基于量控断面过流稳定的渠系输水调配方法与流程

本发明属于灌区渠系输水调度，具体涉及基于量控断面过流稳定的渠系输水调配方法。

背景技术：

1、灌区渠系输水调配是实现灌区精准配水与高效节水运行的核心环节，输水调配方案的优劣，直接决定大中型灌区干渠输水稳定程度、水量计量精度与灌区整体用水管控效能。当前渠系输水调度多以保障各级渠系用水需求为首要目标，调度优化通常围绕缩短配水历时、降低输水损失、减少闸门操作强度等方向开展。

2、然而，现有渠系输水调配方法在实施过程中，由于各量控断面过流过程波动频繁，进而引发量水误差增大与计量结果失真。对于跨区域输水、轮灌频次较高的灌区，量水误差与计量结果失真的问题尤为突出，难以满足现代灌区对精准量水、平稳输水及精细化供水管理的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于量控断面过流稳定的渠系输水调配方法，解决现有渠系输水调配方法中灌溉输水渠系量控断面过流波动频繁，存在的量水误差大，计量结果失真的问题。

2、本发明所采用的技术方案是，基于量控断面过流稳定的渠系输水调配方法，具体按照以下步骤实施：

3、步骤1，收集灌区渠系的特征数据；

4、步骤2，构建渠系输水调配模型；

5、步骤3，采用遗传算法对步骤2构建渠系输水调配模型进行求解，输出各下级渠道最优配水流量、配水起始时刻、配水结束时刻及持续配水时长。

6、本发明的特点还在于：

7、步骤1具体为：

8、步骤1.1，获取各级渠系拓扑结构关系，包括各级渠道层级从属关系、各级渠道对应分水口数量及编号、各渠段关联的节制闸、分水闸、退水闸、及量水设备的绑定关系；

9、步骤1.2，获取各级渠道过流能力、各级渠道的长度、各级渠道的糙率、各处闸门的过流能力、各级渠道的需水量、配水时长、位置桩号。

10、步骤2具体为：

11、步骤2.1，计算配水持续时间；

12、步骤2.2，将整个配水期内各时段，过流流量与目标流量之间的差为目标函数，以量控断面目标函数最小化为优化目标，确保各量控断面的水流在配水全程保持稳定；

13、步骤2.3，确定约束条件。

14、步骤3具体为：

15、步骤3.1，种群初始化：

16、步骤3.2，评估种群适应度；

17、步骤3.3，采用锦标赛选择策略筛选父代种群；

18、步骤3.4，采用两点交叉策略对筛选后的父代种群进行基因重组；

19、步骤3.5，采用均匀变异策略拓展全局搜索范围，对交叉生成的全部子代个体实施基因变异，生成新一代种群并更新迭代计数；

20、步骤3.6，对当前进化代数与预设最大迭代总次数进行对比，判断迭代终止。

21、步骤1.2中各级渠道过流能力包括各级渠道最小安全过流流量、最大极限过流流量、设计额定过流流量及部分段过流能力，m3/s；

22、各级渠道的长度包括各级渠道的完整长度及独立渠段的长度，km；

23、各处闸门的过流能力包括节制闸、分水闸、退水闸，统一采集闸前设计最高运行水位工况下，闸门最小可控流量与最大全开流量的完整调节区间，m3/s；

24、各级渠道的需水量按各级渠道灌溉控制分区，统计分区作物净灌溉需水量并叠加渠道渗漏、蒸发、弃水损失后，核算对应毛灌溉需水量，万m3；

25、配水时长为各级渠道轮灌组完整一轮配水的总周期时长，h；

26、位置桩号包括各级渠道全线起点桩号、终点桩号、各独立渠段起止桩号及分水口、闸门、构筑物、断面变化处对应的桩号，km。

27、步骤2具体为：

28、步骤2.1，计算配水持续时间；

29、，（1）

30、式中，为分水口，为分水口集合，为配水开始时间，为配水结束时间；

31、步骤2.2，将整个配水期内各时段，过流流量与目标流量之间的差为目标函数，以量控断面目标函数最小化为优化目标，确保各量控断面的水流在配水全程保持稳定，以减少灌区量水频次并提升准确度；

32、（2）

33、式中，为目标函数；为主干渠量控断面集合；为时段内第个量控断面的实际过流流量，m3/s；为第个量控断面在整个配水期内的目标流量，m3/s；

34、计算在整个配水期内第个量控断面的目标流量，取对应量控断面的平均流量；

35、，（3）

36、计算时段内第个量控断面的实际过流流量，通过已知时段内通过对应量控断面向下游供水的所有下级渠道流量叠加确定；

37、，（4）

38、式中，为渠道的配水流量，表示时段内通过第个量控断面进行配水的下级渠道集合；

39、步骤2.3，确定约束条件；

40、约束条件包括渠道过流能力约束、流量平衡约束、水量约束、时序约束、非负约束。

41、步骤2.3具体为：

42、步骤2.3.1，将每条渠道在可允许范围内的配水流量的边界信息，作为渠道过流能力约束；

43、，（5）

44、式中，表示渠道允许的最小过流流量，m3/s；表示渠道允许的最大过流流量，m3/s；

45、步骤2.3.2，将配水过程中任意时段内，同时运行的下级渠道流量之和作为上级渠道输水流量，作为流量平衡约束；

46、，（6）

47、式中，表示上级渠道在时段的流量，m3/s；表示时段内处于配水状态的下级渠道；

48、步骤2.3.3，将各渠道配水流量与配水历时的乘积作为分配水量，作为水量约束；

49、，（7）

50、式中，表示渠道分配的水量，万m3；0.36为水量单位换算系数；

51、步骤2.3.4，各渠道的配水时段在总配水历时范围内完成，且配水结束时间不早于开始时间，作为时序约束；

52、，（8）

53、，（9）

54、，（10）；

55、步骤2.3.5，非负约束包括每条渠道的配水流量、配水结束时间、配水开始时间；

56、,,，（11）

57、式中，每条渠道的配水流量、配水开始时间与配水结束时间；

58、步骤2.3.6，确定水流推进时间约束；

59、采用波速理论估算水流推进波速为：

60、（12）

61、式中，为断面平均流速，m/s；为重力加速度，m/s2；为过水断面面积，m2，为水面宽度，m；

62、将水流从上游分水口推进至下游分水口的运移时间为：

63、（13）

64、式中，为两个相邻分水口之间的渠段长度，m；

65、步骤2.3.7，确定单分水口最大分水流量约束；

66、分水口前池水位壅升至最高可达水位时，分水流量为：

67、（14）

68、式中，为节制闸调控后分水口可分走的最大流量，m3/s；为流量系数；为分水口宽度，m；为节制闸调控后分水口达到的最高前池水深，m；

69、分水口的实际最大分流量取节制闸水力调控上限与支渠设计流量二者中的较小值，保障分水过程中，分水口对前池水位需求为：

70、，（15）

71、式中，为第条支渠的设计过流流量，m3/s。

72、步骤3具体为：

73、步骤3.1，种群初始化：

74、设定迭代计数变量并赋初始值，结合灌区调度规模预先设定算法最大迭代总次数；在决策变量空间内随机生成初代种群染色体矩阵；采用实数编码方式构建染色体，单条染色体对应一套完整灌区配水调度方案，染色体基因分段存储各级渠道配水流量、配水启动时刻、配水结束时刻三类连续型决策变量；

75、步骤3.2，评估种群适应度；

76、以最小化量控断面流量波动为目标函数，结合步骤2.3各项工程约束，引入惩罚系数将约束违反量构造为惩罚项，与目标函数耦合形成复合适应度函数，用于兼顾配水方案的优化精度与工程可行性；方案流量波动越小、约束违背程度越低，适应度越优；违规方案将被惩罚降权，降低择优遗传概率；通过计算种群个体的目标值与约束惩罚量，求解得到复合适应度数值，以此完成个体排序，量化评判各配水调度方案的综合优劣；

77、步骤3.3，采用锦标赛选择策略筛选父代种群；

78、从种群中随机抽取固定数量个体对比复合适应度数值，仅保留适应度更优个体进入子代备选种群；

79、步骤3.4，采用两点交叉策略对筛选后的父代种群进行基因重组；

80、随机选取两条父代染色体，确定两处基因分割节点，交换两节点之间的全部基因片段生成全新子代染色体；

81、步骤3.5，采用均匀变异策略拓展全局搜索范围，对交叉生成的全部子代个体实施基因变异，生成新一代种群并更新迭代计数；对染色体内部实数型决策变量施加可控区间内的均匀随机扰动，保证变量取值不超出工程物理边界；

82、步骤3.6，对当前进化代数与预设最大迭代总次数进行对比，判断迭代终止；

83、若当前进化代数达到预设最大迭代次数，则遍历全部种群个体，筛选复合适应度数值最优的染色体，对染色体解码后输出各级渠道最优配水流量、配水起止时间、配水持续时长调度参数，同步输出各主干渠量控断面逐时段输水流量过程曲线，寻优结束；

84、若未达到最大迭代代数，则返回步骤3.2，对新生成种群重复执行适应度计算、进化操作，循环完成遗传迭代寻优。

85、本发明的有益效果是：本发明基于量控断面过流稳定的渠系输水调配方法，以提升灌区量水精度为导向，突破传统依赖工程设施调控以稳定输水过程的模式，将量控断面过流稳定性调控前置至配水方案制定阶段，从源头优化输水调配策略，减少由于调配方案引起的渠系过流波动及计量偏差，为渠系平稳输水与精准量控提供方案支撑，具有较强的实用性。