本發(fā)明涉及水庫調(diào)度技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種水庫群防洪庫容時空分配設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

洪水災(zāi)害是我國最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，水庫可通過攔洪蓄水來調(diào)節(jié)水流過程，削減進(jìn)入下游河道的洪峰流量，從而達(dá)到減免洪災(zāi)的目的。然而，在洪水調(diào)度實踐中，過多的考慮防洪安全，較少的考慮水庫興利效益的現(xiàn)象，造成了一系列不合理的問題，洪水資源化這一概念被適時地提出。水庫汛限水位是協(xié)調(diào)水庫防洪與興利矛盾的關(guān)鍵要素。我國洪水資源化的主要途徑是開展水庫汛限水位設(shè)計運(yùn)用研究，通過調(diào)整防洪調(diào)度參數(shù)和規(guī)則來進(jìn)行，其中主要是分期汛限水位和汛限水位動態(tài)控制。汛限水位設(shè)計本質(zhì)上是水庫防洪庫容的設(shè)計，而單庫汛限水位設(shè)計與運(yùn)用的基礎(chǔ)理論及試點水庫的研究工作已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，形成了一系列較為成熟的理論方法。相對于單一水庫汛限水位問題，水庫群汛限水位的聯(lián)合運(yùn)用與動態(tài)控制問題更加復(fù)雜。對于水庫群系統(tǒng)，由于水庫之間存在一定的水力聯(lián)系，上下游水庫存在庫容補(bǔ)償，單純提高某一水庫的汛限水位，未必能提高梯級水庫的洪水資源利用率。而且，隨著水庫系統(tǒng)中水庫數(shù)量(維數(shù))的增加，需考慮的信息越來越多，汛限水位的控制也將變得越來越復(fù)雜，目前對水庫群庫容分配問題的研究不多，一般為水庫群系統(tǒng)整體構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型，研究側(cè)重點多為優(yōu)化求解算法，并未深入考慮水庫群庫容的時空分配問題。

在現(xiàn)有的技術(shù)中存在如下問題：(1)目前針對水庫群庫容分配問題僅限于空間分配角度；(2)目前的水庫群聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行庫容分配設(shè)計方法一般為水庫群大系統(tǒng)整體同時優(yōu)化，需優(yōu)化的決策變量太多，且未能考慮水庫群大系統(tǒng)內(nèi)各個水庫承擔(dān)調(diào)度任務(wù)的差異性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決上述問題而進(jìn)行的，目的在于提供一種水庫群防洪庫容時空分配設(shè)計方法，該方法能夠在空間和時間上優(yōu)化設(shè)計水庫群庫容分配方案，同時能兼顧水庫群大系統(tǒng)內(nèi)各個子系統(tǒng)所承擔(dān)調(diào)度任務(wù)的差異性。

本發(fā)明提供了一種水庫群防洪庫容時空分配設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，將水庫群劃分成多個子水庫群，其中，水庫群視為一個大系統(tǒng)，多個子水庫群視為大系統(tǒng)中的多個子系統(tǒng)；建立水庫群大系統(tǒng)庫容時空分配的優(yōu)化模型，優(yōu)化模型有兩級目標(biāo)函數(shù)，一級目標(biāo)函數(shù)為水庫群大系統(tǒng)整體的目標(biāo)優(yōu)化，二級目標(biāo)函數(shù)為水庫群大系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化的決策變量為各子系統(tǒng)庫容分配；所述一級目標(biāo)函數(shù)選取為水庫群大系統(tǒng)所承擔(dān)的總調(diào)度任務(wù)；所述二級目標(biāo)函數(shù)選取為各子系統(tǒng)所承擔(dān)的調(diào)度任務(wù)；

步驟2，對水庫群大系統(tǒng)進(jìn)行空間分區(qū)，計算水庫在空間分區(qū)上的各子系統(tǒng)庫容分配初始方案值，實現(xiàn)水庫群大系統(tǒng)的分區(qū)控制，具體實現(xiàn)如下：

步驟2-1，根據(jù)包括水庫群串并聯(lián)復(fù)雜分布、水庫所承擔(dān)的下游防洪控制點任務(wù)在內(nèi)的多個因素，進(jìn)行水庫群大系統(tǒng)的空間分區(qū)，將水庫群大系統(tǒng)分解為多個子系統(tǒng)；

步驟2-2，建立水庫群大系統(tǒng)庫容空間分配優(yōu)化模型，以步驟1中建立的一級目標(biāo)函數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，以各子系統(tǒng)庫容分配為決策變量，進(jìn)行模型優(yōu)化求解，推求出相應(yīng)于上述一級目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的空間分區(qū)的各子系統(tǒng)庫容分配初始方案值；

步驟3，在水庫群大系統(tǒng)空間分區(qū)的基礎(chǔ)上，對各子系統(tǒng)各水庫進(jìn)行汛期分期，開展各子系統(tǒng)內(nèi)各水庫的分期庫容分配設(shè)計，計算水庫群大系統(tǒng)在時間分期上即各分期之間的庫容分配，具體實現(xiàn)如下：

步驟3-1，對各子系統(tǒng)內(nèi)各水庫進(jìn)行汛期分期，劃分成前汛期、主汛期和后汛期三個汛期時段；

步驟3-2，建立各子系統(tǒng)內(nèi)各水庫分期庫容分配的多目標(biāo)優(yōu)化模型，各子系統(tǒng)以步驟1中建立的二級目標(biāo)函數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，以步驟2優(yōu)化的各子系統(tǒng)庫容分配初始方案值為庫容約束下限值，以各子系統(tǒng)內(nèi)各水庫分期庫容分配為決策變量，開展模型優(yōu)化求解；

步驟4，步驟2和步驟3的兩級優(yōu)化模型嵌套進(jìn)行，計算得到水庫群大系統(tǒng)在空間分區(qū)上和在時間分期上的庫容分配非劣解。

上述步驟1中，水庫群大系統(tǒng)所承擔(dān)的總調(diào)度任務(wù)為總發(fā)電量最大、發(fā)電效益最大或綜合效益最大。

上述步驟1中，水庫群大系統(tǒng)中各子系統(tǒng)所承擔(dān)的分調(diào)度任務(wù)為防洪效益最大、發(fā)電效益最大、供水效益最大、灌溉效益最大、航運(yùn)效益最大中的任意兩個或多個。

上述步驟3中，考慮到各子系統(tǒng)所承擔(dān)的調(diào)度任務(wù)存在差異，各子系統(tǒng)在滿足步驟2優(yōu)化的各子系統(tǒng)庫容分配初始方案值的基礎(chǔ)上，構(gòu)建適用于各子系統(tǒng)本身的多目標(biāo)優(yōu)化模型，選取相應(yīng)于各子系統(tǒng)本身所承擔(dān)的調(diào)度任務(wù)為二級目標(biāo)函數(shù)，單獨開展各子系統(tǒng)時間分期上的庫容分配的優(yōu)化求解。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明提出了一種水庫群防洪庫容時空分配設(shè)計方法，該方法能夠同時在空間和時間上優(yōu)化設(shè)計水庫群庫容分配方案。

(2)本發(fā)明所提出的水庫群防洪庫容時空分配設(shè)計方法兼顧考慮了各個子系統(tǒng)所承擔(dān)調(diào)度任務(wù)的差異性，使得庫容優(yōu)化分配方案在實際調(diào)度過程中更易于操作。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例一中水庫群防洪庫容時空分配設(shè)計方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例一中水庫群大系統(tǒng)空間分區(qū)示意圖，(a)為水庫群大系統(tǒng)考慮串并聯(lián)復(fù)雜分布因素的空間分區(qū)示意圖；(b)為子系統(tǒng)中相鄰水庫的關(guān)系示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明涉及的一種水庫群防洪庫容時空分配設(shè)計方法的具體實施方案進(jìn)行詳細(xì)地說明。

<實施例一>

如圖1所示，本實施例一所提供的一種水庫群防洪庫容時空分配設(shè)計方法包括以下步驟：

步驟1，將水庫群劃分成多個子水庫群，其中，水庫群視為一個大系統(tǒng)，多個子水庫群視為大系統(tǒng)中的多個子系統(tǒng)；建立水庫群大系統(tǒng)庫容時空分配的優(yōu)化模型，優(yōu)化模型有兩級目標(biāo)函數(shù)，一級目標(biāo)函數(shù)為水庫群大系統(tǒng)整體的目標(biāo)優(yōu)化，二級目標(biāo)函數(shù)為水庫群大系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化的決策變量為各子系統(tǒng)庫容分配；

一級目標(biāo)函數(shù)可以選取為水庫群大系統(tǒng)總發(fā)電量最大、發(fā)電效益最大或綜合效益最大等，以防洪庫容為約束條件；例如，若以水庫群系統(tǒng)總發(fā)電量最大為目標(biāo)函數(shù)，以防洪庫容為約束條件，則表達(dá)式為：

目標(biāo)函數(shù)：

約束條件：

式中：e總為整個水庫群大系統(tǒng)汛期發(fā)電量，n為水庫群大系統(tǒng)中子系統(tǒng)個數(shù)，i為水庫大系統(tǒng)中第i個子系統(tǒng),i＝1,2,3…,n，ei(·)為子系統(tǒng)i的汛期發(fā)電量，為子系統(tǒng)i的防洪庫容分配值，t為汛期時段長，t為汛期時段長t內(nèi)的第t時段,t＝1,2,3…,t，ηit為子系統(tǒng)i在t時段的發(fā)電效率系數(shù)，qit為子系統(tǒng)i在t時段的出庫流量，hit為子系統(tǒng)i在t時段的發(fā)電水頭，vf原為水庫大系統(tǒng)原防洪庫容值，為子系統(tǒng)i原防洪庫容值；

在滿足一級目標(biāo)優(yōu)化的初步庫容分配方案值的基礎(chǔ)上，二級目標(biāo)函數(shù)可以選取為子系統(tǒng)所承擔(dān)的調(diào)度任務(wù)，所述調(diào)度任務(wù)可以選擇防洪效益最大、發(fā)電效益最大、供水效益最大及其他綜合利用調(diào)度目標(biāo)中的任意兩個或多個，其他綜合利用調(diào)度目標(biāo)包括但不限于灌溉效益最大、航運(yùn)效益最大。

若子系統(tǒng)為防洪為主，兼顧發(fā)電與供水，則二級目標(biāo)可以選取為防洪庫容最大、發(fā)電量最大、發(fā)電保證率最大和供水效益最大，該子系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

(1)防洪庫容最大：

(2)供水效益最大：

(3)發(fā)電量最大：

(4)發(fā)電保證率最大：

式(1)中：k為洪水場次，vf,i為相應(yīng)于第i場次洪水條件下的防洪庫容值，i＝1,2,…,k，為k個洪水場次情景下的防洪庫容平均值；

式(2)中，w為供水效益，t為總供水時段長，δt為單位供水時段長，為第t時段供水量；

式(3)(4)中，n為計算時段的年數(shù)，m為年內(nèi)的天數(shù)，ni,j為第i年中的第j天的發(fā)電量，e為總發(fā)電量；pf為保證出力，#為計數(shù)符號，若ni,j≥pf則加1，否則加0，pe為發(fā)電保證率。

二級目標(biāo)函數(shù)可通過進(jìn)化算法、約束法、權(quán)重法等方法建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，并將目標(biāo)函數(shù)變形表達(dá)。

步驟2.對水庫群大系統(tǒng)進(jìn)行空間分區(qū)，計算水庫群在空間分區(qū)上的各子系統(tǒng)庫容分配初始方案值，實現(xiàn)水庫群大系統(tǒng)的分區(qū)控制，具體實現(xiàn)如下：

步驟2-1.按水庫群串并聯(lián)復(fù)雜分布、水庫所承擔(dān)的下游防洪控制點任務(wù)等多個因素，進(jìn)行水庫群大系統(tǒng)的空間分區(qū)，將水庫群大系統(tǒng)分解為n個子系統(tǒng)；

如圖2(a)所示，可依據(jù)水庫群大系統(tǒng)串并聯(lián)分布情況，將水庫群大系統(tǒng)在空間上分區(qū)為子系統(tǒng)a,b,c,…；各子系統(tǒng)分別由串聯(lián)的水庫群組成，例如子系統(tǒng)a中的單庫ai和ai+1(1≤i≤n)的關(guān)系，為子系統(tǒng)a的入庫流量，為水庫ai到水庫ai+1的區(qū)間入流，如圖2(b)；子系統(tǒng)a和子系統(tǒng)b構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，擁有共同的下游防洪控制點a，子系統(tǒng)a和子系統(tǒng)b整體和子系統(tǒng)c構(gòu)成串聯(lián)關(guān)系，下游有防洪控制點b；

步驟2-2.建立水庫群大系統(tǒng)庫容空間分配優(yōu)化模型，以步驟1中建立的一級目標(biāo)函數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，以各子系統(tǒng)庫容分配為決策變量，進(jìn)行模型優(yōu)化求解，推求出相應(yīng)于上述一級目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)(最大或最小)的空間分區(qū)的各子系統(tǒng)庫容分配初始方案值為子系統(tǒng)i的防洪庫容分配值，i＝1,2,…,n，n為水庫大系統(tǒng)中子系統(tǒng)個數(shù)。

步驟3.在水庫群大系統(tǒng)空間分區(qū)的基礎(chǔ)上，對各子系統(tǒng)各水庫進(jìn)行汛期分期，開展各子系統(tǒng)內(nèi)各水庫的分期庫容分配(分期汛限水位)設(shè)計，計算水庫群大系統(tǒng)在時間分期上即各分期之間的庫容分配，具體實現(xiàn)如下：

步驟3-1.采用變點分析法等常用的分期方法對子系統(tǒng)內(nèi)各水庫進(jìn)行汛期分期，劃分成前汛期主汛期和后汛期三個汛期時段，i＝1,2,…,n，n為水庫大系統(tǒng)中子系統(tǒng)個數(shù)；

步驟3-2.建立各子系統(tǒng)內(nèi)各水庫分期庫容分配的多目標(biāo)優(yōu)化模型，各子系統(tǒng)以步驟1中建立的二級目標(biāo)函數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，以步驟2優(yōu)化的各子系統(tǒng)庫容分配初始方案值為庫容約束下限值，以各水庫分期庫容分配為決策變量，開展模型優(yōu)化求解；

考慮到各子系統(tǒng)承擔(dān)的調(diào)度任務(wù)存在差異，各子系統(tǒng)可在滿足步驟2中庫容空間分區(qū)的初始分配方案值的基礎(chǔ)上，單獨開展各子系統(tǒng)時間分期上的庫容分配的優(yōu)化求解，選取不同的二級目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建適用于各個子系統(tǒng)本身的多目標(biāo)優(yōu)化模型；例如某單庫以防洪為主，兼顧發(fā)電，則二級目標(biāo)可以選取為防洪庫容最大、發(fā)電量最大；例如某單庫以灌溉為主，兼顧發(fā)電，則二級目標(biāo)可以選取為灌溉保證率最大、發(fā)電量最大。

步驟4.步驟2和步驟3的兩級優(yōu)化模型嵌套進(jìn)行，計算得到水庫群大系統(tǒng)在空間分區(qū)上和在時間分期上的庫容分配非劣解，在子系統(tǒng)內(nèi)部可依據(jù)決策傾向靈活選取具體的水庫庫容分配實施方案。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。