水庫群聯(lián)合調(diào)度規(guī)則研究

許子寬，全 琴，賈 鳳，宋曉星

（1.河北工程大學水電學院，河北 邯鄲 056038；2.北京清流技術(shù)股份有限公司，北京100053）

0 引言

傳統(tǒng)的水庫調(diào)度是以發(fā)電、防洪、灌溉等為目標，建立調(diào)度模型，基于系統(tǒng)科學的思想對模型求解，然后制定水庫調(diào)度方案。現(xiàn)在水資源系統(tǒng)可持續(xù)調(diào)配理論是重點研究和優(yōu)先資助方向，所以如何提高水資源利用率越來越引人關(guān)注。

在通過單一水庫調(diào)度圖的基礎(chǔ)上，耦合水庫群系統(tǒng)中其他水庫的調(diào)度圖，使它們有機的結(jié)合起來，從而決定整個復雜的水庫群系統(tǒng)中各個水庫應該由哪個水庫進行調(diào)度任務[1]。紀昌明（2018）將“以水定電”“以電定水”兩種運行模式運用到一個水庫群系統(tǒng)中，并運用伴隨逐步優(yōu)化算法（APOA）進行求解[2]。在模擬和優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上，綜合兩者的優(yōu)點，出現(xiàn)了模擬- 優(yōu)化方法，這種方法是目前水庫群聯(lián)合調(diào)度中的重要方法，尤其針對于多目標復雜的水庫群系統(tǒng)，不能順利的構(gòu)建數(shù)學模型時，模擬-優(yōu)化方法顯得尤為重要，郭旭寧（2011）構(gòu)建虛擬聚合水庫，通過模擬- 優(yōu)化方法構(gòu)建水庫調(diào)度圖，從而驗證水庫群聯(lián)合調(diào)度的合理性[3]。郭旭寧（2016）對水庫群聯(lián)合調(diào)度的各種規(guī)則提取方法進行總結(jié)和歸類，并對以后的水庫群聯(lián)合調(diào)度規(guī)則提出方法提出了發(fā)展性的展望[4]。王浩院士（2019）在總結(jié)之前水庫調(diào)度方法的基礎(chǔ)上對未來水庫調(diào)度的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展方向提出了展望，對以后水庫調(diào)度的研究有著關(guān)鍵的指導作用[5]。

1 水庫群模擬優(yōu)化調(diào)度

1.1 聯(lián)合調(diào)度思路

水庫群聯(lián)合調(diào)度過程中，所對應的水庫群調(diào)度可供水量是集中岳城水庫、東武仕水庫的可供水量。若東武仕水庫的供水量大于東武仕水庫可供水量，則從岳城水庫調(diào)水。若小于東武仕水庫可供水量，則本次供水不需要補給調(diào)水。具體調(diào)度思路，見圖1。

圖1 水庫群聯(lián)合調(diào)度示意圖

1.2 水庫群聯(lián)合調(diào)度模型

水庫群聯(lián)合調(diào)度模型以水文年內(nèi)研究區(qū)域的缺水量最小和為目標函數(shù)，綜合遺傳算法和動態(tài)規(guī)劃算法的優(yōu)點，將復雜的水庫群系統(tǒng)的多階段轉(zhuǎn)化成為多目標子問題，供水方案為決策變量，建立起水庫群調(diào)度模型。目標函數(shù)為：

式中：I 為年數(shù)，i=1 to 3，I=3；J 為以年為計算周期內(nèi)的月時段數(shù)，j=1 to 12，J=12；N 為研究區(qū)間數(shù)，n=1 to N（N=2）；Qx(n,i,j)為研究區(qū)間n 在第i 年j 時段的需水量；Qg(n,i,j)為在第n 年j時段供給研究區(qū)間n 的水量；Fq為第i 年N 個研究區(qū)間的總?cè)彼俊?/p>

（1）水量平衡約束：

（6）非負約束：所有變量均為非負數(shù)。

式中：Vt、Vt+1為t 和t+1 時段水庫的蓄水量；It為入庫徑流量；Qt為水庫的供水量；SUt為棄水量；HSt為水頭損失；Vmin和Vmax分別為水庫死庫容和蓄水上限；f(Vi,t)為水位- 庫容曲線，f(Si,t)為庫容- 面積曲線。Qgg(i)、Qgx(i)分別為灌溉供水、灌溉需水。Qsg(i)、Qsx(i)分別為生態(tài)供水、生態(tài)需水。

1.3 模型求解

對上述模型采用VB 語言編寫計算程序，采用模擬優(yōu)化人機對話算法進行本次計算，工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、生活及生態(tài)用水的變化與各個方案的思路不同，以常規(guī)狀態(tài)下的多水庫聯(lián)合調(diào)度供水過程為例，來說明模型的求解方法。具體流程見圖2。

圖2 模擬優(yōu)化人機算法計算框圖

2 水庫群調(diào)度方案設(shè)置和結(jié)果

2.1 水庫概況

岳城水庫位于邯鄲西南60 km處，控制流域面積1.81 萬km2，總庫容達13 億m3，調(diào)洪庫容8 億m3，興利庫容6.73 億m3，死庫容0.387 億m3，死水位125 m，設(shè)計洪水位152.9 m，校核洪水位158.9 m。

東武仕水庫位于海河流域子牙河系滏陽河干流上游，控制流域面積340 km2，總庫容1.81 億m3，調(diào)洪庫容1.095 億m3，興利庫容1.35 億m3，死庫容0.1 億m3，死水位94.5 m，起調(diào)水位102 m，正常蓄水位109.68 m，設(shè)計洪水位106.18 m，校核洪水位110.7 m。

2.2 供水方案

水庫群聯(lián)合調(diào)度方案的設(shè)計中，嚴格遵守水資源管理實施用水控制的要求，考慮各種約束條件，對根據(jù)各個用水單元的需求量比例，分配供水多少，從而確定供水方案。

水庫群聯(lián)合調(diào)度方案設(shè)計的目標是，在保證水庫死水位安全的基礎(chǔ)上，盡可能大的滿足所有用水單元的需水平衡，在水資源利用效率上獲得最大的利用效益。

目前沒有明確的高方案和低方案的定義，所以筆者以正常庫容乘一個系數(shù)k 來定義高方案和低方案，這里將高方案的k按1.3，低方案按0.7 來計算，即高方案供水15.17 億m3，低方案供水8.17 億m3。具體數(shù)據(jù)見表1，根據(jù)上述數(shù)據(jù)繪制水庫群聯(lián)合調(diào)度圖，見圖2。

表1 調(diào)度線計算結(jié)果表 單位：億m3

圖3 水庫群聯(lián)合調(diào)度圖

2.3 水庫群調(diào)度方案設(shè)置

水庫群聯(lián)合調(diào)度方案設(shè)置的目標是，在保證水庫安全的前提下，盡可能滿足人口，資源，環(huán)境與經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展，在不同來水頻率年的時候依舊能保證水資源的利用率。

在多水庫聯(lián)合調(diào)度方案設(shè)置中，確定生活供水的調(diào)度供水方案、農(nóng)業(yè)供水的按需供水線和破壞部分農(nóng)業(yè)灌溉供水線、生態(tài)供水的加大供水線和停止供水線。方案設(shè)置見表2。

表2 興利調(diào)度方案設(shè)置

2.4 水庫群聯(lián)合調(diào)度結(jié)果

以75%來水頻率年為例，根據(jù)十二五規(guī)劃綱要，目前我國農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)0.53，工業(yè)生活供水方面，兩水庫均為低方案；農(nóng)業(yè)用水方面，均為高方案；生態(tài)供水方面，采用汛期集中供水方式。研究區(qū)間工業(yè)、生活、農(nóng)業(yè)以及生態(tài)的供水量主要靠岳城水庫和東武仕水庫補給，若存在工、農(nóng)業(yè)補給不足的情況，則通過南水北調(diào)引江水來補給。

各用水單元具體的調(diào)度結(jié)果見表3。

表3 各用水單元聯(lián)合調(diào)度結(jié)果 單位：億m3

3 結(jié)論

本文綜合考慮了工業(yè)用水、生活用水、農(nóng)業(yè)用水、灌溉用水和生態(tài)用水，建立了水庫群聯(lián)合調(diào)度模型，通過模擬人機算法進行求解，并以75%來水頻率年為例，構(gòu)建水庫群聯(lián)合調(diào)度圖，提出水庫群對各個用水單元的具體供水方案，結(jié)合分析水庫群聯(lián)合調(diào)度規(guī)則，給出了聯(lián)合調(diào)度的結(jié)果。

水庫群聯(lián)合調(diào)度供水滿足了人口、資源、環(huán)境與經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展對水資源在時間、空間、用途與數(shù)量上的要求，使有限的水資源獲得最大的利用效益，促進社會經(jīng)濟的發(fā)展，改善生態(tài)環(huán)境。