[发明专利]一种充分灌溉条件下直接补渠的多库‑多站系统水资源优化配置方法

权利要求书

1.一种充分灌溉条件下直接补渠的多库—多站系统水资源优化配置方法，由多个补渠泵站向单水库所在供水渠道供水，形成一个直接补渠的单库—多站系统，再由多个串联的单库—多站系统构成直接补渠的多库—多站系统，联合向多个受水区供水，其特征在于，水资源优化配置方法包括以下步骤：

一、模型构建，包括以下步骤1～步骤2：

1.以直接补渠的多库—多站系统年内各时段的各水库供水量与受水区需水量之差的平方和最小为目标，建立如下目标函数：

式中：F为研究对象年内各时段的供需水量之差的最小平方和；Z为研究对象年内各时段的供需水量之差的平方和；R为水库数量，单位：座；h为水库编号，h＝1,2,……R；N为年内划分的时段数；i为时段编号，i＝1,2,……N；G_h,i、YS_h,i分别为第h座水库第i时段的供水量和对应的受水区第i时段的需水量，单位：万m³；YB_h,k,i为第h座水库所在供水渠道第k座补渠泵站第i时段供水量，单位：万m³；目标函数采用平方和表达是为了加速减少水库供水量与受水区需水量之间的偏差；

2.设置约束条件

包括直接补渠的单库—多站系统年可供水总量约束条件，考虑上级水库调入与自身外调水量要求的单水库水量平衡约束条件，单水库库容约束条件，以及补渠泵站群运行能耗最小约束条件；

二、模型求解

1.数据准备，具体包括：将1年划分为N个时段，并确定各时段长度；测定各水库初始库容V_h,0；确定各水库年可供水总量SK_h、死库容V_h,min、防洪限制水位对应的库容V_h,P、以及兴利库容V_h,min+△_h,1；测量和计算各水库各时段来水量LS_h,i、蒸发与渗漏量EF_h,i，h＝1,2,…R；确定各补渠泵站年允许提水总量BZ_h,k，k＝1,2,…M；测定不同时段扬程H_h,k,i下运行的提水流量Q_h,k,i及对应的η_z,h,k,i、η_mot,h,k、η_int,h,k；确定各时段各受水区的作物需水量YS_h,i，h＝1,2,……R；i＝1,2,…,N；

2.将直接补渠的“多库—多站”大系统模型分解为R个直接补渠的单库—多站水资源优化配置数学模型，目标函数为：

3.对直接补渠的单库—多站水资源优化配置数学模型进行优化，从末级无外调水量要求的单库—多站系统出发，依次进行单库—多站系统水资源优化配置，具体包括：

(1)利用动态规划逐次逼近对单座水库—多站系统水资源优化配置子模型求解，获得的水库供水量过程G_h,i和泵站群补渠总水量过程Y_h,i作为原模型最优解，同时还获得目标函数最优值，水库最优弃水量过程PS_h,i，以及上一级水库对其的补库水量过程BK_h,i，其中，h＝1,…R；i＝1,…N；

(2)利用分解-动态规划聚合方法对补群泵站群二级子系统模型求解，获得满足第i时段泵站群目标提水总量Y_h,i的L_h,i值，以及对应的各泵站最优补水量组合YB_h,k,i^*k＝1,2,…M；

4.获得多水库-多泵站系统中每个水库各时段供水量G_h,i、外调水量WD_h,i、弃水量PS_h,i、上一级水库最优补库水量BK_h,i，以及对应的各补渠泵站补水量YB_h,k,i过程，h＝1，2，…，R；

步骤(一)中的约束条件包括：

(1)直接补渠的单库—多站系统年可供水总量约束条件：除末级水库仅需向所在受水区供水外，其余各级水库还需承担外调水任务，供给下一级水库，即：

对第1～第R-1座水库：

其中，h＝1,2,……R-1；

对第R座水库：

式中：WD_h,i为第h座水库第i时段外调给下一级水库的供水量，单位：万m³；SK_h为第h座水库的年可供水总量，单位：万m³；M为第h座水库所在供水渠道的补渠泵站数量，单位：座；k为补渠泵站编号，k＝1,2,……M；BZ_h,k为第h座水库所在供水渠道的第k座补渠泵站年允许提水总量，单位：万m³；

(2)考虑上级水库调入与自身外调水量要求的单水库水量平衡约束条件：对于任意第h个多泵站直接补渠的单库—多站系统，考虑上级水库调入水量和水库本身外调水量要求，包括：对第1座水库，只有外调水量要求；对第2～R-1座水库，既有上级水库对其的补库水量，又有自身外调水量要求；对第R座水库，只有上级水库补库水量要求，即根据水量平衡方程：

对第1座水库：

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

对第2～第R-1座水库：

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；

对第R座水库：

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

在此基础上，水库调度准则如下：

①当第i时段末水库蓄水量低于水库死库容V_h,min时，则第i时段应由上一级水库进行补水，补水至兴利库容，即：

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

此时段水库弃水PS_h,i＝0；h＝2,3,……R；

②当遭遇洪水，第i时段末水库蓄水量大于防洪限制水位所对应水库蓄水量V_h,P时，则第i时段应对水库进行弃水，弃水至水库防洪限制水位，即：

V_h,i>V_h,P时：PS_h，i＝V_h，i-V_h，P (10)

此时段无需上一级水库调水，即BK_h,i＝0；

③当第i时段末水库蓄水量介于死库容V_h,min与防洪限制水位所对应水库蓄水量V_h,P之间，则第i时段水库不需要弃水，不需要上一级水库调水，即：

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

式中：V_h,i、V_h,i-1分别为第h座水库第i、i-1时段末的蓄水量，单位：万m³；LS_h,i、PS_h,i、EF_h,i分别为第h座水库第i时段的来水量、弃水量、蒸发与渗漏量，单位：万m³；BK_h,i为第h座水库第i时段由上一级，即第h-1座水库提供的补库水量，单位：万m³；

(3)单水库库容约束条件：各时段的水库蓄水量应介于水库死库容和防洪限制水位对应库容之间，即：

V_h,min≤V_h,i≤V_h,P，i＝1,2，···，N (12)

(4)补渠泵站群联合运行能耗最小约束条件：对任意第h座水库所在供水渠道的补渠泵站群，其在每一供水时段内的联合运行应考虑能耗最小，即：

式中，L_h,i为第h座水库所在供水渠道第i时段补渠泵站群联合运行系统能耗，单位：kW·h；l_h,k,i为第h座水库所在供水渠道的第k座泵站第i时段运行能耗，单位：kW·h；M为第h座水库所在供水渠道的补渠泵站数量，单位：座；ρ为水密度，单位：kg/m³，g为重力加速度，单位：m/s²；Q_h,k,i、H_h,k,i、△T_h,k,i、η_z,h,k,i分别为第h座水库所在供水渠道的第k座泵站第i时段的流量(m³/s)、时均扬程(m)、时段长度(h)和水泵效率；η_mot,h,k、η_int,h,k分别为第h座水库所在供水渠道的第k座泵站的电动机效率和传动效率。