多年调节水库旱限水位的最优控制方法及专用控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多年调节水库旱限水位的最优控制方法，1、采集多年调节水库旱限水位最优控制模型所需数据；2、建立并存储多年调节水库入库径流的最小周期分析方法；3、建立并存储基于边际效益递减理论的农业用水边际效益；4、建立并存储多年调节水库旱限水位最优控制模型；5、求解多年调节水库旱限水位最优控制模型；6、生成并输出多年调节水库旱限水位控制策略，即：以旱限水位最优控制规则和旱限水位最优控制曲面两种方式来展示应对不同干旱等级的旱限水位最优控制策略。本发明专利技术优点在于通过对后期来水预报和流域旱情的预估，建立多年调节水库旱限水位最优控制模型，为确定多年调节水库旱限水位提供了一种有效途径。

【技术实现步骤摘要】
多年调节水库旱限水位的最优控制方法及专用控制系统
本专利技术涉及水库抗旱减灾
，尤其是涉及一种多年调节水库旱限水位的最优控制方法及专用控制系统。
技术介绍
多年调节水库通常位于梯级水库群的“龙头”位置，在梯级水库群中发挥补偿作用，其运行调度的好坏直接影响整个梯级水库群未来一年或几年的效益。文献研究表明，现有成果主要针对发电、航运等问题开展多年调节水库年末消落水位的研究，目标是提高经济效能。旱限水位概念是指江河湖库水位持续偏低、流量持续偏少，存在潜在的干旱威胁，影响城乡生活、工农业生产、生态环境等用水安全，需设置的抗旱警戒水位。旱限水位控制研究在国内处于起步阶段，当前研究主要针对年调节水库，应对未来一月或数月的干旱问题，考虑设计来水和用水需求，以逐月滑动计算的水库应供水量的最大值作为旱限水位计算依据。目前有学者根据年调节水库入库径流划分枯水时段，提出了水库旱限水位分期控制方法，按照不同时期入库径流和需水变化分期设置限制水位。因此，现有旱限水位的研究较少涉及多年调节水库，对多年调节水库的跨年度补水考虑不足，不能应对流域发生跨年和连续干旱（干旱历时超过一年）问题，常使得枯水年水库旱限水位以下的蓄水量不敢动用，丰水年又有大量弃水产生，造成水资源浪费，经济效益损失。国家防办已明确给出年调节水库旱限水位的概念和计算方法，但对于多年调节水库旱限水位的概念未给出明确定义。多年调节水库具有跨年度调度补偿功能，在此将多年调节水库旱限水位界定为：“当流域遭受干旱、河流来水偏枯时，以抗旱减灾为目标，统筹河道径流与流域旱情，平衡年际、年内用水关系，优化跨年度预留水量，控制应对不同干旱等级的旱情，需设置的抗旱警戒水位”。对于多年调节水库旱限水位的控制方法，目前尚缺乏行之有效手段，如何高效快捷的确定多年调节水库应对不同旱情的旱限水位是本领域技术人员研究的重点和难点。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种多年调节水库旱限水位的最优控制方法，同时本专利技术还提供了该方法的专用控制系统，以协调河道径流与流域旱情，平衡年际、年内用水关系，优化多年调节水库应对不同干旱等级的旱限水位，实现多年调节水库跨年度“蓄丰补枯”、增加供水，减少干旱年份旱灾损失。为实现上述目的，本专利技术采取下述技术方案：本专利技术所述一种多年调节水库旱限水位的最优控制方法，包括以下步骤：步骤1、采集多年调节水库旱限水位最优控制模型所需数据，即：采集调度周期初水库蓄水位数据、调度周期内的径流过程数据、水库及电站的特征参数和出力特性参数、水库综合利用要求数据、水库下游用水户的用水需求过程数据；步骤2、建立并存储多年调节水库入库径流的最小周期分析方法，所述最小周期为最优控制的调度周期；所述最小周期分析方法为：以小波分析技术为核心、以单频复正弦调制高斯波作为基小波，对多年调节水库入库径流的最小周期进行分析，确定多年调节水库旱限水位最优控制模型的调度周期；步骤3、建立并存储基于边际效益递减理论的农业用水边际效益；其中，所述农业用水边际效益为多年调节水库旱限水位最优控制模型目标函数的边界输入；基于边际效益递减理论求解得到水库下游各用水户的农业用水边际效益，拟合建立农业边际效益函数，确定多年调节水库旱限水位最优控制模型目标函数的边界输入；步骤4、建立并存储多年调节水库旱限水位最优控制模型，即：引入最优控制理论，以调度周期内流域供水效益最大为优化目标，建立多年调节水库旱限水位最优控制模型目标函数的泛函表达式；步骤5、求解多年调节水库旱限水位最优控制模型；即：采用融合自适应控制技术的人工智能算法求解，基于前期来水规律，通过对后期来水预报和下游需水的分析，以多年调节水库时段内泄水及其下游河段引水过程为被控对象，通过融合自适应技术的人工智能算法，在线量测包括水库蓄水量、流域缺水率指标，判断流域供水效益最大化目标的实现状况，控制引导闭环迭代；步骤6、生成并输出多年调节水库旱限水位控制策略，即：以旱限水位最优控制规则和旱限水位最优控制曲面两种方式来展示应对不同干旱等级的旱限水位最优控制策略。本专利技术所述多年调节水库旱限水位的专用控制系统，包括：数据采集模块，用于采集调度周期初水库蓄水位数据、调度周期内的径流过程数据、水库及电站的特征参数和出力特性参数、水库综合利用要求数据、水库下游用水户的用水需求过程数据；入库径流最小周期分析模块，接收数据采集模块发送的数据，用于确定多年调节水库旱限水位最优控制模型计算的调度周期；基于边际效益递减理论的农业用水边际效益分析模块，接收数据采集模块发送的数据，用于确定农业用户的边际效益，拟合建立农业用户的边际效益函数；多年调节水库旱限水位最优控制模型模块，接收入库径流最小周期分析模块和基于边际效益递减理论的农业用水边际效益分析模块发送的数据，用于建立多年调节水库旱限水位最优控制模型；多年调节水库旱限水位最优控制模型求解算法模块，用于对多年调节水库旱限水位最优控制模型进行求解；旱限水位控制策略生成模块，用于生成应对不同干旱等级的旱限水位；旱限水位控制策略输出模块，用于输出应对不同干旱等级的旱限水位。本专利技术优点在于，基于水库前期来水规律，通过对后期来水预报和流域旱情的预估，建立多年调节水库旱限水位最优控制模型，采用融合自适应控制技术的人工智能算法进行求解，优化确定应对不同干旱等级的旱限水位，为确定多年调节水库旱限水位提供了一种有效途径。另外，本专利技术以黄河干流具有多年调节能力的龙羊峡水库为例，选择资料相对完整、连续枯水时间相对较长的黄河流域1990-1999年水文序列作为典型时段优化算例，经计算分析确定龙羊峡水库入库径流具有最小三年的周期，以此作为龙羊峡水库旱限水位最优控制的调度周期，通过对农业用水边际效益的分析，确定了最优控制模型目标函数的边界输入，并进行连续三年滑动计算，由此在验证多年调节水库（龙羊峡水库）旱限水位最优控制模型合理性的基础上，提出了多年调节水库应对不同干旱等级的旱限水位，为科学指导多年调节水库跨年度抗旱调度提供技术支撑。与1990-1999年龙羊峡水库实际调度相比，实施多年调节水库（龙羊峡水库）旱限水位最优控制，通过控制旱限水位、合理预留水量，充分发挥了龙羊峡水库的跨年度水量补偿作用，10年序列中的流域缺水率均控制在10%上下。而实际调度中由于缺少对径流、旱情的考虑和预判，年末水量预留不合理，年际间供水极不均衡，干旱年份流域缺水率高达34.5%，缺水损失巨大、河道断流，而无旱年份缺水率则低至2.2%。附图说明图1是本专利技术实施例的最优控制方法流程图。图2是本专利技术实施例的旱限水位最优控制曲面图。图3是本专利技术实施例的专用控制系统结构示意图。图4是本专利技术实施例的龙羊峡水库最优旱限水位控制补水量与实际调度对比示意图。具体实施方式如图1-3所示，本专利技术所述多年调节水库旱限水位的最优控制方法，现以黄河干流具有多年调节能力的龙羊峡水库为例作进一步详细说明：步骤1、采集多年调节水库旱限水位最优控制模型所需数据，即：通过数据采集模块采集调度周期初水库蓄水位数据、调度周期内的径流过程数据、水库及电站的特征参数、电站出力特性参数、水库综合利用要求数据、水库下游用水户的用水需求过程数据；步骤2、通过入库径流最小周期分析模块，建立并存储多年调节水库入库径流的最小周期分析方法，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多年调节水库旱限水位的最优控制方法，其特征在于：包括下述步骤：步骤1、采集多年调节水库旱限水位最优控制模型所需数据，即：采集调度周期初水库蓄水位数据、调度周期内的径流过程数据、水库及电站的特征参数和出力特性参数、水库综合利用要求数据、水库下游用水户的用水需求过程数据；步骤2、建立并存储多年调节水库入库径流的最小周期分析方法，所述最小周期为最优控制的调度周期；所述最小周期分析方法为：以小波分析技术为核心、以单频复正弦调制高斯波作为基小波，对多年调节水库入库径流的最小周期进行分析，确定多年调节水库旱限水位最优控制模型的调度周期；步骤3、建立并存储基于边际效益递减理论的农业用水边际效益；其中，所述农业用水边际效益为多年调节水库旱限水位最优控制模型目标函数的边界输入；基于边际效益递减理论求解得到水库下游各用水户的农业用水边际效益，拟合建立农业边际效益函数，确定多年调节水库旱限水位最优控制模型目标函数的边界输入；步骤4、建立并存储多年调节水库旱限水位最优控制模型，即：引入最优控制理论，以调度周期内流域供水效益最大为优化目标，建立多年调节水库旱限水位最优控制模型目标函数的泛函表达式；步骤5、求解多年调节水库旱限水位最优控制模型；即：采用融合自适应控制技术的人工智能算法求解，基于前期来水规律，通过对后期来水预报和下游需水的分析，以多年调节水库时段内泄水及其下游河段引水过程为被控对象，通过融合自适应技术的人工智能算法，在线量测包括水库蓄水量、流域缺水率指标，判断流域供水效益最大化目标的实现状况，控制引导闭环迭代；步骤6、生成并输出多年调节水库旱限水位控制策略，即：以旱限水位最优控制规则和旱限水位最优控制曲面两种方式来展示应对不同干旱等级的旱限水位最优控制策略。...

【技术特征摘要】
1.一种多年调节水库旱限水位的最优控制方法，其特征在于：包括下述步骤：步骤1、采集多年调节水库旱限水位最优控制模型所需数据，即：采集调度周期初水库蓄水位数据、调度周期内的径流过程数据、水库及电站的特征参数和出力特性参数、水库综合利用要求数据、水库下游用水户的用水需求过程数据；步骤2、建立并存储多年调节水库入库径流的最小周期分析方法，所述最小周期为最优控制的调度周期；所述最小周期分析方法为：以小波分析技术为核心、以单频复正弦调制高斯波作为基小波，对多年调节水库入库径流的最小周期进行分析，确定多年调节水库旱限水位最优控制模型的调度周期；步骤3、建立并存储基于边际效益递减理论的农业用水边际效益；其中，所述农业用水边际效益为多年调节水库旱限水位最优控制模型目标函数的边界输入；基于边际效益递减理论求解得到水库下游各用水户的农业用水边际效益，拟合建立农业边际效益函数，确定多年调节水库旱限水位最优控制模型目标函数的边界输入；步骤4、建立并存储多年调节水库旱限水位最优控制模型，即：引入最优控制理论，以调度周期内流域供水效益最大为优化目标，建立多年调节水库旱限水位最优控制模型目标函数的泛函表达式；步骤5、求解多年调节水库旱限水位最优控制模型；即：采用融合自适应控制技术的人工智能算法求解，基于前期来水规律，通过对后期来水预报和下游需水的分析，以多年调节水库时段内泄水及其下游河段引水过程...

【专利技术属性】
技术研发人员：王煜，彭少明，张永永，蒋桂芹，侯红雨，
申请(专利权)人：黄河勘测规划设计有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41