一种基于“分区-分级”理论的复杂水资源系统优化配置方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于“分区‑分级”理论的复杂水资源系统优化配置方法，步骤如下：首先获取水资源系统基本信息数据，其次对复杂水资源系统进行概化；然后按照水库、泵站、河道、输水管道与水厂之间的供给水关系对整个水资源系统进行分区，并建立不同分区水力关系数字化矩阵；最后按照供水水源类型构建和求解多级水资源系统优化配置模型，确定合理的优化配置方案集合。本发明专利技术可实现复杂水资源系统的简单化，为水资源高效利用提供新的途径。

【技术实现步骤摘要】
一种基于“分区-分级”理论的复杂水资源系统优化配置方法
本专利技术属于水资源配置领域，具体涉及一种基于“分区-分级”理论的复杂水资源系统优化配置方法。
技术介绍
为了解决水资源分布时空不均问题导致的水资源短缺问题，开展水资源优化配置研究能够提高水资源利用率，具有明显的社会和经济效益。然而随着社会经济的快速发展，水资源优化配置需要考虑的因素日益增多，尤其是针对复杂水资源系统，在优化配置模型的构建和求解过程中，容易出现维数灾难问题，因此有必要对系统进行分区处理，实现系统的有效降维，以提高计算效率。同时，以往的水资源优化配置模型通常以全区域的总供水保证率最大为社会效益目标，难以保证各分区用水户效益的公平性。另外，在优化配置模型的求解方面，Mirjalili等人(2014)提出的灰狼优化算法(GWO)已被证明在对函数求解精度和稳定性上要明显优于粒子群算法(PSO)、差分算法(DE)和遗传算法(GA)等优化算法，但也存在着收敛速度慢、全局搜索能力弱、容易陷入局部最优的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种复杂水资源系统优化配置方法，该方法基于“分区-分级”理论进行水资源优化配置模型构建，同时对灰狼算法进行改进，并应用于模型求解，确定最优配水方案集合。该方法能够简化多维优化求解过程，避免陷入局部优化提高计算效率，且保证各用水户的公平性及提高供水保证率。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于“分区-分级”理论的复杂水资源系统优化配置方法，包括以下步骤：步骤1，获取水资源系统基本信息数据，包括水库水位-库容关系曲线，水库、泵站、河道、输水管道、水厂的基本特征参数、地理位置信息等；步骤2，将复杂水资源系统概化为不同单元，包括节点和有向线段；步骤3，对整个复杂水资源系统进行片区划分，分别建立不同分区水力关系数字化矩阵；步骤4，按照供水水源类型构建和求解多级水资源系统优化配置模型，确定合理的水资源优化配置方案集合。上述技术方案中，进一步地，所述步骤2中将系统中的水库、泵站、河道、水厂分别概化为节点，输水管道概化为有向线段。进一步地，所述步骤3中分区原则是以水厂为分区中心，按照水库、泵站、河道、输水管道与水厂之间的水力关系进行片区划分。更进一步地，所述步骤3中将不同分区之间的交汇处概化为虚拟节点。进一步地，所述步骤3中水力关系均以0，-1和1数字化表示，其中0表示无水力关系，-1表示出流，1表示入流。进一步地，所述步骤4中的供水水源包括本地水和外调水，其中本地水包括水库和河道水。进一步地，所述步骤4按照供水水源类型构建和求解多级水资源系统优化配置模型，包括以下步骤：步骤4-1，仅考虑本地水，建立第一级水资源单目标优化配置模型。以分区水资源系统为对象，分别构建各分区以水厂供水保证率最大为目标函数，以水量平衡、本地水源可供水量、泵站过流能力、管道输水能力等为约束的水资源单目标优化配置模型，其中，目标函数：式中，Qj为j水厂的需水量(m3)，xij为第i水库向第j水厂的供水量(m3)。步骤4-2，采用改进的单目标灰狼算法进行上述模型求解，确定各个水厂的缺水量WQi(i＝1,2,...,M)，M为整个水资源系统内的水厂个数；步骤4-3，同时考虑本地水和外调水，建立第二级水资源多目标优化配置模型。以整个水资源系统为对象，构建以系统供水保证率最大、运营总成本最小为目标函数，以外调水分配到各个水厂不小于各水厂缺水量WQi、水量平衡、本地水源可供水量、外调水水源可供水量、泵站过流能力、管道输水能力等为约束的水资源多目标优化配置模型，其中，目标函数为：供水保证率最大运营总成本最小Minf2(x)＝Me+Mi-Mb(3)式中，k＝1,2,..,K为分区个数，Mi为本地水使用费用(￥)，Me为外调水使用费用(￥)，Mb为收益(￥)。其中，本地供水费用包括泵站运行电费、政府水资源费用、非自有水库水资源购置费；外调水包括政府水资源费、以及泵站运行电费。步骤4-4，按照各分区计算，采用改进的多目标灰狼算法求解多目标优化配置模型，获得Pareto方案集合，确定不同方案下各个水库的配水量和外调水量。进一步地，所述步骤4-2采用改进的单目标灰狼算法求解各个分区单目标优化模型，包括以下步骤：步骤4-2-1，初始化算法参数和种群。种群规模大小为Popsize，最大迭代次数Maxgen，决策变量个数Dimension，决策变量取值范围[Lb,Ub]，按照决策变量的取值范围初始化灰狼种群X＝[X1,X2,...,Xi,...,XPopsize]；步骤4-2-2，计算种群中每个个体的适应度，其中水厂供水保证率越大，返回的适应度越大；按照适应度大小进行排序，选择并保存适应度最大的三个个体：Xα、Xβ、Xδ，其中Xα为全局最优的灰狼；步骤4-2-3，采用Xα、Xβ、Xδ对种群中的所有灰狼个体进行更新，更新方式为：其中，t为迭代次数，A＝2a×r1-a，C＝2×r2；A、C和a均为收敛因子，r1、r2为随机变量，r1、r2∈(0，1)，Dα、Dβ、Dδ表示个体Xα、Xβ、Xδ与个体Xi之间的距离。步骤4-2-4，判断迭代次数是否已达到MAXGEN，若是，则终止运行并输出水厂的缺水量；若否，返回步骤4-2-2继续进化；步骤4-2-5，确定系统内所有水厂的缺水量。进一步地，所述步骤4-2-3中收敛因子a采用基于抛物线的非线性收敛方式收敛，方程为：a＝2-2(t/MAXGEN)2(5)其中，t为当前迭代次数，MAXGEN为最大迭代次数。进一步地，所述步骤4-4采用改进的多目标灰狼算法求解系统多目标优化配置模型，包括以下步骤：步骤4-4-1，初始化算法参数和种群。种群规模大小为Np，外部归档集个数为Ne，最大迭代次数为Ngen，决策变量个数为Nd，决策变量取值范围为[Lb,Ub]，按照决策变量的取值范围初始化灰狼种群X；步骤4-4-2，计算种群中每个个体的适应度值，按照适应度值计算所有个体的非支配排序等级和拥挤距离按照以下规则选取Ne个个体作为初始的外部归档集NEA：选取非支配排序等级为rank＝1的个体，若等级为1的个体数量大于Ne，则选择拥挤距离较大的前Ne个体；若不足，则依此选择排序等级为rank＝rank+1中拥挤距离较大的个体，直至外部归档集NEA包含个体数为Ne，以保证种群的多样性；步骤4-4-3，在外部归档集NEA中按照以下规则选择Xα、Xβ、Xδ三个优先等级：若非支配排序的等级均为非占优等级或第一等级，分别选取拥挤距离最大的前三个个体作为Xα、Xβ、Xδ；若非支配排序的等级个数等于2，分别在rank＝1的等级中选取拥挤距离最大的前两个个体作为Xα、Xβ，在rank＝2的等级中选取拥挤距离最大的个体作为Xδ；若非支配排序的等级个数大于2，分别在rank＝1、2、3等级选取拥挤距离最大的三个个体作为Xα、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于“分区-分级”理论的复杂水资源系统优化配置方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，获取水资源系统基本信息数据，包括水库水位-库容关系曲线，水库、泵站、河道、输水管道、水厂的基本特征参数、地理位置信息；/n步骤2，将水资源系统概化为不同单元，包括节点和有向线段；/n步骤3，对整个水资源系统进行片区划分，分别建立不同分区水力关系数字化矩阵；/n步骤4，按照供水水源类型构建和求解多级水资源系统优化配置模型，确定合理的水资源优化配置方案集合。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于“分区-分级”理论的复杂水资源系统优化配置方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取水资源系统基本信息数据，包括水库水位-库容关系曲线，水库、泵站、河道、输水管道、水厂的基本特征参数、地理位置信息；
步骤2，将水资源系统概化为不同单元，包括节点和有向线段；
步骤3，对整个水资源系统进行片区划分，分别建立不同分区水力关系数字化矩阵；
步骤4，按照供水水源类型构建和求解多级水资源系统优化配置模型，确定合理的水资源优化配置方案集合。


2.如权利要求1所述的基于“分区-分级”理论的复杂水资源系统优化配置方法，其特征在于，所述步骤2中将系统中的水库、泵站、河道、水厂分别概化为节点，输水管道概化为有向线段。


3.如权利要求1所述的基于“分区-分级”理论的复杂水资源系统优化配置方法，其特征在于，所述步骤3中分区原则是以水厂为分区中心，按照水库、泵站、河道、输水管道与水厂之间的水力关系进行片区划分。


4.如权利要求3所述的基于“分区-分级”理论的复杂水资源系统优化配置方法，其特征在于，所述步骤3中将不同分区之间的交汇处概化为虚拟节点。


5.如权利要求3所述的基于“分区-分级”理论的复杂水资源系统优化配置方法，其特征在于，所述步骤3中水力关系均以0，-1和1数字化表示，其中0表示无水力关系，-1表示出流，1表示入流。


6.如权利要求1所述的基于“分区-分级”理论的复杂水资源系统优化配置方法，其特征在于，所述步骤4中的供水水源包括本地水和外调水，其中本地水包括水库和河道水。


7.如权利要求6所述的基于“分区-分级”理论的复杂水资源系统优化配置方法，其特征在于，所述步骤4按照供水水源类型构建和求解多级水资源系统优化配置模型，包括以下步骤：
步骤4-1，仅考虑本地水，建立第一级水资源单目标优化配置模型：以分区水资源系统为对象，分别构建各分区以水厂供水保证率最大为目标函数，以水量平衡、本地水源可供水量、泵站过流能力、管道输水能力为约束的水资源单目标优化配置模型；
步骤4-2，采用改进的单目标灰狼算法求解步骤4-1建立的各个分区单目标优化配置模型，确定各个水厂的缺水量WQi，其中，i＝1,2,...,M，M为整个水资源系统内的水厂个数；
步骤4-3，同时考虑本地水和外调水，建立第二级水资源多目标优化配置模型：以整个水资源系统为对象，构建以系统供水保证率最大、运营总成本最小为目标函数，以外调水分配到各个水厂不小于各水厂缺水量WQi、水量平衡、本地水水源可供水量、外调水水源可供水量、泵站过流能力、管道输水能力为约束的水资源多目标优化配置模型；
步骤4-4，采用改进的多目标灰狼算法求解步骤4-3建立的系统多目标优化配置模型，获得Pareto方案集合，确定不同方案下各个水库的配水量和外调水量。


8.如权利要求7所述的基于“分区-分级”理论的复杂水资源系统优化配置方法，其特征在于，所述步骤4-2采用改进的单目标灰狼算法求解各个分区单目标优化模型，包括以下步骤：
步骤4-2-1，初始化算法参数和种群，其中，种群规模大小为Popsize，最大迭代次数为Maxgen，决策变量个数为Dimension，决策变量取值范围为[Lb,Ub]...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭玉雪，许月萍，程伟平，于欣廷，尤延锋，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33