膠東調(diào)水工程水資源優(yōu)化調(diào)度研究

楊靜靈 王好芳 傅川 趙然杭 張鍇慧 張燁 鄭英

摘要：缺水問題嚴(yán)重制約了膠東地區(qū)的發(fā)展，水資源優(yōu)化調(diào)度作為緩解用水危機(jī)的重要手段，依托膠東調(diào)水工程進(jìn)行跨流域水資源調(diào)度研究具有重要意義。以濰坊、青島、煙臺(tái)和威海為研究區(qū)域、2014年為基準(zhǔn)年、2020年和2025年為規(guī)劃水平年，基于水資源優(yōu)化配置，以區(qū)域總?cè)彼孔钚檎{(diào)度目標(biāo)，考慮輸水能力、分水口設(shè)計(jì)能力、水量平衡、最小供水量等約束條件，應(yīng)用MATLAB軟件建立調(diào)度模型并求解，對(duì)所得方案進(jìn)一步優(yōu)化。結(jié)果表明：優(yōu)化調(diào)度后不同規(guī)劃水平年4地市總?cè)彼曙@著下降，50%、75%和95%保證率下，2020年分別下降了15.35%、15.75%和16.85%，2025年分別下降了13.27%、13.26%和14.19%。

關(guān)鍵詞：水資源；優(yōu)化調(diào)度；MATLAB軟件；膠東調(diào)水工程

中圖分類號(hào)：TV213.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.013

水資源優(yōu)化調(diào)度是協(xié)調(diào)各類用水矛盾、實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展以及實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的重要手段[1]，跨流域水資源優(yōu)化調(diào)度對(duì)促進(jìn)區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。膠東地區(qū)是山東省經(jīng)濟(jì)發(fā)展、對(duì)外開放的前沿陣地，政治、經(jīng)濟(jì)地位十分重要，但該地區(qū)水資源十分貧乏，人口基數(shù)大、需水量大，水資源供需矛盾已成為制約膠東地區(qū)發(fā)展的重要因素，因此對(duì)膠東地區(qū)進(jìn)行水資源優(yōu)化調(diào)度勢(shì)在必行。山東省膠東調(diào)水工程是一項(xiàng)跨流域、遠(yuǎn)距離的大型調(diào)水工程，包括引黃濟(jì)青工程和膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程[2]，可有效緩解膠東乃至山東省的水資源緊缺局面。

國際上對(duì)于水資源的優(yōu)化調(diào)度研究，最早源于20世紀(jì)40年代Masse提出的水庫優(yōu)化調(diào)度[3]，50年代中期在優(yōu)化調(diào)度中得到廣泛運(yùn)用。我國對(duì)水資源調(diào)度的研究起步較晚，20世紀(jì)60年代，譚維炎等[4]將優(yōu)化調(diào)度思想運(yùn)用于水庫調(diào)度。隨著數(shù)學(xué)理論不斷完善及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、多目標(biāo)規(guī)劃、大系統(tǒng)協(xié)調(diào)分解、遺傳算法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等優(yōu)化調(diào)度方法被廣泛應(yīng)用。王棟等[5]利用線性規(guī)劃原理建立了淮河流域混聯(lián)水庫群防洪安全聯(lián)合調(diào)度模型；O.I.Unver等[6]利用非線性規(guī)劃原理，建立了實(shí)時(shí)調(diào)度優(yōu)化模型；楊侃等[7]利用多目標(biāo)規(guī)劃原理和大系統(tǒng)協(xié)調(diào)分解方法，建立了基于多目標(biāo)分析的庫群系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)宏觀決策模型；盧華友等[8]根據(jù)大系組成部分，可以實(shí)現(xiàn)長江水、黃河水、當(dāng)?shù)厮膬?yōu)化配置及聯(lián)合調(diào)度[2]。膠東調(diào)水工程自濱州市打漁張引黃閘引取黃河水，南水北調(diào)的長江水由濱州市博興縣小清河子槽匯入輸水線路。引水經(jīng)現(xiàn)有引黃濟(jì)青工程輸水至昌邑縣宋莊鎮(zhèn)，在該鎮(zhèn)新建宋莊分水閘分水，并新辟輸水明渠至龍口市黃水河泵站，再經(jīng)壓力管道、任家溝隧洞、村里隧洞及清洋河暗渠輸水至煙臺(tái)市門樓水庫，在清洋河暗渠末端新建高瞳泵站分水，沿門樓水庫北岸、煙臺(tái)市南外環(huán)、煙威公路鋪設(shè)壓力輸水管道，穿臥龍隧洞至威海市米山水庫。輸水線路總長482.0km，其中利用既有引黃濟(jì)青段工程172.5km（含引黃濟(jì)青輸沙渠及沉沙池長度），新辟輸水線路309.5km。在南水北調(diào)東線工程建成之前以黃河水為水源，現(xiàn)以黃河水、長江水為水源[12]。工程線路概況見圖1。統(tǒng)分解協(xié)調(diào)原理解決了義烏市水庫系統(tǒng)模擬調(diào)度問題；Proenca De Oliveira等[9]將遺傳算法應(yīng)用于并聯(lián)的2個(gè)水庫的調(diào)度上；李文家等[10]利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理建立了3個(gè)水庫聯(lián)合調(diào)度防御黃河下游洪水模型；胡鐵松等[11]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法解決了3個(gè)并聯(lián)水庫的調(diào)度問題。

筆者根據(jù)膠東調(diào)水工程現(xiàn)狀，利用線性規(guī)劃法，以區(qū)域總?cè)彼孔钚檎{(diào)度目標(biāo)，在水資源優(yōu)化配置的基礎(chǔ)上，考慮各分水口供水量、渠道水量平衡、各分水口最小供水量等約束條件構(gòu)建調(diào)度模型，以2014年為基準(zhǔn)年，制定規(guī)劃水平年2020年和2025年的水資源調(diào)度方案并進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

山東省膠東調(diào)水工程是南水北調(diào)東線工程的重要

本文以濰坊市、青島市、煙臺(tái)市及威海市4地市受水區(qū)進(jìn)行供水調(diào)度研究，研究區(qū)域輸水干線有20個(gè)分水口門，其中1～7號(hào)分水口為濰坊市供水，8號(hào)和9號(hào)分水口為青島市供水，10～19號(hào)分水口為煙臺(tái)市供水，20號(hào)分水口為威海市供水，調(diào)水系統(tǒng)概化見圖2。

2 水資源優(yōu)化調(diào)度

2.1 不同規(guī)劃年的可調(diào)度水量

膠東調(diào)水工程主要引水水源為黃河水和長江水。本文選定2014年為基準(zhǔn)年、2020年和2025年為規(guī)劃水平年。首先對(duì)4地市受水區(qū)當(dāng)?shù)厮催M(jìn)行水資源供需平衡分析，結(jié)果見表1。

在水資源供需平衡分析的基礎(chǔ)上，以4地市缺水量最小和工程效益最大為配置目標(biāo)，綜合黃河水、長江水的實(shí)際來水情況，以4地市需水量（缺水量）和供水指標(biāo)（濰坊市、青島市、煙臺(tái)市、威海市的黃河水年供水指標(biāo)分別為3.07億、2.33億、1.37億、0.52億m3，長江水年供水指標(biāo)分別為1.000億、1.300億、0.965億、0.500億m3）為約束條件，對(duì)調(diào)黃河水、同時(shí)調(diào)黃河水和長江水兩種情況進(jìn)行優(yōu)化配置，確定不同規(guī)劃水平年不同保證率下的可調(diào)度水量，計(jì)算結(jié)果分別見表2、表3。

2.2 調(diào)度目標(biāo)、任務(wù)及原則

調(diào)度是為了緩解4地市水資源短缺問題，因此調(diào)度目標(biāo)為4地市總?cè)彼孔钚　Ｕ{(diào)度任務(wù)為根據(jù)不同的來水情況和工程條件，在調(diào)度期內(nèi)將不同規(guī)劃水平年的調(diào)度水量調(diào)度到各分水口。

調(diào)度原則：①有效性，水資源調(diào)度應(yīng)提高實(shí)際輸水效率，減小輸水損失，因此優(yōu)先考慮輸水距離短的分水口以設(shè)計(jì)流量進(jìn)行水資源調(diào)度，最大限度利用工程的供水能力；②公平性，水資源開發(fā)利用涉及受水區(qū)4地市，調(diào)度分配時(shí)應(yīng)以公平公正為原則，全面考慮、合理分配、平衡發(fā)展；③滿足最小需水，最小需水量為居民生活基本用水量，調(diào)水時(shí)需優(yōu)先滿足。

2.3 調(diào)度模型構(gòu)建

（1）確定調(diào)度期?；谀z東調(diào)水工程實(shí)際調(diào)度運(yùn)營情況，調(diào)度期分為全年調(diào)度和非全年調(diào)度兩種情況：全年調(diào)度期為當(dāng)年10月到次年9月，調(diào)度時(shí)優(yōu)先考慮非汛期調(diào)水；非全年調(diào)度期參照南水北調(diào)一期工程調(diào)度期，確定調(diào)度期為當(dāng)年10月到次年6月。

（2）確定調(diào)度時(shí)段。綜合渠首到各分水口輸水歷時(shí)以及歷年調(diào)度運(yùn)營情況，確定膠東調(diào)水工程的調(diào)度時(shí)段為月，用i表示（i=1，2，…，12）。

（3）確定決策變量。決策變量為4地市分水口每月的調(diào)度水量。設(shè)決策變量為qi，j，其中j為分水口編號(hào)（j=1，2，…，20），qi，j即第i時(shí)段為第j分水口的調(diào)度水量。

（4）確定目標(biāo)函數(shù)。為了提高調(diào)度期內(nèi)輸水效率，確定調(diào)度目標(biāo)函數(shù)為各分水口缺水量最小。目標(biāo)函數(shù)為式中：f為調(diào)度期內(nèi)各分水口總?cè)彼?，億m3；di，j為第i階段第j分水口的需水量，億m3。

（5）約束條件。①各地可調(diào)度水量約束。表達(dá)式為式中：si，j為從渠首給第i階段第j分水口的調(diào)度水量，億m3；Qt為第t個(gè)城市配置的可調(diào)度水量，億m3（t=1、2、3、4，分別對(duì)應(yīng)濰坊、青島、煙臺(tái)、威海）。

因?yàn)檎{(diào)度時(shí)存在輸水損失，所以有：式中：βi，j為第i階段從渠首到達(dá)第j分水口的輸水效率。

②各分水口月需水量約束。表達(dá)式為

qi，j≤di，j（4）

③各分水口最小需水量約束。為滿足需水要求，供水量應(yīng)≥居民基本生活用水水量（其值等于最小需水量qmin）。

min qi，j≥qmin（5）

④渠道水量平衡約束。將渠道以分水口為節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分段，根據(jù)渠道水量平衡原理，可得：

wi，j+1=wi，jαi，j-qi，j（6）式中：wi，j、wi，j+1分別為第i階段第j段、第j+1段渠道的輸入水量，億m3；αi，j為第i階段第j段渠道的輸水效率。

由圖2可知，第7段渠道的初始水量加上第10段渠道的初始水量等于第6段渠道初始水量乘以渠段輸水效率減去第6個(gè)分水口調(diào)度水量，即：

wi，7=（wi，6αi，6-qi，6）（1-k）（7）

wi，10=（wi，6αi，6-qi，6）k（8）式中：k為向煙臺(tái)、威海分水系數(shù)，k取最大時(shí)即宋莊分水閘以設(shè)計(jì)流量22m3/s進(jìn)行分水，同時(shí)上游渠段按最大流量29m3/s來水，所以k的取值范圍為

2.4 調(diào)度方案確定

膠東調(diào)水工程調(diào)度目標(biāo)函數(shù)和約束條件均為線性方程，因此以線性規(guī)劃法進(jìn)行調(diào)度模型計(jì)算，采用MATLAB軟件，利用單純形法編程求解4地市在不同引水水源、不同規(guī)劃水平年、不同保證率和不同調(diào)度期的調(diào)度方案，共計(jì)24種。限于篇幅，只列舉2020年調(diào)黃河水時(shí)非全年調(diào)度的調(diào)度方案（保證率為50%），見表4。

利用調(diào)度模型求解得到24種調(diào)度方案，各方案的最小需水量、調(diào)度水量、各分水口總供水量（扣除輸水損失量）和缺水率見表5。

由表5可知，24種水資源調(diào)度方案對(duì)受水區(qū)的缺水情況均有不同程度緩解。

（1）調(diào)黃河水。2020年，50%保證率下非全年、全年調(diào)度缺水率分別降低了11.20%、11.08%，75%保證率下非全年、全年調(diào)度缺水率分別降低了11.39%，11.00%，95%保證率下非全年、全年調(diào)度缺水率分別降低了13.16%、10.96%。2025年，50%保證率下非全年、全年調(diào)度缺水率分別降低了9.43%、9.33%，75%保證率下非全年、全年調(diào)度缺水率分別降低了9.59%、9.27%，95%保證率下非全年、全年調(diào)度缺水率分別降低了11.08%、9.23%。說明在調(diào)黃河水情況下，各調(diào)度方案均能完成可調(diào)度水量，滿足最小需水要求。

（2）黃河水和長江水同時(shí)調(diào)度。2020年，50%保證率下非全年、全年調(diào)度缺水率分別降低了13.17%、15.35%，75%保證率下非全年、全年調(diào)度缺水率分別降低了13.16%、15.75%，95%保證率下非全年、全年調(diào)度缺水率分別降低了13.32%、16.85%。2025年，50%保證率下非全年、全年調(diào)度缺水率分別降低了11.03%、13.27%，75%保證率下非全年、全年調(diào)度缺水率分別降低了11.08%、13.26%，95%保證率下非全年、全年調(diào)度缺水率分別降低了11.22%、14.19%?？梢钥闯觯?020年50%保證率全年調(diào)度方案外，其他情況受工程輸水能力所限，可調(diào)度水量未能全部調(diào)完。各方案均滿足4地市最小需水要求。

2.5 調(diào)度方案優(yōu)化

調(diào)度方案優(yōu)化原則：①調(diào)度水量大，膠東調(diào)水工程調(diào)水目標(biāo)為調(diào)度期內(nèi)各地市總?cè)彼孔钚?，調(diào)度水量越多則缺水量越小，調(diào)度方案越優(yōu)；②充分利用性，為使有限的水資源能夠物盡其用，所以配置水量全部調(diào)完的方案為優(yōu)。

（1）規(guī)劃水平年2020年。50%保證率下，黃河水和長江水同時(shí)調(diào)度比只調(diào)黃河水的調(diào)度水量平均多1.500億m3，黃河水和長江水同時(shí)調(diào)度時(shí)將可調(diào)度水量全部調(diào)完，依照優(yōu)化原則①和②優(yōu)選黃河水和長江水同時(shí)調(diào)度的全年調(diào)度方案。75%和95%保證率下，黃河水和長江水同時(shí)調(diào)度比只調(diào)黃河水的調(diào)度水量分別多1.574億、1.909億m3，兩種保證率下的黃河水和長江水同時(shí)調(diào)度全年調(diào)度水量均大，依照優(yōu)化原則①，均應(yīng)優(yōu)選黃河水和長江水同時(shí)調(diào)度的全年調(diào)度方案。

（2）規(guī)劃水平年2025年。50%、75%、95%保證率下，黃河水和長江水同時(shí)調(diào)度比只調(diào)黃河水的調(diào)度水量分別多1.592億、1.574億、1.909億m3，3種保證率下的黃河水和長江水同時(shí)調(diào)度全年調(diào)度水量均大，依照優(yōu)化原則①，均應(yīng)優(yōu)選黃河水和長江水同時(shí)調(diào)度的全年調(diào)度方案。

根據(jù)優(yōu)化原則對(duì)不同規(guī)劃水平年、不同保證率下的24種調(diào)度方案進(jìn)行優(yōu)化后，水資源優(yōu)化調(diào)度方案見表6。

3 結(jié)語

（1）在充分考慮膠東調(diào)水工程現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合受水區(qū)4地市不同分水口的特點(diǎn)，提出滿足區(qū)域最小需水量這一約束條件進(jìn)行調(diào)度模型構(gòu)建，對(duì)調(diào)度方案求解并進(jìn)一步優(yōu)化。水資源優(yōu)化調(diào)度使4地市缺水率顯著下降，能有效緩解膠東地區(qū)嚴(yán)重的水資源供需矛盾。

（2）在目前調(diào)水工程條件下，受工程輸水能力的限制，優(yōu)化調(diào)度方案只有2020年50%保證率下能完成可調(diào)度水量。為使調(diào)度水量最大，優(yōu)化調(diào)度方案均應(yīng)為全年調(diào)度，缺少必要的工程維護(hù)保養(yǎng)期。因此，建議提高工程渠道輸水能力，以更好地進(jìn)行水資源調(diào)度。

（3）按水資源優(yōu)化調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)度，可以滿足4地市最小需水要求，緩解膠東地區(qū)水資源短缺問題，但仍不能滿足該區(qū)域總體需水要求。為徹底解決水資源短缺問題，需開源節(jié)流，開辟新的引水工程、進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)水工作。

（4）目前為了滿足膠東調(diào)水工程的實(shí)際調(diào)水需要，只考慮了現(xiàn)行供水指標(biāo)進(jìn)行調(diào)度研究，未考慮不同來水情況下供水指標(biāo)的調(diào)度。下一步應(yīng)綜合考慮黃河水和長江水實(shí)際來水情況，按同比例豐增枯減原則，對(duì)不同供水指標(biāo)深入開展優(yōu)化調(diào)度研究。另外，受資料所限，本文采用的基本資料系列較短，優(yōu)化調(diào)度精度有待提高。今后應(yīng)補(bǔ)充完善資料，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)度方案。

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