本發(fā)明涉及多泥沙河流水庫防洪減災(zāi)、抗旱及洪水資源利用，尤其是涉及多泥沙河流綜合利用水庫分期汛限水位優(yōu)化方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

我國的水資源供需矛盾日趨嚴(yán)峻，洪水資源利用對緩解流域水資源短缺問題具有非常重要的意義。一方面，我國大多數(shù)流域河川徑流受季風(fēng)影響，在年內(nèi)和年際間分配極不均勻，流域暴雨洪水具有明顯的季節(jié)性規(guī)律；另一方面，設(shè)置水庫分期汛限水位、進(jìn)行洪水資源利用必然對防洪安全保障等帶來一定風(fēng)險。

文獻(xiàn)研究表明，現(xiàn)有綜合利用水庫分期汛限水位研究主要針對清水河流，如學(xué)者劉攀等人根據(jù)水庫洪峰洪量，考慮防洪風(fēng)險、發(fā)電效益、航運(yùn)效益等因素，提出了長江三峽水庫分期汛限水位優(yōu)化的方法。然而，我國北方氣候干燥、少雨多沙，不僅水資源短缺，而且河流含沙量較大，因此在洪水資源利用時必須考慮河流、水庫的泥沙沖淤問題。目前，涉及多泥沙河流水庫分期汛限水位優(yōu)化的研究較少。多泥沙河流綜合利用水庫分期汛限水位優(yōu)化除了需要涉及清水河流相關(guān)問題外，還涉及泥沙分期特性、水庫淤積形態(tài)、攔沙庫容使用年限等問題。如何統(tǒng)籌防洪、減淤、供水等需求，確定多泥沙河流水庫合適的分期汛限水位，使水庫能夠長期發(fā)揮防洪、減淤、供水、灌溉、發(fā)電等綜合作用，并保持長期有效庫容是本領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種綜合利用水庫分期汛限水位優(yōu)化方法，本發(fā)明另一目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)該優(yōu)化方法的專用優(yōu)化系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取下述技術(shù)方案：

本發(fā)明所述多泥沙河流綜合利用水庫分期汛限水位優(yōu)化方法，按照下述步驟進(jìn)行：

S1、采集多泥沙河流綜合利用水庫分期汛限水位優(yōu)化控制模型所需數(shù)據(jù)，即：采集多泥沙河流綜合利用水庫分期汛限水位優(yōu)化涉及范圍內(nèi)逐日降雨數(shù)據(jù)、洪水要素數(shù)據(jù)、徑流及輸沙率數(shù)據(jù)、水庫的特征參數(shù)、水庫綜合利用要求數(shù)據(jù)；

S2、建立并存儲多泥沙河流綜合利用水庫汛期分期點(diǎn)識別方法，即：以氣象因分析法、數(shù)理統(tǒng)計法、模糊聚類法、分形分析法、圓形分布法為基礎(chǔ)，對所述水庫上下游相關(guān)區(qū)域降雨和水庫洪水泥沙入庫站、下游防洪控制站的流量、含沙量分期特點(diǎn)進(jìn)行分析，通過上述多種方法相互驗(yàn)證，識別多泥沙河流綜合利用水庫上下游洪水泥沙的汛期分期點(diǎn)；

S3、建立并存儲分期汛限水位方案，即：根據(jù)所述汛期分期點(diǎn)的識別結(jié)果，計算分析汛期分期設(shè)計洪水，同時結(jié)合防洪減淤及綜合利用的限制指標(biāo)，擬定分期汛限水位方案；

S4、建立并存儲多泥沙河流分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型，即：基于系統(tǒng)分析理論，以防洪風(fēng)險最小、減淤影響最小、綜合利用效益最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，以防洪控制條件、防洪特征水位為約束，計算防洪風(fēng)險、減淤影響、綜合利用效益指標(biāo)，構(gòu)建分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型；

S5、求解多泥沙河流所述的分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型，即：根據(jù)計算的防洪風(fēng)險、減淤影響、綜合利用效益指標(biāo)，通過基于模糊優(yōu)選處理及誤差反饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)評價方法綜合評價，支撐汛限水位優(yōu)化決策；

S6、生成并輸出多泥沙河流分期汛限水位優(yōu)化方案，即：以分期汛限水位優(yōu)化方案及其洪水資源增蓄量來展示多泥沙河流分期汛限水位最優(yōu)控制策略。

本發(fā)明基于所述多泥沙河流綜合利用水庫分期汛限水位優(yōu)化方法的專用優(yōu)化系統(tǒng)，包括：

數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集多泥沙河流綜合利用水庫分期汛限水位優(yōu)化涉及范圍內(nèi)逐日降雨數(shù)據(jù)、洪水要素數(shù)據(jù)、徑流及輸沙率數(shù)據(jù)、水庫的特征參數(shù)、水庫綜合利用要求數(shù)據(jù)；

分期點(diǎn)識別模塊，接收所述數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，以氣象因分析法、數(shù)理統(tǒng)計法、模糊聚類法、分形分析法、圓形分布法為基礎(chǔ)，對所述水庫分期汛限水位優(yōu)化涉及范圍內(nèi)日雨量、入庫瞬時流量、日平均流量、日平均含沙量進(jìn)行分析，識別多泥沙河流綜合利用水庫分期點(diǎn)；

分期汛限水位方案擬定模塊，接收所述分期點(diǎn)識別模塊數(shù)據(jù)，計算分析汛期分期設(shè)計洪水，同時結(jié)合防洪減淤及綜合利用的限制指標(biāo)，擬定分期汛限水位方案；

多泥沙河流分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建模塊，接收所述分期汛限水位方案擬定模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，用于建立多泥沙河流分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型；

多泥沙河流分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型求解模塊，用于對所述多泥沙河流分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行求解；

多泥沙河流分期汛限水位控制策略輸出模塊，用于輸出分期汛限水位優(yōu)化方案及其洪水資源增蓄量。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是基于多泥沙河流汛期分期特性，通過對降雨、洪水、泥沙分期點(diǎn)識別，建立多泥沙河流分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型，根據(jù)計算的防洪風(fēng)險、減淤影響、綜合利用效益指標(biāo)，通過基于模糊優(yōu)選處理及誤差反饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)評價方法綜合評價，從而求解多泥沙河流分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型，確定多泥沙河流分期汛限水位最優(yōu)控制策略，為實(shí)現(xiàn)多泥沙河流綜合利用水庫分期汛限水位優(yōu)化提供了一種有效途徑。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的優(yōu)化方法流程圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例用于分期點(diǎn)識別的水文站日最大流量圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例用于分期點(diǎn)識別的水文站日最大含沙量圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例用于模型優(yōu)化求解計算的流程圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例用于多目標(biāo)評價模型訓(xùn)練圖。

具體實(shí)施方式

為便于對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，現(xiàn)以黃河干流小浪底水庫為例作進(jìn)一步詳細(xì)說明：

如圖2-5所示，本發(fā)明所述多泥沙河流綜合利用水庫分期汛限水位優(yōu)化方法，按照下述步驟進(jìn)行：

S1、采集多泥沙河流黃河上的控制性綜合利用水庫小浪底水庫分期汛限水位優(yōu)化控制模型所需數(shù)據(jù)，即：采集小浪底水庫分期汛限水位優(yōu)化涉及范圍內(nèi)潼關(guān)、花園口、三花間等站或區(qū)間的逐日降雨數(shù)據(jù)、洪水要素數(shù)據(jù)、徑流及輸沙率數(shù)據(jù)、水庫的特征參數(shù)、水庫綜合利用要求數(shù)據(jù)；

S2、建立并存儲小浪底水庫分期點(diǎn)識別方法，所述多泥沙河流綜合利用水庫分期汛限水位分析方法為：以氣象因分析法、數(shù)理統(tǒng)計法、模糊聚類法、分形分析法、圓形分布法多方法分析技術(shù)為基礎(chǔ)，對小浪底水庫上下游相關(guān)流域范圍內(nèi)日雨量、入庫瞬時流量、日平均流量、日平均含沙量進(jìn)行分析，識別小浪底水庫汛期分期點(diǎn)；通過對小浪底水庫及其相關(guān)區(qū)域代表站和控制區(qū)間進(jìn)行多方法分期點(diǎn)識別，選定8月20日、9月10日、10月10日為相關(guān)水庫代表站和控制區(qū)間分期點(diǎn)；

S3、建立并存儲小浪底水庫分期汛限水位方案；即根據(jù)分期點(diǎn)識別結(jié)果，分析相關(guān)站和區(qū)間的汛期分期設(shè)計洪水，同時根據(jù)小浪底水庫防洪減淤及綜合利用的限制指標(biāo)，擬定多組分期汛限水位方案；

S4、建立并存儲多泥沙河流分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型，接收分期汛限水位方案模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，基于系統(tǒng)分析理論，以防洪風(fēng)險最小、減淤影響最小、綜合利用效益最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，以防洪控制條件、防洪特征水位等為約束，計算防洪風(fēng)險、減淤影響、綜合利用效益指標(biāo)，構(gòu)建汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型。

S5、求解多泥沙河流所述的分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型，即：根據(jù)計算的防洪風(fēng)險、減淤影響、綜合利用效益指標(biāo)，通過基于模糊優(yōu)選處理及誤差反饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)評價方法綜合評價，支撐汛限水位優(yōu)化決策；

多泥沙河流分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)為：

式中，S代表汛限水位優(yōu)化方案，代表第個綜合利用目標(biāo)值，代表綜合利用目標(biāo)個數(shù)。

汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型的主要約束條件為：

（1）水量平衡約束

式中，分別代表第個計算時段初和時段末庫容；分別代表第個計算時段的平均入庫流量和平均出庫流量；為計算步長；

（2）水位約束

式中，分別代表防洪控制計算最高水位及汛末水庫蓄水位；分別代表防洪允許的最高水位及汛末蓄水的最高水位；

（3）流量約束

式中，代表最大下泄流量，代表防洪控泄要求；代表 水位下的下泄流量，代表相應(yīng)水位下的最大泄流能力；代表調(diào)水調(diào)沙時的流量，代表調(diào)水調(diào)沙時的流量要求范圍；代表最小下泄流量，代表最小生態(tài)流量控泄要求；此外，在模型求解計算過程中還涉及到水力計算約束、出力計算約束等；

S6、多泥沙河流分期汛限水位控制策略輸出方案，即：以分期汛限水位最優(yōu)方案及其洪水資源增蓄量來展示多泥沙河流分期汛限水位最優(yōu)控制策略。

通過求解小浪底水庫分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型，提出分期汛限水位最優(yōu)方案，該方案洪水資源增蓄量為1.59億m³。

本實(shí)施例分析如下：

（1）分期點(diǎn)識別及分期設(shè)計洪水計算

選取黃河中游河口鎮(zhèn)~花園口區(qū)間168~673個雨量站作為代表站進(jìn)行降雨分期點(diǎn)識別，選取潼關(guān)站、花園口站、三花間洪水系列作為代表進(jìn)行洪水分期點(diǎn)識別，選取潼關(guān)站作為代表站進(jìn)行泥沙分期點(diǎn)識別，同時考慮氣象成因，綜合分析選定8月20日、10月10日為三花間汛期分期點(diǎn)；選定9月10日、10月10日為潼關(guān)、花園口站汛期的分期點(diǎn)。

分析各站及區(qū)間的分期設(shè)計洪水，選取典型洪水，按照不同的洪水地區(qū)組成，設(shè)計洪水過程。

（2）分期汛限水位方案擬定

在分期點(diǎn)識別和分期設(shè)計洪水成果基礎(chǔ)上，結(jié)合防洪減淤及綜合利用的限制指標(biāo)，擬定小浪底水庫分期汛限水位方案，見表1。

表1 小浪底水庫分期汛限水位方案表

。

（3）分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建與求解

基于系統(tǒng)分析理論，以防洪風(fēng)險最小、減淤影響最小及發(fā)電、供水、灌溉等多種興利效益最大為目標(biāo)函數(shù)，以水庫特征水位、防洪減淤及生態(tài)流量控泄要求等為約束，計算防洪風(fēng)險、減淤影響、綜合利用效益指標(biāo)，構(gòu)建分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型。

根據(jù)不同的分期汛限水位方案，通過黃河中下游混聯(lián)水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度計算、小浪底水庫及下游河道水力學(xué)沖淤計算等計算防洪風(fēng)險、減淤影響、綜合利用效益指標(biāo)，見表2。

表2 待優(yōu)化汛限水位方案不同指標(biāo)特征值表

。

根據(jù)計算的防洪風(fēng)險、減淤影響、綜合利用效益指標(biāo)，通過基于模糊優(yōu)選處理及誤差反饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)評價方法綜合評價。針對擬定的4個方案，通過模糊優(yōu)選處理及誤差反饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練來獲取各方案對最優(yōu)方案的相對隸屬度值之間的復(fù)雜非線性關(guān)系，計算出不同方案最優(yōu)的相對隸屬度，并進(jìn)行優(yōu)劣排序，綜合評價各分期汛限水位方案的風(fēng)險效益，見表3。

表3 待優(yōu)化汛限水位方案多目標(biāo)評價成果表

。

（4）效果分析

根據(jù)小浪底水庫分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型評價結(jié)果，推薦采用方案四，即三門峽、花園口采用9月10日和10月10日的分期點(diǎn)，而三花間采用8月20日和10月10日的分期點(diǎn)。據(jù)此，將小浪底水庫汛期7月1日～10月31日劃分為7月1日～8月20日、8月21日～9月10日、9月11日～10月10日、10月11日～10月31日等4個分期進(jìn)行運(yùn)用，其相應(yīng)的汛限水位分別為254m、260m、266m和271m。經(jīng)對含有豐、平、枯三種來水的典型年進(jìn)行調(diào)算，該方案可在汛末較現(xiàn)有方案至少年均增加蓄水量1.59億m³。

如圖1所示,本發(fā)明基于所述綜合利用水庫分期汛限水位優(yōu)化方法的專用優(yōu)化系統(tǒng)，包括：

數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集綜合利用水庫分期汛限水位優(yōu)化涉及范圍內(nèi)逐日降雨數(shù)據(jù)、洪水要素數(shù)據(jù)、徑流及輸沙率數(shù)據(jù)、水庫的特征參數(shù)、水庫綜合利用要求數(shù)據(jù)；

分期點(diǎn)識別模塊，接收所述數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，以氣象因分析法、數(shù)理統(tǒng)計法、模糊聚類法、分形分析法、圓形分布法為基礎(chǔ)，對所述水庫分期汛限水位優(yōu)化涉及范圍內(nèi)日雨量、入庫瞬時流量、日平均流量、日平均含沙量進(jìn)行分析，識別多泥沙河流綜合利用水庫分期點(diǎn)；

分期汛限水位方案擬定模塊，接收所述分期點(diǎn)識別模塊數(shù)據(jù)，計算分析汛期分期設(shè)計洪水，同時結(jié)合防洪減淤及綜合利用的限制指標(biāo)，擬定分期汛限水位方案；

多泥沙河流分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建模塊，接收所述分期汛限水位方案擬定模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，用于建立多泥沙河流分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型；

多泥沙河流分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型求解模塊，用于對所述多泥沙河流分期汛限水位多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行求解；

多泥沙河流分期汛限水位控制策略輸出模塊，用于輸出分期汛限水位優(yōu)化方案及其洪水資源增蓄量。