一种平原河网区水闸群优化调度方法、系统、装置及介质

本发明涉及平原河网区防洪排涝优化调度领域，尤其涉及一种平原河网区水闸群优化调度方法、系统、装置及介质。

背景技术：

1、在气候变化的背景下，日益加剧的洪涝灾害造成财产损失和人员伤亡，利用闸泵等水利设施进行防洪排涝调度成为应对洪涝灾害的重要手段之一。然而，平原河网地区易受雨、洪、潮等多因素影响，洪涝演进过程复杂，其面临的防洪压力和调度的管理难度更大。水闸群的优化调度问题实际上就是一个多阶段、多变量、多目标的决策问题。尤其在平原河网地区，内、外江水闸分布期间，各闸运行方式相互联系，相互影响，闸群工作与河道水流特性之间、闸群自身相互之间都存在着复杂的水文、水力联系，洪水入流过程的不同和闸群启闭组合的变化等，使任一河段的流量具有时空二维变化的动态特性，因此任何闸门的运行都不应该单独调度决策，而是需要从流域整体出发，考虑不同闸门与河网之间的相互联系、相互影响作用，对闸群进行统一调度。

2、目前，优化调度方法分为情景分析法和系统分析法。情景分析法通过自拟方案，利用数值模型对各方案进行模拟得到优化调度方案，然而这种方法过度设计人员的经验，且得到的优化调度方案往往是合理解而非最优解；系统分析法大多无需断面地形等资料，通过对足够多流量/水位的相关关系进行分析即可完成，然而，系统分析法对洪涝过程进行了一定概化，对复杂水力环境的平原河网地区并不完全适用。

技术实现思路

1、为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种平原河网区水闸群优化调度方法、系统、装置及介质。

2、本发明所采用的技术方案是：

3、一种平原河网区水闸群优化调度方法，包括以下步骤：

4、基于目标研究区的基础数据构建hec-hms水文模型，并输入预设降雨事件的降雨信息进行降雨径流模拟，获取各子流域的流量过程线；

5、基于目标研究区的基础数据构建hec-ras水动力模型，将获得的各子流域的流量过程线作为水动力模型的入流条件完成耦合，并完成参数率定和验证；

6、基于动态规划法构造平原河网区水闸群防洪排涝的优化调度模型；

7、在matlab中实现优化调度模型和hec-ras水动力模型的耦合，模拟计算平原河网区水闸群系统的最优防洪排涝调度策略。

8、进一步地，所述基于目标研究区的基础数据构建hec-hms水文模型，并输入预设降雨事件的降雨信息进行降雨径流模拟，获取各子流域的流量过程线，包括：

9、对目标研究区的土地利用数据、高程数据、土壤数据及降雨水文数据进行收集和处理；

10、结合研究区的高程数据和卫星影像划分子流域；

11、基于收集和处理的数据构建目标研究区的hec-hms水文模型；

12、输入预设降雨事件的降雨信息进行降雨径流模拟，获取各子流域出口的流量过程线。

13、进一步地，所述基于目标研究区的基础数据构建hec-ras水动力模型，将获得的各子流域的流量过程线作为水动力模型的入流条件完成耦合，包括：

14、对目标研究区的河道断面数据、闸泵数据进行收集和处理；

15、基于收集和处理的数据构建目标研究区的hec-ras水动力模型；

16、将获得的各子流域的流量过程线作为边界条件输入hec-ras水动力模型中，完成水文水动力模型的耦合；

17、对耦合模型进行参数的率定和验证。

18、进一步地，所述优化调度模型为动态规划模型，所述优化调度模型包括阶段变量、状态变量、决策变量、目标函数及状态转移方程；

19、所述基于动态规划法构造平原河网区水闸群防洪排涝的优化调度模型，包括：

20、其中，阶段变量以计算时间段来划分，即使用k＝1,2,3,…,n来表示调度过程中的第k个时段；状态变量为各个河道的水位和流量；决策变量为各个水闸对应不同的开度；目标函数为每个时间段内所有水闸的总下泄流量；状态转移方程为hec-ras水动力模型中的基本控制方程圣维南方程组。

21、进一步地，所述目标函数的表达式为：

22、

23、式中，i、j分别是阶段编号和水闸编号；m、n分别是总时段数和水闸数；vij表示第i个阶段第j个水闸的总下泄流量，

24、进一步地，所述状态转移方程的表达式为：

25、

26、

27、式中，a为过水断面的面积，q为单位时间的流量，q为单位时间内沿河道单位距离的旁侧入流量，v为流速，z为水位，sf为摩擦比降。

28、进一步地，所述在matlab中实现优化调度模型和hec-ras水动力模型的耦合，模拟计算平原河网区水闸群系统的最优防洪排涝调度策略，包括：

29、每个时段结束后，hec-ras水动力模型向matlab发送变量值；其中变量值包括水位、流量；

30、matlab基于接收到的信息，通过目标函数确定hec-ras水动力模型中水闸群下一步所采取的方案；

31、其中，matlab和hec-ras水动力模型并行运行，以固定的时间间隔交换信息，完成整场降雨事件的模拟，最终输出水位流量信息，并得到优化调度方案。

32、本发明所采用的另一技术方案是：

33、一种平原河网区水闸群优化调度系统，包括：

34、第一建模模块，用于基于目标研究区的基础数据构建hec-hms水文模型，并输入预设降雨事件的降雨信息进行降雨径流模拟，获取各子流域的流量过程线；

35、第二建模模块，用于基于目标研究区的基础数据构建hec-ras水动力模型，将获得的各子流域的流量过程线作为水动力模型的入流条件完成耦合；

36、第三建模模块，用于基于动态规划法构造平原河网区水闸群防洪排涝的优化调度模型；

37、模拟计算模块，用于在matlab中实现优化调度模型和hec-ras水动力模型的耦合，模拟计算平原河网区水闸群系统的最优防洪排涝调度策略。

38、本发明所采用的另一技术方案是：

39、一种平原河网区水闸群优化调度装置，包括：

40、至少一个处理器；

41、至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

42、当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如上所述方法。

43、本发明所采用的另一技术方案是：

44、一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如上所述方法。

45、本发明的有益效果是：本发明将具有明确物理机制的水动力模型和系统分析方法结合，在保证模拟结果合理性的同时，对现状调度策略进行优化，可以充分发挥河网的储蓄能力以及各闸的挡水、排水功能，实现对河网水闸群的有效控制，为防洪效益的最大化提供保证。

技术特征：

1.一种平原河网区水闸群优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种平原河网区水闸群优化调度方法，其特征在于，所述基于目标研究区的基础数据构建hec-hms水文模型，并输入预设降雨事件的降雨信息进行降雨径流模拟，获取各子流域的流量过程线，包括：

3.根据权利要求1所述的一种平原河网区水闸群优化调度方法，其特征在于，所述基于目标研究区的基础数据构建hec-ras水动力模型，将获得的各子流域的流量过程线作为水动力模型的入流条件完成耦合，包括：

4.根据权利要求1所述的一种平原河网区水闸群优化调度方法，其特征在于，所述优化调度模型为动态规划模型，所述优化调度模型包括阶段变量、状态变量、决策变量、目标函数及状态转移方程；

5.根据权利要求4所述的一种平原河网区水闸群优化调度方法，其特征在于，所述目标函数的表达式为：

6.根据权利要求4所述的一种平原河网区水闸群优化调度方法，其特征在于，所述状态转移方程的表达式为：

7.根据权利要求1所述的一种平原河网区水闸群优化调度方法，其特征在于，所述在matlab中实现优化调度模型和hec-ras水动力模型的耦合，模拟计算平原河网区水闸群系统的最优防洪排涝调度策略，包括：

8.一种平原河网区水闸群优化调度系统，其特征在于，包括：

9.一种平原河网区水闸群优化调度装置，其特征在于，包括：

10.一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如权利要求1-7任一项所述方法。

技术总结
本发明公开了一种平原河网区水闸群优化调度方法、系统、装置及介质，属于平原河网区防洪排涝优化调度领域。其中方法包括：构建HEC‑HMS水文模型，并输入预设降雨事件的降雨信息进行降雨径流模拟，获取各子流域的流量过程线；构建HEC‑RAS水动力模型，将获得的各子流域的流量过程线作为水动力模型的入流条件完成耦合；构造平原河网区水闸群防洪排涝的优化调度模型；在MATLAB中实现优化调度模型和HEC‑RAS水动力模型的耦合，模拟计算平原河网区水闸群系统的最优防洪排涝调度策略。本发明将具有明确物理机制的水动力模型和系统分析方法结合，在保证模拟结果合理性的同时，对现状调度策略进行优化，可以充分发挥河网的储蓄能力以及各闸的挡水、排水功能。

技术研发人员：王兆礼,张周文,房晓舟,高华勇,陈君来,赵平,陈蔚华,于小龙
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25