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1、收稿日期: 2003 ?05?26. 作者简介: 黄牧涛( 1973?), 女, 博士研究生; 武汉, 华中科技大学水电与数字化工程学院 ( 430074). E ?mail: hmt1973 sina. com 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 50079006). 灌区库群系统水资源优化配置模型研究 黄牧涛 ? 王 ? 乘 ? 张勇传 ( 华中科技大学 水电与数字化工程学院, 湖北 武汉 430074) 摘要: 以云南曲靖灌区为例, 采用大系统分解协调技术对大型灌区水库群系统水资源优化配置问题进行了分 析和研究; 构建了水资源系统两级递阶分解协调模型, 并给出了模型优化决策算法的程
2、序框图. 关? 键? 词: 灌区; 水库群; 优化; 分解协调; 递阶 中图分类号: TV212. 3? ? 文献标识码: A? ? 文章编号: 1671 ?4512( 2004) 01?0093?03 The optimized allocation model for water resources of multi?reservoirs system in the irrigation area Huang Mutao ? Wang Cheng ? Zhang Yongchuan Abstract: A large?scale system decomposition?coordinat
3、ion technique was applied to analyze and study the optimization allocation of water resourcesof multi?reservoirs system in large irrigation areas with an example of Qujing irrigation area in Yunnan Province. T he optimization operation model with the two?level hierar? chical decomposition?coordinati
4、on was established. The program diagrams of optimal decision algorithm were given. The results provided scientific basis for the water operation in other irrigation areas. Key words: irrigation area; multi?reservoir; optimization; decomposition?coordination; hierarchical Huang Mutao? Doctoral Candid
5、ate; College of Hydropower 然后灌 区决策部门对反馈的各项指标进行综合分析和评 判, 并根据这些指标和整个系统的优化目标修正 关联预估值( 本模型的协调变量) . 修正关联预估 值时, 需要不断调整权重向量及供水分配系数矩 阵. 当某类用户的供水保证率普遍达不到规定值 时, 可加大其权重. 对各子系统间的供水保证率或 缺水率不够均衡等情况, 可调整后得到新的预估 值. 重复以上步骤, 直至上述目标达到优化为止, 从而得到全局意义上的水资源优化配置方案. 图 1? 灌区水资源优化配置递阶结构图 2? 数学模型 2. 1? 分灌区库群系统水资源优化配置模型 本模型以满足整
6、个调度期内各子系统供水要 求为优化目标, 即将子系统实际供水量和设计目 标供水量之间的偏差最小作为目标函数. 在目标 函数中, 考虑生活、 工业、 农业和其他用水部门的 重要性及供水保证率不同, 以其权重系数来协调 各部门间矛盾. 在子系统水资源配置过程中, 水库 以满足防洪为第一约束( 以各水库防洪限制水位 为控制) ; 下游子系统用水户可调用上游子系统的 水量, 反之则不然; 各用水部门先利用区间来水, 不够则使用水库调配; 在动用水库供水时, 应尽可 能考虑未来时段的来水、 用水状况, 水库尽可能蓄 水补欠; 系统内各用户供水优先次序是城镇生活 用水、 工业用水、 农业灌溉用水、 环境生
7、态用水. A. 目标函数 对第 n 个子系统, 其目标函数为 minfn= ! Nd k= 1 wk! T t= 1 ! Nr i= 1 yi, k( t) - Dk( t ) 2, (1) 式中, fn为第 n 个子系统供水量偏差, n= 1, 2, , 15; wk为第k 个用水部门供水量的归一化权 重系数, 即 ?wk= 1, wk可根据各用水部门的相 对重要性或各用户单位供水量的净效益进行率 定, 计算结果如不满足所要求的供水保证率, 可加 以调整进行优化计算, 直到满足条件为止; Nd是 城镇生活、 工业生产、 农业灌溉等用水部门的总 数; Dk( t) 是子系统用水部门 k 时段
8、t 的设计目 标供水量; yi, k( t )是子系统水库 i 在时段 t 向用 水部门 k 供水的实际供水量; i, Nr分别为子系统 中的供水水库序号及水库总数; T 为运行期的总 时段数, 采用同步资料, 以旬为单位时段, 一年共 36 个时段. 式(1) 试图使库群系统中的每一个用 水部门的供水量偏差最小, 平方是为了进一步加 速减小供水量和需水量之间的差别. B. 约束条件 a. 水库水量平衡约束 ? si( t + 1)/ ?t = si( t)/ ?t + Ii( t) + Pi( t) - yi( t) - Li( t) - Es( t) + K rIi( t) - DOi(
9、t) , 式中, si( t+ 1), si( t )分别为 t+ 1 时段末、 时段初 第 i 水库库容; Ii( t )为 t 时段第i 水库到i+ 1 水 库的区间入流; Pi( t) 为 t 时段第 i 水库降水量; yi( t)为 t 时段第 i 水库供水流量; Li( t) 为 t 时 段水库 i 的弃水量; Es( t ) 为 t 时段第 i 水库蒸 发、 渗漏损失水量. K 为水库系统结构控制参数 (若需考虑上游水库的下泄入库水量 rIi( t )及水 库调出水量 DOi( t), 令 K = 1; 否则令 K = 0) . b. 水库供水量约束 y min i, k( t)
10、#yi, k( t) # y max i, k( t),(2) 式(2) 是水库 i 供给用水部门 k 的水量上、 下限 值, 如果水库 i 位于用水部门k 的下游, 或者水库 本身没有供水水源, y min i, k( t) 和 y max i, k( t) 设为 0. c. 地下水库水量平衡约束 sgsm# ?sgm- 1+ sgm, 式中, sgsm为第 m 年内地下水实际可开采量; ?sg m- 1为第 m 年初地下水可开采量的余存量; sgm为第m 年地下水允许可开采量. d. 水库调蓄能力约束 2 smini# si( t) #smaxi, 式中, s min i, s max i
11、分别为水库的死库容和最大兴利 库容. e. 放水水量约束和防洪约束 r min i#r t i#r max i,(3) 式(3)用于确定向下游放水的水库放水量的最大、 最小值, 考虑到水上娱乐、 航行、 水质控制等方面, 94? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 华? 中 ? 科? 技? 大? 学? 学? 报(自然科学版) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 第 32 卷 r min i必须大于 0, r max i必须阻止因水库过度放水和 上游水库向下游放水过量引起的洪灾. f. 其他约束 包括水库最小弃水约束(环境生态用水) 、 闸 门水量平衡约束、 土地资源约束、
12、农作物需水平衡 约束、 水库水位约束、 用水部门需水量的上下限约 束及所有决策变量非负约束等. 2. 2? 渠道输配水模拟模型 灌区水资源调配传输系统主要由南盘江总干 渠、 各水库输水渠道(干渠)组成. 水库供水量按照 长系列入库流量过程通过调蓄计算确定, 水量在 渠道传播过程中考虑区间径流的加入和取出; 以 供水节点控制水量平衡; 水库调蓄过程为水库时 段水量平衡过程. 根据水库的入库径流系列逐时 段进行水库调蓄计算, 得到库群指标, 主要包括库 群向各个供水点的配水过程、 弃水量等, 反馈给协 调级进行协调. a. 配水过程的模拟. 配水时将需水要求折算 到渠首, 累加而得到总需求流量.
13、同时将水库抽的 水及河源来水也同样折算, 求得总供水. 然后比较 总供水与总需求, 决定配水方式. 若总供水流量大 于总需求流量, 则按需配水, 否则, 按比例配水. 计 算配水流量公式如下: yp( t) = Dp( t ) pyT ? ( 按需配水); ( 按比例配水), (4) 式中, yp( t )为第 p 点在时段t 所得的配水流量; Dp( t)为第 p 点在时段 t 所需的流量; yT为折算 到渠首的总供水流量; p为第p 点在时段t 相对 于渠道的配水比例, 是参照许多因素确定的一个 常数. 有时会出现整个分灌区供水量不足, 而在个 别节点上按比例配水超过需水要求的现象, 这显
14、 然是不合理的. 为此, 这里采取了迭代配水的算 法. 在一次配水后, 将各节点超过需水要求的部分 配水流量累加起来, 作为新的总配水流量, 利用式 (4)再进行配水, 并进行上述同样的处理, 直至所 有节点配水流量满足要求为止, 这就避免了出现 总体缺水而局部过剩的现象. 将每次配水中各节 点配水量累加, 就得分灌区在本时段的配水表. b. 约束条件. 包括供水结点水量平衡、 干渠 过流能力约束、 干渠最小输水流量约束. 2. 3? 整个灌区的水资源调度决策模型 A. 目标函数. 整个灌区总的优化目标是整个 系统实际供水量和目标供水量的偏差最小, 函数 表达式为 minf = ! 15 n=
15、 1! jn, 式中 !j n为第 j 次迭代整 个系统水量偏差. B. 约束条件. 不仅包括子系统模型的全部约 束, 还包括: a. 防洪目标约束, 汛期南盘江水位不 得超过防洪限制水位, 非汛期库水位必须在消落 水位以上, 以防止供水中断. b. 供水目标约束, 基 本满足灌区用水, 同时允许在库水位较低时, 采用 折减供水方式. c. 供水保证率约束, 生活 P生= 100% ; 工业企业 P工= 95 % ; 农业灌溉 P农= 75 %. d. 南盘江水量平衡约束. e. 非负约束. 3? 求解方法 针对灌区水库众多但供水层次清晰的特点, 本研究选用大系统分解协调与逐次迭代逼近技术 相
16、结合的途径, 进行优化模型的求解. 模型求解流 程如图 2 所示. 求解步骤如下: 首先输入原始资料 图 2? 灌区水资源调度求解流程图 (年、 旬号、 水库水量的预报值等), 置迭代次数j = 0; 系统将协调变量( 如设计目标供水量)传递给第 一级, 然后第一级采用逐次迭代逼近法进行子系 统优化模拟模型计算, 将 j 次迭代得到的反馈变 量(供水过程) 经辨识后反馈到整个大系统进行协 调, 求得相应子系统的优化配水方案, 并将结果传 递到第一级; 如此系统在两级中反复交替择优, 直 到整个系统供水正、 负偏差达到给定的误差范围, 则停止迭代, 输出最优解. 参考文献 1 冯尚友. 水资源系统工程. 武汉: 湖北科学技术出版 社, 1991. 2 沙鲁生, 方红远, 蔡守华等. 模拟技术与多目标决策在 平原湖区水资源优化调度中的应用. 农田水利与小水 电, 1995( 12): 12 17 95第 1 期? ? ? ? ? ? ? ? 黄牧涛等: 灌区库群系统水资源优化配置模型研究? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?