[發(fā)明專利]一種充分灌溉條件下直接補(bǔ)渠的多庫?多站系統(tǒng)水資源優(yōu)化配置方法

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• 申請日: 2017-10-19
• 公開（公告）號: CN107798471A
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 程浩淼;程吉林;龔懿;張禮華;陳興;蔣曉紅;袁承斌;周建康
• 申請（專利權(quán)）人: 揚(yáng)州大學(xué)
• 主分類號: G06Q10/06
• 分類號: G06Q10/06;G06Q10/04;G06Q50/06
• 代理公司: 北京文苑專利代理有限公司11516
• 代理人: 何新平

1.一種充分灌溉條件下直接補(bǔ)渠的多庫—多站系統(tǒng)水資源優(yōu)化配置方法，由多個補(bǔ)渠泵站向單水庫所在供水渠道供水，形成一個直接補(bǔ)渠的單庫—多站系統(tǒng)，再由多個串聯(lián)的單庫—多站系統(tǒng)構(gòu)成直接補(bǔ)渠的多庫—多站系統(tǒng)，聯(lián)合向多個受水區(qū)供水，其特征在于，水資源優(yōu)化配置方法包括以下步驟：

一、模型構(gòu)建，包括以下步驟1～步驟2：

1.以直接補(bǔ)渠的多庫—多站系統(tǒng)年內(nèi)各時段的各水庫供水量與受水區(qū)需水量之差的平方和最小為目標(biāo)，建立如下目標(biāo)函數(shù)：

式中：F為研究對象年內(nèi)各時段的供需水量之差的最小平方和；Z為研究對象年內(nèi)各時段的供需水量之差的平方和；R為水庫數(shù)量，單位：座；h為水庫編號，h＝1,2,……R；N為年內(nèi)劃分的時段數(shù)；i為時段編號，i＝1,2,……N；G_h,i、YS_h,i分別為第h座水庫第i時段的供水量和對應(yīng)的受水區(qū)第i時段的需水量，單位：萬m³；YB_h,k,i為第h座水庫所在供水渠道第k座補(bǔ)渠泵站第i時段供水量，單位：萬m³；目標(biāo)函數(shù)采用平方和表達(dá)是為了加速減少水庫供水量與受水區(qū)需水量之間的偏差；

2.設(shè)置約束條件

包括直接補(bǔ)渠的單庫—多站系統(tǒng)年可供水總量約束條件，考慮上級水庫調(diào)入與自身外調(diào)水量要求的單水庫水量平衡約束條件，單水庫庫容約束條件，以及補(bǔ)渠泵站群運行能耗最小約束條件；

二、模型求解

1.數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，具體包括：將1年劃分為N個時段，并確定各時段長度；測定各水庫初始庫容V_h,0；確定各水庫年可供水總量SK_h、死庫容V_h,min、防洪限制水位對應(yīng)的庫容V_h,P、以及興利庫容V_h,min+△_h,1；測量和計算各水庫各時段來水量LS_h,i、蒸發(fā)與滲漏量EF_h,i，h＝1,2,…R；確定各補(bǔ)渠泵站年允許提水總量BZ_h,k，k＝1,2,…M；測定不同時段揚(yáng)程H_h,k,i下運行的提水流量Q_h,k,i及對應(yīng)的η_z,h,k,i、η_mot,h,k、η_int,h,k；確定各時段各受水區(qū)的作物需水量YS_h,i，h＝1,2,……R；i＝1,2,…,N；

2.將直接補(bǔ)渠的“多庫—多站”大系統(tǒng)模型分解為R個直接補(bǔ)渠的單庫—多站水資源優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型，目標(biāo)函數(shù)為：

3.對直接補(bǔ)渠的單庫—多站水資源優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，從末級無外調(diào)水量要求的單庫—多站系統(tǒng)出發(fā)，依次進(jìn)行單庫—多站系統(tǒng)水資源優(yōu)化配置，具體包括：

(1)利用動態(tài)規(guī)劃逐次逼近對單座水庫—多站系統(tǒng)水資源優(yōu)化配置子模型求解，獲得的水庫供水量過程G_h,i和泵站群補(bǔ)渠總水量過程Y_h,i作為原模型最優(yōu)解，同時還獲得目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值，水庫最優(yōu)棄水量過程PS_h,i，以及上一級水庫對其的補(bǔ)庫水量過程BK_h,i，其中，h＝1,…R；i＝1,…N；

(2)利用分解-動態(tài)規(guī)劃聚合方法對補(bǔ)群泵站群二級子系統(tǒng)模型求解，獲得滿足第i時段泵站群目標(biāo)提水總量Y_h,i的L_h,i值，以及對應(yīng)的各泵站最優(yōu)補(bǔ)水量組合YB_h,k,i^*k＝1,2,…M；

4.獲得多水庫-多泵站系統(tǒng)中每個水庫各時段供水量G_h,i、外調(diào)水量WD_h,i、棄水量PS_h,i、上一級水庫最優(yōu)補(bǔ)庫水量BK_h,i，以及對應(yīng)的各補(bǔ)渠泵站補(bǔ)水量YB_h,k,i過程，h＝1，2，…，R；

步驟(一)中的約束條件包括：

(1)直接補(bǔ)渠的單庫—多站系統(tǒng)年可供水總量約束條件：除末級水庫僅需向所在受水區(qū)供水外，其余各級水庫還需承擔(dān)外調(diào)水任務(wù)，供給下一級水庫，即：

對第1～第R-1座水庫：

其中，h＝1,2,……R-1；

對第R座水庫：

式中：WD_h,i為第h座水庫第i時段外調(diào)給下一級水庫的供水量，單位：萬m³；SK_h為第h座水庫的年可供水總量，單位：萬m³；M為第h座水庫所在供水渠道的補(bǔ)渠泵站數(shù)量，單位：座；k為補(bǔ)渠泵站編號，k＝1,2,……M；BZ_h,k為第h座水庫所在供水渠道的第k座補(bǔ)渠泵站年允許提水總量，單位：萬m³；

(2)考慮上級水庫調(diào)入與自身外調(diào)水量要求的單水庫水量平衡約束條件：對于任意第h個多泵站直接補(bǔ)渠的單庫—多站系統(tǒng)，考慮上級水庫調(diào)入水量和水庫本身外調(diào)水量要求，包括：對第1座水庫，只有外調(diào)水量要求；對第2～R-1座水庫，既有上級水庫對其的補(bǔ)庫水量，又有自身外調(diào)水量要求；對第R座水庫，只有上級水庫補(bǔ)庫水量要求，即根據(jù)水量平衡方程：

對第1座水庫：

V_1,i＝V_1,i-1+LS_1,i-PS_1,i-EF_1,i-G_1,i-WD_1,i (6)

對第2～第R-1座水庫：

V_h,i＝V_h,i-1+LS_h,i+BK_h,i-PS_h,i-EF_h,i-G_h,i-WD_h,i (7)

其中，h＝2,3,…,R-1；

對第R座水庫：

V_R,i＝V_R,i-1+LS_R,i+BK_R,i-PS_R,i-EF_R,i-G_R,i (8)

在此基礎(chǔ)上，水庫調(diào)度準(zhǔn)則如下：

①當(dāng)?shù)趇時段末水庫蓄水量低于水庫死庫容V_h,min時，則第i時段應(yīng)由上一級水庫進(jìn)行補(bǔ)水，補(bǔ)水至興利庫容，即：

V_h,i<V_h,min時：BK_h，i＝V_h，min-V_h，i+Δ_h，1 (9)

此時段水庫棄水PS_h,i＝0；h＝2,3,……R；

②當(dāng)遭遇洪水，第i時段末水庫蓄水量大于防洪限制水位所對應(yīng)水庫蓄水量V_h,P時，則第i時段應(yīng)對水庫進(jìn)行棄水，棄水至水庫防洪限制水位，即：

V_h,i>V_h,P時：PS_h，i＝V_h，i-V_h，P (10)

此時段無需上一級水庫調(diào)水，即BK_h,i＝0；

③當(dāng)?shù)趇時段末水庫蓄水量介于死庫容V_h,min與防洪限制水位所對應(yīng)水庫蓄水量V_h,P之間，則第i時段水庫不需要棄水，不需要上一級水庫調(diào)水，即：

V_h,min≤V_h,i≤V_h,P時：PS_h,i＝BK_h,i＝0 (11)

式中：V_h,i、V_h,i-1分別為第h座水庫第i、i-1時段末的蓄水量，單位：萬m³；LS_h,i、PS_h,i、EF_h,i分別為第h座水庫第i時段的來水量、棄水量、蒸發(fā)與滲漏量，單位：萬m³；BK_h,i為第h座水庫第i時段由上一級，即第h-1座水庫提供的補(bǔ)庫水量，單位：萬m³；

(3)單水庫庫容約束條件：各時段的水庫蓄水量應(yīng)介于水庫死庫容和防洪限制水位對應(yīng)庫容之間，即：

V_h,min≤V_h,i≤V_h,P，i＝1,2，···，N (12)

(4)補(bǔ)渠泵站群聯(lián)合運行能耗最小約束條件：對任意第h座水庫所在供水渠道的補(bǔ)渠泵站群，其在每一供水時段內(nèi)的聯(lián)合運行應(yīng)考慮能耗最小，即：

式中，L_h,i為第h座水庫所在供水渠道第i時段補(bǔ)渠泵站群聯(lián)合運行系統(tǒng)能耗，單位：kW·h；l_h,k,i為第h座水庫所在供水渠道的第k座泵站第i時段運行能耗，單位：kW·h；M為第h座水庫所在供水渠道的補(bǔ)渠泵站數(shù)量，單位：座；ρ為水密度，單位：kg/m³，g為重力加速度，單位：m/s²；Q_h,k,i、H_h,k,i、△T_h,k,i、η_z,h,k,i分別為第h座水庫所在供水渠道的第k座泵站第i時段的流量(m³/s)、時均揚(yáng)程(m)、時段長度(h)和水泵效率；η_mot,h,k、η_int,h,k分別為第h座水庫所在供水渠道的第k座泵站的電動機(jī)效率和傳動效率。