一种考虑水力响应特性的跨流域调水量优化方法与流程

本发明涉及水资源调度，具体为一种考虑水力响应特性的跨流域调水量优化方法。

背景技术：

1、跨流域调水是通过大规模的人工方法从余水的流域向缺水流域大量调水，以便促进缺水区域的经济发展和缓解流域用水矛盾。跨流域调水工程通过改变流域间水资源时空分布特性，对流域水资源进行重新配置，有效缓解水资源短缺地区生产生活的供需水矛盾，改善受水地区生态环境。跨流域调水在有着悠久的历史，水资源与土地、人口以及社会经济中心的分布极不协调的地区，水源区与用水中心区通常存在一定距离，通过跨流域调水可实现区域间水资源量丰枯互济。

2、现有技术中，公开号为“cn112785087b”的一种考虑水力响应特性的跨流域调水工程旬水量优化调度计划编制方法(主分类号为g06q10/04)，包括根据调水工程各对象的水力联系以及水力响应特性，构建跨流域调水工程模型网络概化图；在模型网络概化图的基础上，构建调水工程旬水量优化调度模型并运用差分进化算法实现模型的高效求解；根据模型求解得到的最优解，制定调水工程旬水量优化调度计划。优点是：充分考虑了调水工程中各对象的水力响应特性，可实现调水工程旬调度过程中水位、流量和泵站能耗的精细化模拟；调水工程旬水量优化调度模型能充分利用调水工程沿线湖泊的调蓄能力，优化旬调水过程，均衡供水缺额、调水能耗、湖泊不平衡水量等多维目标，以编制最优的跨流域调水工程旬水量优化调度计划。

3、但是，现有技术仍存在较大缺陷，如：现有技术在考虑水力响应特性时，是通过对泵站、输水渠道、湖泊、节制闸和分水口进行概化来考虑的，而山区河流因其特殊性，对降雨量和河床沉积物密度特别敏感，即山区河流极易因降雨量和河床沉积物密度而发生变化，而现有技术在考虑水力响应特性时并未考虑到这一方面，因此现有技术不适用于山区河流的跨流域调水工程，急需一种适用于山区河流的跨流域调水量优化方法。

4、在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种考虑水力响应特性的跨流域调水量优化方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种考虑水力响应特性的跨流域调水量优化方法，包括如下步骤：

4、s1，逐日采集历史数据，历史数据包括待跨流域调水河流的河流流量、河床沉积物密度、日降雨量、温度和土壤湿度，对历史数据进行预处理后将其随机划分为训练集和测试集，预处理包括去除异常值、补充缺失值和归一化处理操作；

5、s2，构建引入河床沉积物密度、日降雨量、温度、土壤湿度的河流流量预测模型，将历史数据输入至河流流量预测模型中进行训练并测试，得到测试合格的河流流量预测模型；

6、s3，基于河流流量预测模型获取待跨流域调水河流的河流流量预测值，并获取各个待调水泵站的需供水量；

7、s4，结合河流流量预测值和各泵站的需供水量，构建包括最小化能耗、最大化供需平衡、最小化生态影响的多目标优化调度模型，并运用差分进化算法获取最优调度方案；

8、s5，根据步骤s4生成的最优调度方案制定调水计划。

9、进一步的，将经预处理后的第i个历史采集日采集的河流流量、河床沉积物密度、日降雨量、温度和土壤湿度分别标定为qi,sdi,pi,ti,smi，i表示不同采集日的编号，i＝1、2、3、……、m，m表示采集日的总个数，且m≥30,m∈n+。

10、进一步的，所述步骤s2包括如下步骤：

11、s21，基于循环神经网络构建河流流量预测模型，且河流流量预测模型的输入量为河床沉积物密度、日降雨量、温度、土壤湿度，输出量为河流流量预测值，并建立河流流量预测模型的表达式，表达式具体如下：

12、

13、其中，λ1、λ2、λ3、λ4、λ5均为待定的模型参数；

14、s22，对河流流量预测模型预设一个学习率，将训练集输入至河流流量预测模型中进行训练，更新模型参数，直至达到预设的迭代更新次数，或者河流流量预测模型输出结果达到预定标准；

15、其中，河流流量预测模型的更新公式如下：

16、kj+1＝kj+α*(qi-qi,j')

17、其中，kj表示第j次更新后的模型参数集合，模型参数集合包括步骤s21中的λ1、λ2、λ3、λ4、λ5，kj+1表示第j+1次更新后的模型参数集合，j表示不同次模型参数更新的编号，且j＝1、2、3、……、n，n表示河流流量预测模型的参数更新总次数，且n≥100,n∈n+，qi,j'表示河流流量预测模型在第j次更新后，针对河流流量qi所输出的河流流量预测值，α表示学习率；

18、s23，将测试集输入至经步骤s22训练后的河流流量预测模型中进行测试，在测试不合格时，重设学习率并返回步骤s22重新进行训练。

19、进一步的，所述步骤s4包括如下步骤：

20、s41，构建包括最小化能耗、最大化供需平衡和最小化生态影响的多目标优化函数；

21、s42，确定多目标优化调度模型的约束函数；

22、s43，基于多目标优化函数和约束函数，构建多目标优化调度模型，并运用差分进化算法获取最优的调度方案，调度方案包括每个泵站的拟供水量、拟单位时间供水量和拟供水时间。

23、进一步的，所述步骤s41包括如下步骤：

24、s411，构建最小化能耗的目标函数，具体如下：

25、

26、其中，nh'k表示第k个泵站的单位能耗，k表示不同泵站的编号，且k＝1、2、3、……、k，k表示泵站的总个数，q'k表示向第k个泵站分配的拟供水量，其由第k个泵站的拟单位时间供水量p'k乘以拟供水时间δt'k进行获得；

27、s412，构建最大化供需平衡的目标函数，具体如下：

28、

29、其中，qk表示第k个泵站的需供水量；

30、s413，对第k个泵站的拟单位时间供水量进行赋值，生成位于0-1之间，且随拟单位时间供水量增大而增大的生态影响系数，并构建最小化生态影响的目标函数，具体如下：

31、

32、其中，stk表示与拟单位时间供水量p'k所对应的生态影响系数；

33、s414，对最小化能耗、最大化供需平衡和最小化生态影响的目标函数分别赋予不同的目标权重向量ω1,ω2,ω3后，将三个目标函数组合以形成多目标优化函数，且ω1+ω2+ω3＝1，且0<ω3<ω1<ω2。

34、进一步的，所述约束函数具体如下：

35、

36、其中，max pk表示第k个泵站的最大单位时间供水量，q'表示河流流量预测模型预测的河流流量预测值，qmin表示河流流量的最小安全阈值，maxδt表示最长调水时间，nhmax表示预设的最大调水能耗，q表示需供水总量。

37、进一步的，所述生态影响系数stk的赋值标准如下：

38、当满足时，生态影响系数stk＝0.1；

39、当满足时，生态影响系数stk＝0.4；

40、当满足时，生态影响系数stk＝0.7；

41、当满足时，生态影响系数stk＝0.9；

42、其中，max pk为第k个泵站的单位时间最大供水量。

43、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

44、本发明的考虑水力响应特性的跨流域调水量优化方法，通过构建引入河床沉积物密度、日降雨量、温度、土壤湿度的河流流量预测模型，提高对山区河流流量进行预测的精准性，再结合高精度的河流流量预测值以及多目标优化调度模型以生成最优调度方案，确保山区河流类型的跨流域调水工程的合理性和科学性。