浙東水資源系統(tǒng)仿真模擬模型研究

吳文靜，周 芬，王靈敏

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江杭州 310002)

0 引言

浙東地區(qū)即蕭(山)紹(興)寧(波)舟(山)地區(qū)，區(qū)域面積14 664 km2，是長(zhǎng)江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)重要組成部分，在浙江省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著舉足輕重的作用.

為解決浙東地區(qū)水資源匱乏問(wèn)題，浙江省實(shí)施了全省目前涉及行政區(qū)域和流域最多、組成最復(fù)雜的浙東引水工程，這是確保浙東地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大水資源配置工程，也是解決環(huán)杭州灣地區(qū)水資源平衡、合理調(diào)配水資源的重要組成部分.該工程通過(guò)蕭山樞紐、曹娥江大閘樞紐、曹娥江至寧波引水工程、舟山大陸引水工程將富春江、曹娥江、甬江、蕭紹寧河網(wǎng)等供水水源聯(lián)通起來(lái)，形成分源配水、分質(zhì)供水的水資源配置網(wǎng)絡(luò)，以農(nóng)業(yè)和一般工業(yè)作為主要供水對(duì)象，并兼顧改善河網(wǎng)的水環(huán)境，由西向東供水直至舟山群島;并在曹娥江上游興建水庫(kù)，向整個(gè)浙東地區(qū)提供優(yōu)質(zhì)水和一般用水.

本文針對(duì)浙東引水工程實(shí)際情況和浙東地區(qū)水資源系統(tǒng)特點(diǎn)，通過(guò)水資源模擬系統(tǒng)概劃，建立了浙東水資源系統(tǒng)仿真模擬數(shù)學(xué)模型，主要包括產(chǎn)匯流模擬、水量配置模擬和河網(wǎng)水動(dòng)力模擬三個(gè)子模型，并利用該模型對(duì)浙東引水曹娥江至寧波引水工程曹娥江最低可引水水位進(jìn)行方案比選.

1 浙東引水工程概況

浙東引水工程的主要任務(wù)是引富春江水向蕭紹寧平原及舟山市補(bǔ)充工業(yè)和農(nóng)灌等一般用水，并兼顧改善水環(huán)境.工程主要組成部分有:浙東引水蕭山樞紐、浙東引水曹娥江大閘樞紐、浙東引水曹娥江至慈溪引水工程(北線)、浙東引水曹娥江至寧波引水工程(南線)、浙東引水舟山大陸引水工程、浙東引水欽寸水庫(kù)等.

浙東引水工程是通過(guò)提供一般用水水量，將浙東供水區(qū)水庫(kù)原用于供給農(nóng)業(yè)和一般工業(yè)的水量置換出來(lái)用于生活用水，從而提高浙東地區(qū)優(yōu)質(zhì)用水戶的供水保證率.工程供水受益范圍為浦陽(yáng)江以東、曹娥江曹娥下游的紹興平原、姚江平原和舟山海島.受益縣市主要包括紹興市的越城區(qū)、紹興縣、上虞市，寧波市的鄞州區(qū)、海曙區(qū)、江東區(qū)、江北區(qū)、北侖區(qū)、鎮(zhèn)海區(qū)、余姚市、慈溪市、奉化市，舟山市的普陀區(qū)、定海區(qū)、金塘島和岱山縣.

2 浙東水資源系統(tǒng)的特點(diǎn)及概化

2.1 浙東水資源系統(tǒng)的特點(diǎn)

浙東水資源系統(tǒng)是由若干水利工程、水源地、供水區(qū)和容泄區(qū)等組成，這些區(qū)域又分屬不同的流域、河區(qū)或行政區(qū)，其水文情況既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，種種因素決定浙東水資源系統(tǒng)是一個(gè)多因素多層次的相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)有:

(1)跨行政區(qū) 從行政區(qū)劃上分別屬杭州市、紹興市、寧波市和舟山市的多個(gè)縣(市或區(qū))，平原河網(wǎng)在行政邊界上均設(shè)有節(jié)制閘.

(2)跨流域 主要涉及到錢塘江流域、曹娥江流域和甬江流域，需要協(xié)調(diào)解決好防洪與供水之間、引水和沖淤之間的矛盾.

(3)多水源 水源工程有山區(qū)水庫(kù)、平原河網(wǎng)、江道水庫(kù).區(qū)內(nèi)有大中型水庫(kù)29座，平原河網(wǎng)分別有蕭紹平原河網(wǎng)、虞北平原河網(wǎng)、余姚河網(wǎng)、慈溪河網(wǎng)、寧波河網(wǎng)，江道水庫(kù)有曹娥江大閘閘上水庫(kù)、上浦閘閘上水庫(kù)和姚江江道水庫(kù).

(4)多用戶 用水戶主要有城鄉(xiāng)生活用水、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水、生態(tài)環(huán)境用水、水閘沖淤用水和船閘用水等，各用水戶對(duì)水量、水質(zhì)和保證率均有不同要求.遭遇較大干旱年份時(shí)，首先保證居民生活和重要工業(yè)用水等優(yōu)質(zhì)用水戶.

(5)河網(wǎng)多水級(jí) 引水地區(qū)地勢(shì)由西向東從高逐漸降低，河網(wǎng)常水位也隨之降低，平原內(nèi)部按常水位分成多個(gè)河區(qū)，不同河區(qū)之間均以節(jié)制閘、滾水堰為界.

(6)供水工程多級(jí)串并聯(lián)、且多級(jí)反饋 水庫(kù)的棄水是河網(wǎng)的主要水源之一，而部分水庫(kù)是從所在片河網(wǎng)抽水蓄庫(kù)的“調(diào)峰”水庫(kù)，部分水庫(kù)棄水又是下游水庫(kù)的水源之一.河網(wǎng)棄水是江道水庫(kù)的來(lái)水之一，而沿曹娥江和姚江兩岸的翻水站又抽取江道水庫(kù)蓄水向片區(qū)供水.

(7)供排水方向不一致 平原河網(wǎng)區(qū)以河網(wǎng)引水為主，水資源配置方向是由西向東，排澇方向則由南向北排入錢塘江.

(8)有調(diào)節(jié)供水與無(wú)調(diào)節(jié)供水相結(jié)合 除調(diào)節(jié)性能較好的山區(qū)水庫(kù)外，平原河網(wǎng)和江道水庫(kù)匯水僅靠河道高水位與低水位之間的蓄水容積調(diào)節(jié)，調(diào)蓄性能較差.

綜上所述，研究對(duì)象是一個(gè)以河網(wǎng)引水為主的跨行政區(qū)、跨流域、多水源、多用戶、多層次、多級(jí)串并聯(lián)、多級(jí)反饋的大型水資源配置系統(tǒng).

2.2 浙東水資源系統(tǒng)概化

浙東水資源系統(tǒng)中的各區(qū)域通過(guò)各種水利工程相聯(lián)通，從而實(shí)現(xiàn)引入的錢塘江水資源與浙東地區(qū)水資源的統(tǒng)一配置.錢塘江水源通過(guò)浙東引水蕭山樞紐工程在浙東地區(qū)有引水需求的情況下有條件有限制地(時(shí)間和水量)向浙東水資源系統(tǒng)供水.位于曹娥江閘上水庫(kù)上游的山區(qū)徑流全部匯入水庫(kù)，而曹娥江閘上水庫(kù)還將左岸的蕭紹平原和右岸的姚江平原兩個(gè)不同水系、不同水級(jí)的平原河網(wǎng)聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)三興引水閘和大厙引水閘將錢塘江和曹娥江水資源引至曹娥江右岸的姚江流域，使曹娥江河口兩岸成為一個(gè)共同的供水體系.舟山大陸引水工程則將舟山片與姚江平原南片聯(lián)在一起，通過(guò)海底輸水管道向舟山提供水資源.浙東引水水資源系統(tǒng)概化網(wǎng)絡(luò)圖見(jiàn)圖1.

3 浙東水資源系統(tǒng)仿真模擬數(shù)學(xué)模型

模擬是對(duì)水資源系統(tǒng)及其功能的直接模擬，也是分析復(fù)雜水資源系統(tǒng)的重要手段［1-2］.為了真實(shí)模擬浙東引水工程的運(yùn)行狀況，本次建立浙東水資源系統(tǒng)仿真模擬模型，主要由產(chǎn)匯流模擬模型、水量配置模擬模型和河網(wǎng)水動(dòng)力模擬模型組成.

3.1 產(chǎn)匯流模擬模型

產(chǎn)匯流模擬模型依據(jù)各類下墊面的降雨徑流特點(diǎn)，采用相應(yīng)的方法計(jì)算其徑流過(guò)程，同時(shí)模擬農(nóng)田灌溉需水過(guò)程，為水量配置模擬模型提供邊界條件.

山區(qū)徑流模擬一般采用年徑流模型法、水文比擬法及降雨徑流相關(guān)法;平原徑流模擬則按不同的下墊面條件(水面、水田、旱地、雜地)分別采用不同的產(chǎn)流方式計(jì)算.

圖1 浙東引水工程水資源系統(tǒng)概化網(wǎng)絡(luò)圖

3.2 水量配置模擬模型

水量配置模擬模型以水資源分區(qū)為基礎(chǔ)，將研究區(qū)域劃分為多個(gè)計(jì)算單元，模型根據(jù)水量平衡原理，依照一定的計(jì)算順序和準(zhǔn)則模擬各計(jì)算單元內(nèi)的取用水過(guò)程和計(jì)算單元之間的水量交換過(guò)程，并為河網(wǎng)水動(dòng)力模擬模型提供邊界條件［3-5］.

3.2.1 目標(biāo)函數(shù)

系統(tǒng)缺水總量最小:

其中:St(m，u，k)—第u個(gè)計(jì)算分區(qū)第k用水戶第m時(shí)段的缺水量.

3.2.2 約束條件

(1)水量平衡約束

計(jì)算分區(qū)水量平衡約束:

其中:D(m，u，k)—第u計(jì)算分區(qū)第k個(gè)用水戶第m時(shí)段的需水量;

H(m，u，k)—第u計(jì)算分區(qū)第k個(gè)用水戶第m時(shí)段的河網(wǎng)供水;

R(m，u，k)—第u計(jì)算分區(qū)第k個(gè)用水戶第m時(shí)段的水庫(kù)供水.

水庫(kù)(河網(wǎng))水量平衡約束:

其中:V(m，i)—第i個(gè)水庫(kù)(河網(wǎng))第m時(shí)段初始蓄水量;

V(m+1，i)—第i個(gè)水庫(kù)(河網(wǎng))第m時(shí)段末蓄水量;

Vs(m，i)—第 i個(gè)水庫(kù)(河網(wǎng))第m時(shí)段水庫(kù)(河網(wǎng))的來(lái)水量;

Vg(m，i)—第i個(gè)水庫(kù)(河網(wǎng))第m時(shí)段水庫(kù)(河網(wǎng))的供水量;

Vw(m，i)—第i個(gè)水庫(kù)(河網(wǎng))第m時(shí)段水庫(kù)(河網(wǎng))的棄水量;

L(m，i)—第 i個(gè)水庫(kù)(河網(wǎng))第m時(shí)段水庫(kù)(河網(wǎng))損失量.

(2)蓄水庫(kù)容約束

其中:Vmin(i)—第i個(gè)水庫(kù)(河網(wǎng))的供水死庫(kù)容;

V(m，i)—第i個(gè)水庫(kù)(河網(wǎng))第m時(shí)段的蓄水量;

Vmax(i)—第i個(gè)水庫(kù)(河網(wǎng))的控制蓄水量，梅汛期、臺(tái)汛期和非汛期采取不同的控制.

(3)引提水量約束

其中:P(y，m，u)—第u計(jì)算分區(qū)第m時(shí)段引、提水量;

Pmax(u)—第u計(jì)算分區(qū)的最大引提水能力.

(4)最小供水保證率約束:

優(yōu)質(zhì)水供水保證率95%以上，一般工業(yè)、農(nóng)灌供水保證率85%～90%.

3.3 河網(wǎng)水動(dòng)力模擬模型

河網(wǎng)水動(dòng)力模擬模型基于各骨干輸水河道和控制性水利工程，由反映質(zhì)量守恒定律的連續(xù)方程和反映動(dòng)量守恒定律的運(yùn)動(dòng)方程組成，將平原地區(qū)的匯水和用水排水過(guò)程分別作為骨干河道的正向或負(fù)向集中入流概化在模型中，依照區(qū)域總體水流方向和控制性水利工程啟閉原則，逐時(shí)模擬河網(wǎng)中骨干引水河道的水流運(yùn)動(dòng)，依次計(jì)算各斷面的水位、流量.河網(wǎng)水動(dòng)力模擬模型的框架結(jié)構(gòu)如下:

(1)描述河道直河段水流運(yùn)動(dòng)采用一維的圣維南偏微分方程組:

其中:Z、Q、F、v、K—分別表示某一時(shí)刻 t及在某空間位置S斷面處的水位、流量、相應(yīng)過(guò)水?dāng)嗝婷娣e、斷面平均流速和流量模數(shù);

q—單位河長(zhǎng)旁側(cè)入流量.

(2)描述河道汊點(diǎn)，采用有調(diào)蓄連接的零維模型，即遵循水量平衡原理，即流入汊點(diǎn)的凈水量等于區(qū)域內(nèi)的蓄量增量:

(3)描述閘汊，由于河道上水閘的過(guò)閘水流一般屬于堰流(寬頂堰或?qū)嵱醚?，過(guò)閘水流之水位可不連續(xù)，但過(guò)閘流量連續(xù)，忽略水閘附近的水量調(diào)節(jié)，則:

其中:Z上、Z下—閘上、下游水位;σ—淹沒(méi)系數(shù);

ε—側(cè)收縮系數(shù);m—流量系數(shù);

B—溢流寬度;H0—有效水頭.

Sign(x)為符號(hào)函數(shù)，當(dāng) x＜0、=0、＞0，函數(shù)值分別是 -1、0、+1.

4 曹娥江至寧波引水工程曹娥江最低可引水水位方案比選

浙東引水蕭山樞紐和曹娥江至寧波引水工程是整個(gè)浙東引水水資源系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)工程.目前，《錢塘江河口水資源配置調(diào)度辦法(試行)》已經(jīng)頒布實(shí)施，蕭山樞紐將遵循《調(diào)度辦法》中的原則進(jìn)行引水調(diào)度，因此，確定曹娥江至寧波引水工程曹娥江最低可引水水位成為影響浙東引水工程配置效果的關(guān)鍵所在.該水位如果定得過(guò)高，會(huì)影響曹娥江至寧波地區(qū)的引水量;定得過(guò)低，又會(huì)影響蕭紹平原河網(wǎng)的蓄水.因此，本次需要通過(guò)水量配置模擬模型和河網(wǎng)水動(dòng)力模擬模型對(duì)曹娥江至寧波引水工程曹娥江最低可引水水位進(jìn)行方案比選.

4.1 水量配置模擬方案比選

曹娥江閘上水庫(kù)的正常蓄水位為3.9 m，低水位為3.3 m，根據(jù)閘上水庫(kù)特征水位，本次擬定了5個(gè)最低可引水水位方案，即 3.9 m、3.75 m、3.6 m、3.45 m和3.3 m.各方案計(jì)算成果見(jiàn)表1和表2.

表1 曹娥江最低可引水水位方案比選成果

表2 曹娥江最低可引水水位方案比選成果

從表中可以看出:

(1)蕭山樞紐引水量.曹娥江最低可引水水位由3.9 m降至3.3 m時(shí)，蕭山樞紐多年平均引水量逐漸增加，但差別不大，多年平均引水量8.8～8.9億m3，基本達(dá)到蕭山樞紐設(shè)計(jì)多年平均引水量.

(2)曹娥江以西地區(qū)供水保證情況.曹娥江最低可引水水位由3.9 m降至3.3 m時(shí)，曹娥江以西的蕭山蜀山平原有富春江引水作保證，供水未受影響;紹虞平原抗旱水量主要由河網(wǎng)及曹娥江閘上水庫(kù)提供，曹娥江最低可引水水位越低，紹虞平原干旱年份的缺水量隨之略有增加，但事實(shí)上，由于富春江引水，紹虞平原供水保證率和干旱年份缺水程度較現(xiàn)狀工況均有明顯好轉(zhuǎn).

(3)曹娥江以東地區(qū)供水保證情況.曹娥江最低可引水水位由3.9 m降至3.3 m時(shí)，曹娥江以東地區(qū)從曹娥江閘上水庫(kù)多年平均引水量增加，以90%保證率的1978年為例，當(dāng)最低可引水水位為3.9 m時(shí)，曹娥江以東地區(qū)的引水量為6.08億m3，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，此時(shí)姚中片和寧西片仍有缺水;當(dāng)最低可引水水位為3.75 m時(shí)，曹娥江以東地區(qū)的引水量為7.10億m3，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，此時(shí)姚中片和寧西片略有缺水;當(dāng)最低可引水水位為3.6 m時(shí)，曹娥江以東地區(qū)的引水量為7.49億m3，略微超過(guò)設(shè)計(jì)要求，此時(shí)曹娥江以東各片區(qū)供水滿足要求;當(dāng)最低可引水水位為3.45 m和3.3 m時(shí)，曹娥江以東地區(qū)的引水量分別為 7.74億 m3和7.93億m3，均超過(guò)設(shè)計(jì)要求，此時(shí)曹娥江以東各片區(qū)供水也滿足要求.

綜上所述，當(dāng)曹娥江最低可引水水位為3.6 m時(shí)，蕭山樞紐引水和曹娥江以東地區(qū)引水均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，該水位對(duì)紹虞平原的影響不大，且此時(shí)曹娥江以東地區(qū)供水滿足要求.因此，推薦曹娥江至寧波引水工程曹娥江最低可引水水位為3.6 m.

4.2 河網(wǎng)水動(dòng)力模擬方案比選

按照水量配置模擬中擬定的5個(gè)曹娥江至寧波引水工程曹娥江最低可引水水位方案，即3.9 m、3.75 m、3.6 m、3.45 m 和3.3 m 分別進(jìn)行河網(wǎng)水量動(dòng)力模擬.各方案計(jì)算成果見(jiàn)表3.

表3 河網(wǎng)特征水位多年平均歷時(shí)統(tǒng)計(jì)

從表中可以看出:隨著曹娥江最低可引水水位的降低，紹虞平原河網(wǎng)低于特征水位3.0 m、3.3 m和3.6 m的多年平均時(shí)間逐漸增加，尤其是當(dāng)曹娥江最低可引水水位為3.3 m時(shí)，紹虞平原河網(wǎng)低于中水位3.6 m的時(shí)間明顯高于其它方案;對(duì)于寧波地區(qū)的下姚江來(lái)說(shuō)，隨著曹娥江最低可引水水位的降低，下姚江江道高于特征水位-3.07(吳淞-1.2 m)、0.73(吳淞2.6 m)、0.93 m(吳淞 2.8 m)的時(shí)間逐漸增加，但增幅較小.結(jié)合水量配置模擬模型的方案比選成果，從盡量減少對(duì)紹虞平原河網(wǎng)水位的影響出發(fā)，推薦曹娥江最低可引水水位3.6 m是合適的.

5 結(jié)語(yǔ)

浙東水資源系統(tǒng)仿真模擬模型首次全方位地模擬了大型引水工程水資源系統(tǒng)中水資源的產(chǎn)生、輸送、取用和回歸的全過(guò)程，利用該模型系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)系列逐日水資源配置調(diào)度方案分析，可以為浙東引水工程建成后的良性運(yùn)行提供技術(shù)支撐.該模型系統(tǒng)可以為類似工程的水資源配置、調(diào)度運(yùn)行方案比較等提供參考.

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