基于供需预测动态校正的跨流域调水方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种供需预测及多点校正的跨流域调水方案制定方法及系统，构建研究区栅格流向矩阵，划分集水单元；选取研究区域内受变化环境影响小的天然集水单元率定模型参数，预测可供水量；筛选出关键驱动因子，构建需水预测模型；对需水量预测结果校正；优化调度模型构建与求解，优选并反演最优解，输出调水方案。本发明专利技术提高了制定跨流域调水方案的可靠性与调水效益。与调水效益。与调水效益。

【技术实现步骤摘要】
基于供需预测动态校正的跨流域调水方法和系统


[0001]本专利技术涉及跨流域调水方案制定方法，尤其是考虑提高供水量与需水量预测精准度的一种供需预测及多点校正的跨流域调水方案制定方法。

技术介绍

[0002]跨流域调水是缓解水资源时空分布不均与日益增长的用水需求矛盾的有效手段，但是要制定合理的跨流域调水方案，就需要准确掌握可供水量和需水量。目前，对于可供水量和需水量的确定方法都存在一定的问题和缺陷。
[0003]对于可供水量，常用的方法有两种：一是选取丰、平、枯典型年的来水情况，制定相应的典型方案，供实际调水时参考；二是采用预报模型，预测来年的水资源情况。这两种方法都不能保证与实际情况完全吻合，因为水文情况具有随机性和不确定性，而且受到气候变化等因素的影响。特别是在平原水网区，由于地理特征复杂多变，常用的水文模型往往不能精确反映实际情况。具体而言，第一种方法是根据典型情况给出的方案，与实际情况相差较大，只能供实际调水参考；第二种方法实际上是利用水文模型预报第二年的水资源情况，准确与否取决于水文模型是否精准，目前常用的水文模型因为平原水网区的地理特征在调水区应用效果往往较差。
[0004]对于需水量，影响因子更加复杂难以准确预测，如人口、经济、社会、环境等。目前常使用的方法较为粗犷，是根据历史需水数据变化趋势外延获得未来的需水量，但这种方法忽略了需水结构和用水效率等因素的变化，常与实际情况有较大的出入。
[0005]因此，需要寻找更加科学合理的方法来确定可供水量和需水量。通过研究创新，解决现有技术存在的上述问题。

技术实现思路

[0006]专利技术目的，提供一种供需预测及多点校正的跨流域调水方案制定方法，以解决现有技术存在的上述问题。另一方面提供一种实现上述跨流域调水方案制定的系统。
[0007]技术方案，根据本申请的一个方面，基于供需预测动态校正的跨流域调水方法，包括如下步骤：步骤S1、确定研究区域并栅格化，获取研究区域的研究数据，构建研究区域各栅格的流向矩阵，确定集水单元，并对集水单元进行划分和聚类；步骤S2、针对每个集水单元，依序对其径流数据进行突变点检验，获得径流变化趋势和突变点的显著性水平数据并以此筛选出准天然集水单元；构建水文模型，并采用准天然集水单元的数据率定水文模型，采用率定后的水文模型预测可供水量，获得可供水量预测结果；步骤S3、针对研究区域，筛选需水量的驱动因子并形成驱动因子集合，从驱动因子集合中筛选出关键驱动因子，构建需水预测模型，以关键驱动因子作为输入，预测研究区域的需水量，获得需水量预测结果；
步骤S4、构建自回归模型，以对需水量预测结果进行校正；步骤S5、构建多目标优化调度模型并以研究数据、可供水量预测结果和需水量预测结果作为基础求解多目标优化调度模型，输出并优选调水方案。
[0008]根据本申请的一个方面，所述步骤S1进一步为：步骤S11、确定跨流域调水系统涉及到的流域范围，形成研究区域并栅格化，提取研究区域的研究数据；所述研究数据包括DEM栅格数据、土壤类型栅格数据、土地利用类型栅格数据、人口密度数据、农业种植数据，以及社会经济发展数据；步骤S12、从研究区域中提取土地类型为平原的栅格，形成平原栅格集合，按照预存储的方法对平原栅格进行编码，形成适用于平原水网区的包含多流向节点的栅格水网流向数据；步骤S13、提取平原水网区的每一河流涉及的所有平原栅格，并从河流的下游往上游逐河段确认栅格流向；步骤S14、提取平原水网区独立的集水单元并进行编码，所述独立集水单元包括湖泊、水库、圩区和坡面；坡面集水单元的提取过程是通过遍历每条河段所在栅格，根据坡面栅格流向分别将汇入每条河段的栅格都按顺序标记为坡面集水单元的唯一标识编码，每个具有相同标识编码的栅格集合为一个集水单元；步骤S16、构建各个集水单元之间拓扑关系；步骤S17、逐一计算每个集水单元每个相邻栅格之间的欧式距离，设定聚类阈值，将集水单元聚类成若干个计算单元，每个计算单元包括至少一个集水单元。
[0009]根据本申请的一个方面，所述步骤S12还包括：步骤S12a、基于编码后的平原栅格，构建平原栅格连通矩阵，查找具有两个以上流向的平原栅格，获取编码信息；步骤S12b、针对每一平原栅格的每一流向，构建各个场景下的流向概率，形成流向概率集合。
[0010]根据本申请的一个方面，所述步骤S2进一步为：步骤S21、采用MK趋势分析方法对各个集水单元出口径流数据进行趋势与突变点检验，获取趋势方向、大小和显著性水平，以及突变点及其显著性水平数据；步骤S22、选取径流变化趋势的显著性水平小于阈值且突变点显著性水平小于阈值的集水区作为研究区域内受变化环境影响小的准天然集水单元，形成准天然集水单元集合；步骤S23、构建水文模型，并逐一采用准天然集水单元的数据进行率定，获得率定后的参数；步骤S24、计算其余的非天然集水单元与每一准天然集水单元的相似度，并降序排列，为每个非天然集水单元匹配一个相似度最大的准天然集水单元；步骤S25、逐一将每个准天然集水单元率定好的参数展布至全流域其他与该准天然集水单元相似度最大的非天然集水单元中；步骤S26、以计算单元为水文模型的水量平衡的最小计算单元，采用率定验证后的模型进行可供水量预测。
[0011]根据本申请的一个方面，步骤S22还包括：
判断是否存在径流变化趋势的显著性水平小于阈值且突变点显著性水平小于阈值的集水区，若存在，接着执行步骤S22至步骤S26，若不存在，转至下述步骤：步骤S27、构建径流变化趋势和突变点权重集，形成综合变化趋势判断模型，针对每一集水单元，通过综合变化趋势判断模型给出变化趋势综合得分，并升序排列；步骤S28、取前K项综合变化趋势得分对应的集水单元，并逐一选取每个集水单元在时间上属于前期的研究数据，构建水文模型并采用属于前期的研究数据对水文模型进行率定，获得K个率定的水文模型；K为自然数；步骤S29、采用K个率定的水文模型进行可供水量预测，并选出准确率最高的水文模型，基于该最优的水文模型进行可供水量预测。
[0012]根据本申请的一个方面，所述步骤S21进一步为：步骤S21a、针对每一降水特征，分别采用MK趋势分析法和Sperman分析法计算统计量，判断是否存在趋势和突变点，并计算趋势的方向、大小、显著性水平，以及突变点的显著性水平；步骤S21b、对MK趋势分析法和Sperman分析法的统计量进行相关性分析，判断相关性系数是否大于阈值，若大于阈值，则认定MK趋势分析法和Sperman分析法具有一致性；步骤S21c、对MK趋势分析法和Sperman分析法的统计量进行现行回归分析，获得回归方程和回归系数；基于回归方程和回归系数，计算MK~Sperman分析法的综合统计量，并计算趋势方向、大小和突变点；或者，构建MK趋势分析法和Sperman分析法统计量权重集，计算新的统计量，计算趋势及其显著性。
[0013]根据本申请的一个方面，所述步骤S22进一步为：步骤S22a、针对每一准天然集水区，通过拉丁超立方随机抽样法随机生成一组参数，代入水文本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于供需预测动态校正的跨流域调水方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、确定研究区域并栅格化，获取研究区域的研究数据，构建研究区域各栅格的流向矩阵，确定集水单元，并对集水单元进行划分和聚类；步骤S2、针对每个集水单元，依序对其径流数据进行突变点检验，获得径流变化趋势和突变点的显著性水平数据并以此筛选出准天然集水单元；构建水文模型，并采用准天然集水单元的数据率定水文模型，采用率定后的水文模型预测可供水量，获得可供水量预测结果；步骤S3、针对研究区域，筛选需水量的驱动因子并形成驱动因子集合，从驱动因子集合中筛选出关键驱动因子，构建需水预测模型，以关键驱动因子作为输入，预测研究区域的需水量，获得需水量预测结果；步骤S4、构建自回归模型，以对需水量预测结果进行校正；步骤S5、构建多目标优化调度模型并以研究数据、可供水量预测结果和需水量预测结果作为基础求解多目标优化调度模型，输出并优选调水方案。2.如权利要求1所述的基于供需预测动态校正的跨流域调水方法，其特征在于，所述步骤S1进一步为：步骤S11、确定跨流域调水系统涉及到的流域范围，形成研究区域并栅格化，提取研究区域的研究数据；所述研究数据包括DEM栅格数据、土壤类型栅格数据、土地利用类型栅格数据、人口密度数据、农业种植数据，以及社会经济发展数据；步骤S12、从研究区域中提取土地类型为平原的栅格，形成平原栅格集合，按照预存储的方法对平原栅格进行编码，形成适用于平原水网区的包含多流向节点的栅格水网流向数据；步骤S13、提取平原水网区的每一河流涉及的所有平原栅格，并从河流的下游往上游逐河段确认栅格流向；步骤S14、提取平原水网区独立的集水单元并进行编码，所述独立集水单元包括湖泊、水库、圩区和坡面；坡面集水单元的提取过程是通过遍历每条河段所在栅格，根据坡面栅格流向分别将汇入每条河段的栅格都按顺序标记为坡面集水单元的唯一标识编码，每个具有相同标识编码的栅格集合为一个集水单元；步骤S15、构建各个集水单元之间拓扑关系；步骤S16、逐一计算每个集水单元每个相邻栅格之间的欧式距离，设定聚类阈值，将集水单元聚类成若干个计算单元，每个计算单元包括至少一个集水单元。3.如权利要求1所述的基于供需预测动态校正的跨流域调水方法，其特征在于，所述步骤S2进一步为：步骤S21、采用MK趋势分析方法对各个集水单元出口径流数据进行趋势与突变点检验，获取趋势方向、大小和显著性水平，以及突变点及其显著性水平数据；步骤S22、选取径流变化趋势的显著性水平小于阈值且突变点显著性水平小于阈值的集水区作为研究区域内受变化环境影响小的准天然集水单元，形成准天然集水单元集合；步骤S23、构建水文模型，并逐一采用准天然集水单元的数据进行率定，获得率定后的参数；步骤S24、计算其余的非天然集水单元与每一准天然集水单元的相似度，并降序排列，
为每个非天然集水单元匹配一个相似度最大的准天然集水单元；步骤S25、逐一将每个准天然集水单元率定好的参数展布至全流域其他与该准天然集水单元相似度最大的非天然集水单元中；步骤S26、以计算单元为水文模型的水量平衡的最小计算单元，采用率定验证后的模型进行可供水量预测。4.如权利要求3所述的基于供需预测动态校正的跨流域调水方法，其特征在于，所述步骤S21进一步为：步骤S21a、针对每一降水特征，分别采用MK趋势分析法和Sperman分析法计算统计量，判断是否存在趋势和突变点，并计算趋势的方向、大小、显著性水平，以及突变点的显著性水平；步骤S21b、对MK趋势分析法和Sperman分析法的统计量进行相关性分析，判断相关性系数是否大于阈值，若大于阈值，则认定MK趋势分析法和Sperman分析法具有一致性；步骤S21c、对MK趋势分析法和Sperman分析法的统计量进行现行回归分析，获得回归方程和回归系数；基于回归方程和回归系数，计算MK~Spe...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹明霖，王腊春，马劲松，袁琪琪，张阳，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：