一种基于动态规划方法的自流灌区单干渠优化配水方法与流程

1.本发明涉及渠道优化配水的技术领域，具体是涉及一种基于动态规划方法的自流灌区单干渠优化配水方法。


背景技术：

2.大中型灌区骨干输水渠道分级多，线路长，沿线控制性建筑物分布广，由于引水水权收到控制，加之管理程度粗放不一，灌溉水利用效率往往较低，影响农业增产和农民增收。如何根据灌区农业种植结构，通过骨干输水渠道沿线控制性节制闸优化调度，实现灌区水资源最大化综合利用，对提高灌溉水利用效率，保障灌区粮食生产，促进农民增收。针对传统优化渠系配水模型主要基于目标函数对作物需水量进行优化配置，而目标函数参数及约束条件较为复杂，难以实现全局优化配水。


技术实现要素：

3.发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种基于动态规划方法的自流灌区单干渠优化配水方法，以单干渠为研究对象，能够获取以受水区作物缺水量最小为目标的支渠首节制闸优化配水方法，获得单干渠沿线各支渠首节制闸最优的开度过程。
4.技术方案：为解决上述问题，本发明提供一种基于动态规划方法的自流灌区单干渠优化配水方法，包括以下步骤：
5.(1)模型建立：以一次灌水期单干渠所辖各支渠控制的受水区缺水量平方和最小为目标，建立如下目标函数；
[0006][0007]
式中：f为一次灌水期单干渠所辖各支渠控制的受水区缺水量的最小平方和；f为单干渠所辖各支渠控制的受水区缺水量的平方和；m为干渠控制的支渠数量；j为支渠编号，j＝1,2,
…
,m；i为一次灌水期划分的灌水时段编号，i＝1,2,
…
, n，n为时段总数；xj(k
ji
)为第j条支渠对应于渠首节制闸开度过程k
ji
的配水量，单位为m3；ysj为第j条支渠控制面积对应的作物需水量，单位为m3；
[0008]
(2)设置约束条件：根据单干渠一次引水总量、灌水时长、干渠流量、干渠水位、支渠首节制闸开度的要求，设置目标函数求解的约束条件；
[0009]
(3)模型求解：以单干渠沿线各支渠首节制闸配水量为决策变量，以前若干个支渠首节制闸配水总量为状态变量，采用一维动态规划方法，结合约束条件对目标函数求解，具体包括以下步骤：
[0010]
(31)测定单干渠控制的支渠首节制闸位置、数量，测定各支渠控制的各受水区作物在该灌水期内的需水量；
[0011]
(32)以单干渠沿线各支渠首节制闸位置编号为阶段，以前若干个支渠首节制闸配水总量为状态变量，构建状态转移方程，确定各阶段效益费用函数；
[0012]
(33)采用顺序递推法，获得满足各支渠控制面积缺水量平方和最小的各支渠首节制闸最优配水量。
[0013]
有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是：结合大中型灌区干渠配水实际情况，设置干渠首引水量约束、干渠配水总时长约束、干渠流量约束、干渠水位约束和支渠首闸门开度约束，提高了模型求解结果的实用性。
[0014]
进一步的，本发明还包括步骤：
[0015]
(4)采用一维非恒定流模型模拟各支渠首节制闸闸上水位过程；确定各支渠首节制闸闸上水深过程；再运用闸孔自由出流公式，确定各支渠首节制闸闸门最优开度过程，具体包括以下步骤：
[0016]
(41)测定单干渠计算参数，包括：渠段数，各渠段渠底高程、渠底宽、边坡系数、糙率；测定各支渠首节制闸数闸底板高程、闸孔净宽、闸孔净高；
[0017]
(42)根据单干渠一次引水总量及灌水总时长，拟定干渠首引水流量过程；根据获得的各支渠首节制闸最优配水量及灌水总时长，确定各支渠首节制闸配水流量过程；
[0018]
(43)将获得的各支渠首节制闸配水流量过程作为流量边界，在已知干渠首引水流量过程、干渠初始水位，以及测得的单干渠各渠段断面参数、各支渠首节制闸参数的基础上，采用一维非恒定流模型模拟确定各支渠首节制闸闸上水位过程，并以此确定各支渠首节制闸闸上水深过程；再运用闸孔自由出流公式，计算出各支渠首节制闸闸门最优开度过程。
[0019]
有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是：将动态规划法与一维非恒定流数值模拟相结合，能够进一步获得各支渠首节制闸闸门在各时间段内最优开度过程，提高模型求解精度，方便对支渠首闸门开展有效实时调度。
[0020]
进一步的，所述步骤(2)中的约束条件包括：
[0021]
(21)干渠首引水量约束：
[0022][0023]
(22)干渠灌水总时长约束：
[0024]
ts≤t0[0025]
(23)干渠流量约束：
[0026]qmin
≤q≤q
max
[0027]
(24)干渠水位约束：
[0028]zmin
≤z≤z
max
[0029]
(25)支渠首闸门开度约束：
[0030]
0≤k
ji
≤hj[0031]
式中，w0为干渠首一次引水总量，单位为m3；ts为实际灌水总时长，单位为h；灌水总时长t0，单位为h；q为干渠流量，单位为m3/s；最大流量q
max
、最小流量q
min
，单位为m3/s；z为干渠输水水位，单位为m；最高水位z
max
、最低水位z
min
，单位为m；hj为第j个支渠首闸门净高，单位为m。
[0032]
进一步的，步骤(32)具体包括以下步骤：
[0033]
(321)以支渠首节制闸编号j为阶段变量，以前j个支渠首节制闸配水总量为状态
变量λ，构建如下状态转移方程：
[0034]
λj＝xj(k
ji
) λ
j-1
[0035]
(322)根据目标函数及状态转移方程，确定如下效益费用函数：
[0036]gj
(λj)＝min{[xj(k
ji
)-ysj]2 g
j-1
(λ
j-1
)}
[0037]
进一步的，步骤(33)具体包括以下步骤：
[0038]
(331)阶段j＝1：
[0039]
g1(λ1)＝min[x1(k
1i
)-ys1]2[0040]
不考虑节制闸开度k
1i
影响，将该阶段状态变量λ1可在对应可行域内离散：λ1＝0,w1,w2,
…
,w0；对每个离散的λ1，决策变量x1可在对应可行域内离散，应满足：x1≥λ1；将满足要求的x1分别代入上式，根据该阶段已知的ys1，分别得到每个离散λ1值时，最优x
1*
及其对应的g1(λ1)；
[0041]
(332)阶段j＝2，3，
…
，m-1：
[0042]gj
(λj)＝min{[xj(k
ji
)-ysj]2 g
j-1
(λ
j-1
)}
[0043]
该阶段状态变量λj同样分别进行离散：λj＝0,w1,w2,
…
,w0；对每个离散的λj，决策变量xj可在对应可行域内离散，应满足：状态转移方程为：
[0044]
λj＝xj λ
j-1
[0045]
式中：j＝2，3，
…
，m-1；
[0046]
将各离散的xj值分别代入上式中的[xj(k
ji
)-ysj]2，根据该阶段已知的 ysj，由状态转移方程式，查找第i-1阶段满足要求的g
j-1
(λ
j-1
)值，由此获得满足该λj要求的最优x
j*
及其对应的gj(λj)；
[0047]
利用各阶段状态变量，采用逆序寻优方法，分别确定满足单干渠总配水量 w0条件下，各支渠首节制闸最优配水量x
j*
，其中，j＝1,2,
…
,m。
[0048]
(333)阶段m：
[0049]gm
(λm)＝min{[xm(k
mi
)-ysm]2 g
m-1
(λ
m-1
)}
[0050]
该时段状态变量λm＝w0；决策变量xm同样在对应可行域内离散，应满足：λ
m-1
＝λ
m-xm；采用步骤(332)所述方法，最终获得满足该λm要求的x
m*
，以及对应的受水区最小缺水量平方和f；
[0051]
进一步的，步骤(43)所述的一维非恒定流模型如下：
[0052][0053][0054]
式中，z为单干渠水位，单位为m；q为单干渠流量，单位为m3/s；b为单干渠水面宽度，单位为m；a为单干渠过水断面面积，单位为m2；r为单干渠水力半径；c为单干渠谢才系数；q为单位长度单干渠的旁侧入流量，单位为 m3/s；t和s分别是时间和空间坐标。
[0055]
进一步的，步骤(43)所述的各支渠首节制闸闸上水深过程为各支渠首节制闸闸上
水位过程减去各断面渠底高程。
[0056]
进一步的，步骤(42)所述的干渠首引水流量过程为单干渠一次引水总量与灌水总时长之比。
[0057]
进一步的，步骤(42)所述的各支渠首节制闸配水流量过程为各支渠首节制闸最优配水量与灌水总时长之比。
附图说明
[0058]
图1所示为本发明所述单干渠优化配水的结构示意图；
[0059]
图2所示为本发明所述单干渠优化配水方法的流程图。
具体实施方式
[0060]
下面结合附图对本发明进一步说明。
[0061]
如图1所示，本发明所述基于动态规划方法的自流灌区单干渠控制m条支渠，渠首一次引水总量为w0；每条支渠控制面积对应的作物需水量为ysj，j为支渠编号(j＝1,2,
…
,m)；每条支渠渠首节制闸开度过程k
ji
的配水量为xj(k
ji
)，i为一次灌水期划分的灌水时段编号(i＝1,2,
…
,n；其中n为时段总数)。
[0062]
如图2所示，本发明所述的一种基于动态规划方法的自流灌区单干渠优化配水方法，包括以下步骤：
[0063]
(1)模型建立：以一次灌水期单干渠所辖各支渠控制的受水区缺水量平方和最小为目标，建立如下目标函数；
[0064][0065]
式中：f为一次灌水期单干渠所辖各支渠控制的受水区缺水量的最小平方和；f为单干渠所辖各支渠控制的受水区缺水量的平方和；xj(k
ji
)为第j条支渠对应于渠首节制闸开度过程k
ji
的配水量，单位为m3；ysj为第j条支渠控制面积对应的作物需水量，单位为m3；
[0066]
(2)设置约束条件：根据单干渠一次灌水总量w0(单位为m3/s)、灌水总时长t0(单位为h)、干渠流量q(单位为m3/s)、干渠水位z(单位为m)、支渠首节制闸开度k
ji
(单位为m)，设置目标函数求解的约束条件如下：
[0067]
(21)干渠首引水量约束：
[0068][0069]
(22)干渠灌水总时长约束：
[0070]
ts≤t0(3)
[0071]
(23)干渠流量约束：
[0072]qmin
≤q≤q
max
(4)
[0073]
(24)干渠水位约束：
[0074]zmin
≤z≤z
max
(5)
[0075]
(25)支渠首闸门开度约束：
[0076]
0≤k
ji
≤hj(6)
[0077]
式中，ts为实际灌水总时长，单位为h；最大流量q
max
和最小流量q
min
，单位为m3/s；最高水位z
max
和最低水位z
min
，单位为m；hj为第j个支渠首闸门净高，单位为m；
[0078]
(3)模型求解：以单干渠沿线各支渠首节制闸配水量为决策变量，以前若干个支渠首节制闸配水总量为状态变量，采用一维动态规划方法，结合约束条件对目标函数求解，具体包括以下步骤：
[0079]
(31)测定单干渠控制的支渠首节制闸位置、数量，测定各支渠控制的各受水区作物在该灌水期内的需水量；
[0080]
(32)以支渠首节制闸编号j为阶段变量，以前j个支渠首节制闸配水总量为状态变量λ，构建如下状态转移方程：
[0081]
λj＝xj(k
ji
) λ
j-1
(7)
[0082]
根据目标函数及状态转移方程，确定如下效益费用函数：
[0083]gj
(λj)＝min{[xj(k
ji
)-ysj]2 g
j-1
(λ
j-1
)}(8)
[0084]
(33)采用顺序递推法，获得满足各支渠控制面积缺水量平方和最小的各支渠首节制闸最优配水量；具体包括以下步骤：
[0085]
(331)阶段j＝1：
[0086]
g1(λ1)＝min[x1(k
1i
)-ys1]2(9)
[0087]
先不考虑节制闸开度k
1i
影响，将该阶段状态变量λ1可在对应可行域内离散：λ1＝0,w1,w2,
…
,w0；对每个离散的λ1，决策变量x1可在对应可行域内离散，如0m3、5m3、10m3、15m3、
…
x
1,max
等，x
1,max
为第1个支渠首最大供水量，应满足：x1≥λ1，；将满足要求的x1分别代入式(9)，根据该阶段已知的ys1，分别得到每个离散λ1值时，最优x
1*
及其对应的g1(λ1)；
[0088]
(332)阶段j＝2，3，
…
，m-1：
[0089]gj
(λj)＝min{[xj(k
ji
)-ysj]2 g
j-1
(λ
j-1
)}(10)
[0090]
该阶段状态变量λj同样分别进行离散：λj＝0,w1,w2,
…
,w0；对每个离散的λj，决策变量xj可在对应可行域内离散，如0m3、5m3、10m3、15m3、
…
x
j,max
等，x
j,max
为第j个支渠首最大供水量，应满足：状态转移方程为：
[0091]
λj＝xj λ
j-1
(11)
[0092]
式中：j＝2，3，
…
，m-1；将各离散的xj值分别代入式(11)中的[xj(k
ji
)-ysj]2，根据该阶段已知的ysj，由状态转移方程式(11)，查找第i-1阶段满足要求的g
j-1
(λ
j-1
)值，由此获得满足该λj要求的最优x
j*
及其对应的gj(λj)；
[0093]
(333)阶段m：
[0094]gm
(λm)＝min{[xm(k
mi
)-ysm]2 g
m-1
(λ
m-1
)}(12)
[0095]
该时段状态变量λm＝w0；决策变量xm同样在对应可行域内离散，应满足：λ
m-1
＝λ
m-xm；采用步骤(332)所述方法，最终获得满足该λm要求的x
m*
，以及对应的受水区最小缺水量平方和f；
[0096]
利用各阶段状态变量，采用逆序寻优方法，分别确定满足单干渠总配水量w0条件
下，各支渠首节制闸最优配水量x
j*
，其中，j＝1,2,
…
,m。
[0097]
(4)采用一维非恒定流数值模拟，模拟各支渠首节制闸闸上水位过程z
ji
，确定各支渠首节制闸闸上水深过程h
ji
；再运用闸孔自由出流公式，确定各支渠首节制闸闸门最优开度过程k
ji*
；具体包括以下步骤：
[0098]
(41)测定单干渠计算参数，包括：渠段数，各渠段渠底高程、渠底宽、边坡系数、糙率；测定各支渠首节制闸数量、闸底板高程、闸孔净宽、闸孔净高；
[0099]
(42)根据单干渠一次引水总量w0及灌水总时长t0，采用qi＝w0/t0，拟定干渠首引水流量过程qi(其中，i＝1,2,
…
,n,n为时段总数)；根据获得的各支渠最优配水量x
j*
(k
ji
)以及灌水总时长t0，采用q
ji
＝x
j*
(k
ji
)/t0，确定各支渠首节制闸配水流量过程q
ji
(其中，j＝1,2,
…
,m；i＝1,2,
…
,n)；
[0100]
(43)将获得的各支渠首节制闸配水流量过程作为流量边界q
ji
，模拟确定各支渠首节制闸闸上水位过程z
ji
，获取各支渠首节制闸闸门最优开度过程k
ji*
；具体包括以下步骤：
[0101]
(431)构建如下单干渠一维非恒定流模型：
[0102][0103][0104]
式中，z为单干渠水位，单位为m；q为单干渠流量，单位为m3/s；b为单干渠水面宽度，单位为m；a为单干渠过水断面面积，单位为m2；r为单干渠水力半径；c为单干渠谢才系数；q为单位长度单干渠的旁侧入流量，单位为 m3/s；t和s分别是时间和空间坐标；
[0105]
(432)将获得的各支渠首节制闸配水流量q
ji
设定为断面流量边界，并设定干渠首流量过程边界qi，在已测得的单干渠各断面所在渠段参数、各支渠首节制闸参数及初始水位基础上，采用preissmann隐格式建立差分方程，并采用追赶法求解该一维非恒定流模型，模拟确定各断面支渠首节制闸闸上水位过程z
ji
，利用各断面支渠首节制闸闸上水位过程z
ji
减去测定的各断面所在渠段的渠底高程d
ji
获取各支渠首节制闸闸上水深过程h
ji
；
[0106]
(433)根据确定的各断面支渠首节制闸闸上水深过程z
ji
，运用闸孔自由出流公式计算确定满足各支渠首节制闸配水流量q
ji
要求下的对应首节制闸闸门最优开度过程k
ji*
。其中，μ
ji
、b
ji
分别为单干渠第j条支渠首断面的流量系数和渠首节制闸净宽(m)，j＝1,2,
…
,m；i＝1,2,
…
,n。