一种河湖补水的“两库—两站”系统水资源优化调度方法技术方案

本发明专利技术属于灌区水资源优化配置技术领域，具体涉及一种河湖补水的“两库—两站”系统水资源优化调度方法，具体步骤如下：（1）通过实测或向灌区管理部门咨询，搜集计算所需的相关资料；（2）系统分解，将“两库—两站”系统水资源优化调度模型分解为高库及其补水泵站系统和低库及其补水泵站系统两个子系统水资源优化调度模型；（3）子系统优化；（4）系统协调，最终获得“两库两站”系统的优化调度方案。本发明专利技术建立了相应的水资源优化调度数学模型，在分解协调方法的基础上采用动态规划求解，可获得一定供水期内受水区最小缺水量、对应的各水库最优供水量、弃水量过程，以及各泵站提水量过程，解决“两库—两站”系统季节性缺水，提高水资源的利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种河湖补水的“两库—两站”系统水资源优化调度方法
本专利技术涉及河湖补水的“两库—两站”系统水资源优化调度方法，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。东南沿海地区境内的丘陵山区处于亚热带或温带季风气候区，汛期径流集中，往往造成洪涝灾害；其余时期干旱无雨，又会导致农业用水困难。为了应对水资源在时间上分布不均的问题，当地劳动人民修建水库、塘堰等蓄水设施集蓄汛期雨水，用以满足其他时段的需水要求。由于当地过境水资源丰富，这类蓄水工程往往还配套有引提水工程，可以在必要的时候提水补库。然而，还有一些地势较高的水库或塘堰由于集水面积较小且没有过境水资源补充，调度期内出现缺水时就需要从其他大中型水库引水补库。河湖补水的“两库—两站”水资源系统是南方丘陵山区典型的灌溉系统，虽然水源条件充分，但由于系统没有统一可靠的联合运行机制，系统内部的水资源得不到合理的调配，导致产生弃水、缺水、补水共存的矛盾。
技术实现思路
本专利技术针对河湖补水的“两库—两站”水资源系统所产生的弃水、缺水、补水共存的矛盾，建立了相应的水资源优化调度数学模型，在分解协调方法的基础上采用动态规划求解，可获得一定供水期内受水区最小缺水量、对应的各水库最优供水量、弃水量过程，以及各泵站提水量过程，解决“两库—两站”系统季节性缺水，提高水资源的利用率。本专利技术方案如下：一种河湖补水的“两库—两站”系统水资源优化调度方法。系统由两座水库和两座泵站组成，两座水库包括低库和高库，各自向独立的用水户供水，两座泵站包括低库补水泵站和高库补水泵站，低库补水泵站从外部河道中提水补充低库，高库补水泵站从低库提水补充高库，系统示意图见图1。系统优化调度方法具体步骤如下：(1)通过实测或向灌区管理部门咨询，搜集计算所需的相关资料，具体包括：①灌区水库调度通常划分的时段数T和对应各时段的长度Ni；②代表年内水库各时段的来水量LS1,i，LS2,i(i＝1,2,…,T)；③代表年内灌区各时段的需水量YS1,i，YS2,i(i＝1,2,…,T)；④两座水库的特性资料：水库初始库容V1,0，V2,0，库容上下限和⑤两座泵站的特性资料：设计提水流量Q1，Q2和实际的年总提水量资料；⑥当地水行政部门分配的水权资料，主要指系统从外部河道引水的年允许提水总量BZ1。(2)系统分解，将“两库—两站”系统水资源优化调度模型分解为高库及其补水泵站系统和低库及其补水泵站系统两个子系统水资源优化调度模型。①高库及其补水泵站目标函数：式中：F2为高库及其补水泵站子系统年内各时段缺水量平方和；X2,i为高库及其补水泵站子系统第i时段的供水量；YS2,i为高库及其补水泵站子系统第i时段的需水量。约束条件：Y2,i≤Q2×Ni(3)V2,i＝V2,i-1+LS2,i-X2,i+Y2,i-PS2,i-EF2,i(4)V2,im≤V2,i≤V2,iM(5)式中：LS2,i为高库在时段i的入库径流量；BZ2为高库补水泵站的年允许提水量；Y2,i为高库补水泵站在i时段内的提水量；Q2为高库补水泵站的设计流量；Ni为时段i的长度；V2,i和V2,i-1分别为高库在i和i-1时段末的蓄水量；PS2,i为高库在i时段的弃水量；EF2,i为高库在i时段的水量损失；为高库在i时段的蓄水量下限；为高库在i时段的蓄水量上限。②低库及其补水泵站目标函数：式中：F1为低库及其补水泵站子系统年内各时段缺水量平方和；X1,i为低库及其补水泵站子系统第i时段的供水量；YS1,i为低库及其补水泵站子系统第i时段的需水量；Y2,i为高库补水泵站在i时段内从低库中提取的水量。约束条件：Y1,i≤Q1×Ni(8)V1,i＝V1,i-1+LS1,i-X1,i+Y1,i-PS1,i-EF1,i(9)V1,im≤V1,i≤V1,iM(10)式中：BZ1为低库补水泵站年允许提水量，即当地水行政部门分配的水权；Y1,i为低库补水泵站在i时段内的提水量；Q1为低库补水泵站的设计流量；V1,i和V1,i-1分别为低库在i和i-1时段末的蓄水量；PS1,i为低库在i时段的弃水量；EF1,i为低库在i时段的水量损失；为低库在i时段的蓄水量下限；为低库在i时段的蓄水量上限。(3)子系统优化以高库补水泵站的允许提水量BZ2为协调变量，令其在未优化前实际年提水总量和高库实际年缺水总量之间，按满足系统调度精度要求的步长d离散，对高库及其补水泵站子系统进行优化，获得高库年内各阶段缺水量平方和F2、供水量过程X2,i、弃水量过程PS2,i及其补水泵站的提水量过程Y2,i；将高库补水泵站的提水量Y2,i作为需水量之一代入低库及其补水泵站系统的优化模型，获得低库年内各阶段缺水量平方和F1、供水量过程X1,i、弃水量过程PS1,i及其补水泵站的提水量过程Y1,i。(4)系统协调以系统年内各阶段缺水量平方和F(F＝F1+F2)为因变量，以高库补水泵站的允许提水量BZ2为自变量进行回归分析，确定最佳的F和BZ2取值及其对应的两座水库和泵站的调度过程，最终获得“两库两站”系统的优化调度方案。作为优选，所述步骤(3)具体包括以下步骤：(1)阶段i＝1：f1(λ1)＝min(X1-YS1)2(11)式中，λ1为状态变量，表示前1个供水时段水库供水量，在对应可行域内步长d离散：λ1＝0,W1,W2,…,∑LSi+BZ；对每个离散的λ1，决策变量X1在对应可行域内[0,λ1]按步长d离散，分别确定对应于每个λ1值，最优X1及其对应的该时段最小缺水量平方和f1(λ1)。而后，第1阶段末水库蓄水量V1＝V0+LS1-EF1-X1，此时尚未考虑泵站补水或水库弃水，应进行检验和修正：①若V1<V1m，则Y1＝min(V1m-V1，Q×N1)，PSi＝0；②若V1>V1M，则Y1＝0，PS1＝V1-V1M；③若V1m≤V1≤V1M，则Y1＝PS1＝0；④修正后的水库蓄水量为V1'＝V1+Y1-PS1。通过步骤①～④，修正并确定第1阶段末水库蓄水量，同时可获得对应的水库弃水量PS1、或泵站补水量Y1。(2)阶段i＝2，3，…T-1：fi(λi)＝min[(Xi-YSi)2+fi-1(λi-1)](12)式中，状态变量λi为前i个时段的水库供水总量，同样将其按步长d分别进行离散：λi＝0,W1,W2,…,∑LSi+BZ；对每一个离散的λi，决策变量Xi在对应可行域内[0,λi]按步长d离散。状态转移方程：λi-1＝λi-Xi(13)式中：i＝2，3，…，T-1对每一个离散的λi，将各离散的Xi值分别代入式(12)中的(Xi-YSi)2，由状态转移方程式(13)，对每一个离散的Xi，查找前i-1阶段最小fi-1(λi-1)值，由此可获得(Xi-YSi)2+minfi-1(λi-1)，完成以上所有离散的Xi寻优后，最终可获得满足min[(Xi-YSi)2+fi-1(λi-1)]要求的前i个时段系统最小缺水量平方和fi(λi)值，及其对应的的各阶段水库最优供水量Xi。同样，还需确定第i阶段末水库蓄水量Vi，Vi＝Vi-1+LSi-EFi-Xi，而后进行检验和修正①若Vi<Vim，则Yi＝min(Vim-Vi，Q本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种河湖补水的“两库—两站”系统水资源优化调度方法，河湖补水的“两库—两站”系统由两座水库和两座泵站组成，两座水库包括低库和高库，各自向独立的用水户供水，两座泵站包括低库补水泵站和高库补水泵站，低库补水泵站从外部河道中提水补充低库，高库补水泵站从低库提水补充高库；系统优化调度方法包括以下步骤：(1)获取以下资料，具体包括：①灌区水库调度通常划分的时段数T和对应各时段的长度Ni；②代表年内水库各时段的来水量LS1,i，LS2,i(i＝1,2,…,T)；③代表年内灌区各时段的需水量YS1,i，YS2,i(i＝1,2,…,T)；④低库、高库的特性资料：水库初始库容V1,0，V2,0，库容上下限

【技术特征摘要】
1.一种河湖补水的“两库—两站”系统水资源优化调度方法，河湖补水的“两库—两站”系统由两座水库和两座泵站组成，两座水库包括低库和高库，各自向独立的用水户供水，两座泵站包括低库补水泵站和高库补水泵站，低库补水泵站从外部河道中提水补充低库，高库补水泵站从低库提水补充高库；系统优化调度方法包括以下步骤：(1)获取以下资料，具体包括：①灌区水库调度通常划分的时段数T和对应各时段的长度Ni；②代表年内水库各时段的来水量LS1,i，LS2,i(i＝1,2,…,T)；③代表年内灌区各时段的需水量YS1,i，YS2,i(i＝1,2,…,T)；④低库、高库的特性资料：水库初始库容V1,0，V2,0，库容上下限和⑤低库补水泵站、高库补水泵站的特性资料：设计提水流量Q1，Q2和实际的年总提水量资料；⑥当地水行政部门分配的水权资料，主要指系统从外部河道引水的年允许提水总量BZ1；(2)系统分解，将“两库—两站”系统水资源优化调度模型分解为高库及其补水泵站系统和低库及其补水泵站系统两个子系统水资源优化调度模型；①高库及其补水泵站目标函数：式中：F2为高库及其补水泵站子系统年内各时段缺水量平方和；X2,i为高库及其补水泵站子系统第i时段的供水量；YS2,i为高库及其补水泵站子系统第i时段的需水量；约束条件：Y2,i≤Q2×Ni(3)V2,i＝V2,i-1+LS2,i-X2,i+Y2,i-PS2,i-EF2,i(4)V2,im≤V2,i≤V2,iM(5)式中：LS2,i为高库在时段i的入库径流量；BZ2为高库补水泵站的年允许提水量；Y2,i为高库补水泵站在i时段内的提水量；Q2为高库补水泵站的设计流量；Ni为时段i的长度；V2,i和V2,i-1分别为高库在i和i-1时段末的蓄水量；PS2，i为高库在i时段的弃水量；EF2,i为高库在i时段的水量损失；为高库在i时段的蓄水量下限；为高库在i时段的蓄水量上限；②低库及其补水泵站目标函数：式中：F1为低库及其补水泵站子系统年内各时段缺水量平方和；X1,i为低库及其补水泵站子系统第i时段的供水量；YS1,i为低库及其补水泵站子系统第i时段的需水量；Y2,i为高库补水泵站在i时段内从低库中提取的水量；约束条件：Y1,i≤Q1×Ni(8)V1,i＝V1,i-1+LS1,i-X1,i+Y1,i-PS1,i-EF1,i(9)V1,im≤V1,i≤V1,iM(10)式中：BZ1为低库补水泵站年允许提水量，即当地水行政部门分配的水权；Y1,i为低库补水泵站在i时段内的提水量；Q1为低库补水泵站的设计流量；V1,i和V1,i-1分别为低库在i和i-1时段末的蓄水量；PS1,i为低库在i时段的弃水量；EF1,i为低库在i时段的水量损失；为低库在i时段的蓄水量下限；为低库在i时段的蓄水量上限；(3)子系统优化以高库补水泵站的允许提水量BZ2为协调变量，令其在未优化前实际年提水总量和高库实际年缺水总量之间，按满足系统调度精度要求的步长d离散，对高库及其补水泵站子系统进行优化，获得高库年内各阶段缺水量平方和F2、供水量过程X2,i、弃水量过程PS2,i及其补水泵站的提水量过程Y2,i；将高库补水泵站的提水量Y2,i作为需水量之一代入低库及其补水泵站系统的优化模型，获得低库年内各阶段缺水量平方和F1、供水量过程X1,i、弃水量过程PS1,i及其补水泵站的提水量过程Y1,i；(4)系统协调以系统年内各阶段缺水量平方和F为因变量，F＝F1+F2，以高库补水泵站的允许提水量BZ2为自变量进行回归分析，确定最佳的F和BZ2取值及其对应的两座水库和泵站的调度过程，最终获得“两库-两站”系统的优化调度方案。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)将“两库—两站”大系统分解为“单库—单站”子系统分别采用一维动态规划方法进行优化，具体步骤如下：(1)阶段i＝1：f1(λ1)＝min(X1-YS1)2(11)式中，λ1为状态变量，表示前1个供水时段水库供水量，在对应可行域内按步长d离散：λ1＝0,W1,W2,…,∑LSi+BZ；对每个离散的λ1，决策变量X1在对应可行域内[0,λ1]按步长d离散，分别确定对应于每个λ1值，最优X1及其对应的该时段最小缺水量平方和f1(λ1)；而后，第1阶段末水库蓄水量V...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚志浩，程吉林，龚懿，蒋晓红，陈兴，汪靓，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32