充分灌溉条件下直接补渠的多库-多站系统水资源优化配置方法，由多个补渠泵站向单水库所在供水渠道供水，形成一个直接补渠的单库-多站系统，再由多个串联的单库-多站系统构成直接补渠的多库-多站系统，联合向多个受水区供水，其特征在于，水资源优化配置方法包括以下步骤：一、模型构建，包括以下步骤1～步骤2：1.以直接补渠的多库-多站系统年内各时段的各水库供水量与受水区需水量之差的平方和最小为目标，建立如下目标函数：式中：F为研究对象年内各时段的供需水量之差的最小平方和；Z为研究对象年内各时段的供需水量之差的平方和；R为水库数量，单位：座；h为水库编号，h＝1，2，......R；N为年内划分的时段数；i为时段编号，i＝1，2，......N；Gh，i、YSh，i分别为第h座水库第i时段的供水量和对应的受水区第i时段的需水量，单位：万m3；YBh，k，i为第h座水库所在供水渠道第k座补渠泵站第i时段供水量，单位：万m3；目标函数采用平方和表达是为了加速减少水库供水量与受水区需水量之间的偏差。2.设置约束条件包括直接补渠的单库-多站系统年可供水总量约束条件，考虑上级水库调入与自身外调水量要求的单水库水量平衡约束条件，单水库库容约束条件，以及补渠泵站群运行能耗最小约束条件。二、模型求解1.数据准备，具体包括：将1年划分为N个时段，并确定各时段长度；测定各水库初始库容Vh，0；确定各水库年可供水总量SKh、死库容Vh，min、防洪限制水位对应的库容Vh，P、以及兴利库容Vh，min+Δh，1；测量和计算各水库各时段来水量LSh，i、蒸发与渗漏量EFh，i，h＝1，2，…R；确定各补渠泵站年允许提水总量BZh，k，k＝1，2，…M；测定不同时段扬程Hh，k，i下运行的提水流量Qh，k，i及对应的ηz，h，k，i、ηmot，h，k、ηint，h，k；确定各时段各受水区的作物需水量YSh，i，h＝1，2，......R；i＝1，2，…，N。2.将直接补渠的“多库-多站”大系统模型分解为R个直接补渠的单库-多站水资源优化配置数学模型，目标函数为：3.对直接补渠的单库-多站水资源优化配置数学模型进行优化，从末级无外调水量要求的单库-多站系统出发，依次进行单库-多站系统水资源优化配置，具体包括：(1)利用动态规划逐次逼近对单座水库-多站系统水资源优化配置子模型求解，获得的水库供水量过程Gh，i和泵站群补渠总水量过程Yh，i作为原模型最优解，同时还获得目标函数最优值，水库最优弃水量过程PSh，i，以及上一级水库对其的补库水量过程BKh，i，其中，h＝1，…R；i＝1，…N。(2)利用分解-动态规划聚合方法对补群泵站群二级子系统模型求解，获得满足第i时段泵站群目标提水总量Yh，i的Lh，i值，以及对应的各泵站最优补水量组合YBh，k，i*k＝1，2，…M。4.获得多水库-多泵站系统中每个水库各时段供水量Gh，i、外调水量WDh，i、弃水量PSh，i、上一级水库最优补库水量BKh，i，以及对应的各补渠泵站补水量YBh，k，i过程，h＝1，2，…，R。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(一)中的约束条件包括：(1)直接补渠的单库-多站系统年可供水总量约束条件：除末级水库仅需向所在受水区供水外，其余各级水库还需承担外调水任务，供给下一级水库，即：对第1～第R-1座水库：其中，h＝1，2，......R-1。对第R座水库：式中：WDh，i为第h座水库第i时段外调给下一级水库的供水量，单位：万m3；SKh为第h座水库的年可供水总量，单位：万m3；M为第h座水库所在供水渠道的补渠泵站数量，单位：座；k为补渠泵站编号，k＝1，2，......M；BZh，k为第h座水库所在供水渠道的第k座补渠泵站年允许提水总量，单位：万m3。(2)考虑上级水库调入与自身外调水量要求的单水库水量平衡约束条件：对于任意第h个多泵站直接补渠的单库-多站系统，考虑上级水库调入水量和水库本身外调水量要求，包括：对第1座水库，只有外调水量要求；对第2～R-1座水库，既有上级水库对其的补库水量，又有自身外调水量要求；对第R座水库，只有上级水库补库水量要求，即根据水量平衡方程：对第1座水库：V1，i＝V1，i-1+LS1，i-PS1，i-EF1，i-G1，i-WD1，i(6)对第2～第R-1座水库：Vh，i＝Vh，i-1+LSh，i+BKh，i-PSh，i-EFh，i-Gh，i-WDh，i(7)其中，h＝2，3，…，R-1。对第R座水库：VR，i＝VR，i-1+LSR，i+BKR，i-PSR，i-EFR，i-GR，i(8)在此基础上，水库调度准则如下：①当第i时段末水库蓄水量低于水库死库容Vh，min时，则第i时段应由上一级水库进行补水，补水至兴利库容，即：Vh，i＜Vh，min时：BKh，i＝Vh，min-Vh，i+Δh，1，(9)此时段水库弃水PSh，i＝0；h＝2，3，......R。②当遭遇洪水，第i时段末水库蓄水量大于防洪限制水位所对应水库蓄水量Vh，P时，则第i时段应对水库进行弃水，弃水至水库防洪限制水位，即：Vh，i＞Vh，P时：PSh，i＝Vh，i-Vh，P(10)此时段无需上一级水库调水，即BKh，i＝0。③当第i时段末水库蓄水量介于死库容Vh，min与防洪限制水位所对应水库蓄水量Vh，P之间，则第i时段水库不需要弃水，不需要上一级水库调水，即：Vh，min≤Vh，i≤Vh，P时：PSh，i＝BKh，i＝0(11)式中：Vh，i、Vh，i-1分别为第h座水库第i、i-1时段末的蓄水量，单位：万m3；LSh，i、PSh，i、EFh，i分别为第h座水库第i时段的来水量、弃水量、蒸发与渗漏量，单位：万m3；BKh，i为第h座水库第i时段由上一级，即第h-1座水库提供的补库水量，单位：万m3。(3)单水库库容约束条件：各时段的水库蓄水量应介于水库死库容和防洪限制水位对应库容之间，即：Vh，min≤Vh，i≤Vh，P，i＝1，2，…，N(12)(4)补渠泵站群联合运行能耗最小约束条件：对任意第h座水库所在供水渠道的补渠泵站群，其在每一供水时段内的联合运行应考虑能耗最小，即：式中，Lh，i为第h座水库所在供水渠道第i时段补渠泵站群联合运行系统能耗，单位：kW·h；lh，k，i为第h座水库所在供水渠道的第k座泵站第i时段运行能耗，单位：kW·h；M为第h座水库所在供水渠道的补渠泵站数量，单位：座；ρ为水密度，单位：kg/m3，g为重力加速度，单位：m/s2；Qh，k，i、Hh，k，i、ΔTh，k，i、ηz，h，k，i分别为第h座水库所在供水渠道的第k座泵站第i时段的流量(m3/s)、时均扬程(m)、时段长度(h)和水泵效率；ηmot，h，k、ηint，h，k分别为第h座水库所在供水渠道的第k座泵站的电动机效率和传动效率。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(二)中，单个直接补渠的单库-多站水资源优化配置数学模型的约束条件如下：(1)直接补渠的单库-多站系统年可供水总量约束：①对于第1～第R-1座水库，除向受水区供水外，还有外调给下级水库的供水量要求，因此：式中，h＝1，2，......R-1。②对于第R座水库，仅向受水区供水，无外调给下级水库的供水量要求，因此：(2)考虑上级水库调入与自身外调水量要求的单水库水量平衡约束条件：①对第1座水库：V1，i＝V1，i-1+LS1，i-PS1，i-EF1，i-G1，i-WD1，i(19)②对第2～第R-1座水库：Vh，i＝Vh，i-1+LSh，i+BKh，i-PSh，i-EFh，i-Gh，i-WDh，i(20)其中，h＝2，3，…，R-1。③对第R座水库：VR，i＝VR，i-1+LSR，i+BKR，i-PSR，i-EFR，i-GR，i(21)在此基础上的水库调度准则同式(9)～(11)。(3)单水库库容约束条件：同式(12)。(4)补渠泵站群联合运行能耗最小约束条件：同式(13)。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(二)的第3步具体步骤如下：(1)第R座单库-多站系统水资源优化配置子模型求解1)子模型转换对于子模型(14)～(21)、(9)～(13)，取则子模型转换为以水库各阶段供水量GR，i、补渠泵站群各阶段补水总量YR，i为决策变量的二维非线性数学模型，即：目标函数：单库-多站系统年可供水总量约束条件：水库水量平衡约束条件：VR，i＝VR，i-1+LSR，i+BKR，i-PSR，i-EFR，i-GR，i(25)在此基础上，水库调度准则条件...

【专利技术属性】
技术研发人员：程浩淼，程吉林，龚懿，张礼华，陈兴，蒋晓红，袁承斌，周建康，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32