都江堰毗河供水工程長藤結(jié)瓜式水利系統(tǒng)的水利計算

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(四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，成都，610072)

1 毗河供水工程概況

四川省都江堰灌區(qū)毗河供水工程是都江堰水利工程的重要組成部分，其供水區(qū)位于四川盆地腹部，地處涪江、沱江兩江之間的廣大丘陵區(qū)，行政區(qū)劃隸屬于成都、資陽和遂寧三市。都江堰灌區(qū)由平原灌區(qū)、盆周丘陵灌區(qū)及毗河供水區(qū)組成，其中平原灌區(qū)及盆周丘陵灌區(qū)為已建成灌區(qū)，毗河供水區(qū)為規(guī)劃的最后一片擴灌區(qū)。

毗河供水工程開發(fā)任務以城鎮(zhèn)供水和灌溉為主，兼有農(nóng)村人畜用水等綜合利用。毗河供水工程由取水樞紐、輸水總干渠、灌區(qū)囤蓄水庫、灌溉渠系及提水工程五大部分組成。工程終期(2030年)規(guī)模為灌溉面積22.2萬hm2，其中田9.53萬hm2；供水人口433萬人，其中城鎮(zhèn)人口272萬人。

2 工程總體布局

毗河供水區(qū)上游岷江紫坪鋪水庫是都江堰灌區(qū)的水源調(diào)節(jié)工程，通過紫坪鋪水庫的合理調(diào)度，保障都江堰灌區(qū)的綜合利用要求。紫坪鋪水庫興利庫容77400萬m3，多年平均入庫水量136.3億m3，在保證金馬河環(huán)境基流、供都江堰已成灌區(qū)及環(huán)境用水后，余水通過寶瓶口進入內(nèi)江，利用已成灌區(qū)輸水渠道的輸水能力，輸水至毗河供水區(qū)取水口[1]。

毗河供水區(qū)服從都江堰管理局的水量計劃與調(diào)配，只有通過上游紫坪鋪水庫的優(yōu)化調(diào)度及水量調(diào)出區(qū)都江堰已成灌區(qū)的水資源合理配置，才有余水保障毗河供水區(qū)的需水要求[2]。為充分利用毗河來水，滿足供水區(qū)的保證率要求，降低渠道設(shè)計規(guī)模，節(jié)省投資，提高工程效益，毗河供水工程采用長藤結(jié)瓜水利系統(tǒng)，由于毗河是利用已成灌區(qū)余水，來水主要集中在汛期，而需水高峰通常在枯期，來水和需水過程不匹配，必須設(shè)置囤蓄水庫才能滿足用水需求。在非灌溉季節(jié)，利用渠道(藤)充囤水庫(瓜)，引入水庫存蓄起來，供灌水高峰期使用，彌補引入水量的不足；在灌溉季節(jié)，尤其是用水緊張時，渠道水和囤蓄水庫水同時灌田、供水，提高了灌溉、供水保證率。

毗河供水工程主要水源來自總干渠首毗河茍家灘，水庫之間的調(diào)水均需通過總干渠輸水充入各囤蓄水庫才能解決本灌區(qū)的水源問題。為此灌區(qū)分片范圍，立足于各分片灌區(qū)獨立供水、局部優(yōu)選的原則，確定全灌區(qū)的合理囤蓄水庫布局方案。根據(jù)灌區(qū)水文、地形、囤蓄水庫建設(shè)條件、干旱及種植習慣等特點，毗河供水區(qū)分8片，分別由踏水、趙家溝、新生、寶石、丹山、書房壩、朝陽和關(guān)刀橋等8個囤蓄水庫充水調(diào)節(jié)供水。毗河供水工程布局見圖1。

圖1 毗河供水工程布局示意

3 毗河供水工程多目標規(guī)劃模型(MOP)

長藤結(jié)瓜式水利系統(tǒng)。一般由三部分組成：一是渠首取水樞紐工程；二是輸、配水渠道系統(tǒng)(稱之為藤)；三是灌區(qū)內(nèi)部的囤蓄水庫(稱之為瓜)[3]。

根據(jù)毗河供水工程的工程布局，踏水、趙家溝、新生、寶石、丹山、書房壩、朝陽等7個囤蓄水庫從干渠直接取水，關(guān)刀橋通過朝陽干渠取水與朝陽水庫串聯(lián)。由此毗河供水工程的囤蓄水庫與總干渠及取水樞紐構(gòu)成一個長藤結(jié)瓜的大系統(tǒng)，全系統(tǒng)共分為8個供需平衡節(jié)點，即踏水(節(jié)點1)、趙家溝(節(jié)點2)、新生(節(jié)點3)、寶石(節(jié)點4)、書房壩(節(jié)點5)、丹山(節(jié)點6)、朝陽(節(jié)點7)、關(guān)刀橋(節(jié)點8)。

作為一個大型長藤結(jié)瓜式水利系統(tǒng)，其水利計算的基本思路為：在來水一定的情況下，通過干渠和各片囤蓄水庫的合理調(diào)度，滿足供水和灌溉的設(shè)計保證率要求，提高水資源的利用效率，減少工程規(guī)模和投資，實現(xiàn)囤蓄水庫與渠道整體規(guī)模的最優(yōu)。

由此可見，毗河供水工程水利計算屬于多目標和多約束的優(yōu)化模型(MOP，multi-objective promgramming)問題。根據(jù)毗河供水工程的實際情況，主要考慮供水保證率、工程總投資兩個因子作為規(guī)劃目標：

(1)供水保證率以滿足于供水區(qū)各片的最低供水保證率為目標。根據(jù)規(guī)范，本工程灌溉保證率取70%，工業(yè)、生活保證率取90%；

(2)工程總投資以滿足工程功能要求的最小投資為目標。工程投資按照取水樞紐、各段輸水渠道和囤蓄水庫的規(guī)模投資曲線確定。

取水樞紐、各段渠道和囤蓄水庫的規(guī)模等指標作為約束變量。為了降低模型的復雜程度，提高計算效率，并使各計算結(jié)果符合工程要求。計算中根據(jù)工程的實際情況，設(shè)置各規(guī)模參數(shù)的上下限，并以適當?shù)牟介L擬定參數(shù)。以取水樞紐規(guī)模為例，分別擬定了55m3/s、60m3/s、65m3/s、70m3/s、75m3/s、80m3/s、85m3/s等7個方案進行分析。而囤蓄水庫的水位按照各節(jié)點水庫最高充水高程作為正常水位上限，按照各水庫的建設(shè)條件、供水區(qū)灌面高程分布及泥沙淤積的要求作為下限，設(shè)置適合步長，分別擬定各個囤蓄水庫的規(guī)模方案。

對于整個毗河供水系統(tǒng)，增大囤蓄水庫規(guī)模增加了水庫的調(diào)蓄能力，相應的取水樞紐和渠道的規(guī)模將減?。环粗龃笕∷畼屑~和渠道規(guī)?？梢詼p少對水庫的調(diào)節(jié)庫容的需求，相應的囤蓄水庫的規(guī)模將減小。通過多目標規(guī)劃模型可以優(yōu)化取水樞紐、各段輸水渠道和囤蓄水庫規(guī)模之間的組合，求得總投資最省的方案。

4 毗河供水工程水利計算

根據(jù)規(guī)范，毗河供水工程的水利計算應采用長系列計算。毗河取水樞紐具有完整41年(1966年～2007年)的逐旬可引水量資料。各片囤蓄水庫除少量自身攔截的天然來水外，主要來水依靠渠首分配，因此調(diào)節(jié)計算首先要對各片進行配水。各片區(qū)配水的比例直接影響各個片區(qū)的保證率和水資源的利用效率。如果分配不當，配水不足的片區(qū)會因為可供水量不足而破壞，配水過多的片區(qū)則可能產(chǎn)生棄水。

長系列調(diào)節(jié)計算過程中，不同時段渠首來水量，各片區(qū)需水以及各囤蓄水庫的蓄水量情況均不同，因而不能采用單一的分配比例進行配水，必須根據(jù)不同時段來水和各囤蓄水庫的運行實時情況進行動態(tài)分配。

為此，毗河供水工程的水利計算中還采用了動態(tài)規(guī)劃模型(DP，dynamic-programming)，調(diào)節(jié)計算中對配水過程進行動態(tài)優(yōu)化，發(fā)揮囤蓄水庫的調(diào)節(jié)功能，充分利用水量，減少棄水，優(yōu)化配水方案。

動態(tài)規(guī)劃模型以最優(yōu)的供水利用效率為目標，以各片區(qū)的配水比例為決策變量，構(gòu)建動態(tài)規(guī)劃的數(shù)學模型。計算過程中，按照各年逐旬劃分階段，動態(tài)分配各片區(qū)水量，通過系列過程計算，求得長系列中最優(yōu)的配水過程。

按照以上方法，將動態(tài)規(guī)劃模型和多目標規(guī)劃模型進行耦合。把長系列計算的動態(tài)優(yōu)化的配水過程帶入多目標規(guī)劃模型，通過模型求得最優(yōu)的取水樞紐、各段輸水渠道和囤蓄水庫規(guī)模方案組合及對應的保證率和工程總投資。

利用41年長系列來水、用水資料進行計算，得出毗河供水工程最優(yōu)方案為取水樞紐引水規(guī)模60m3/s，總囤蓄水庫興利庫容3.6億m3。

5 結(jié)論

(1)毗河供水工程作為長藤結(jié)瓜式水利系統(tǒng)，其水利計算較復雜。取水樞紐、渠道和囤蓄水庫規(guī)模的選取相互關(guān)聯(lián)，有多個目標需要優(yōu)化，故采用多目標規(guī)劃模型；

(2)長系列調(diào)節(jié)計算是一個動態(tài)過程，配水過程采用動態(tài)規(guī)劃模型優(yōu)化，以發(fā)揮囤蓄水庫調(diào)節(jié)功能，充分利用來水，減少棄水，優(yōu)化配水方案；

(3)為合理確定渠道和囤蓄水庫規(guī)模，把動態(tài)規(guī)劃模型和多目標規(guī)劃模型進行耦合，從而計算出投資最省的方案組合。

參考文獻

〔1〕肖志娟，李 霞.論調(diào)水工程中調(diào)水規(guī)模的合理性[J].四川水力發(fā)電，2013，32(1)：1-3.

〔2〕肖志娟，李 霞.跨區(qū)域調(diào)水工程水資源統(tǒng)一管理實踐——以都江堰灌區(qū)毗河供水工程為例[J].中國水利，2003(10)：17-18.

〔3〕張京恩，劉冬梅，韓元元.水庫群的長藤結(jié)瓜灌溉系統(tǒng)的水量平衡與調(diào)節(jié)[J].人民長江，2009(17)：11-13.