實(shí)現(xiàn)水量交換的深圳市中西部水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度研究

黃強(qiáng), 金文婷, 劉任遠(yuǎn)

(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

深圳是一個(gè)嚴(yán)重缺水的城市，主要依靠境外調(diào)水，在深圳東部水源工程未建成之前，主要靠東深供水工程供水。其中，深圳市中西部片區(qū)(寶安區(qū)、南山區(qū)、福田區(qū)部分地區(qū))正在形成以東深引水工程為主，東部引水工程為輔，相互連通的供水水源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中主要由公明、鵝頸、石巖、茜坑四座水庫(kù)聯(lián)合向深圳市中西部供水。因此，為了提高本地和外調(diào)水資源的利用效率[1-3],緩解供需矛盾,提高城市供水保證率,保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)深圳中西部水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度進(jìn)行研究具有重要的意義。

深圳中西部水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度的核心是公明水庫(kù)，該水庫(kù)是戰(zhàn)略儲(chǔ)備水庫(kù)，總庫(kù)容1.48×108m3，首要任務(wù)是儲(chǔ)備水源，以應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，在突發(fā)事件中能保證給深圳中西部城市供水3個(gè)月。其次，在特枯年份和連續(xù)枯水年，補(bǔ)充其他水庫(kù)。深圳市中西部水庫(kù)群調(diào)度的目的是在保證城市供水的前提下，將境外引水的多余水量存入公明水庫(kù)，以作戰(zhàn)略儲(chǔ)備。但是，在水庫(kù)群調(diào)度中有可能造成公明水庫(kù)一味地追求多蓄水量，使儲(chǔ)備水長(zhǎng)期不周轉(zhuǎn)，導(dǎo)致水庫(kù)水質(zhì)惡化等問(wèn)題。所以，深圳市中西部水庫(kù)群調(diào)度必須考慮每年對(duì)公明水庫(kù)的水量進(jìn)行交換，以保證水庫(kù)的水質(zhì)安全。

深圳市中西部水庫(kù)群調(diào)度是一個(gè)具有特色、比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程。解決這一問(wèn)題的思路是綜合考慮，統(tǒng)籌兼顧，在保證深圳市中西部城市供水、提高城市供水保證率和減少缺水的基礎(chǔ)上，解決公明水庫(kù)的水量交換問(wèn)題，確保水質(zhì)安全，實(shí)現(xiàn)公明水庫(kù)戰(zhàn)略儲(chǔ)備水資源的目標(biāo)。為此，需要建立多目標(biāo)水庫(kù)群供水聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型[4-5]，采用系統(tǒng)工程優(yōu)化算法求解模型[6-8]，獲得水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度策略，指導(dǎo)未來(lái)水庫(kù)群的合理運(yùn)行與調(diào)度。深圳市中西部水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度思路見(jiàn)圖1。

圖1 水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度研究思路圖

1 深圳市中西部多目標(biāo)水庫(kù)群供水優(yōu)化調(diào)度模型的建立

1.1 目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)以上研究，深圳市中西部水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度研究的目標(biāo)是在保證深圳市中西部供水保證率97%、提高公明水庫(kù)戰(zhàn)略儲(chǔ)備水量的前提下，使供水系統(tǒng)缺水量最小、公明水庫(kù)蓄水量最大和公明水庫(kù)交換水量最大。

目標(biāo)1使公明水庫(kù)群對(duì)深圳中西部的供水能力滿足城市需水要求并有較高的保證率，達(dá)到供水優(yōu)化調(diào)度的目的。因此模型中設(shè)立缺水量最小(供水保證率最大)為首要目標(biāo)，其表達(dá)式為：

(1)

P(gg)=∑i(que(i)>0)/(I+1)

(2)

式中，I為年數(shù)，i=1，2，…,43，I=45；J為以年為計(jì)算周期內(nèi)的月時(shí)段數(shù)，j=1，2,…,12，J=12；N為水庫(kù)數(shù)目，n=1，2，…,N,N=4；Wx(n,i,j)為第i年第j時(shí)段第n個(gè)水庫(kù)對(duì)應(yīng)供水區(qū)的需水量；W本地(n,i,j)為本地水在第i年j時(shí)段第n水庫(kù)的蓄水量；W境外(n,i,j)為境外水在第i年j時(shí)段第n水庫(kù)的蓄水量；que(i)為第i年總?cè)彼浚籔(gg)為供水保證率。

目標(biāo)2由于公明水庫(kù)在深圳中西部水庫(kù)群中具有戰(zhàn)略性儲(chǔ)存水源的重要地位，最大限度地儲(chǔ)存水資源是公明水庫(kù)的首要任務(wù)。因此模型中設(shè)立公明水庫(kù)蓄水量最大為第二目標(biāo)，其表達(dá)式為：

(3)

式中，W公明(i,j)為公明水庫(kù)在第i年j時(shí)段的蓄水量，W公明(i)為公明水庫(kù)第i年總蓄水量。

目標(biāo)3公明水庫(kù)存儲(chǔ)的大量水源需要每年通過(guò)水庫(kù)群的優(yōu)化調(diào)度實(shí)現(xiàn)一定程度的水量交換，從而防止儲(chǔ)備水不流動(dòng)而導(dǎo)致水質(zhì)惡化。因此模型中設(shè)立公明水庫(kù)交換水量最大為第三目標(biāo)，其表達(dá)式為：

(4)

式中，W公明g(i,j)為公明水庫(kù)在第i年j時(shí)段的供水量；Wjh(i,j)為公明水庫(kù)在第i年j時(shí)段的交換水量；max表示取括號(hào)里數(shù)值中較大的值。

1.2 約束條件

1) 模型最基本的約束條件為供水調(diào)蓄系統(tǒng)總水量平衡約束。公明供水調(diào)蓄工程供水系統(tǒng)各時(shí)段和多年平均必須要滿足水量平衡約束，即：

需水量=來(lái)水-損失-棄水+

缺水+各水庫(kù)初末庫(kù)容差

其表達(dá)式為：

W需水(i,j)=W境外(i,j)+W本地(i,j)-

W損失(i,j)-W棄水(i,j)+

V初末庫(kù)容差(i,j)+W缺水(i,j)

(5)

式中，W需水為城市需水量(以各水廠的供水規(guī)模為準(zhǔn));W境外為從東江引的境外水(是通過(guò)北線引水工程引用的);W本地(i,j)是本地自產(chǎn)水，其水量很小;W損失(i,j)是各水庫(kù)蒸發(fā)、滲漏及河道損失等總損失;V初末庫(kù)容差(i,j)為水庫(kù)各時(shí)段初末庫(kù)容之差，此值為正代表水庫(kù)此時(shí)段是供水，此值為負(fù)代表水庫(kù)此時(shí)段是蓄水。

2) 庫(kù)容約束，即在計(jì)算的各時(shí)段各水庫(kù)的庫(kù)容不能超過(guò)其正常蓄水位對(duì)應(yīng)的興利庫(kù)容，并不低于死庫(kù)容，其表達(dá)式為：

(6)

3) 城市供水量約束, 各水廠的需水反映了城市的需水量值，該約束即表明公明供水調(diào)蓄工程的總供水量不得大于城市的需水量，其表達(dá)式為：

(7)

式中，Wg(n,j)、Wx(j)分別代表各水庫(kù)供水與對(duì)應(yīng)水廠需水之間的關(guān)系。

4) 各水庫(kù)水量平衡約束，即各個(gè)水庫(kù)自身要保證上一個(gè)時(shí)段與下一個(gè)時(shí)段之間的水量平衡銜接無(wú)誤，其表達(dá)式為：

Vm(i,j+1)=Vm(i,j)+Wm(i,j)-

Wmg(i,j)-Wloss(i,j)

(8)

式中，Vm(i,j+1)、Vm(i,j)分別代表第m個(gè)水庫(kù)第i年第j時(shí)段的末、初庫(kù)容；Wm(i,j)為第m水庫(kù)第i年第j時(shí)段的蓄水量；Wmg(i,j)為第m水庫(kù)第i年第j時(shí)段的供水量；Wloss(i,j)為第m水庫(kù)第i年第j時(shí)段的蒸發(fā)滲漏損失。

5) 各輸水線路過(guò)水能力約束，是確保優(yōu)化調(diào)度結(jié)果可行性的必要條件，即調(diào)度得出的各輸水線路中各時(shí)段的流量均不得大于輸水管道的最大輸水流量，也不得小于輸水管道的最小輸水流量。其表達(dá)式為：

(9)

2 模型的求解

深圳市中西部水庫(kù)群供水優(yōu)化調(diào)度模型屬于大規(guī)模、非線性、高維、多目標(biāo)、多階段、多約束優(yōu)化的問(wèn)題[9]。其中，3個(gè)目標(biāo)函數(shù)之間既有聯(lián)系，又有矛盾。矛盾在于既要實(shí)現(xiàn)缺水量最小(提高供水保證率)，又要求公明水庫(kù)蓄水量最大、交換水量最大。因此，本研究擬把多目標(biāo)優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)模型[10]，并采用決策動(dòng)態(tài)優(yōu)選的自適應(yīng)算法求解模型[11-12]。

此算法的基本思路為北線引水按比例分給茜坑、鵝頸、石巖三水庫(kù)，每個(gè)水庫(kù)的入庫(kù)水量比例應(yīng)從1%～100%中進(jìn)行選擇，但入庫(kù)比例之和應(yīng)該小于或等于100%，通過(guò)調(diào)度這四座水庫(kù)對(duì)深圳市中西部地區(qū)的城市需水進(jìn)行調(diào)配。

如果第一次入庫(kù)比例分配不符合城市供水要求，則繼續(xù)循環(huán)，直到各水庫(kù)入庫(kù)水量符合實(shí)際供水要求為止，多余的水進(jìn)入公明水庫(kù)作為儲(chǔ)備水源，以備突發(fā)性缺水事件、連續(xù)枯水年或特枯年份時(shí)發(fā)生缺水的情況。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)系列月徑流資料進(jìn)行計(jì)算，決策者可以通過(guò)對(duì)模擬運(yùn)行調(diào)度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，分析各水庫(kù)的蓄、供水平衡，分析供水保證率，公明水庫(kù)蓄水量等，如不合格再通過(guò)改變供水調(diào)度原則、調(diào)整各參數(shù)等因素再一次進(jìn)行計(jì)算，直至計(jì)算結(jié)果合理為止。

具體優(yōu)化模擬計(jì)算步驟詳述如下。

1) 輸入1960.4～2005.3共45年的月來(lái)水資料，N個(gè)供水節(jié)點(diǎn)水平年第j月城市需水量Wx(n,j)，各水廠節(jié)點(diǎn)的有效庫(kù)容Vmax(n)，各水庫(kù)的水位庫(kù)容曲線，特征參數(shù)、死庫(kù)容、正常庫(kù)容，各水庫(kù)蒸發(fā)滲漏損失等資料值。

2) 由各水庫(kù)以最大限度提供對(duì)應(yīng)供水區(qū)的城市用水，例如，第n個(gè)節(jié)點(diǎn)水庫(kù)的供水量為Wn g(n,j)。

3) 由北線引水bx(j)按比例分給各水庫(kù)，每個(gè)水庫(kù)的入庫(kù)水量比例應(yīng)同時(shí)從1%～100%中進(jìn)行選擇，但是X+Y+Z+C≤100%。X、Y、Z、C為4水庫(kù)入庫(kù)比例。

4) 計(jì)算各水庫(kù)入庫(kù)過(guò)程、出庫(kù)過(guò)程及公明水庫(kù)的交換水量，確定公明水庫(kù)蓄滿所需時(shí)間。

5) 統(tǒng)計(jì)缺水量、公明水庫(kù)交換水量和儲(chǔ)備庫(kù)容蓄滿率。

6) 當(dāng)求解的水庫(kù)群調(diào)度策略滿足供水系統(tǒng)要求時(shí)，輸出調(diào)度結(jié)果；否則，調(diào)整水庫(kù)入庫(kù)比例，返回到第3)步，繼續(xù)計(jì)算。

3 深圳市中西部水庫(kù)群聯(lián)合供水優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分析

深圳市中西部水資源主要來(lái)源于本地自產(chǎn)水和境外東江引水，4座水庫(kù)的本地多年平均自產(chǎn)水總水量約5.896×107m3，境外東江北線引水5.0×108m3，采用豐增、枯減的原則引水。公明水庫(kù)對(duì)應(yīng)的姜下水廠實(shí)際需水量為7.320×107m3/a，應(yīng)該注意的是當(dāng)公明水庫(kù)的庫(kù)容達(dá)到儲(chǔ)備庫(kù)容1.2141×108m3要求之后，為保證公明水質(zhì)，才給姜下水廠供水，低于儲(chǔ)備庫(kù)容則不給姜下水廠供水。城市需水量為(4.9154～5.6474)×108m3/a,扣除各水庫(kù)的多年平均蒸發(fā)滲漏總量2.135×107m3/a，則實(shí)際可供水量為5.3446×108m3/a。

采用優(yōu)化調(diào)度模型，對(duì)45年月來(lái)水資料進(jìn)行長(zhǎng)系列計(jì)算，得出深圳市中西部水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，見(jiàn)圖2、表1和圖3所示。

圖2 水庫(kù)群供水優(yōu)化調(diào)度結(jié)果圖

表1 優(yōu)化調(diào)度下公明水庫(kù)調(diào)度目標(biāo)分析

圖3 公明水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度典型年入庫(kù)水量圖

由水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度模型的求解可知，深圳市中西部的北線引水量為4.969×108m3，其水量分配為：茜坑水庫(kù)9.547×107m3，鵝頸水庫(kù)1.287×108m3，石巖水庫(kù)2.727×108m3。茜坑水庫(kù)由于得到北線引水的補(bǔ)充，再加上自產(chǎn)水量，每年可向城市供水9.882×107m3；鵝頸水庫(kù)向城市供水量為5.460×107m3，將剩余水量7.765×107m3蓄入公明水庫(kù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)水量交換；石巖水庫(kù)的北線引水量遠(yuǎn)不足以滿足其供水需求，因此由公明水庫(kù)向其補(bǔ)充2.759×107m3的水量，在進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)公明水庫(kù)水量交換的同時(shí)，使得石巖水庫(kù)的城市供水量達(dá)到3.382×108m3，保證了深圳中西部城市供水。

3.1 水庫(kù)群調(diào)度成果分析

分析表1和圖2、圖3,可得以下結(jié)論。

1) 缺水分析

由于北線引水有豐枯變化，深圳市中西部供水調(diào)蓄工程由茜坑、鵝頸、石巖、公明4座水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，對(duì)該水庫(kù)群供水進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度的研究結(jié)果表明，該地區(qū)不缺水。

2) 城市供水及保證率分析

深圳市中西部多年平均總可供水量約為5.5581×108m3，但其需水量約為(4.9154～5.6474)×108m3/a。根據(jù)城市供水保證率的統(tǒng)計(jì)分析，按照月份統(tǒng)計(jì)，1960—2005年供45年，540個(gè)月，其缺水月份為0，月供水保證率為99.9%；按年統(tǒng)計(jì)，45年都不缺水，年供水保證率為98%，達(dá)到了設(shè)計(jì)供水保證率97%，實(shí)現(xiàn)了該地區(qū)的供水保障。

由于公明水庫(kù)給姜下水廠的供水原則是：當(dāng)公明水庫(kù)的水位達(dá)到儲(chǔ)備水位時(shí)才給姜下水廠供水，為了保證公明水庫(kù)水質(zhì)環(huán)境安全。所以經(jīng)45年長(zhǎng)系列調(diào)度計(jì)算，給姜下水廠供水總月數(shù)為297個(gè)月，所以公明水庫(kù)給姜下水廠供水保證率為55%。

3) 公明水庫(kù)生態(tài)調(diào)度分析

由于公明水庫(kù)是個(gè)儲(chǔ)備水庫(kù)，儲(chǔ)備庫(kù)容1.2141×108m3，所以為了使水質(zhì)不至于惡化，必須采用生態(tài)調(diào)度的方法，經(jīng)過(guò)分層水量交換達(dá)到保證水質(zhì)的目的。

經(jīng)計(jì)算，公明水庫(kù)多年平均交換水量達(dá)到7.230×107m3，其中最大交換水量是8.153×107m3(1979—1980年)；最小交換水量是5.073×107m3(1961—1962年)，極值比為1.6∶1，且多年平均蓄滿周期為1.62 a，可以滿足保證水質(zhì)的要求。

4) 各水庫(kù)蒸發(fā)滲漏損失分析。茜坑水庫(kù)多年平均損失水量為1.730×106m3；鵝頸水庫(kù)多年平均損失水量為1.440×106m3；石巖水庫(kù)多年平均損失水量為4.930×106m3；公明水庫(kù)多年平均損失水量為1.311×107m3；深圳市中西部四座水庫(kù)的總損失水量為2.121×107m3，占總來(lái)水的3.8%。

3.2 多年調(diào)度各水庫(kù)入庫(kù)比例結(jié)果分析

由于本研究調(diào)度目標(biāo)多、復(fù)雜，所以本研究采取對(duì)茜坑、鵝頸、石巖水庫(kù)每月入庫(kù)水量按比例離散化處理，并通過(guò)調(diào)度目標(biāo)及動(dòng)態(tài)優(yōu)選的方法進(jìn)行優(yōu)選，最終得出45年長(zhǎng)系列調(diào)度計(jì)算結(jié)果。

然后分析其調(diào)度方案，得出各水庫(kù)多年調(diào)節(jié)每月入庫(kù)水量比例關(guān)系和各水庫(kù)多年月平均入庫(kù)比例，見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 1960—2005年各水庫(kù)入庫(kù)比例分析結(jié)果

圖5 各水庫(kù)多年月平均入庫(kù)比例

由圖4可知，可將茜坑、鵝頸、石巖水庫(kù)的多年平均入庫(kù)比例大致定為17.7%、8.8%、51.1%，即北線引水的77.6%用于供水，剩余的22.4%蓄入公明水庫(kù)。這樣就在保證深圳市中西部供水的前提下，使公明水庫(kù)的儲(chǔ)備庫(kù)容基本達(dá)到1.2141×108m3，并保證公明水庫(kù)交換水量達(dá)到其水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求的水量。

由圖5可知，各水庫(kù)的多年月平均入庫(kù)比例有一定的變化幅度，其中茜坑、鵝頸水庫(kù)的變化幅度不大，而石巖水庫(kù)的入庫(kù)幅度變化較大。各水庫(kù)的入庫(kù)比例之和基本上都小于98%，說(shuō)明有一定的水量蓄入公明水庫(kù)，7、8、9月份的蓄水量最大。

4 結(jié) 論

本研究主要是通過(guò)對(duì)公明供水調(diào)蓄工程45年長(zhǎng)系列資料進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度分析，旨在提高深圳中西部城市的供水保證率和儲(chǔ)備水量，以應(yīng)對(duì)突發(fā)性事件，并且保證水庫(kù)供水和水質(zhì)安全。結(jié)論為：

1) 水庫(kù)群供水優(yōu)化調(diào)度表明深圳市中西部城市45年均不缺水，年供水保證率為98%，高于設(shè)計(jì)保證率97%，滿足城市供水的需求。

2) 公明水庫(kù)戰(zhàn)略儲(chǔ)備水量多年平均達(dá)到1.2141×108m3，平均蓄滿周期為1.62 a，實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)略儲(chǔ)備水量目標(biāo)。

3) 公明水庫(kù)多年平均交換水量達(dá)7.230×107m3，其中最大交換水量是8.153×107m3；最小交換水量是5.073×107m3，極值比為1.6∶1，基本滿足保證水庫(kù)水質(zhì)環(huán)境安全的要求。

4) 得出了北線引水的各水庫(kù)入庫(kù)比例分別為：茜坑17.7%，鵝頸8.8%，石巖51.1%，剩余22.4%水量蓄入公明水庫(kù)作為儲(chǔ)備水源和交換水量。

綜上所述，公明供水調(diào)蓄工程經(jīng)過(guò)水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度能夠發(fā)揮保障供水、儲(chǔ)備水源的社會(huì)效益，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)保證水庫(kù)水質(zhì)安全的生態(tài)效益。

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