一种水库调度与水资源配置两系统的耦合优化模型的制作方法

1.本发明涉及一种水库调度及水资源配置优化技术，尤其涉及一种水库调度与水资源配置两系统的耦合优化模型。


背景技术：

2.目前针对水库优化调度、水资源优化配置单个问题的研究较多，各自优化模型的构建方法相对成熟。
3.其中水库优化调度模型往往以供水调度图为决策进行优化。周惠成等针对跨流域引水工程中受水水库引水与供水联合调度问题，建立了供水量最大与引水效率最高的多目标联合调度模型，并将其分解成两个单目标调度模型，应用长系列模拟优化的方法，求解受水水库引水与供水联合调度图及其调度规则。彭安邦、彭勇等针对跨流域水库群优化调度具有高维非线性和动态性的特点，提出一种改进粒子群优化算法用于跨流域水库群引(调)水与供水联合调度图的求解。
4.跨流域调水工程涉及到调水区、受水区的水量分配，水资源优化配置往往针对未来某一规划水平年进行优化。王劲峰等提出了区际调水时空优化配置理论模型，该模型通过设定调水工程最优运行的目标和相关约束，实现对水资源进行时间、空间和部门的分配。但是对于跨流域调水工程，其调蓄水库不仅要考虑供水，还要结合供水区未来的可调水量时变过程进行引水规则的优化。另一方面，受水区未来需水过程同样随时间发生变化，仅考虑某一规划年的配水量难以满足精细化配水需求。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供一种水库调度与水资源配置两系统的耦合优化模型，基于水源区可调水量及受水区需水量的变化过程，将水库调度和水资源配置耦合为一个总体系统，通过概化工程供水-调蓄-配水水资源网络，构建跨流域调水工程供-调-需系统时变耦合模型，再根据需求侧时变过程优化供给侧时变过程，从而实现供水工程的优化调度和区域配水工程的水资源优化配置，为决策者进行水资源规划及管理提供了参考。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种水库调度与水资源配置两系统的耦合优化模型，包括以下步骤：
7.s1、为供-调-需系统优化模型设置一个总体目标；
8.s2、设置供-调-需系统优化模型约束条件；
9.s3、确定供-调-需系统优化模型决策变量：
10.供-调系统中，基于供水区提供的可调水量时变过程，根据调蓄节点特性设置引水-供水调度图作为决策变量；调-需系统中，首先将受水区水资源需求概化为多受水单元网络，明确各受水单元需水量时变过程，再以供-调系统优化外调水过程与受水区本地水源构成多水源，将多水源向受水区多用户的时段配水量比例设置为决策变量，最后通过输入供水区可调水量时变过程及受水区需水量时变过程进行系统整体优化，以实现供需双侧时
变耦合；
11.s4、采用高效优化算法进行供-调-需系统优化模型求解。
12.优选的，步骤s1具体包括以下步骤：
13.s11、采集i时间段的：调蓄水库水位-库容曲线、受水区需水量di和供水量ri；
14.s12、利用水库的各项参数构建模型，以需求侧时变过程的缺水量最小为目标，得到如下目标函数：
[0015][0016]
其中，d为需求侧时变过程中的缺水量；di为i时段需水量；ri为i时段供水量；t为总时段数。
[0017]
优选的，步骤s2所述的约束条件包括：水量平衡约束；蓄水量约束；库水位约束；可供水量最大值约束；调度线水位不交叉约束；输水隧洞输水能力约束；配水管道输水能力约束；地下水年均控制开采量约束。
[0018]
优选的，水量平衡约束公式为：
[0019]vt+1
＝v
t
+i
t
δt-e
t-o
t
δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0020]
其中，v
t+1
为t时段末水库蓄水量，v
t
为t时段初水库蓄水量；i
t
为t时段平均入库流量，单位为m3/s；e
t
表示t时段水库蒸发量，单位为m3；o
t
为t时段内恒定的出库流量，单位为m3/s；δt为时段长，单位为s；
[0021]
蓄水量约束公式为：
[0022]smin
≤s
t
≤s
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0023]
其中，s
min
为水库蓄水量下限，s
max
为水库蓄水量上限，s
t
为第t时段初的水库蓄水量；
[0024]
库水位约束公式为：
[0025]
l
min
≤l
t
≤l
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0026]
其中，l
min
为死水位，l
max
在汛期为汛期限制水位、在非汛期为正常蓄水位，l
t
为t时段初水库水位；
[0027]
可供水量最大值约束公式为：
[0028]
p
t
≤p
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0029]
其中，p
t
为t时段水库调水量，p
max
为水库最大可调水量；
[0030]
输水隧洞输水能力约束公式为：
[0031]qt
≤q
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0032]
其中，q
t
表示t时段输水隧洞输送水量，q
max
表示输水隧洞最大可输水量；
[0033]
配水管道输水能力约束公式为：
[0034]rt
≤r
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0035]
其中，r
t
表示t时段配水管道输送水量；r
max
表示配水管道最大可输送水量；
[0036]
地下水年均控制开采量约束公式为：
[0037]
g≤g
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0038]
其中，g
max
为地下水允许开采量。
[0039]
优选的，在步骤s3中，供-调系统中涉及引水、供水规则两部分；其中，引水线将水
位空间划分为不引水和引水两个部分，引水线由t个时段水位值组成；供水规则考虑k个用水户，每种用水户限制线以t个时段的水位变量构成，则为k
×
t个供水决策变量；故供-调系统共有(k+1)
×
t个决策变量；
[0040]
调-需系统中决策变量为n个水源向k个用户的时段配水量比例。
[0041]
优选的，在步骤s4中，优化供给侧时变过程，输入调水区可调水量过程和受水区需水量过程，采用高效优化算法进行模型求解，得到多水源经调蓄工程联合调度的优化方案和多水源、多用户的受水区高效配置优化方案，从而实现供需双侧时变耦合。
[0042]
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0043]
1、水库调度与水资源配置双系统进行耦合，使调水区和受水区的各种水源溶为一体，相互补偿，对水资源配置系统供给侧时变过程进行优化，实现水资源的优化配置，通过整体优化，实现跨流域调水工程供需时变过程的精细化耦合优化；
[0044]
2、基于水源区可调水量及受水区需水量的变化过程，将水库调度和水资源配置耦合为一个总体系统，通过概化工程“供水-调蓄-配水”水资源网络，构建“供-调-需”长系列时变耦合优化模型，再根据需求侧时变过程优化供给侧时变过程，从而实现供水工程的优化调度和区域配水工程的水资源优化配置，为决策者进行水资源规划及管理提供了参考。
[0045]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0046]
图1为本发明的原理流程图。
具体实施方式
[0047]
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
[0048]
本实施例中运用于引汉济渭工程，引汉济渭工程是从陕南地区水资源相对富裕的汉江流域调水进入缺水严重的渭河关中地区，缓解渭河流域关中地区水资源短缺问题，改善渭河流域生态环境而计划兴建的重大基础建设项目。工程调水主要解决渭河沿岸重要城市、县城、工业园区供水，逐步退还挤占的农业与生态用水，缓解城市与农业、生态用水的矛盾，为陕西省水资源配置提供条件。引调水有隧道直供和三河口水库调节两种供水方式，加上当地地表水、地下水和再生水，四水源联合调度。
[0049]
如图1所示，一种水库调度与水资源配置两系统的耦合优化模型，包括以下步骤：
[0050]
s1、为供-调-需系统优化模型设置一个总体目标；
[0051]
优选的，步骤s1具体包括以下步骤：
[0052]
s11、采集i时间段的：调蓄水库水位-库容曲线、受水区需水量di和供水量ri；
[0053]
s12、利用水库的各项参数构建模型，以需求侧时变过程的缺水量最小为目标，得到如下目标函数：
[0054][0055]
其中，d为需求侧时变过程中的缺水量；di为i时段需水量；ri为i时段供水量；t为总
时段数。
[0056]
s2、设置供-调-需系统优化模型约束条件；
[0057]
优选的，步骤s2所述的约束条件包括：水量平衡约束；蓄水量约束；库水位约束；可供水量最大值约束；调度线水位不交叉约束；输水隧洞输水能力约束；配水管道输水能力约束；地下水年均控制开采量约束。
[0058]
优选的，水量平衡约束公式为：
[0059]vt+1
＝v
t
+i
t
δt-e
t-o
t
δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0060]
其中，v
t+1
为t时段末水库蓄水量，v
t
为t时段初水库蓄水量；i
t
为t时段平均入库流量，单位为m3/s；e
t
表示t时段水库蒸发量，单位为m3；o
t
为t时段内恒定的出库流量，单位为m3/s；δt为时段长，单位为s；
[0061]
蓄水量约束公式为：
[0062]smin
≤s
t
≤s
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0063]
其中，s
min
为水库蓄水量下限，一般为死水位相应库容，s
max
为水库蓄水量上限，一般为汛期限制水位对应库容，s
t
为第t时段初的水库蓄水量；
[0064]
库水位约束公式为：
[0065]
l
min
≤l
t
≤l
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0066]
其中，l
min
为死水位，l
max
在汛期为汛期限制水位、在非汛期为正常蓄水位，l
t
为t时段初水库水位；
[0067]
可供水量最大值约束公式为：
[0068]
p
t
≤p
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0069]
其中，p
t
为t时段水库调水量，p
max
为水库最大可调水量；
[0070]
输水隧洞输水能力约束公式为：
[0071]qt
≤q
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0072]
其中，q
t
表示t时段输水隧洞输送水量，q
max
表示输水隧洞最大可输水量；
[0073]
配水管道输水能力约束公式为：
[0074]rt
≤r
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0075]
其中，r
t
表示t时段配水管道输送水量；r
max
表示配水管道最大可输送水量；
[0076]
地下水年均控制开采量约束公式为：
[0077]
g≤g
max (8)
[0078]
其中，g
max
为地下水允许开采量。
[0079]
s3、确定供-调-需系统优化模型决策变量：
[0080]
供-调系统中，基于供水区提供的可调水量时变过程，根据调蓄节点特性设置引水-供水调度图作为决策变量；调-需系统中，首先将受水区水资源需求概化为多受水单元网络，明确各受水单元需水量时变过程，再以供-调系统优化外调水过程与受水区本地水源构成多水源，将多水源向受水区多用户的时段配水量比例设置为决策变量，最后通过输入供水区可调水量时变过程及受水区需水量时变过程进行系统整体优化，以实现供需双侧时变耦合；
[0081]
优选的，在步骤s3中，供-调系统中涉及引水、供水规则两部分；其中，引水线将水位空间划分为不引水和引水两个部分，引水线由t个时段水位值组成；供水规则考虑k个用
水户，每种用水户限制线以t个时段的水位变量构成，则为k
×
t个供水决策变量；故供-调系统共有(k+1)
×
t个决策变量；
[0082]
调-需系统中决策变量为n个水源向k个用户的时段配水量比例，假设用户一共有x1个用水单元，用户二共有x2个用水单元，用户k共有xk个用水单元，总时段数t，则决策变量共n
×
(x1+x2+
…
+xk)
×
t个。
[0083]
在本实施例中，以旬为计算时段，供-调系统中引水规则由36个旬水位值构成；供水规则考虑三种用水户，每种用水户限制线以36个旬的水位变量构成，则有108个供水决策变量；因此，引、供水规则共有144个决策变量，引、供水调度图；
[0084]
调-需系统中决策变量为多水源向多用户的时段配水量比例，本实施例中共有四种水源，三种用水户，假设用户一共有x1个用水单元，用户二共有x2个用水单元，用户三共有x3个用水单元，总时段数36旬，则决策变量共4
×
(x1+x2+x3)
×
36个。
[0085]
s4、采用高效优化算法进行供-调-需系统优化模型求解。
[0086]
优选的，在步骤s4中，优化供给侧时变过程，输入调水区可调水量过程和受水区需水量过程，采用高效优化算法进行模型求解，得到多水源经调蓄工程联合调度的优化方案和多水源、多用户的受水区高效配置优化方案，从而实现供需双侧时变耦合。
[0087]
因此，本发明采用上述水库调度与水资源配置两系统的耦合优化模型，基于水源区可调水量及受水区需水量的变化过程，将水库调度和水资源配置耦合为一个总体系统，通过概化工程供水-调蓄-配水水资源网络，构建跨流域调水工程供-调-需系统时变耦合模型，再根据需求侧时变过程优化供给侧时变过程，从而实现供水工程的优化调度和区域配水工程的水资源优化配置，为决策者进行水资源规划及管理提供了参考。
[0088]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种水库调度与水资源配置两系统的耦合优化模型，其特征在于：包括以下步骤：s1、为供-调-需系统优化模型设置一个总体目标；s2、设置供-调-需系统优化模型约束条件；s3、确定供-调-需系统优化模型决策变量：供-调系统中，基于供水区提供的可调水量时变过程，根据调蓄节点特性设置引水-供水调度图作为决策变量；调-需系统中，首先将受水区水资源需求概化为多受水单元网络，明确各受水单元需水量时变过程，再以供-调系统优化外调水过程与受水区本地水源构成多水源，将多水源向受水区多用户的时段配水量比例设置为决策变量，最后通过输入供水区可调水量时变过程及受水区需水量时变过程进行系统整体优化，以实现供需双侧时变耦合；s4、采用高效优化算法进行供-调-需系统优化模型求解。2.根据权利要求1所述的一种水库调度与水资源配置两系统的耦合优化模型，其特征在于：步骤s1具体包括以下步骤：s11、采集i时间段的：调蓄水库水位-库容曲线、受水区需水量d
i
和供水量r
i
；s12、利用水库的各项参数构建模型，以需求侧时变过程的缺水量最小为目标，得到如下目标函数：其中，d为需求侧时变过程中的缺水量；d
i
为i时段需水量；r
i
为i时段供水量；t为总时段数。3.根据权利要求1所述的一种水库调度与水资源配置两系统的耦合优化模型，其特征在于：步骤s2所述的约束条件包括：水量平衡约束；蓄水量约束；库水位约束；可供水量最大值约束；调度线水位不交叉约束；输水隧洞输水能力约束；配水管道输水能力约束；地下水年均控制开采量约束。4.根据权利要求2所述的一种水库调度与水资源配置两系统的耦合优化模型，其特征在于：水量平衡约束公式为：v
t+1
＝v
t
+i
t
δt-e
t-o
t
δt
ꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，v
t+1
为t时段末水库蓄水量，v
t
为t时段初水库蓄水量；i
t
为t时段平均入库流量，单位为m3/s；e
t
表示t时段水库蒸发量，单位为m3；o
t
为t时段内恒定的出库流量，单位为m3/s；δt为时段长，单位为s；蓄水量约束公式为：s
min
≤s
t
≤s
max
ꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，s
min
为水库蓄水量下限，s
max
为水库蓄水量上限，s
t
为第t时段初的水库蓄水量；库水位约束公式为：l
min
≤l
t
≤l
max
ꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，l
min
为死水位，l
max
在汛期为汛期限制水位、在非汛期为正常蓄水位，l
t
为t时段初水库水位；可供水量最大值约束公式为：p
t
≤p
max
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
其中，p
t
为t时段水库调水量，p
max
为水库最大可调水量；输水隧洞输水能力约束公式为：q
t
≤q
max
ꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，q
t
表示t时段输水隧洞输送水量，q
max
表示输水隧洞最大可输水量；配水管道输水能力约束公式为：r
t
≤r
max
ꢀꢀꢀꢀ
(7)其中，r
t
表示t时段配水管道输送水量；r
max
表示配水管道最大可输送水量；地下水年均控制开采量约束公式为：g≤g
max
ꢀꢀꢀꢀ
(8)其中，g
max
为地下水允许开采量。5.根据权利要求1所述的一种水库调度与水资源配置两系统的耦合优化模型，其特征在于：在步骤s3中，供-调系统中涉及引水、供水规则两部分；其中，引水线将水位空间划分为不引水和引水两个部分，引水线由t个时段水位值组成；供水规则考虑k个用水户，每种用水户限制线以t个时段的水位变量构成，则为k
×
t个供水决策变量；故供-调系统共有(k+1)
×
t个决策变量；调-需系统中决策变量为n个水源向k个用户的时段配水量比例。6.根据权利要求1所述的一种水库调度与水资源配置两系统的耦合优化模型，其特征在于：在步骤s4中，优化供给侧时变过程，输入调水区可调水量过程和受水区需水量过程，采用高效优化算法进行模型求解，得到多水源经调蓄工程联合调度的优化方案和多水源、多用户的受水区高效配置优化方案，从而实现供需双侧时变耦合。

技术总结
本发明公开了一种水库调度与水资源配置两系统的耦合优化模型，包括以下步骤：为供-调-需系统优化模型设置一个总体目标-设置供-调-需系统优化模型约束条件-确定供-调-需系统优化模型决策变量-采用高效优化算法进行供-调-需系统优化模型求解。本发明采用上述水库调度与水资源配置两系统的耦合优化模型，基于水源区可调水量及受水区需水量的变化过程，将水库调度和水资源配置耦合为一个总体系统，通过概化工程供水-调蓄-配水水资源网络，构建跨流域调水工程供-调-需系统时变耦合模型，再根据需求侧时变过程优化供给侧时变过程，从而实现供水工程的优化调度和区域配水工程的水资源优化配置，为决策者进行水资源规划及管理提供了参考。提供了参考。提供了参考。


技术研发人员：祝雪萍 熊庆来 杨党锋 高学睿 郭园 陈虎 赵雪花
受保护的技术使用者：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.07.17
技术公布日：2023/10/15