河湖水體量質(zhì)耦合自優(yōu)化模擬調(diào)控方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種河湖水體量質(zhì)耦合自優(yōu)化模擬調(diào)控方法，包括步驟：步驟一，構(gòu)建待調(diào)控河湖區(qū)的水體量質(zhì)耦合模擬模型；步驟二，根據(jù)水體量質(zhì)耦合模擬模型和當(dāng)前決策方案獲得待調(diào)控河湖區(qū)的水量、水位和水質(zhì)模擬結(jié)果；步驟三，以水量、水位和水質(zhì)為決策目標(biāo)，構(gòu)建河湖水體系統(tǒng)的優(yōu)化決策域；步驟四，判斷決策目標(biāo)的模擬結(jié)果是否同時(shí)滿足河湖水體系統(tǒng)需求，并根據(jù)判斷結(jié)果對(duì)當(dāng)前決策方案進(jìn)行修正。本發(fā)明對(duì)河湖水體的水量、水質(zhì)和水位進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)水資源的高效配置。
【專利說(shuō)明】河湖水體量質(zhì)耦合自優(yōu)化模擬調(diào)控方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水資源優(yōu)化配置與調(diào)控領(lǐng)域，尤其涉及一種河湖水體量質(zhì)耦合自優(yōu)化模擬調(diào)控方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球極端氣候變化日益頻繁，高強(qiáng)度的人類活動(dòng)日益劇增，干旱、洪澇、水污染等水問(wèn)題日益嚴(yán)峻，并已成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵性因素之一。建立最嚴(yán)格的水資源管理制度，維持河湖水體健康，提高水資源應(yīng)急管理能力，實(shí)現(xiàn)水資源量與質(zhì)的綜合管理，正受到各國(guó)政府的高度重視。目前，我國(guó)生態(tài)文明發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)河湖水系生態(tài)環(huán)境保護(hù)提出了新的要求；城鎮(zhèn)化發(fā)展、澇潰災(zāi)害防治與水環(huán)境修復(fù)、水生態(tài)景觀建設(shè)等需求，使河湖水位、水量、水質(zhì)控制更加復(fù)雜。
[0003]目前，迫切需要從解決水資源緊缺、城鄉(xiāng)澇潰災(zāi)害、水環(huán)境污染等實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，以流域/區(qū)域河湖水系水循環(huán)及其伴生物質(zhì)過(guò)程演化為基礎(chǔ)，剖析水資源量、質(zhì)耦合機(jī)理，動(dòng)態(tài)模擬河湖閘站控制作用下的水文過(guò)程、水流過(guò)程、污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程之間的相互關(guān)系，提出河湖水體水量、水位、水質(zhì)一體化調(diào)控技術(shù)。這正是水科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題。
[0004]多年來(lái)，學(xué)者們雖然分別對(duì)河湖水系的水量調(diào)度、水流控制、水質(zhì)模擬進(jìn)行了大量研究與實(shí)踐，并結(jié)合一些具體案例研究開(kāi)發(fā)了許多流域/區(qū)域水資源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型技術(shù)、河湖水體水流水質(zhì)模擬標(biāo)準(zhǔn)化軟件，但大多是針對(duì)某一流域/河湖工程管理單一主體的興利、防洪或水質(zhì)等單一管理目標(biāo)，采用水文學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、水動(dòng)力學(xué)、環(huán)境水力學(xué)等軟件工具進(jìn)行模擬，缺少考慮河湖水體多主體協(xié)調(diào)管理與湖庫(kù)多目標(biāo)自優(yōu)化模擬技術(shù)相結(jié)合的水資源系統(tǒng)調(diào)控模型化技術(shù)。
[0005]在河湖水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控技術(shù)研究中，目前人們雖然在水質(zhì)水量聯(lián)合模擬基礎(chǔ)上，考慮污染物沿河衰減情況，以水庫(kù)供水量最大和水庫(kù)受污染程度最小為雙目標(biāo)，提出并研發(fā)了河湖、水庫(kù)水質(zhì)水量聯(lián)合優(yōu)化調(diào)控模型技術(shù)。但現(xiàn)有水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)控技術(shù)，在目標(biāo)函數(shù)中缺少考慮生態(tài)流量、景觀水位等控制目標(biāo)，在模型技術(shù)上不能滿足最嚴(yán)格水資源管理制度實(shí)踐中對(duì)用水總量、用水效率、納污能力“三條紅線”多目標(biāo)管理之需求；也不能隨著水文、水動(dòng)力、排污等河湖水系環(huán)境條件不斷變化，自適應(yīng)調(diào)控河湖水體的蓄、泄水控制閘站運(yùn)行方式，難以滿足不同主體對(duì)水量分配、水位控制、水質(zhì)管理等目標(biāo)之需求。
[0006]因此，迫切需要一種能適應(yīng)河湖水體環(huán)境變化并滿足水量、水位、水質(zhì)管理需求的河湖水系水資源系統(tǒng)多目標(biāo)調(diào)控自優(yōu)化模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置與洪澇、干旱、水污染等災(zāi)害綜合治理，及時(shí)適應(yīng)最嚴(yán)格水資源管理制度及水利工程實(shí)時(shí)調(diào)控機(jī)制，滿足發(fā)電、灌溉、供水、生態(tài)、航運(yùn)及環(huán)境等用水需求，促進(jìn)水資源高效利用與水生態(tài)文明建設(shè)，為河湖水系水利信息化與自動(dòng)化管理提供技術(shù)支撐。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出了一種河湖水體量質(zhì)耦合自優(yōu)化模擬調(diào)控方法，該方法可對(duì)河湖水體的水量、水質(zhì)和水位進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)水資源的高效配置。
[0008]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0009]一種河湖水體量質(zhì)耦合自優(yōu)化模擬調(diào)控方法，包括步驟:
[0010]步驟1，采集并整合待調(diào)控河湖區(qū)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，獲得河湖水體多元信息，所述的河湖水體多元信息包括水量信息、水動(dòng)力條件和水質(zhì)信息；根據(jù)河湖水體多元信息選擇適用于待調(diào)控河湖區(qū)的水量水質(zhì)模型，并通過(guò)預(yù)計(jì)率定和反演獲得水量水質(zhì)模型參數(shù)；
[0011]步驟2，基于河湖水體多元信息和水量水質(zhì)模型參數(shù)構(gòu)建待調(diào)控河湖區(qū)的當(dāng)前水體量質(zhì)耦合模型；
[0012]步驟3，根據(jù)當(dāng)前水體量質(zhì)耦合模型和當(dāng)前決策方案獲得待調(diào)控河湖區(qū)的水量、水位和水質(zhì)模擬結(jié)果，然后執(zhí)行步驟4 ;
[0013]步驟4，以水量、水位和水質(zhì)為決策目標(biāo)，以經(jīng)濟(jì)蓄水線、防破壞線和生態(tài)環(huán)境水位為決策域的約束，判斷決策目標(biāo)的模擬結(jié)果是否同時(shí)滿足河湖水體系統(tǒng)需求:
[0014]若決策目標(biāo)的模擬結(jié)果同時(shí)滿足河湖水體系統(tǒng)需求，則當(dāng)前決策方案為滿足河湖水體系統(tǒng)需求的全局最優(yōu)決策方案，基于當(dāng)前決策方案修正當(dāng)前水體量質(zhì)耦合模型參數(shù)并獲得修正后的水體量質(zhì)耦合模型，以修正后的水體量質(zhì)耦合模型為當(dāng)前水體量質(zhì)耦合模型；
[0015]若決策目標(biāo)的模擬結(jié)果不能同時(shí)滿足河湖水體系統(tǒng)需求，則根據(jù)決策目標(biāo)的反饋修正量調(diào)整決策變量并獲取調(diào)整后的決策方案，以調(diào)整后的決策方案為當(dāng)前決策方案，循環(huán)執(zhí)行步驟3 ;所述的決策目標(biāo)的反饋修正量為決策目標(biāo)的模擬值與目標(biāo)值之差；
[0016]若循環(huán)執(zhí)行步驟3的次數(shù)達(dá)到規(guī)定次數(shù)且決策目標(biāo)的模擬結(jié)果仍未同時(shí)滿足河湖水體系統(tǒng)需求，執(zhí)行步驟5 ；
[0017]所述的河湖水體系統(tǒng)需求指河湖水體系統(tǒng)的水量分配準(zhǔn)則、水位控制準(zhǔn)則和水質(zhì)控制準(zhǔn)則；
[0018]步驟5，放寬決策域的約束，重新執(zhí)行步驟4。
[0019]上述水體量質(zhì)耦合模型為基于水流運(yùn)動(dòng)方程與對(duì)流遷移擴(kuò)散方程構(gòu)建的順時(shí)序模擬模型。
[0020]上述水量分配準(zhǔn)則為:待調(diào)控河湖區(qū)的水量控制在防破壞線與經(jīng)濟(jì)蓄水線之間。
[0021]上述水位控制準(zhǔn)則為:水位控制下限為待調(diào)控河湖區(qū)所在地的航運(yùn)最低水位與生態(tài)最低水位中的較低值，水位控制上限為待調(diào)控河湖區(qū)所在地的防澇排潰標(biāo)準(zhǔn)。
[0022]上述水質(zhì)控制準(zhǔn)則為:水體水質(zhì)需滿足待調(diào)控河湖區(qū)所在地的水質(zhì)要求。
[0023]上述根據(jù)決策目標(biāo)的反饋修正量調(diào)整決策變量并獲取調(diào)整后的決策方案具體為:
[0024]根據(jù)決策目標(biāo)反饋修正量的變化判斷決策目標(biāo)的變化趨勢(shì)，并根據(jù)決策目標(biāo)的變化趨勢(shì)增大或減小決策變量，從而獲得調(diào)整后的決策方案。
[0025]為解決河湖水系日益突出的多主體開(kāi)發(fā)、水資源短缺、水環(huán)境惡化、水生態(tài)退化、洪澇災(zāi)害嚴(yán)重等綜合矛盾問(wèn)題，適應(yīng)國(guó)家最嚴(yán)格水資源管理制度建設(shè)之緊迫需求，本發(fā)明提供了一種河湖水體多主體水量-水流-水質(zhì)聯(lián)合調(diào)控自優(yōu)化模擬方法，本發(fā)明能在線監(jiān)測(cè)河湖水體主要控制斷面的流量、水位、水質(zhì)，快速模擬河湖水體水文、水流及水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，自優(yōu)化模擬決策河湖水庫(kù)蓄、泄水過(guò)程，自適應(yīng)調(diào)控河湖水體閘站啟閉方式及其水量分配結(jié)果、河湖控制水位與入河湖污染物控制總量，從而實(shí)現(xiàn)水資源高效利用、水位多目標(biāo)優(yōu)化控制以及生態(tài)環(huán)境自適應(yīng)保護(hù)。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0027]1、在河湖水體模擬調(diào)控中綜合考慮水量、水質(zhì)、水位三者之間的相互影響以及對(duì)決策的需求，滿足當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。
[0028]2、有效解決目前水資源模擬調(diào)控中需要多重反復(fù)模擬計(jì)算，且難以保證一定能獲得全局最優(yōu)解的問(wèn)題，利用自優(yōu)化模擬技術(shù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行在線辨識(shí)、收斂判斷和修正反饋，引導(dǎo)模擬結(jié)果趨于最優(yōu)目標(biāo)值；實(shí)現(xiàn)了模擬調(diào)控過(guò)程的高效化，具有現(xiàn)實(shí)意義上的經(jīng)濟(jì)效益，轉(zhuǎn)化前景良好。
[0029]3、綜合考慮河湖水系閘站分布及其規(guī)模約束與啟閉條件，分別從河湖水系流域管理主體利益與下游用水戶主體等不同利益相關(guān)者出發(fā)，首次構(gòu)建了全局效益最大化的流域管理逆時(shí)序決策模型與局部?jī)?yōu)先權(quán)保護(hù)利益最大化的下游影響區(qū)逆時(shí)序決策模型，以及河湖水系多主體多目標(biāo)協(xié)商順時(shí)序決策模型技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多主體自優(yōu)化模擬多目標(biāo)決策河湖水庫(kù)蓄、泄水過(guò)程，自適應(yīng)調(diào)控河湖水系閘站啟閉方式及其水量分配結(jié)果、河湖控制水位與入河湖污染物控制總量。
[0030]4、利用現(xiàn)代系統(tǒng)分析技術(shù)，融合常規(guī)河湖水位、流量及水質(zhì)定點(diǎn)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與高精度遙感動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)，并基于地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等技術(shù)，構(gòu)建了包含自然地理、水文氣象、水流水質(zhì)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水庫(kù)閘站、渠(管)道工程等多源信息的河湖水系綜合信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有點(diǎn)、面上的水文環(huán)境、工程設(shè)施、自然地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多源信息的綜合集成，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)分析河湖水系水文、水流、水質(zhì)變化規(guī)律提供支撐。
[0031]5、根據(jù)河湖水系產(chǎn)匯流過(guò)程及其伴生物質(zhì)遷移、轉(zhuǎn)化、傳輸機(jī)理，將環(huán)境水力學(xué)理論與水資源系統(tǒng)分析技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了基于時(shí)間序列分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、混沌分析等理論方法的河湖水系水量、水位、水質(zhì)整體快速模擬模型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了河湖水系水量、水位、水質(zhì)的同步快速模擬，具有機(jī)理性與系統(tǒng)性相結(jié)合、省時(shí)、快捷、參數(shù)少等特點(diǎn)，為實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)河湖水系突發(fā)污染及洪水演進(jìn)范圍提供了技術(shù)支撐。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1為本發(fā)明方法流程框圖；
[0033]圖2為河湖水體多元信息整合示意圖；
[0034]圖3為多決策目標(biāo)辨識(shí)框架示意圖；
[0035]圖4為修正當(dāng)前決策方案布置中的迭代過(guò)程示意圖；
[0036]圖5為決策域展示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]本發(fā)明是一種水量-水質(zhì)-水位聯(lián)合調(diào)控模擬方法，基于自優(yōu)化技術(shù)對(duì)水量水質(zhì)的適應(yīng)性調(diào)控進(jìn)行模擬，適用于水資源優(yōu)化配置方面。本發(fā)明能對(duì)河湖水體模擬結(jié)果進(jìn)行在線辨識(shí)、收斂判斷，并根據(jù)收斂結(jié)果自動(dòng)生成反饋修正量，同時(shí)將反饋修正量加入運(yùn)行規(guī)則中，促進(jìn)模型進(jìn)行最優(yōu)化模擬，從而獲得最優(yōu)目標(biāo)值。在滿足水位與水質(zhì)要求上實(shí)現(xiàn)水量最優(yōu)化配置，得到生態(tài)環(huán)境最優(yōu)化控制。該技術(shù)對(duì)河湖水體進(jìn)行水量-水質(zhì)-水位聯(lián)合調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了水資源高效配置。
[0038]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0039]圖1為本發(fā)明方法的整體框架圖，具體實(shí)施步驟如下:
[0040]步驟1，采集并整合待調(diào)控河湖區(qū)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，獲得河湖水體多元信息，所述的河湖水體多元信息包括水量信息、水動(dòng)力條件和水質(zhì)信息。
[0041]待調(diào)控河湖區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括GIS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、RS (遙感)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和水文環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。河湖水體多元信息包括由河湖水系地理空間信息、工程技術(shù)信息、水文氣象信息、水環(huán)境信息、社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息、土地利用信息和運(yùn)行管理信息構(gòu)成的水量信息、水動(dòng)力條件和水質(zhì)信息，見(jiàn)圖2。
[0042]步驟2，根據(jù)河湖水體多元信息選擇適用于待調(diào)控河湖區(qū)的水量水質(zhì)模型，并通過(guò)預(yù)計(jì)率定和反演獲得水量水質(zhì)模型參數(shù)。
[0043]步驟3，基于河湖水體多元信息和水量水質(zhì)模型參數(shù)構(gòu)建待調(diào)控河湖區(qū)的當(dāng)前水體量質(zhì)耦合模型。
[0044]基于河湖水體多元信息、水質(zhì)水量模型參數(shù)、待調(diào)控河湖區(qū)所在地的水量與水位需求，構(gòu)建用以模擬水體量質(zhì)耦合的順時(shí)序模擬模型，即當(dāng)前水體量質(zhì)耦合模型，見(jiàn)公式(I)和⑵。
[0045]本具體實(shí)施中，采用水流運(yùn)動(dòng)方程與對(duì)流遷移擴(kuò)散方程構(gòu)建水體量質(zhì)耦合模型。
[0046]水流運(yùn)動(dòng)模型的基本方程是圣維南方程組，如下:
【權(quán)利要求】
1.河湖水體量質(zhì)耦合自優(yōu)化模擬調(diào)控方法，其特征在于，包括步驟: 步驟1，采集并整合待調(diào)控河湖區(qū)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，獲得河湖水體多元信息，所述的河湖水體多元信息包括水量信息、水動(dòng)力條件和水質(zhì)信息；根據(jù)河湖水體多元信息選擇適用于待調(diào)控河湖區(qū)的水量水質(zhì)模型，并通過(guò)預(yù)計(jì)率定和反演獲得水量水質(zhì)模型參數(shù)； 步驟2，基于河湖水體多元信息和水量水質(zhì)模型參數(shù)構(gòu)建待調(diào)控河湖區(qū)的當(dāng)前水體量質(zhì)耦合模型； 步驟3，根據(jù)當(dāng)前水體量質(zhì)耦合模型和當(dāng)前決策方案獲得待調(diào)控河湖區(qū)的水量、水位和水質(zhì)模擬結(jié)果，然后執(zhí)行步驟4 ； 步驟4，以水量、水位和水質(zhì)為決策目標(biāo)，以經(jīng)濟(jì)蓄水線、防破壞線和生態(tài)環(huán)境水位為決策域的約束，判斷決策目標(biāo)的模擬結(jié)果是否同時(shí)滿足河湖水體系統(tǒng)需求: 若決策目標(biāo)的模擬結(jié)果同時(shí)滿足河湖水體系統(tǒng)需求，則當(dāng)前決策方案為滿足河湖水體系統(tǒng)需求的全局最優(yōu)決策方案，基于當(dāng)前決策方案修正當(dāng)前水體量質(zhì)耦合模型參數(shù)并獲得修正后的水體量質(zhì)耦合模型，以修正后的水體量質(zhì)耦合模型為當(dāng)前水體量質(zhì)耦合模型；若決策目標(biāo)的模擬結(jié)果不能同時(shí)滿足河湖水體系統(tǒng)需求，則根據(jù)決策目標(biāo)的反饋修正量調(diào)整決策變量并獲取調(diào)整后的決策方案，以調(diào)整后的決策方案為當(dāng)前決策方案，循環(huán)執(zhí)行步驟3 ;所述的決策目標(biāo)的反饋修正量為決策目標(biāo)的模擬值與目標(biāo)值之差； 若循環(huán)執(zhí)行步驟3的次數(shù)達(dá)到規(guī)定次數(shù)且決策目標(biāo)的模擬結(jié)果仍未同時(shí)滿足河湖水體系統(tǒng)需求，執(zhí)行步驟5; 所述的河湖水體系統(tǒng)需求指河湖水體系統(tǒng)的水量分配準(zhǔn)則、水位控制準(zhǔn)則和水質(zhì)控制準(zhǔn)則； 步驟5，放寬決策域的約束，重新執(zhí)行步驟4。
2.如權(quán)利要求1所述的河湖水體量質(zhì)耦合自優(yōu)化模擬調(diào)控方法，其特征在于: 所述的水體量質(zhì)耦合模型為基于水流運(yùn)動(dòng)方程與對(duì)流遷移擴(kuò)散方程構(gòu)建的順時(shí)序模擬模型。
3.如權(quán)利要求1所述的河湖水體量質(zhì)耦合自優(yōu)化模擬調(diào)控方法，其特征在于: 所述的水量分配準(zhǔn)則為:待調(diào)控河湖區(qū)的水量控制在防破壞線與經(jīng)濟(jì)蓄水線之間； 所述的水位控制準(zhǔn)則為:水位控制下限為待調(diào)控河湖區(qū)所在地的航運(yùn)最低水位與生態(tài)最低水位中的較低值，水位控制上限為待調(diào)控河湖區(qū)所在地的防澇排潰標(biāo)準(zhǔn)； 所述的水質(zhì)控制準(zhǔn)則為:水體水質(zhì)需滿足待調(diào)控河湖區(qū)所在地的水質(zhì)要求。
4.如權(quán)利要求1所述的河湖水體量質(zhì)耦合自優(yōu)化模擬調(diào)控方法，其特征在于: 所述的根據(jù)決策目標(biāo)的反饋修正量調(diào)整決策變量并獲取調(diào)整后的決策方案具體為: 根據(jù)決策目標(biāo)反饋修正量的變化判斷決策目標(biāo)的變化趨勢(shì)，并根據(jù)決策目標(biāo)的變化趨勢(shì)增大或減小決策變量，從而獲得調(diào)整后的決策方案。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK103543639SQ201310526158
【公開(kāi)日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】邵東國(guó), 王卓民, 肖淳, 楊海東, 岑棟浩 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)