平原河网水工程集群多目标调度规则制定方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种平原河网水工程集群多目标调度规则制定方法及系统，构建平原河网水工程集群整体模拟模型；拟合水情（上游来水流量）和雨情（研究区内降雨量）联合概率分布，随机抽样获取海量情景；构建平原河网水工程集群多目标优化调度模型，并耦合整体模拟模型，进行模拟计算与求解，获得海量情景下水工程集群优化调度方案样本集；基于不同情景下水工程集群优化调度方案样本，提炼最优调度策略的规律性信息，制定平原河网水工程集群多目标调度规则。本发明专利技术与传统水资源调配方案制定方法相比，能够制定更加符合实际情况的水工程集群调度方案，制定出的水工程集群调度方案在实际生产应用中可操作性更强，提高了水资源调配的效益。益。益。

【技术实现步骤摘要】
平原河网水工程集群多目标调度规则制定方法及系统


[0001]本专利技术涉及水工程集群多目标调度规则制定方法，尤其是考虑海量情景寻优与平原河网复杂性的水工程集群多目标调度规则制定方法。

技术介绍

[0002]平原河网工程群是指在平原地区建设的一系列用于引、提、调水的水工程，包括蓄水工程、跨区域调水工程、输水工程、灌溉工程等。这些水工程承担着防洪、供水、水环境、水生态等多方面的任务，往往这些任务存在竞争或矛盾关系，因此制定水工程的多目标调度规则指导水工程高效运行至关重要。然而，平原河网工程群具有以下几个特点，给多目标调度规则的制定带来了巨大的挑战：大规模的水利工程群导致维数灾难。水工程承担着防洪、供水、水环境、水生态等多方面的任务，往往这些任务存在这竞争或者矛盾关系，因此制定水工程的多目标调度规则指导水工程高效运行至关重要。然而水工程日益增多，形成了规模化的水工程集群，多目标调度问题的维度不断上升，引发了“维数灾”。平原河网用于引、提、调水的水工程数量巨大，这个问题在平原河网上尤为凸显，是制定平原河网水工程集群多目标调度规则的难点之一，面对高维复杂系统，传统的调度方法难以有效处理。
[0003]对水工程群所在流域水文水动力过程的描述存在较大困难，由于平原河网区地势平缓集水区区分不明显，河湖水系复杂存在交叉、环装、往复流河流，不同类型的水工程繁多，因此现有的水文水动力模型难以直接应用。同时，平原河网工程群由多个不同类型的水工程组成，这些工程彼此相互关联，构成了一个复杂的耦合系统。例如，蓄水工程可以通过引水补充自身库容，也可以通过输水向其他工程提供补充；跨区域调水工程可以在不同区域之间实现水资源优化配置；灌溉工程可以利用各种类型的水源满足农业用水需求，同时也会影响流域内的径流和地下水补给等。这些耦合关系使得平原河网工程群中各个子系统之间存在着协作或竞争关系，需要综合考虑各个子系统的目标和约束条件，实现整体优化。
[0004]平原河网水工程集群工程体系复杂，包含蓄水工程和跨区域调水工程，工程彼此相互关联，水源不仅可通过引水补水，彼此之间还能相机补水，故水源不仅要考虑自身的决策过程，还要考虑与其它水源的配合，最大限度的发挥工程的整体效益。另外，平原河网区受气候变化和人类活动的影响，流域内的降雨、径流、蒸发等水文要素具有较大的时空变化性。同时，由于平原河网区地下水与地表水之间存在密切的相互作用，地下水位也会随着地表水位和抽取量的变化而波动。这些因素使得平原河网区的水文水动力过程具有较强的动态性和非线性性，给对流域内的水量和水质状态的描述和预测带来了困难。
[0005]平原河网水工程集群多目标调度规则的提取方法存在困难。目前常用的方法是调度图法和调度函数法。面对具有复杂拓扑关系的高维水资源系统，调度图刻画能力不足难以胜任。传统的调度函数法则是多输入单输出的表达形式，如果分水源、分决策类别逐月提取调度函数，工作量大，所要提炼的调度函数繁多，调度规则简单、便捷的优越性难以体现；如果逐水源、逐决策类别提取调度函数，割裂了水源之间的相互配合关系，所得结果难以准
确捕捉联合调度决策的规律信息，特别是水源之间的联合供水关系。决策信息之间嵌套关联，水源各自补水或水源间相机补水影响水源之间的联合供水，水源之间的联合供水反过来又影响水源自身补水及水源之间的相机补水，决策信息之间相互嵌套、相互关联。受到自然和人为因素的影响，还存在着多种不确定性。例如，降雨量、径流量、蒸发量等气象要素具有随机性；地下水位、地表水位、输送管道压力等状态变量具有误差；供需关系、用户偏好、政策法规等人为因素具有模糊性。这些不确定性给平原河网工程群多目标调度规则的制定带来了风险和挑战。
[0006]因此，需要进一步的研发创新，以解决现有技术存在的上述问题。

技术实现思路

[0007]专利技术目的，提供一种平原河网水工程集群多目标调度规则制定方法，以解决现有技术存在的上述问题。另一方面提供平原河网水工程集群多目标调度规则制定的系统。
[0008]技术方案，平原河网水工程集群多目标调度规则制定方法，包括如下步骤：步骤S1、确定研究区域并采集研究数据，构建用于平原河网水工程集群模拟的平原河网整体模拟模型；步骤S2、拟合水情和雨情联合概率分布，形成水情和雨情联合概率分布模型，随机抽样获取预定个模拟情景和对应每个模拟情景的模拟参数；步骤S3、构建平原河网水工程集群多目标优化调度模型，并耦合平原河网整体模拟模型，基于各个模拟情景下的模拟参数进行模拟计算与求解，获得预定个水工程集群优化调度方案，形成水工程集群优化调度方案样本集合；步骤S4、基于不同模拟情景下的水工程集群优化调度方案样本，提炼调度策略的规律性信息，制定平原河网水工程集群多目标调度规则。
[0009]根据本申请的一个方面，所述步骤S1进一步为：步骤S11、收集研究区域的研究数据，所述研究数据包括数字水网数据、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、社会经济发展数据以及耗水数据；步骤S12、将研究区域的DEM栅格数据、土壤类型栅格数据、土地利用类型栅格数据导入ArcSWAT模块，生成研究区初始水系并划分研究区域成为N个子流域，构建初始的SWAT水文模型SWATV0，记为第一水文模型SWATV0；其中，N为自然数；步骤S13、基于数字水网数据生成数字水网坐标系，并将数字水网坐标系转换成与划分的初始水系一致，根据数字水网数据校正初始水系，对平原水网存在往复流的河道增加第二流向属性，并在水系上加入水库、水闸、泵站、取水和排水节点，修正第一水文模型SWATV0，获得第一次改进的SWAT模型SWATV1，记为第二水文模型SWATV1；步骤S14、针对第二水文模型SWATV1中每一个子流域增加取~用~耗~排模块，得到第二次改进模型SWATV2，记为第三水文模型SWATV2；步骤S15、针对第三水文模型SWATV2中每一个水工程，构建调度运行模块，替换原有的水工程计算规则，得到第三次改进模型SWATV3，记为第四水文模型SWATV3。
[0010]根据本申请的一个方面，所述步骤S2进一步为：步骤S21、分别构建上游来水流量和研究区内降水量的边际分布，并通过拟合上游
来水流量和研究区内降雨量的边际分布形成水情和雨情的联合概率分布，对拟合效果进行交叉检验，选取拟合度最高的分布作为水情和雨情的边际分布，并采用极大似然估计方法确定所选分布的参数；步骤S22、采用Kendall相关系数、Spearman相关系数和Pearson相关系数交叉验证水情和雨情分析边缘函数间相关性，分析建立联合概率分布函数的置信水平；步骤S23、构建水情和雨情的最优Copula函数；步骤S24、采用DREAM算法以水情和雨情联合概率分布为先验分布，对水情和雨情的组合进行随机抽样，获取预定数量个模拟情景。
[0011]根据本申请的一个方面，所述步骤S23进一步为：步骤S23a、采用包括ClaytonCopula、Gumbel
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HougaardCopula、Fran本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.平原河网水工程集群多目标调度规则制定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、确定研究区域并采集研究数据，构建用于平原河网水工程集群模拟的平原河网整体模拟模型；步骤S2、拟合水情和雨情联合概率分布，形成水情和雨情联合概率分布模型，随机抽样获取预定个模拟情景和对应每个模拟情景的模拟参数；步骤S3、构建平原河网水工程集群多目标优化调度模型，并耦合平原河网整体模拟模型，基于各个模拟情景下的模拟参数进行模拟计算与求解，获得预定个水工程集群优化调度方案，形成水工程集群优化调度方案样本集合；步骤S4、基于不同模拟情景下的水工程集群优化调度方案样本，提炼调度策略的规律性信息，制定平原河网水工程集群多目标调度规则。2.如权利要求1所述的平原河网水工程集群多目标调度规则制定方法，其特征在于，所述步骤S1进一步为：步骤S11、收集研究区域的研究数据，所述研究数据包括数字水网数据、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、社会经济发展数据以及耗水数据；步骤S12、将研究区域的DEM栅格数据、土壤类型栅格数据、土地利用类型栅格数据导入ArcSWAT模块，生成研究区初始水系并划分研究区域成为N个子流域，构建初始的SWAT水文模型SWATV0，记为第一水文模型SWATV0；其中，N为自然数；步骤S13、基于数字水网数据生成数字水网坐标系，并将数字水网坐标系转换成与划分的初始水系一致，根据数字水网数据校正初始水系，对平原水网存在往复流的河道增加第二流向属性，并在水系上加入水库、水闸、泵站、取水和排水节点，修正第一水文模型SWATV0，获得第一次改进的SWAT模型SWATV1，记为第二水文模型SWATV1；步骤S14、针对第二水文模型SWATV1中每一个子流域增加取~用~耗~排模块，得到第二次改进模型SWATV2，记为第三水文模型SWATV2；步骤S15、针对第三水文模型SWATV2中每一个水工程，构建调度运行模块，替换原有的水工程计算规则，得到第三次改进模型SWATV3，记为第四水文模型SWATV3。3.如权利要求1所述的平原河网水工程集群多目标调度规则制定方法，其特征在于，所述步骤S2进一步为：步骤S21、分别构建上游来水流量和研究区内降水量的边际分布，并通过拟合上游来水流量和研究区内降雨量的边际分布形成水情和雨情的联合概率分布，对拟合效果进行交叉检验，选取拟合度最高的分布作为水情和雨情的边际分布，并采用极大似然估计方法确定所选分布的参数；步骤S22、采用Kendall相关系数、Spearman相关系数和Pearson相关系数交叉验证水情和雨情分析边缘函数间相关性，分析建立联合概率分布函数的置信水平；步骤S23、构建水情和雨情的最优Copula函数；步骤S24、采用DREAM算法以水情和雨情联合概率分布为先验分布，对水情和雨情的组合进行随机抽样，获取预定数量个模拟情景。4.如权利要求3所述的平原河网水工程集群多目标调度规则制定方法，其特征在于，所述步骤S23进一步为：
步骤S23a、采用包括ClaytonCopula、Gumbel
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HougaardCopula、FrankCopula、t
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Copula、GuassianCopula在内的Copula联合分布函数来分别构建水情和雨情的联合概率分布，并采用极大似然估计确定相应的参数；步骤S23b、在确定Copula联合分布函数的参数值后，分别计算各自的理论联合概率值，计算水情和雨情的经验联合概率值，将计算得到的理论联合概率值与经验联合概率值绘制散点图，对Copula联合分布函数的拟合效果图进行比较，通过直观的比较理论联合概率值和经验联合概率值的拟合的优劣程度；步骤S23c、对Copula联合分布函数进行初步拟合优度评价；同时，基于经验Copula函数，考察Copula联合分布函数的均方根误差RMSE，最终确定最优Copula联合分布函数。5.如权利要求1所述的平原河网水工程集群多目标调度规则制定方法，其特征在于，所述步骤S3进一步为：步骤S31、按丰、平、枯超越概率对水情和雨情的情景进行分类；步骤S32、针对每一类情景设置水工程集群多目标优化调度的整体优...

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