一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法技术

本发明专利技术公开了一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，涉及资源优化调度技术领域。该方法首先根据流域实际情况概化流域拓扑结构，并根据流域概化拓扑结构划分水量调度分区，然后，建立基于分区可供水量的流域水量调度模型，描述流域水资源调配问题、预报来水、水库调度和取用水户之间联系，再依据调度模型，采用差分进化算法对取用水问题进行优化，在每代个体计算适应度时，启动基于分区的空间水量均匀分配策略，模拟计算各分区的可供水量及需水量并在空间上均衡各用水户分配水量，实现基于水资源时空均匀分配的流域水量调度，从而解决空间上各用水户之间的矛盾，保证流域水资源在空间上能够得到公平合理的分配。

A Method of Watershed Water Dispatching Based on Spatial-temporal Uniform Distribution of Water Resources

The invention discloses a watershed water quantity dispatching method based on uniform spatial and temporal distribution of water resources, which relates to the technical field of resource optimal dispatching. Firstly, basin topological structure is generalized according to the actual situation of the basin, and water dispatching zones are divided according to the basin Generalized Topological structure. Then, basin water dispatching model based on water supply is established to describe the water resources dispatching problem, forecasting incoming water, reservoir dispatching and the relationship between water users. Then, based on the dispatching model, differential evolution algorithm is used for water intake. The problem is optimized. When each generation calculates the fitness, it starts the spatial water distribution strategy based on zoning, simulates and calculates the water supply and water demand of each zoning and equalizes the water allocation among water users in space, realizes the basin water dispatch based on the spatial and temporal uniform distribution of water resources, thus resolves the contradiction among water users in space and guarantees the water resources in the basin in the air. Fair and reasonable distribution can be achieved.

【技术实现步骤摘要】
一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法
本专利技术涉及资源优化调度
，尤其涉及一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法。
技术介绍
水资源优化调度是指在一个特定流域或区域内，以有效、公平和可持续的原则，对有限的、不同形式的水资源，通过工程措施在各用水户之间进行的科学分配。水资源优化调度是实现水资源合理开发利用的基础，是水资源可持续利用的根本保证。水库调度是水资源优化调度的重要手段，是人类重新分配水资源时空分布的重要工程措施，可在水库来水和用水变动的情况下，根据径流的特性和水库的任务要求，有目的、有计划地统筹安排水资源时空分布与供需平衡。运用水库的调蓄功能可以帮助处理并解决来水与用水、各用水部门之间的矛盾，优化分配水资源的时空分布并提高水资源和水能资源的利用率。目前，通常使用的水量调度模型，都是从上游到下游逐个用水户进行水量分配，再基于优化算法自动寻优找到水库的最优水位，以使总供水缺额的目标值趋于最小。但是，这些调度模型都只考虑了水资源分配在时间上的最优，没有充分考虑到水资源在空间上的均匀分配，从而可能会导致出现枯水年只能满足上游用水户取水需求而下游用水户极度缺水的情况。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，包括如下步骤：S1，概化流域拓扑结构，得到流域概化拓扑结构，根据流域概化拓扑结构划分水量调度分区；S2，根据水量调度分区，建立基于分区可供水量的流域水量调度模型，该模型在计算过程中自适应地均衡考虑各分区缺水情况，其目标函数表示为：其中，d为流域总体供水缺额，Di,t为第i个用水单元在t时段的需水量，Si,t为第i个用水单元在t时段的计划供水量；约束条件包括：水量平衡约束：Vt+1＝Vt+(It-Qt)Δt(2)其中，Vt为水库在t时段初的库容，It为t时段水库的平均入库流量，Qt为t时段水库的平均出库流量，Δt为时间变化量；库水位约束：其中，和分别为水库在t时段初所允许的运行最高最低水位；下泄流量约束：其中，和分别为水库在t时段所允许的最大最小平均下泄流量；断面流量约束：其中，为断面在t时段的最低要求平均流量；S3，采用差分进化算法对取用水问题进行优化，优化目标为使流域内所有用水单元的供水缺额之和最小，即对S2建立的水量调度模型进行求解，使得流域总体供水缺额最小，其中，在差分进化算法每代个体计算适应度时，首先将个体值带入模型中，自上游到下游各用水单元按照用水需求量进行取水；其次，按照S1中划分的水量调度分区统计各分区缺水情况；最后，启动基于分区的空间水量均匀分配策略，具体为：在分配供水量前利用水量调度分区均衡考虑各用水单元缺水情况，使各用水单元尽量达到相同用水保证率，最后将各用水单元供水量折算到相应取水口并带入模型中进行二次计算，最终得到空间优化后的水量分配结果。优选地，S1中，所述根据流域概化拓扑结构划分水量调度分区，具体为：根据流域概化拓扑结构，以河道交叉节点处断面与取水口取水断面节点为界，划分流域水量调度分区。优选地，S3中，所述在分配供水量前利用分区均衡考虑各用水单元缺水率，然后分摊缺水量至各个取水口，具体包括如下步骤B1，遍历所有计算分区，计算并统计当前分区的天然来水量、水库蓄变量和总需水量并计算分区可供水量与分区需水总量；B2，遍历并统计与当前分区有水力联系的上游分区的剩余水量，权衡分区可供水量与分区需水总量，水量充足的情况下按照用水需求供水，水量不充足的情况下按照最大供水能力供水；B3，根据初步分配结果，计算当前分区的缺水率，遍历并计算与当前分区有水力联系的上游分区的缺水率(过滤掉比当前分区更缺水的分区),统计所有相关分区的缺水量与需水量，并根据总需水量与总缺水量重新计算总体缺水率，最后所有相关分区均按照总体缺水率供水；B4，将均衡后的各用水单元供水量分摊至相应取水口，再带入模型中重新模拟计算并更新当代个体适应度。优选地，S3中所述采用差分进化算法对取用水问题进行优化，还包括如下步骤：确定调度期与时段尺度、对各汇水区进行来水预报、流域以行政区为单位申报行政区内各用水单元未来一年的逐月需水量，并根据得到的数据对取用水问题进行优化。优选地，所述确定调度期与时段尺度，具体为，调度期根据流域气象、水文数据的分析和农作物生长特性、不同阶段用水需求来确定，年度水量调度的步长为月，月度水量调度的步长为旬。优选地，所述流域以行政区为单位申报行政区内各用水单元未来一年的逐月需水量，其中，需水量包括用水单元的各分项用，判断需水量是否超出当前来水频率以及规划水平年下规定的取水量，如果超出，则用水单元按照一定比例对分项用水进行折减。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，首先根据流域实际情况概化流域拓扑结构，并根据流域概化拓扑结构划分水量调度分区，然后，建立基于分区可供水量的流域水量调度模型，描述流域水资源调配问题、预报来水、水库调度和取用水户之间联系，再依据调度模型，采用差分进化算法对取用水问题进行优化，在每代个体计算适应度时，启动基于分区的空间水量均匀分配策略，模拟计算各分区的可供水量及需水量并在空间上均衡各用水户分配水量，实现基于水资源时空均匀分配的流域水量调度，从而解决空间上各用水户之间的矛盾，保证流域水资源在空间上能够得到公平合理的分配。附图说明图1为本专利技术提供的流域水量调度方法流程示意图；图2为流域概化拓扑结构分区图；图3为桂江流域水资源调度概化拓扑图；图4为无策略规则下用水单元供水情况示意图；图5为基于分区的空间水量均匀分配策略规则下用水单元供水情况示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术所要解决的技术问题是：现有流域水量调度模型缺乏对流域水资源在空间上均匀分配的考虑，提出了基于分区可供水量的流域水量调度模型，显著地提高了流域内各用水户之间用水的均衡性。根据流域概化拓扑结构构建水量分配分区，采用差分进化算法建立水库水量调度优化模型，得到了基于水资源时空均匀分配的最优水库调度决策解，为编制均衡各用水户取用水矛盾的水库水量调度计划提供了依据，为枯水期适应性调度提供理论支撑。如图1所示，本专利技术提供了一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，包括如下步骤：S1，概化流域拓扑结构，得到流域概化拓扑结构，根据流域概化拓扑结构划分水量调度分区。其中，建立流域概化拓扑结构是研究水量调度问题的基础,而建立流域概化拓扑结构的逻辑顺序会直接影响计算机的运行速度,本专利技术中，为了保证建立的过程易于计算机的实现，采用如下步骤概化流域拓扑结构：A1，获取流域的所有实体，包括河道实体、河道实体下包含的关键断面子实体、汇水区实体、用水单元实体，其中，关键断面包括控制断面、汇水区入流断面、水库所在断面、取水口取水断面、河道首末以及交叉节点处断面。河道实体是连接其余实体的纽带，河道实体下还包含关键断面子实体，关键断面包括控制断面、汇水区入流断面、水库所在断面、取本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，概化流域拓扑结构，得到流域概化拓扑结构，根据流域概化拓扑结构划分水量调度分区；S2，根据水量调度分区，建立基于分区可供水量的流域水量调度模型，该模型在计算过程中自适应地均衡考虑各分区缺水情况，其目标函数表示为：

【技术特征摘要】
1.一种基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，概化流域拓扑结构，得到流域概化拓扑结构，根据流域概化拓扑结构划分水量调度分区；S2，根据水量调度分区，建立基于分区可供水量的流域水量调度模型，该模型在计算过程中自适应地均衡考虑各分区缺水情况，其目标函数表示为：其中，d为流域总体供水缺额，Di，t为第i个用水单元在t时段的需水量，Si,t为第i个用水单元在t时段的计划供水量；约束条件包括：水量平衡约束：Vt+1＝Vt+(It-Qt)Δt(2)其中，Vt为水库在t时段初的库容，It为t时段水库的平均入库流量，Qt为t时段水库的平均出库流量，Δt为时间变化量；库水位约束：其中，和分别为水库在t时段初所允许的运行最高最低水位；下泄流量约束：其中，和分别为水库在t时段所允许的最大最小平均下泄流量；断面流量约束：其中，为断面在t时段的最低要求平均流量；S3，采用差分进化算法对取用水问题进行优化，优化目标为使流域内所有用水单元的供水缺额之和最小，即对S2建立的水量调度模型进行求解，使得流域总体供水缺额最小，其中，在差分进化算法每代个体计算适应度时，首先将个体值带入模型中，自上游到下游各用水单元按照用水需求量进行取水；其次，按照S1中划分的水量调度分区统计各分区缺水情况；最后，启动基于分区的空间水量均匀分配策略，具体为：在分配供水量前利用水量调度分区均衡考虑各用水单元缺水情况，使各用水单元尽量达到相同用水保证率，最后将各用水单元供水量折算到相应取水口并带入模型中进行二次计算，最终得到空间优化后的水量分配结果。2.根据权利要求1所述的基于水资源时空均匀分配的流域水量调度方法，其特征在于，S1中，所述根据流域概化拓扑结构划分水量调度分区，具体为：根据流域概化拓扑结构，以河道交叉节点处断面与取水口取水断面节点为界，划分流域水量调度分区。3.根据权利要求2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王超，雷晓辉，孙嘉辉，王旭，蔡思宇，龙岩，蒋云钟，胡鑫，宋培兵，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11