一种适用于复杂水力联系的海绵城市洪涝优化调度方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于复杂水力联系的海绵城市洪涝优化调度方法，包括：构建城区水力联系拓扑关系图；确定洪涝调度的主要节点、优化计算时段间隔；根据洪涝调度的主要控制目标，确定洪涝调度的目标函数；确定洪涝调度的约束条件；根据洪涝调度的目标函数和约束条件，建立洪涝调度模型；按照洪涝调度的目标函数优先级，采用分层优化法，结合洪涝调度的优化计算时段间隔，优化求解洪涝调度模型，集成洪涝调度系统，并根据洪涝调度模型的优化调度结果，指导城区洪涝调度。本发明专利技术针对具有复杂网状水力联系的海绵城市洪涝调度问题，可避免现有经验调度方式的盲目性，实现城市洪涝问题的科学和精细化调度，消除或最大程度减轻城市洪涝灾害损失。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于复杂水力联系的海绵城市洪涝优化调度方法
本专利技术涉及城市防洪减灾
，更具体的涉及一种适用于复杂网状水力联系的海绵城市洪涝优化调度方法。
技术介绍
城市防洪减灾是海绵城市建设的主要目的之一，海绵城市建设旨在通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术，维持或恢复城市的“海绵”功能，实现城市良性水文循环。从非工程措施角度分析，为系统而又高效地发挥工程对洪水的削减、转输、调蓄等功能，达到有效消除或减轻城市雨洪灾害目的，开展城市洪涝优化调度工作，形成科学的调度决策和方案，这些非工程措施是海绵城市建设不可回避的重要工作。现有的城市洪涝灾害研究和防洪减灾方法主要集中在城市洪涝过程模拟和洪涝预报，城市洪涝调度方面则存在欠缺，以经验调度为主，优化调度鲜有涉及。海绵城市建设重构了城市下垫面、水系空间，输调配水工程以及河湖连通工程使得城市水系统拓扑结构从单纯的树状结构变为复杂的网状结构。与其他区域水资源优化调度相比，海绵城市雨水系统优化调度具有较多特殊性，比如水资源系统环状网络结构、洪水顶托、天然水道和人工渠化水道并存的水量转输和调蓄等问题。经验调度方式和传统的水资源调度方法不能考虑复杂网状水力联系，湖泊蓄泄、控制闸操作和泵排流量决策的时空组合极多，各约束耦合关系复杂，经验调度方式无法做到全域、全时空的统一调度，无法发挥海绵城市工程的最佳效用，因此不能适用于复杂的海绵城市洪涝调度问题。基于此，本专利技术提出一种适用于复杂网状水力联系的海绵城市洪涝优化调度方法。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种适用于复杂水力联系的海绵城市洪涝优化调度方法，用以解决上述
技术介绍
中提出的问题。本专利技术实施例提供一种适用于复杂水力联系的海绵城市洪涝优化调度方法，包括：分析海绵城市河湖管网系统，构建城区水力联系拓扑关系图；根据城区水力联系拓扑关系图中的节点，确定洪涝调度的主要节点；并根据主要节点之间的水流传播时间，确定洪涝调度的优化计算时段间隔；根据洪涝调度的主要控制目标，确定洪涝调度的目标函数；根据河段流量演算、湖泊水库蓄水限制和水量平衡、关键节点水位和流量控制、河道水位-流量-断面面积关系、控制闸过流能力和相邻时段流量变幅，确定洪涝调度的约束条件；根据洪涝调度的目标函数和洪涝调度的约束条件，建立洪涝调度模型；按照洪涝调度的目标函数优先级，采用分层优化法，结合洪涝调度的优化计算时段间隔，优化求解洪涝调度模型；集成洪涝调度系统，并根据洪涝调度模型的优化调度结果，指导城区洪涝调度。进一步地，所述根据海绵城市河湖管网系统，构建城区水力联系拓扑关系图，具体包括：实地考察海绵城市河湖管网系统，结合海绵城市规划设计资料和卫星地图，依据海绵城区防洪排涝主次关系，构建城区水力联系拓扑关系图；其中，所述海绵城市河湖管网系统包括：河、湖、水库、连通渠、控制闸、排涝泵站、排水管网。进一步地，所述城区水力联系拓扑关系图中的节点，包括：关键水位控制点、水文/水位站点、河渠控制闸、排涝泵站。进一步地，所述洪涝调度的目标函数，包括：洪涝灾害损失最小，用调度洪峰流量最小、关键水位控制点淹没时长表示；调度成本最低，用泵排总流量、控制闸操作次数表示。进一步地，所述洪涝调度的约束条件，具体包括：考虑水流滞时的城区湖泊(水库)水量平衡，表示为：考虑水流滞时的城区河道水量平衡，表示为：其中，i表示湖泊，j表示河道，P表示区间汇流量，Q表示入流量，O表示出流量，A表示流入控制闸集合，B表示流出控制闸集合，m表示控制闸，τm表示控制闸相应渠道的水流传播时间，V表示蓄水量，t表示时段；湖泊(水库)蓄水限制，表示为：其中，Vmin、Vmax分别是湖泊允许的最小和最大蓄水量，此处用蓄水量表示与水量平衡一致，避免水位-蓄水量关系的换算，优化计算完成之后再将蓄水量换算为水位；控制闸过流能力限制，表示为：其中，k是控制闸编号，是其最大过流能力；控制闸相邻时段流量变幅应尽可能平稳，表示为：其中，Δqk是控制闸k在相邻时段的流量变幅；划分的河段节点处水位-流量-断面面积关系由水文站点数据拟合，缺少基本数据时根据邻近水文站点和水力学公式推算；水位-流量-断面面积关系采用二次表达式拟合，不宜采用高次多项式，以免规划求解中出现数值病态；若曲线关系的线性相关度高，采用线性表达式拟合，同时降低计算复杂度；河道断面面积-流量关系，表示为：河道水位-流量关系，表示为：其中，Q表示流量，S表示断面面积，Z表示水位；洪涝调度模型中各变量均取非负值。进一步地，所述洪涝调度的约束条件，具体还包括：关键节点水位和流量控制、水位顶托关系、调度期湖泊水库初末蓄水量或水位。本专利技术实施例提供的适用于复杂水力联系的海绵城市洪涝优化调度方法，还包括：对洪涝调度模型中特殊形式的约束进行处理，使之满足数学规划的要求；对流量变幅控制涉及的绝对值约束式(5)，进行等价处理如下：进一步地，所述优化求解洪涝调度模型，具体包括：求解优先级最高的目标，得到优化调度的最大洪峰流量；以最大洪峰流量为约束，即在不超过最大洪峰流量的前提下，对泵排流量和控制闸流量变幅进行优化；在分层优化求解过程中，两级优化均是非线性规划，采用基于Python的优化建模工具Pyomo编程实现洪涝调度模型，并且调用Ipopt采用内点法进行求解。进一步地，所述集成洪涝调度系统，并根据洪涝调度模型的优化调度结果，指导城区洪涝调度，具体包括：将优化后的洪涝调度模型集成到洪涝调度系统中，通过txt文本交换数据，输入是预测的城区洪水过程，输出是经过优化计算得到的湖泊水库蓄泄过程和控制闸流量过程；洪涝调度系统接受调度计算命令后，在后台执行调度模型程序，然后在洪涝调度系统界面上显示最优的调度决策，根据最优的调度决策指导城区洪涝调度。本专利技术实施例提供一种适用于复杂水力联系的海绵城市洪涝优化调度方法，与现有技术相比，其有益效果如下：本专利技术针对具有复杂网状水力联系的海绵城市洪涝调度问题，通过水资源系统分析方法，运用数学规划理论，构建科学有效的优化调度模型求解方法，为城市洪涝调度和防洪减灾提供科学的方案和决策；该洪涝优化调度方法可避免现有经验调度方式的盲目性，实现城市洪涝问题的科学和精细化调度，消除或最大程度减轻城市洪涝灾害损失；系统而又高效地发挥海绵城市工程对洪水的的削减、转输、调蓄等功能，形成科学的调度决策和方案，达到有效消除或减轻城市雨洪灾害的目的。附图说明图1为本专利技术实施例提供的海绵城市洪涝调度模型和方法的流程图；图2为本专利技术实施例提供的萍乡城区河湖管网系统拓扑结构；图3为本专利技术实施例提供的萍乡水文站历史实测和模拟调度的水位-流量对比关系图；图4为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于复杂水力联系的海绵城市洪涝优化调度方法，其特征在于，包括：/n分析海绵城市河湖管网系统，构建城区水力联系拓扑关系图；/n根据城区水力联系拓扑关系图中的节点，确定洪涝调度的主要节点；并根据主要节点之间的水流传播时间，确定洪涝调度的优化计算时段间隔；/n根据洪涝调度的主要控制目标，确定洪涝调度的目标函数；/n根据河段流量演算、湖泊水库蓄水限制和水量平衡、关键节点水位和流量控制、河道水位-流量-断面面积关系、控制闸过流能力和相邻时段流量变幅，确定洪涝调度的约束条件；/n根据洪涝调度的目标函数和洪涝调度的约束条件，建立洪涝调度模型；/n按照洪涝调度的目标函数优先级，采用分层优化法，结合洪涝调度的优化计算时段间隔，优化求解洪涝调度模型；/n集成洪涝调度系统，并根据洪涝调度模型的优化调度结果，指导城区洪涝调度。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于复杂水力联系的海绵城市洪涝优化调度方法，其特征在于，包括：
分析海绵城市河湖管网系统，构建城区水力联系拓扑关系图；
根据城区水力联系拓扑关系图中的节点，确定洪涝调度的主要节点；并根据主要节点之间的水流传播时间，确定洪涝调度的优化计算时段间隔；
根据洪涝调度的主要控制目标，确定洪涝调度的目标函数；
根据河段流量演算、湖泊水库蓄水限制和水量平衡、关键节点水位和流量控制、河道水位-流量-断面面积关系、控制闸过流能力和相邻时段流量变幅，确定洪涝调度的约束条件；
根据洪涝调度的目标函数和洪涝调度的约束条件，建立洪涝调度模型；
按照洪涝调度的目标函数优先级，采用分层优化法，结合洪涝调度的优化计算时段间隔，优化求解洪涝调度模型；
集成洪涝调度系统，并根据洪涝调度模型的优化调度结果，指导城区洪涝调度。


2.如权利要求1所述的适用于复杂水力联系的海绵城市洪涝优化调度方法，其特征在于，所述根据海绵城市河湖管网系统，构建城区水力联系拓扑关系图，具体包括：
实地考察海绵城市河湖管网系统，结合海绵城市规划设计资料和卫星地图，依据海绵城区防洪排涝主次关系，构建城区水力联系拓扑关系图；
其中，所述海绵城市河湖管网系统包括：河、湖、水库、连通渠、控制闸、排涝泵站、排水管网。


3.如权利要求1所述的适用于复杂水力联系的海绵城市洪涝优化调度方法，其特征在于，所述城区水力联系拓扑关系图中的节点，包括：
关键水位控制点、水文/水位站点、河渠控制闸、排涝泵站。


4.如权利要求1所述的适用于复杂水力联系的海绵城市洪涝优化调度方法，其特征在于，所述洪涝调度的目标函数，包括：
洪涝灾害损失最小，用调度洪峰流量最小、关键水位控制点淹没时长表示；
调度成本最低，用泵排总流量、控制闸操作次数表示。


5.如权利要求1所述的适用于复杂水力联系的海绵城市洪涝优化调度方法，其特征在于，所述洪涝调度的约束条件，具体包括：
考虑水流滞时的城区湖泊(水库)水量平衡，表示为：



考虑水流滞时的城区河道水量平衡，表示为：



其中，i表示湖泊，j表示河道，P表示区间汇流量，Q表示入流量，O表示出流量，A表示流入控制闸集合，B表示流出控制闸集合，m表示控制闸，τm表示控制闸相应渠道的水流传播时间，V表示蓄水量，t表示时段；
湖泊(水库)蓄水限制，表示为：
Vimin≤Vit≤Vimax(3)
其中，Vmin、Vmax分别是湖泊允许的最小和最大蓄水量，此处...

【专利技术属性】
技术研发人员：康传雄，桂发亮，黄监初，白桦，王涛，
申请(专利权)人：南昌工程学院，江西省宜春水文局江西省宜春水资源监测中心，
类型：发明
国别省市：江西;36