一种供需双边预测的旱涝保收水资源配置方法

技术领域

本发明涉及水资源优化配置技术领域，尤其涉及一种供需双边预测的旱涝保收水资源配 置方法。

背景技术

随着社会经济的飞速发展以及城镇化进程的持续推进，日益增长的水资源需求和水资源 短缺之间的矛盾更加突出。在全球气候变化背景下，未来水资源的需求量将持续增加。而另 一方面，水资源供给量受到降水、气温、地表过程等多个因素的综合影响而变化。水资源问 题注定会成为未来无法回避的世纪挑战。农业是我国的用水大户，灌溉用水是保障粮食安全 生产的重要前提。如何合理预测未来水资源供给与需求变化，科学高效地配置有限的水资源 对保障粮食安全和区域可持续发展具有深远意义。

优化建模方法作为水资源高效配置的重要工具，在学术界得到了广泛应用。多数相关研 究针对水资源利用现状进行优化，但面向未来的水资源优化配置更具有使用前景。受水文循 环、地形变化、以及人类活动等复杂条件影响，未来水资源供给与需求表现出非线性和随机 性特点，对其进行准确预测具有很大的挑战性。随着机器学习算法的快速发展，为合理地处 理序列信息，提高预测精度提供了技术支撑。但是，如何借助机器学习算法开展高精度供需 水量双边统一预测，构建预测-优化耦合框架，实现面向未来的水资源高效合理配置，并没有 具体有效的实施方案。

另一方面，以全球变暖为主要背景的气候变化下，干旱、洪涝等极端气候水文事件的发 生频率将有所增加，必然成为影响区域可持续发展的重要风险之一。水库通过拦蓄和调节天 然径流，能够有效缓解由于旱涝灾害对水资源有效管理带来的冲击，以达到防洪、抗旱、兴 利的目的，最大限度地满足区域发展的需求。实施科学的水库调度管理方案，将有助于最大 程度地发挥水库的工程效应。但是，考虑水库承担任务的优先序且保证工程安全的前提下， 如何充分运用水库的调蓄能力，实现水资源高效管理，并兼顾旱涝条件下的区域粮食安全， 成为了亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种供需双边预测的旱涝保收水资源配置方法，其特征在于，包括 以下步骤：

步骤S1：收集来水量与需水量的历史序列信息；

步骤S2：根据步骤S1的历史序列信息，使用供需水Bi-LSTM(Bi-directional LongShort-Term Memory,双向长短时记忆网络)预测模型分别预测未来预设情景下的区域来水量 与需水量；

步骤S3：在预测未来区域来水量与需水量的基础上，结合水库的运行状态与用水量来平 衡预知库区在未来时间段内的旱涝状态；

步骤S4：选取区域整体净经济效益最大化、区域粮食总产量最大化以及综合缺水指数最 小化为优化目标，选取水库水量平衡能力、水库库容限制能力、分洪区蓄洪能力、分洪区扩 容能力、粮食安全以及各用水部门需水量作为约束条件，构建旱涝保收的多部门多目标混合 整数动态优化模型；

步骤S5：利用层次分析法和加权最小偏差法对步骤S4中的多部门多目标混合整数动态 优化模型进行求解，得到面向未来的旱涝条件下水资源优化配置结果。

所述步骤S4包括以下子步骤：

步骤S41：选取区域整体净经济效益最大化为目标，考虑区域各部门用水、分洪区分流 成本、以及蓄洪区扩容成本，构建目标函数：

式中，f

步骤S42：选取区域粮食总产量最大化为目标，引入不同作物二次水分生产函数，构建 目标函数：

式中，f

步骤S43：选取综合缺水指数最小化为目标，考虑各部门配置权重，构建目标函数：

式中，f

步骤S44：选取水库水量平衡能力、水库库容限制能力、分洪区蓄洪能力、分洪区扩容 能力、粮食安全以及各用水部门需水量作为约束条件，具体表达式如下：

(1)水库水量平衡约束：

式中，SR

(2)水库库容限制约束：

DR

式中，DR

(3)分洪区蓄洪能力约束：

W

式中，WC

(4)分洪区扩容能力约束：

E

式中，EC

(5)粮食安全约束：

式中，POP为区域总人口数；ND为人均最低粮食标准；

(6)各用水部门需水量约束：

式中，

以上约束条件中的X

X

本发明的有益效果在于：

1、本发明考虑未来供需水结构的随机性与复杂性，采用Bi-LSTM深度学习算法开展水 库供需双边预测，能够有效克服采用传统的预测模型来预测来水量与需水量在预测精确度方 面的不足和很少考虑供需双边预测结果对未来水资源配置的动态影响的局限性；

2、本发明充分利用未来水资源供需预测信息，结合水资源优化配置建模方法，一方面实 现了库区旱涝灾害的预警，另一方面通过水库水资源的高效调配，极大程度地避免了灾害的 发生，保障了缺水及富水条件下的区域粮食安全。

附图说明

图1为本发明供需双边预测的旱涝保收水资源配置方法的流程图。

具体实施方式

本发明提出一种供需双边预测的旱涝保收水资源配置方法，下面结合附图和具体实施例 对本发明做进一步说明。

图1为本发明供需双边预测的旱涝保收水资源配置方法的流程图。具体包括以下步骤：

S1：收集来水量与需水量历史序列信息，对数据进行预处理后将部分作为训练数据确定 Bi-LSTM模型的参数，构建供需水Bi-LSTM预测模型，其余数据作为测试验证模型效果；

S2：使用供需水Bi-LSTM预测模型分别预测未来预设情景下的区域来水量与需水量；

S3：在预测未来区域来水量与需水量的基础上，结合水库的运行状态与用水量平衡预知 库区在未来时间段内的旱涝状态；

S4：以区域整体净经济效益最大化、粮食总产量最大化、以及综合缺水指数最小化为优 化目标，以水库调蓄能力、分洪区蓄洪能力、各部门需水量以及粮食安全等作为约束条件， 构建旱涝保收的多部门多目标混合整数动态优化模型；

S5：利用层次分析法和加权最小偏差法对所述的多目标优化模型进行求解，得到面向未 来的旱涝条件下水资源优化配置结果，为区域水资源高效管理及粮食安全保障提供理论指导 与决策支持。

步骤S4分为：

步骤S4-1：以区域整体净经济效益最大化为目标，考虑区域各部门用水、分洪区分流成 本、以及蓄洪区扩容成本，构建目标函数：

式中，f

步骤S4-2：以区域粮食总产量最大化为目标，引入不同作物二次水分生产函数，构建目 标函数：

式中，f

步骤S4-3：以综合缺水指数最小化为目标，考虑各部门配置权重，构建目标函数：

式中，

步骤S4-4：以以水库调蓄能力、分洪区蓄洪能力、各部门需水量以及粮食安全等作为约 束条件，具体的各约束表达式表述如下：

水库水量平衡约束：

式中，SR

本约束条件中，当t＝0时，水库储水量为已知参数，当t≥1时，水库来水量，出水量， 与存水量遵循动态平衡原则。

水库库容限制约束：

DR

式中，DR

分洪区蓄洪能力约束：

W

式中，WC

分洪区扩容能力约束：

E

式中，EC

粮食安全约束：

式中，POP为区域总人口数(人)；ND为人均最低粮食标准(kg/人)；

各用水部门需水量约束：

式中，

0-1变量约束：

非负约束：

X

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟 悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖 在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。