需水量變化的供水庫群聯(lián)合調(diào)度研究

李文生，徐博

（1.大連水利建筑設(shè)計研究院，遼寧大連116000；2.大連理工大學(xué)，水資源與防洪研究所，遼寧大連116000）

需水量變化的供水庫群聯(lián)合調(diào)度研究

李文生1，徐博2

（1.大連水利建筑設(shè)計研究院，遼寧大連116000；2.大連理工大學(xué)，水資源與防洪研究所，遼寧大連116000）

文中以大連市兩個主要供水水源——碧流河、英那河水庫為研究對象，開展規(guī)劃水平年（2020）的水庫群優(yōu)化調(diào)度研究，在無法滿足約束的情況下，提出“開源”和“節(jié)流”兩種解決方案，并給出兩種方案的調(diào)度結(jié)果。

需水變化；水庫調(diào)度規(guī)則；引水與供水聯(lián)合調(diào)度；優(yōu)化模型

1 引言

我國水資源時空分布不均，區(qū)域水庫群聯(lián)合調(diào)度以及跨流域引水工程已成為緩解我國水資源短缺問題的重要手段[1,2]。目前，一些學(xué)者已經(jīng)對基于跨流域調(diào)水的水庫群聯(lián)合調(diào)度規(guī)則展開研究：周惠成等[3]針對跨流域引水工程中供水量和引水效率如何協(xié)調(diào)的問題，開展了水庫群聯(lián)合調(diào)度研究；張皓天[4]針對受水水庫群的供水能力和共同供水任務(wù)分配問題展開研究，建立引水和供水聯(lián)合調(diào)度模型；劉娜等[5]針對跨流域供水水庫群中供水保證率和破壞深度的關(guān)系展開研究，將破壞深度作為目標(biāo)函數(shù)而非約束，得到更多樣的調(diào)度規(guī)則；彭安幫等[6]針對跨流域水庫群優(yōu)化調(diào)度所存在優(yōu)化變量多、求解效率低的問題，采用聚合水庫的方法，對調(diào)度圖的概化降維展開研究，在不降低結(jié)果合理性的前提下大大提升了搜索效率。

然而，上述研究并沒有考慮區(qū)域需水量的增加趨勢，以及潛在的水資源供需不平衡現(xiàn)象。因此，文中以大連市的碧流河水庫、英那河水庫為研究對象，考慮未來大連市的用水需求增長趨勢，分別以“開源”和“節(jié)流”的思想，提出規(guī)劃水平年的水資源配置方案，為大連市水庫群的科學(xué)調(diào)度提供技術(shù)支持，同時對其他流域的相關(guān)工程提供一些新的研究思路。

2 研究流域

2.1 區(qū)域概況

大連市是中國三大經(jīng)濟(jì)圈中環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的中心城市之一[7]，但卻是典型的資源型缺水城市。碧流河、英那河是主要的地表供水水源，其水資源開發(fā)利用率分別達(dá)到了48.4%和53.1%，超過了國際公認(rèn)的40%警戒線[4]?？紤]到城市發(fā)展用水量增加[8]、氣候變化導(dǎo)致來水偏少[9]等因素，未來水資源供需形勢將更為嚴(yán)峻。為此，大連市構(gòu)建碧流河-英那河聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，并從大伙房水庫引水，以滿足日益增長的用水需求。

2.2 工程概況及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文中所研究對象為碧流河水庫、英那河水庫，二者聯(lián)合為大連市區(qū)供水，另外碧流河水庫從大伙房水庫引水。大伙房應(yīng)急入連輸水工程規(guī)劃的引水上限為3.0億m3/a，工程管線規(guī)模為90萬t/d[4]。

2.3 用水資料分析

大連市主要用水戶包括：城鎮(zhèn)工業(yè)與生活用水（簡稱城鎮(zhèn)用水）、環(huán)境用水、農(nóng)業(yè)用水。在模擬計算的過程中環(huán)境用水必須優(yōu)先滿足，且按100%供給，否則記為發(fā)生深度破壞。城鎮(zhèn)用水供水優(yōu)先級其次，供水保證率需達(dá)到95%（按時段計算），允許破壞深度為10%；農(nóng)業(yè)用水的供水優(yōu)先級最靠后，供水保證率需達(dá)到75%（按年計算），允許破壞深度為30%。

由于區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展及居民生活水平提升，城鎮(zhèn)用水量在逐年遞增，根據(jù)2013年（文中的現(xiàn)狀水平年）資料，碧流河和英那河水庫的城鎮(zhèn)需水量為4.8億m3/a。而根據(jù)大連市的整體規(guī)劃資料，在2020年（規(guī)劃水平年）碧流河和英那河水庫的城鎮(zhèn)需水量則達(dá)到了7.0億m3/a。值得注意的是，需水量的增加全部由城鎮(zhèn)需水導(dǎo)致，而其他用水戶的需水量不變。

3 優(yōu)化調(diào)度模型

基于聯(lián)合供水的基本特征，建立水庫群優(yōu)化調(diào)度模型。首先，建立聯(lián)合調(diào)度規(guī)則的基本形式；接著，明確調(diào)度目標(biāo)及約束條件，構(gòu)建優(yōu)化模型。

3.1 聯(lián)合調(diào)度規(guī)則

將碧流河水庫與英那河水庫聚合成一座虛擬水庫，以兩座水庫的庫容之和作為虛擬聚合水庫的庫容，并參照該庫容制定相應(yīng)的引水決策和供水決策，再根據(jù)動態(tài)的分水規(guī)則來分配共同的供水任務(wù)。

1）供水規(guī)則與引水規(guī)則。供水、引水規(guī)則的基本形式分別如圖1（a）和圖2（b）所示。根據(jù)每個時段初虛擬聚合水庫的蓄水量制定如下決策：當(dāng)水位位于Ⅰ區(qū)時，所有用水均正常供水；當(dāng)水位位于Ⅱ區(qū)時，城鎮(zhèn)用水正常供給，農(nóng)業(yè)用水按0.7限制供水；當(dāng)水位位于Ⅲ區(qū)時，城鎮(zhèn)用水、農(nóng)業(yè)用水均限制供給，限制系數(shù)分別為0.9和0.7；當(dāng)水位位于Ⅳ區(qū)時，水庫不引水；當(dāng)水位位于Ⅴ區(qū)時，依據(jù)水位高低在0和時段，滿引量之間進(jìn)行線性內(nèi)插確定引水量；當(dāng)水位位于Ⅵ區(qū)時，按照引水能力滿引。

2）分水規(guī)則。采用動態(tài)的分水系數(shù)法對共同供水任務(wù)進(jìn)行分配，以年內(nèi)每個時段的分水系數(shù)為優(yōu)化變量，按照該分水系數(shù)將時段內(nèi)的供水任務(wù)分配至兩座水庫，其計算過程如公式1所示，其中R為t時段虛擬聚合水庫的總供水任務(wù)，RA，t為碧流河庫在t時段的供水量，RB，t為英那河水庫在t時段的供水量，βA，t為t時段水碧流河水庫的分水系數(shù)。

3.2 目標(biāo)函數(shù)及約束條件

圖1 供水-引水調(diào)度圖

供水水庫群優(yōu)化調(diào)度的主要目標(biāo)是使系統(tǒng)內(nèi)的供水保證率最大，缺水量最小，棄水量最小。本文據(jù)此設(shè)定水庫群聯(lián)合調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)如下：

1）系統(tǒng)工業(yè)保證率最大：

2）系統(tǒng)農(nóng)業(yè)保證率最大：

3）系統(tǒng)總棄水量最小：

式中：pind，i和Pagr，i為第i個水庫的工業(yè)保證率和農(nóng)業(yè)保證率；為第i個水庫第t個時段的棄水量為第i個水庫第t個時段農(nóng)業(yè)、工業(yè)供水的深度破壞程度；為第i個水庫第t個時段農(nóng)業(yè)、工業(yè)保證率的破壞程度；α和β是懲罰系數(shù)；N為水庫數(shù)；T為調(diào)度時段數(shù)。

根據(jù)碧流河-英那河水庫群系統(tǒng)的工程特性，制定如下約束條件：

1）外調(diào)水引水量約束：

2）水庫水位約束：

3）水量平衡約束：

式中：DSt和DSm分別為t時段的引水量、最大可引水量；DSY和DSYm分別為一年內(nèi)的引水量以及工程規(guī)劃的年最大引水量；Zdead為水庫死水位；Zi，t為第i水庫t時段水庫水位；Zlimit，i為第i水庫汛限水位；Znomal，i為第i水庫興利蓄水位；Vi，t為第i個水庫t時段水庫庫容；Ii，t為第i個水庫t時段水庫入流量；WIi，t為第i個水庫t時段引水量；Rind，i，t為第i個水庫t時段城鎮(zhèn)供水量；Ragr，i，t為第i個水庫t時段農(nóng)業(yè)供水量；Reco，i，t為第i個水庫t時段環(huán)境供水量；Li，t為第i個水庫t時段的蒸發(fā)、滲漏水量。

4 調(diào)度結(jié)果分析

首先，以2013年的需水情況作為輸入數(shù)據(jù)，得到現(xiàn)狀年調(diào)度結(jié)果，并以其作為對比方案。然后，以2020年的需水量求得規(guī)劃年的調(diào)度結(jié)果；最后，供需矛盾問題，從“開源”和“節(jié)流”的角度提出兩種解決方案，為決策者提供參考。文中所采用的入流資料為1958—2013年共56年的實測數(shù)據(jù)，以旬為決策時段。

4.1 現(xiàn)狀年調(diào)度結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)狀年的用水需求，按照第3節(jié)所構(gòu)建的優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行求解，由調(diào)度結(jié)果可知：碧流河水庫年均入流量為6.00億m3，其中天然入流為5.56億m3，大伙房引水量為0.44億m3，年均供水量為3.94億m3，年均損失和棄水量為2.06億m3，英那河水庫年均入流量為3.40億m3，年均供水量為1.87億m3，年均損失和棄水量為1.53億m3，碧-英聚合水庫的城鎮(zhèn)供水保證率為100%，農(nóng)業(yè)保證率為100%。對于現(xiàn)狀年，在大伙房水庫的引水量很小的情況下保證率便達(dá)到了100%。這說明在不發(fā)生極端干旱的情況下，大連市現(xiàn)有的水資源可供水量大于需水量，能夠適當(dāng)保證用水需求的增長。

4.2 規(guī)劃年調(diào)度結(jié)果分析

根據(jù)大連市規(guī)劃設(shè)計資料，2020年大連市由碧、英兩座水庫負(fù)責(zé)的需水量達(dá)到了7億m3/a。經(jīng)多次優(yōu)化計算，發(fā)現(xiàn)規(guī)劃年的需水量偏大。在得到的較優(yōu)的方案中，碧-英聚合水庫的城鎮(zhèn)供水保證率為89.09%，農(nóng)業(yè)供水保證率為68.42%，另外碧流河和英那河水庫各發(fā)生了56次和39次的深度破壞。由于各項約束條件無法滿足，此方案沒有參考意義，但從此調(diào)度結(jié)果可以看出減小用水需求和增加外調(diào)水是兩種解決思路，下面將分別對兩種方案進(jìn)行討論。

1）解決方案一：“節(jié)流”。所謂“節(jié)流”即是在用水需求無法滿足的條件下，通過節(jié)水措施減少未來水資源需求量，以滿足系統(tǒng)的各項約束。因此，該方案在規(guī)劃年需水的基礎(chǔ)上，通過試算不斷減少城鎮(zhèn)用水量，直至獲得滿足保證率和破壞深度要求的最大可供水量，其計算結(jié)果如表1所示。該部分計算結(jié)果表明，若沒有其他水源的增加，在規(guī)劃年大約需節(jié)約用水1億m3/a，才可滿足供水要求，該結(jié)果可為大連市未來的節(jié)約用水計劃及產(chǎn)業(yè)調(diào)整等提供了重要的參考依據(jù)。

表1 規(guī)劃需水量與最大可供水量對比

2）解決方案二：“開源”。所謂“開源”，即是在節(jié)水措施不能有效降低用水需求的情況下，建設(shè)新的工程措施，增加水庫群的供水能力。大伙房原引水量為3.0億m3/a，管道能力為90萬m3/d，該研究不斷增加年最大引水量，并按照比例相應(yīng)增加供水管道的規(guī)模，直至滿足供水要求。經(jīng)優(yōu)化計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引水量增加至4.2億m3（管道規(guī)模按比例增加至126萬m3/d時）可以滿足要求，此時城鎮(zhèn)供水保證率為95.49%，農(nóng)業(yè)供水保證率為85.97%。但是，為減少工程投資，需繼續(xù)減小管徑大小。經(jīng)試算發(fā)現(xiàn)在4.2億m3/a的引水規(guī)模下，管徑規(guī)模為115萬m3/d仍然可以滿足碧-英規(guī)劃需水的要求，其中城鎮(zhèn)工業(yè)保證率降低至95.29%，農(nóng)業(yè)保證率為75.43%。

3）對比分析：將上述計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可知：由于現(xiàn)狀年需水量較少，其工業(yè)和農(nóng)業(yè)保證率均可達(dá)到100%；然而，規(guī)劃年用水量偏大，若按照規(guī)劃的需水量進(jìn)行供水，不僅保證率無法滿足要求，而且發(fā)生多次深度破壞；最大可供水量與規(guī)劃需水量之間的差距為0.97億m3/a；當(dāng)外調(diào)水量增加至4.2億m3/a時，同時管道能力增加至115 m3/d時，可以滿足規(guī)劃用水的需求。

表2 多調(diào)度方案計算結(jié)果對比

5 結(jié)語

開展碧流河與英那河水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行研究。首先，構(gòu)建了基于虛擬聚合水庫的引水供水聯(lián)合調(diào)度規(guī)則。之后，針對用水需求增長趨勢，分析了規(guī)劃年潛在的水資源供需不匹配問題，并提出兩種解決思路：一是推求最大可供水量，通過節(jié)水措施減少未來用水；二是增加大伙房引水量，計算可滿足規(guī)劃年用水要求的引水量，通過增加引水來滿足未來用水需求。主要的研究結(jié)論有：

1）現(xiàn)狀年大伙房引水量較小，年均引水只有0.44億m3，且滿足供水保證率要求，工業(yè)和農(nóng)業(yè)保證率分別為99.95%和98.24%，沒有深度破壞發(fā)生。

2）在規(guī)劃需水量下，2020年所有水庫均無法滿足保證率要求，且發(fā)生較多的深度破壞，若要實現(xiàn)供需平衡，可通過減少需水量或增大外調(diào)水量來實現(xiàn)。

3）按歷史來水資料來推算，碧-英兩座水庫的最大可供水量為6.03億m3/a，在規(guī)劃年需節(jié)約用水0.97億m3/a。若保持用水需求不變，需要大伙房年引水量上限由3.0億m3提升至4.2億m3，同時管道規(guī)模提升到115萬m3/d。

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2016-11-10