[发明专利]工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，包括：建立感潮河网一维水动力‑水质模型；建立工程调度模型，实现工程类型和调度方式的精确定量描述；采用有限差分格式和四级联解法求解感潮河网一维水动力‑水质模型和工程调度模型；针对防洪排涝、水质改善等目标和工程约束条件，建立闸泵群多目标优化调度模型。该方法实现了水动力过程、污染物输移过程与工程调度相互作用的精确定量化描述，在对工程调度模拟仿真的基础上，运用建立的闸泵群多目标优化调度模型，得到闸泵群联合优化调度方案，可显著提高工程调度模拟仿真的实际应用价值。

主权项

1.一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、建立感潮河网一维水动力‑水质模型；S2、建立工程调度模型，实现工程类型和调度方式的精确定量描述；S3、采用有限差分格式和四级联解法，同步求解所述感潮河网一维水动力‑水质模型和所述工程调度模型；S4、针对防洪排涝、水质改善的目标要求，确定目标函数和约束条件，建立闸泵群多目标优化调度模型；该步骤具体包括：S41、变量选取，选取计算时段编号作为阶段变量，选取当前计算时段闸泵过流量s作为状态变量，选取当前计算时段闸泵过流量的变化量d作为决策变量；S42、目标函数设定与处理，结合调度目标，设置优化模型的目标函数，防洪排涝目标：水质改善目标：式中：V为整个河网水系外排水量；K为阶段变量，即计算时段数；Tn为计算时段总数；Vk(Sk,dk)为第K阶段整个河网水系外排水量；Sk和dk为各阶段的状态和决策变量；F1为调度期内，满足所有约束条件的河网水系最大外排水量，即防洪排涝目标函数值；C为调度期内排放到围外的污染物总量；Qk(Sk,dk)为第K阶段闸坝排放到围外水体的平均流量；Ck为闸坝排放到围外水体的污染物浓度；F2为调度期内，满足所有约束条件的河网水系最大外排污染物总量，即水质改善目标函数值，上式表明，防洪排涝以洪水期河网水系下泄水量最大为目标，水质改善目标以每个水闸在调度期间排放到下游河段的污染物总量最大为目标；S43、从河网水力计算、闸泵过流计算、闸孔调度数目和闸泵调度方式设定约束条件，闸边界水力约束：式中，Q为过闸流量；分别为第k阶段上游、下游水位；Z₀为闸底高程；B为闸门开启总净宽，依据下游水位是否影响下泄流量，堰流出流可进一步划分为自由出流和淹没出流，该公式约束了各种出流状态下闸边界与整个河网的水力联系；闸门开启数目约束：式中，为k阶段第n个闸门开启闸孔数；为假定闸门所有闸孔均可用，即第n个闸门设计闸孔数；闸泵设计流量约束：式中，为闸门的过流量；为闸门的设计流量；S5、水动力过程、污染物输移过程与工程调度相互作用的精确定量化描述，该步骤具体包括：S51、以闸泵过流量为决策变量，基于闸泵群多目标优化调度模型，采用多目标优化算法进行优化计算，得到闸泵群联合调度方案的非劣解集；S52、将闸泵群联合调度方案非劣解集作为计算边界条件，利用感潮河网一维水动力‑水质模型和工程调度模型对非劣解集进行可行性验证，计算出闸泵群联合调度方案下河网的水动力、水质过程，确定闸泵群联合调度方案非劣解集中的可行方案；S53、采用熵权公式计算各目标函数的权重，利用集对分析方法计算各可行方案集的联系数，采用集对分析理论，计算各可行方案的联系数，并采用γ准则对刻画方案的联系数进行排序获取最优方案，即闸泵群多目标联合调度最优方案。