碧流河水庫與英那河水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究

李智慧

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 沈陽 110006)

張 茹 王金偉

(大連市供水有限公司 116021)

1 研究意義

一直以來，英那河、碧流河水庫承擔(dān)著大連市的防洪、供水、改善生態(tài)環(huán)境等多項(xiàng)綜合利用任務(wù)，對(duì)大連市水資源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。但是英那河、碧流河水庫原有的運(yùn)用方式和調(diào)度圖不能滿足大伙房輸水應(yīng)急入連工程實(shí)施后的調(diào)度需要。主要原因如下:

a.隨著大伙房輸水應(yīng)急入連工程的規(guī)劃實(shí)施，碧流河水庫作為這一跨流域調(diào)水工程的中轉(zhuǎn)水庫承接大伙房水庫的調(diào)水，將與英那河水庫一同負(fù)責(zé)對(duì)大連市日益增長的城市供水。

b.水庫設(shè)計(jì)過程中沒有考慮下游生態(tài)用水的適當(dāng)補(bǔ)給，造成下游生態(tài)用水的緊缺。

c.碧流河水庫和英那河水庫原有運(yùn)行方式是單庫運(yùn)行，現(xiàn)在需要考慮兩個(gè)水庫和大伙房輸水工程的聯(lián)合運(yùn)用問題。

英那河與碧流河水庫運(yùn)行方式是否合理不僅對(duì)大連市社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，而且將是決定流域間水資源能否得到優(yōu)化配置的關(guān)鍵因素之一。調(diào)度圖是指導(dǎo)水庫科學(xué)、合理運(yùn)行的重要工具，因此研究并提出英那河、碧流河水庫合理運(yùn)行方式并繪制兩水庫調(diào)度圖對(duì)大連市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)大伙房輸水應(yīng)急入連工程效益的發(fā)揮均有重要意義。

2 碧流河、英那河水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案

2.1 碧流河水庫概況

碧流河水庫是大連市最大的水源地，位于碧流河干流上。碧流河發(fā)源于蓋州市臥龍泉鎮(zhèn)的新開嶺，于普蘭店市城子坦鎮(zhèn)謝家屯流入黃海，碧流河總長156km，流域面積2814km2，壩址以上控制流域面積2085 km2，占全流域的74.1%。，總庫容9.34億m3。壩址以上多年平均徑流量6.14億m3。碧流河水庫是一座以城市供水為主，兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)魚、灌溉、旅游等綜合效益的多年調(diào)節(jié)大(2)型水利樞紐工程。水庫主要負(fù)責(zé)大連城市直供工業(yè)的部分供水、下游工業(yè)供水，并保證下游河道有一定的基本流量作為生態(tài)環(huán)境用水。

2.2 英那河水庫概況

英那河水庫主要負(fù)責(zé)大連城市直供工業(yè)的部分供水與英那河水庫下游的農(nóng)業(yè)供水，并保證下游河道有一定的基本流量作為生態(tài)環(huán)境用水。當(dāng)水庫發(fā)生棄水時(shí)，生態(tài)環(huán)境用水可由棄水補(bǔ)充，不足部分由水庫另行支出。

2.3 碧流河與英那河水庫聯(lián)合調(diào)度方案

碧流河、英那河水庫并聯(lián)共同完成對(duì)大連城市直供需水的供給。通過構(gòu)建碧—英虛擬聚合水庫，編制聯(lián)合調(diào)度圖，確定每個(gè)調(diào)度時(shí)段對(duì)大連城市的直供供水量，之后通過補(bǔ)償調(diào)節(jié)的調(diào)度規(guī)則分配每個(gè)水庫各自對(duì)大連城市直供需水的供水任務(wù)。因?yàn)橛⒛呛铀畮炫d利庫容比碧流河水庫小得多，因此將碧流河水庫確定為補(bǔ)償調(diào)節(jié)水庫，在英那河水庫不足以完成直供供水任務(wù)的情況下，碧流河水庫通過補(bǔ)償調(diào)節(jié)與英那河水庫共同完成該任務(wù)。在英那河水庫有能力獨(dú)立完成直供供水任務(wù)的情況下，碧流河水庫不再參與此項(xiàng)任務(wù)。

所構(gòu)建的虛擬聚合水庫除了不具備一定的物理形態(tài)，即沒有一定的面積特性和容積特性外，其他方面無異于一般現(xiàn)實(shí)水庫。聚合水庫蓄水上、下限水位對(duì)應(yīng)蓄水量等于混聯(lián)水庫群各成員水庫蓄水上、下限水位對(duì)應(yīng)蓄水量之和，聚合水庫各時(shí)段蓄水量等于相應(yīng)時(shí)段的各成員水庫蓄水量之和。在聯(lián)合調(diào)度過程中，聚合水庫遵循如下的水量平衡方程:

以構(gòu)建的虛擬聚合水庫為基礎(chǔ)，編制聯(lián)合調(diào)度圖。采用粒子群算法(PSO)，以調(diào)度線位置為決策變量，依據(jù)水庫模擬調(diào)度結(jié)果優(yōu)劣，優(yōu)化確定聯(lián)合調(diào)度圖。

3 碧流河、英那河水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度規(guī)則

因?yàn)楸獭⒕酆纤畮靸H由大連直供供水確定，因此聯(lián)合調(diào)度圖由4 條線(死水位線、大連城市直供限制供水線、大連城市直供加大供水線、正?；蚍篮橄拗凭€)、5個(gè)調(diào)度區(qū)［死水位線以下(Ⅰ區(qū))、大連城市直供限制供水區(qū)(Ⅱ區(qū))、正常供水區(qū)(Ⅲ區(qū))、大連城市直供加大供水區(qū)(Ⅳ區(qū))、正?；蚍篮橄拗凭€以上(Ⅴ區(qū))］構(gòu)成。當(dāng)水庫狀態(tài)處于Ⅴ區(qū)時(shí)，水庫棄水并給城市直供加大供水;當(dāng)水庫狀態(tài)處于Ⅳ區(qū)時(shí)，水庫給城市直供加大供水;當(dāng)水庫狀態(tài)處于Ⅲ區(qū)時(shí)，水庫給城市直供工業(yè)正常供水;當(dāng)水庫狀態(tài)處于Ⅱ區(qū)時(shí)，水庫給城市直供工業(yè)限制供水;水庫狀態(tài)不能跌破死水位，當(dāng)水庫狀態(tài)處于Ⅰ區(qū)時(shí)該調(diào)度規(guī)則失敗。大連城市直供加大供水系數(shù)均采用1.02，限制供水系數(shù)為0.90，供水要求保證率為95%以上。

本研究采用補(bǔ)償調(diào)節(jié)的調(diào)度規(guī)則分配兩個(gè)水庫各自對(duì)大連城市直供需水的供水任務(wù)。因?yàn)橛⒛呛铀畮炫d利庫容比碧流河水庫小得多，因此將碧流河水庫確定為補(bǔ)償調(diào)節(jié)水庫，在英那河水庫不足以完成直供供水任務(wù)的情況下，碧流河水庫通過補(bǔ)償調(diào)節(jié)與英那河水庫共同完成該任務(wù)。在英那河水庫有能力獨(dú)立完成直供供水任務(wù)的情況下，碧流河水庫不再參與此項(xiàng)任務(wù)。

基于英那河水庫的下游直供農(nóng)業(yè)供水調(diào)度圖由4條線(死水位線、英那河直供農(nóng)業(yè)限制供水線、英那河直供農(nóng)業(yè)加大供水線、正?；蚍篮橄拗凭€)、5個(gè)調(diào)度區(qū)［死水位線以下(Ⅰ區(qū))、英那河直供農(nóng)業(yè)限制供水區(qū)(Ⅱ區(qū))、正常供水區(qū)(Ⅲ區(qū))、英那河直供農(nóng)業(yè)加大供水區(qū)(Ⅳ區(qū))、正?；蚍篮橄拗凭€以上(Ⅴ區(qū))］構(gòu)成。當(dāng)水庫狀態(tài)處于Ⅴ區(qū)時(shí)，水庫棄水并給英那河直供農(nóng)業(yè)加大供水;當(dāng)水庫狀態(tài)處于Ⅳ區(qū)時(shí)，水庫給英那河直供農(nóng)業(yè)加大供水;當(dāng)水庫狀態(tài)處于Ⅲ區(qū)時(shí)，水庫給英那河直供農(nóng)業(yè)正常供水;當(dāng)水庫狀態(tài)處于Ⅱ區(qū)時(shí)，水庫給英那河直供農(nóng)業(yè)限制供水;水庫狀態(tài)不能跌破死水位，當(dāng)水庫狀態(tài)處于Ⅰ區(qū)時(shí)該調(diào)度規(guī)則失敗。英那河直供農(nóng)業(yè)加大供水系數(shù)均采用1.02，限制供水系數(shù)為0.70，供水要求保證率為75%以上。

碧流河調(diào)水規(guī)則如下:當(dāng)碧流河水庫蓄水量高于限制供水線時(shí)，則不需要調(diào)水;如果碧流河水庫蓄水量低于限制供水線，則這個(gè)時(shí)段需要從大伙房水庫調(diào)一部分水入碧流河水庫。

4 碧流河、英那河水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型

4.1 目標(biāo)函數(shù)

在大連市城市直供、生活用水與英那河水庫農(nóng)業(yè)直供供水保證率接近要求保證率(工業(yè)生活供水要求保證率為95%，農(nóng)業(yè)供水保證率為75%)的條件下，大連城市直供水量多年平均值最大。即

式中 Rdomestic——大連城市直供供水保證率;

Ragricu1tra1——直供農(nóng)業(yè)供水保證率;

D——大連市城市直供多年平均供水量;

DS——碧流河水庫調(diào)水量;

1imitup——大連市城市直供多年平均供水量上限值;

ratio1、ratio2、ratio3、ratio4——權(quán)重系數(shù)。

4.2 決策變量

碧流河、英那河水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型決策變量包括聚合水庫聯(lián)合調(diào)度圖調(diào)度線位置、英那河水庫農(nóng)業(yè)供水調(diào)度圖調(diào)度線位置和碧流河水庫調(diào)水限制線位置。

4.3 約束條件

a.時(shí)段水量平衡方程:

b.水庫上、下限約束:

c.棄水、缺水約束:

缺水量約束

d.最小破環(huán)深度約束:

e.水庫水位Z 與蓄水量S 關(guān)系及水位Z 與水庫水面面積A 關(guān)系約束:

f.調(diào)水量約束:

以上式中 t——時(shí)段序列號(hào)，t=1，…，N;

St、St+1——t 時(shí)段初、末水庫蓄水量，萬m3;

It——t 時(shí)段的入庫徑流量，萬m3;

IWVt、AWVt——t 時(shí)段的直供水量、農(nóng)業(yè)需水量，萬m3;

Dt——水庫供水量(包括大連城市直供供水和農(nóng)業(yè)供水);

ECt、Et——t 時(shí)段的環(huán)境生態(tài)用水量、水庫損失，萬m3;

SUt、DEt——t 時(shí)段的棄水量、缺水量，萬m3;

DSt——t 時(shí)段的調(diào)水量;

DSmax——最大允許調(diào)水量;

α1、α2——直供工業(yè)與農(nóng)業(yè)供水破環(huán)深度，一般取10%、30%;

V0——死水位對(duì)應(yīng)的庫容，萬m3;

Vc、Vn——汛期、非汛期的上限水位對(duì)應(yīng)的庫容，萬m3。

5 碧流河、英那河水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度計(jì)算結(jié)果

5.1 聯(lián)合調(diào)度中碧流河水庫計(jì)算結(jié)果

在碧—英水庫聯(lián)合調(diào)度中，碧流河水庫對(duì)大連市的城市生活與工業(yè)多年平均供水量為45120.95萬m3，日供水量為123.62萬t，保證率為95.07%;對(duì)庫下工業(yè)供水多年平均供水量為9.3萬m3，保證率為100%;碧流河水庫汛期棄水20939.31萬m3，非汛期棄水162.68萬m3，對(duì)下游生態(tài)環(huán)境年均補(bǔ)給水量為2049.70萬m3。碧流河水庫在1951～2003年，有33年汛期達(dá)到汛限水位，發(fā)生棄水;1951年水庫運(yùn)行水位最低，接近死水位。碧流河水庫調(diào)度圖見圖1。

圖1 碧流河水庫調(diào)水控制線

5.2 聯(lián)合調(diào)度中英那河水庫計(jì)算結(jié)果

在碧—英水庫聯(lián)合調(diào)度中，英那河水庫對(duì)大連市的城市生活與工業(yè)多年平均供水量為21071.35萬m3，日供水量為57.73萬t，保證率為95.07%;庫下農(nóng)業(yè)多年平均供水量為1765.89萬m3，保證率為75.93%;英那河水庫汛期棄水7645.13萬m3，非汛期棄水498.59萬m3，對(duì)下游生態(tài)環(huán)境年均補(bǔ)給水量為376.97萬m3。英那河水庫在1951～2003年，有29年汛期水位達(dá)到汛限水位發(fā)生棄水。英那河水庫調(diào)度圖見圖2。

圖2 英那河水庫調(diào)度圖