一種基于優(yōu)化的河流時(shí)間水權(quán)實(shí)時(shí)調(diào)度管理方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于優(yōu)化的河流時(shí)間水權(quán)實(shí)時(shí)調(diào)度管理方法，屬于環(huán)境保護(hù)與資源綜合利用【技術(shù)領(lǐng)域】。根據(jù)流域管理部門規(guī)定的水量分配目標(biāo)，確定優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，通過引水閘門不同時(shí)間的開閉定量控制河流時(shí)間水權(quán)的分配，建立基于河流時(shí)間水權(quán)的混合整數(shù)優(yōu)化調(diào)度模型；確定優(yōu)化的閘門開閉調(diào)度方案，進(jìn)行閘門關(guān)閉的概率計(jì)算分析，確定閘門關(guān)閉的起始時(shí)間和時(shí)間長度，得到較優(yōu)的河流時(shí)間水權(quán)實(shí)時(shí)調(diào)度管理方法。本方法明確了河流時(shí)間水權(quán)實(shí)時(shí)調(diào)度管理的數(shù)學(xué)量化方法，有利于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)下水資源的高效利用；根據(jù)優(yōu)化模型能得到更合理的時(shí)間水權(quán)調(diào)度規(guī)則，保障最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施，具有理論意義明確、技術(shù)方法先進(jìn)、便于實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種基于優(yōu)化的河流時(shí)間水權(quán)實(shí)時(shí)調(diào)度管理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于優(yōu)化的河流時(shí)間水權(quán)實(shí)時(shí)調(diào)度管理方法，屬于環(huán)境保護(hù)與資 源綜合利用【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，水資源短缺問題日益嚴(yán)重，人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)環(huán)境用水的 矛盾也日益突出，水權(quán)制度逐漸成為維護(hù)用水秩序、促進(jìn)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)水資源高效利用和 環(huán)境保護(hù)的重要途徑。通過水資源使用權(quán)界定，不僅可以建立經(jīng)濟(jì)社會(huì)各部門之間的水資 源權(quán)利邊界，而且可以較好的界定生態(tài)系統(tǒng)與人類社會(huì)之間的用水量邊界，以保障生態(tài)用 水和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展（鄭航，2009)。水權(quán)有"水量水權(quán)"和"時(shí)間水權(quán)"兩種方式，水量 水權(quán)是分配給各用水部門可使用的一定時(shí)期內(nèi)（通常是一年）的總水量，時(shí)間水權(quán)是分配 給各用水部門在一定時(shí)期內(nèi)（從天然河流中）可取水的時(shí)間。水量水權(quán)的實(shí)時(shí)調(diào)度管理中， 管理者和用水部門借助水利調(diào)蓄工程進(jìn)行取用總水量的目標(biāo)控制，手段明確、方法可靠。時(shí) 間水權(quán)的實(shí)時(shí)調(diào)度管理中，管理者往往是通過制止某一時(shí)段非授權(quán)用水部門的取水來保證 該時(shí)段授權(quán)用水部門的取水，實(shí)際操作是通過河流上取水閘門的開閉控制各用水部門的水 權(quán)使用，稱為閉口。然而目前時(shí)間水權(quán)的管理仍是根據(jù)歷史因素或經(jīng)驗(yàn)獲得（鄭航，2009)， 缺乏科學(xué)方法的定量指導(dǎo)，在一些缺乏水利調(diào)蓄與控制工程的流域，難以適應(yīng)當(dāng)今水資源 三條紅線的定量化管理的要求。
[0003] 綜上所述，現(xiàn)行時(shí)間水權(quán)管理存在的問題是缺少明確的數(shù)學(xué)量化方法，難以協(xié)調(diào) 不同用水部門之間的用水水量；實(shí)時(shí)調(diào)度操作的計(jì)劃沒有明確合理的計(jì)算方法，難以制定 較優(yōu)的閉口時(shí)間，產(chǎn)生了浪費(fèi)與短缺并存，個(gè)別時(shí)段的基本經(jīng)濟(jì)社會(huì)和基本生態(tài)環(huán)境用水 難以保證等問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的是提出一種基于優(yōu)化的河流時(shí)間水權(quán)實(shí)時(shí)調(diào)度管理方法，結(jié)合河流 時(shí)間水權(quán)管理方式和數(shù)學(xué)優(yōu)化模型工具，建立基于河流時(shí)間水權(quán)的0-1混合整數(shù)優(yōu)化調(diào)度 模型，根據(jù)引水閘門不同時(shí)間的開閉定量控制和優(yōu)化河流時(shí)間水權(quán)的調(diào)度管理。
[0005] 本發(fā)明提出的基于優(yōu)化的河流時(shí)間水權(quán)實(shí)時(shí)調(diào)度管理方法，包括以下各步驟：
[0006] (1)根據(jù)河流管理部門的要求，確定中游供水區(qū)的需水量和下游供水區(qū)的 需水量WddCT1，將它們作為河流的供水目標(biāo)，其中j為河流中游供水區(qū)的序號(hào)，j = 1，2,…， m，m為河流中游供水區(qū)總數(shù)，河流下游有一個(gè)供水區(qū)，每個(gè)供水區(qū)通過一條渠道從河流引 水，每個(gè)供水區(qū)通過一條分支回流至河道，中游的每個(gè)渠道入口設(shè)有閘門，通過河流中游和 下游的控制斷面的水量全部供給下游供水區(qū)使用，下游供水區(qū)直接從河流引水（不受閘門 控制）；
[0007] (2)建立一個(gè)基于河流時(shí)間水權(quán)的0-1混合整數(shù)優(yōu)化調(diào)度模型，優(yōu)化模型的目標(biāo) 函數(shù)為：
[0008]
[0009] 上式中：t為優(yōu)化模型的時(shí)段指標(biāo)，t = h、……tn，h為第一個(gè)時(shí)段，tn為模型計(jì) 算的最后時(shí)段，％為t時(shí)段河流中游第j個(gè)供水區(qū)的缺水量，w dladi(t)為t時(shí)段河流 下游供水區(qū)的缺水量為權(quán)重系數(shù),通過隨機(jī)或人工生成，滿足Α+w；^ = 1 ;
[0010] (3)設(shè)定優(yōu)化模型關(guān)于河流、河流中游供水區(qū)、河流下游供水區(qū)、匯流節(jié)點(diǎn)、渠道和 閘門的約束條件，如下：
[0011] 河流：
【權(quán)利要求】
1. 一種基于優(yōu)化的河流時(shí)間水權(quán)實(shí)時(shí)調(diào)度管理方法，其特征在于該調(diào)度管理方法包括 以下各步驟： (1) 根據(jù)河流管理部門的要求，確定中游供水區(qū)的需水量和下游供水區(qū)的需水量 wdde;m,將它們作為河流的供水目標(biāo)，其中j為河流中游供水區(qū)的序號(hào),j = 1,2, -,111,111為河 流中游供水區(qū)總數(shù)，河流下游有一個(gè)供水區(qū)，每個(gè)供水區(qū)通過一條渠道從河流引水，每個(gè)供 水區(qū)通過一條分支回流至河道，中游的每個(gè)渠道入口設(shè)有閘門，通過河流中游和下游的控 制斷面的水量全部供給下游供水區(qū)使用，下游供水區(qū)直接從河流引水（不受閘門控制）； (2) 建立一個(gè)基于河流時(shí)間水權(quán)的0-1混合整數(shù)優(yōu)化調(diào)度模型，優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù) 為：
上式中：t為優(yōu)化模型的時(shí)段指標(biāo)，t = t(1、……tn，t(1為第一個(gè)時(shí)段，tn為模型計(jì)算的 最后時(shí)段，為t時(shí)段河流中游第j個(gè)供水區(qū)的缺水量，wdladt(t)為t時(shí)段河流下游供 水區(qū)的缺水量為權(quán)重系數(shù),通過隨機(jī)或人工生成，滿足Α+w；^ = 1 ; (3) 設(shè)定優(yōu)化模型關(guān)于河流、河流中游供水區(qū)、河流下游供水區(qū)、匯流節(jié)點(diǎn)、渠道和閘門 的約束條件，如下： 河流：
河流中游供水區(qū)：
河流下游供水區(qū)：
匯流節(jié)點(diǎn)：
渠道：
閘門：
其中，『υ)、，u)、4、.⑴分別為第t時(shí)段向中游第j個(gè)供水區(qū)供 水的河流入流量、河流出流量，河流供水量和河流損失量，QHv max為河流的過流能力，Qd max 為河流的引水能力，和分別為第t時(shí)段河流 中游第j個(gè)供水區(qū)得到的供水量、耗水量、回歸下游河流的水量、需水量和缺水量，wdsup(t)、 Wddem(t)、Wdlack(t)、Wdinc(t)分別為第t時(shí)段河流下游供水區(qū)的供水量、需水量、缺水量和力口 大量，ν__α)為第t時(shí)段匯流節(jié)點(diǎn)的出流量，表示第t時(shí)段匯流節(jié)點(diǎn)的第1個(gè) 分支入流量，N為流入同一匯流節(jié)點(diǎn)的分支總數(shù)，為第t時(shí)段向中游第j個(gè)供水區(qū) 供水的渠道出流量，a (t)為第t時(shí)段閘門開啟或關(guān)閉狀態(tài)，取值為0或1，β為渠道的損 失系數(shù)，取值范圍為0-1的實(shí)數(shù)，上述約束條件中，河流的過流能力、河流的引水能力和渠 道的損失系數(shù)由河流管理部門提供； (4) 采用混合整數(shù)規(guī)劃方法求解，以天為時(shí)間步長，根據(jù)30年水文歷史資料中的河流 上游入流量WHv in(t)，求解上述步驟（2)和步驟（3)構(gòu)成的混合整數(shù)優(yōu)化調(diào)度模型，得到 優(yōu)化的30年內(nèi)第t時(shí)段河流中游第j個(gè)供水區(qū)的缺水量、河流下游供水區(qū)缺水量 Wdlac;k(t)和第t時(shí)段閘門開啟或關(guān)閉狀態(tài)a (t); (5) 隨機(jī)或人工生成多組Wl、w2，得到權(quán)重集合，，重復(fù)步驟（4)，計(jì)算得到30年的多組 優(yōu)化的第t時(shí)段河流中游第j個(gè)供水區(qū)的缺水量、河流下游供水區(qū)缺水量Wdladi(t) 和第t時(shí)段閘門開啟或關(guān)閉狀態(tài)a (t)，形成一個(gè)由多組優(yōu)化的第t時(shí)段河流中游供水區(qū)的 缺水量、河流下游供水區(qū)的缺水量Wdladi(t)和閘門開啟或關(guān)閉狀態(tài)α⑴組成的非 劣解集
(6) 根據(jù)上述步驟（5)多組優(yōu)化的第t時(shí)段河流中游第j個(gè)供水區(qū)的缺水量 和第t時(shí)段河流下游供水區(qū)的缺水量Wdladi(t)，通過下式計(jì)算得到河流中游供水區(qū)缺水率 Rm_lac；k和河流下游供水區(qū)缺水率R<uac；k :
當(dāng)河流中游供水區(qū)缺水率Rm ladt與河流下游供水區(qū)缺水率Rd ladt的值相等時(shí)（或某一 個(gè)特定的協(xié)調(diào)值），從上述非劣解集W"中檢索出與河流中游供水區(qū)缺水率Rm ladt和河流下 游供水區(qū)缺水率Rd_ladt相等條件下（或某一個(gè)特定的協(xié)調(diào)值）相對(duì)應(yīng)的a (t); (7) 根據(jù)上述步驟（6)的a (t)值，利用概率統(tǒng)計(jì)方法，得到河流中游一年內(nèi)每天閘門 關(guān)閉的分布概率？、？1 =叭1)/30，叭1)為30年中第1天閘門關(guān)閉的次數(shù)，1 = 1，2，···， 365 ； (8) 將上述一年內(nèi)每天閘門關(guān)閉的概率pia分為四個(gè)調(diào)度時(shí)期計(jì)算每個(gè)調(diào)度時(shí)期內(nèi)閘 門關(guān)閉的天數(shù)期望值τχ，作為該調(diào)度時(shí)期內(nèi)河流下游供水區(qū)授權(quán)取水的時(shí)間長度：
其中，X = 1，2, 3, 4,分別代表四個(gè)調(diào)度時(shí)期，Mx為每個(gè)調(diào)度時(shí)期的天數(shù)； (9) 取每個(gè)調(diào)度時(shí)期內(nèi)閘門關(guān)閉的起始時(shí)間Tx(l = tx(l，tx(l為每個(gè)調(diào)度時(shí)期的起始時(shí)間， 然后根據(jù)上述每個(gè)調(diào)度時(shí)期內(nèi)閘門關(guān)閉的天數(shù)期望值T x，依次計(jì)算每個(gè)調(diào)度時(shí)期內(nèi)閘門連 續(xù)Τχ天關(guān)閉的累積頻率Ρχ，得到多個(gè)累積頻率Ρ χ，
其中，Τχ(ι為滿足tx(l彡Τχ(ι彡tx(l+M x-Tx中的正整數(shù)，從多個(gè)累積頻率Ρχ檢索出與最大累 積頻率Ρχ _相對(duì)應(yīng)的閘門關(guān)閉起始時(shí)間Τχ(ι ; (10) 根據(jù)河流管理部門提供的河流從上游流至下游所需的時(shí)間Λ t，以ΤΧ(Γ Λ t作為每 個(gè)調(diào)度時(shí)期閘門關(guān)閉的起始時(shí)間，得到以Tx(|-At、Tx為優(yōu)化參數(shù)的河流時(shí)間水權(quán)實(shí)時(shí)調(diào)度 管理方法。
【文檔編號(hào)】G06Q50/06GK104050537SQ201410284267
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】王忠靜, 朱金峰, 鄭航, 趙建世, 尚文繡, 黃草 申請(qǐng)人:清華大學(xué)