王花泡滯洪區(qū)洪水資源優(yōu)化分析

王 燁,梁貞堂, 孫穎娜,*，李 娜

(1.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080； 2.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

0 引 言

洪水作為特殊的水資源，具有水資源的一般屬性[1]。因此，為滿足人類的社會(huì)發(fā)展需求，對(duì)洪水資源進(jìn)行合理的利用，對(duì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義[2]。在實(shí)現(xiàn)洪水由水害向水利轉(zhuǎn)化，保障安全的情況下，減少棄水，提高洪水利用率，實(shí)現(xiàn)防洪和興利統(tǒng)一[3-5]?，F(xiàn)對(duì)洪水資源化的研究集中于水電站，并且以發(fā)電量作為洪水資源利用效率的指標(biāo)，而對(duì)滯洪區(qū)的研究較少[6-7]。我國(guó)滯洪區(qū)數(shù)量眾多，但庫(kù)容利用率極小，因防洪功能而忽略了其具備興利的基本條件。水資源包括常規(guī)水資源及洪水資源，是人類社會(huì)發(fā)展重要的不可或缺的基礎(chǔ)[8]，對(duì)這一部分洪水資源充分利用，將會(huì)為當(dāng)?shù)氐墓まr(nóng)畜牧業(yè)發(fā)展進(jìn)一步提供動(dòng)力。因此，將僅有防洪功能的滯洪區(qū)作為洪水資源化分析的目標(biāo)是有必要的。王花泡滯洪區(qū)位于黑龍江省安達(dá)市境內(nèi)，根據(jù)其所處地理位置、氣候條件等因素，王花泡滯洪區(qū)具備洪水資源化的條件。文獻(xiàn)[9-12]對(duì)本區(qū)域洪水資源化的可行性以及潛力進(jìn)行了研究。從實(shí)現(xiàn)王花泡的洪水資源利用的角度出發(fā)，對(duì)其滯洪區(qū)調(diào)度過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，提高洪水資源利用率，減少常規(guī)水資源的浪費(fèi)，以期為類似研究區(qū)域提升洪水資源利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

王花泡滯洪區(qū)位于安肇新河上游，是大慶防洪工程的重要滯洪區(qū)之一。根據(jù)5年一遇洪水設(shè)計(jì)，滯洪區(qū)設(shè)計(jì)水位146.2 m，校核水位147.63 m，死水位145.2 m，死庫(kù)容0.088×108m3。泄洪閘有4孔，最大下泄流量90 m3/s。根據(jù)王花泡庫(kù)容曲線(圖1)，可知其受地形影響水位庫(kù)容變化不均勻，在不同水位條件下, 相同的水位變化引用流量相差極大。滯洪區(qū)一般在汛期啟用，但不具有興利功能。

圖1 王花泡滯洪區(qū)庫(kù)容水位曲線Fig.1 Reservoir water level curve of Wanghuapao reservoir

受季風(fēng)氣候影響，該地區(qū)5—8月平均降水量占全年的80.62%，時(shí)空分布不均，蒸發(fā)量相對(duì)降水量大，使水旱災(zāi)頻發(fā)交替[13]。且多年不合理開采地下水卻無(wú)足夠的水資源填充，造成了嚴(yán)重的地下水漏斗。因此，該區(qū)域?qū)樗Y源的合理開發(fā)利用有迫切需求。該區(qū)多年平均降水量為447.14 mm，具備良好的來(lái)水條件。有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)[14]，滯洪區(qū)歷史最大泄水量達(dá)2.35×108m3，滯洪區(qū)平均年蓄水量不到設(shè)計(jì)庫(kù)容的40%，有充足的庫(kù)容滿足洪水資源化需求。

2 改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化模型

2.1 滯洪區(qū)優(yōu)化模型

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

水庫(kù)調(diào)度準(zhǔn)則包括發(fā)電量最大、最大消減洪峰和成災(zāi)歷時(shí)準(zhǔn)則[15]。王花泡以防洪為主要任務(wù)，因此選用最大消減洪峰準(zhǔn)則。為達(dá)到洪水資源化目的，以最大水庫(kù)下泄流量的最小值構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)[16]：

(1)

式中：q(t)為t時(shí)段滯洪區(qū)下泄流量；T為調(diào)度期。

2.1.2 約束條件

1)庫(kù)容約束：

V(t)≤Vzd

(2)

2)水量平衡約束:

(3)

3)滯洪區(qū)最高水位約束:

Z(t)≤Zd(t)

(4)

4)調(diào)度期末水位約束:

Zs≤Zend≤Zd(t)

(5)

5)滯洪區(qū)泄流能力約束:

q(t)≤qmax

(6)

6)滯洪區(qū)下泄流量變幅約束:

|q(t+1)-q(t)|≤Δq

(7)

式中：V(t)為t時(shí)刻滯洪區(qū)庫(kù)容;VZd為設(shè)計(jì)洪水位庫(kù)容;Zd為設(shè)計(jì)洪水位;Q1、Q2分別為入庫(kù)時(shí)段初末流量；V1、V2分別為滯洪區(qū)初末時(shí)段蓄水量；M為時(shí)段內(nèi)蒸發(fā)量；q1、q2分別為泄流時(shí)段初末流量;Z(t)為t時(shí)刻庫(kù)水位;Zs為死水位;Zend為當(dāng)前調(diào)度期末水位;q(t)為t時(shí)刻下泄流量;qmax為滯洪區(qū)泄流能力，即90 m3/s;|q(t+1)-q(t)|為相鄰時(shí)段下泄流量的變幅;Δq為相鄰時(shí)段允許的最大變幅，為15 m3/s。

2.2 模型求解

水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行用出庫(kù)流量序列或水庫(kù)水位序列來(lái)表示[17]，應(yīng)用遺傳算法時(shí)通常把流量序列轉(zhuǎn)換為水位序列, 進(jìn)行尋優(yōu)操作。但由于地形的影響, 水位較高時(shí)，其微小變化可導(dǎo)致引用流量變化較大，水位因素對(duì)優(yōu)化過(guò)程產(chǎn)生影響,降低計(jì)算精度。因此采用流量序列編碼，對(duì)滯洪區(qū)進(jìn)行調(diào)洪演算，得到的泄流序列作為優(yōu)化的初始值。由于標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法存在局部尋優(yōu)能力較差、易早熟等不足, 本文從編碼方法和遺傳算子方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

2.2.1 編碼與初始種群

標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法采用二進(jìn)制編碼，受編碼長(zhǎng)度限制，會(huì)過(guò)早收斂和產(chǎn)生映射誤差[18]。針對(duì)滯洪區(qū)調(diào)度精度較高的要求，采用浮點(diǎn)式編碼。在流量變化范圍內(nèi)隨機(jī)生成n組流量序列作為母體。

2.2.2 適應(yīng)度函數(shù)與選擇

以目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)評(píng)價(jià)母體的優(yōu)良度。由于要得到F最小值，適應(yīng)度應(yīng)取其負(fù)數(shù)，即適應(yīng)度最大時(shí)目標(biāo)函數(shù)可得最小，適應(yīng)度函數(shù)U為

(8)

通過(guò)選擇概率選拔Ps*n個(gè)母體參與繁殖。由于輪盤賭的方法隨機(jī)性較大。選擇階段采用精英保存的策略，使最優(yōu)個(gè)體得到保護(hù)，替換適應(yīng)度差的個(gè)體，本文取Ps=0.6。

2.2.3 交叉與變異

通過(guò)兩條染色體雜交產(chǎn)生新品種，將Pc*n個(gè)母體隨機(jī)選出配對(duì)，任意選取一基因位為雜交點(diǎn)，將兩基因雜交點(diǎn)后的部分交換。本文取Pc=0.6。并隨機(jī)選取Pm*n個(gè)母體進(jìn)行變異。對(duì)于變異概率，若取值不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)早熟，影響局部搜索能力。改進(jìn)變異概率采用定值策略為自適應(yīng)，通過(guò)個(gè)體本身適應(yīng)度和種群整體性能的比較確定變異概率Pm，計(jì)算公式為

(9)

式中：fmax為群體中最大的適應(yīng)度值；favg為群體的平均適應(yīng)度值；f為待變異個(gè)體適應(yīng)度；k1,k2分別為0～1的隨機(jī)數(shù)。

2.2.4 運(yùn)算終止

經(jīng)過(guò)m代的選擇、交叉、變異生成的子代與親代競(jìng)爭(zhēng)，適應(yīng)度高的n個(gè)個(gè)體作為新一代群體進(jìn)入(2.2.2)進(jìn)行m+1代的迭代計(jì)算。當(dāng)適應(yīng)度最大時(shí)，迭代結(jié)束，運(yùn)算終止。

3 結(jié)果分析

3.1 改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化調(diào)度成果

20年一遇洪水出現(xiàn)概率稍低，而50年一遇洪水和100年一遇洪水來(lái)水量過(guò)大，對(duì)此類洪水多以防洪為主要任務(wù)，并不是合適的洪水資源化研究對(duì)象。而5年一遇洪水的出現(xiàn)概率相對(duì)較高，且滯洪區(qū)根據(jù)5年一遇洪水設(shè)計(jì)，對(duì)洪水資源化研究的實(shí)際意義更大。本文根據(jù)上述模型及求解方法，選用5年一遇設(shè)計(jì)洪水?dāng)M定優(yōu)化蓄水方案，結(jié)果見表1，滯洪區(qū)水位及流量變化曲線見圖2。

表1 王花泡滯洪區(qū)5年一遇洪水優(yōu)化調(diào)度成果

續(xù)表1Continued Table 1

圖2 王花泡滯洪區(qū)遺傳算法優(yōu)化調(diào)度Fig.2 Optimal scheduling diagram of genetic algorithm of Wanghuapao reservoir

3.2 結(jié)果分析

由表1可見，滯洪區(qū)蓄水位達(dá)到最高前，泄水量與入庫(kù)流量成正比。隨來(lái)水量增大，庫(kù)水位以及庫(kù)容蓄水量逐漸增大，為使滯洪區(qū)安全運(yùn)行，泄水量因此增大。8月18日達(dá)到最高蓄水位146.28 m，最大庫(kù)容6 769.38×104m3。入庫(kù)流量越過(guò)峰值后逐漸減小，為使洪水資源充分利用，相應(yīng)減小泄流量，當(dāng)不再有來(lái)水量時(shí)，為減少閘門啟閉次數(shù)，使泄水量保持不變。8月31日，調(diào)度期末水位達(dá)146.17 m。由圖2可見，泄流曲線變化趨勢(shì)較穩(wěn)定。水位曲線隨入庫(kù)流量變化，入庫(kù)流量增大，水位上漲較快，反之水位上漲緩慢，當(dāng)泄流量大于入庫(kù)流量時(shí)，水位曲線呈下降趨勢(shì)。同樣對(duì)100年一遇設(shè)計(jì)洪水求解的優(yōu)化方案和原方案結(jié)果見表2。

表2 各調(diào)度方案綜合分析對(duì)比

由于流量資料的天數(shù)有限，原方案后續(xù)會(huì)繼續(xù)泄洪直到水位達(dá)到死水位，因此，僅以當(dāng)前結(jié)果對(duì)不同方案進(jìn)行比較。由表2可見，優(yōu)化方案的汛末水位、蓄滿率較原方案均有提升。5年一遇洪水優(yōu)化后汛末水位抬高至146.17 m，蓄滿率僅提高10%，產(chǎn)生2 763.37×104m3蓄水量。100年一遇洪水優(yōu)化后汛末水位抬高至147.48 m，蓄滿率達(dá)到89.30%，產(chǎn)生21 545.30×104m3蓄水量。調(diào)洪過(guò)程水位未超過(guò)校核洪水位，最大泄流量在滯洪區(qū)泄流能力內(nèi)，滿足安全運(yùn)行需求。5年一遇洪水來(lái)水量8 297.86×104m3，除死庫(kù)容蓄水5 044.37×104m3，轉(zhuǎn)化率60.80%，100年一遇洪水來(lái)水44 930.59×104m3，除死庫(kù)容蓄水23 826.30×104m3，轉(zhuǎn)化率53.03%。5年一遇洪水方案較100年一遇的蓄滿率卻較低，而洪水轉(zhuǎn)化率高，可知5年一遇洪水優(yōu)化方案蓄滿率較低是由于來(lái)水量較少導(dǎo)致，改進(jìn)的遺傳算法可以有效提高洪水資源轉(zhuǎn)化率。

常規(guī)調(diào)度方案，根據(jù)不同重現(xiàn)期洪水調(diào)整泄洪閘，調(diào)洪過(guò)程不改變泄流量下泄，直至水位降至死水位。而優(yōu)化調(diào)度方案，能充分利用防洪庫(kù)容，其泄流量根據(jù)入庫(kù)流量而變化，當(dāng)來(lái)水量增加時(shí)，蓄水量增大。并且為了防止調(diào)度前期占用全部防洪庫(kù)容導(dǎo)致無(wú)法有效處理后續(xù)來(lái)水，前期也會(huì)開閘泄洪，同時(shí)對(duì)泄水量進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，防止將入庫(kù)洪水全部下泄并實(shí)現(xiàn)洪水資源的利用。在泄流過(guò)程中，流量過(guò)程變化穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)泄水建筑物安全運(yùn)行造成影響。與常規(guī)調(diào)度方案相比，對(duì)5年一遇設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行的優(yōu)化調(diào)度方案的調(diào)整更靈活，發(fā)揮效益更大，洪水轉(zhuǎn)化效率更高，可產(chǎn)生5 044.37×104m3的庫(kù)容用來(lái)興利，能有效的解決洪水資源化問(wèn)題。

4 結(jié) 論

針對(duì)滯洪區(qū)庫(kù)容利用率不高，無(wú)法將洪水資源充分利用的問(wèn)題，將實(shí)際情況與發(fā)揮洪水資源化潛力相結(jié)合，提出以最大消減洪峰最小值為目標(biāo)，并模擬滯洪區(qū)調(diào)度過(guò)程，改進(jìn)遺傳算法，得到了優(yōu)化蓄水方案，結(jié)果表明：

1)優(yōu)化配置后的王花泡滯洪區(qū)洪水資源化潛能被充分開發(fā)，洪水資源得以充分開發(fā)利用，變相節(jié)約了常規(guī)水資源。

2)優(yōu)化得到50.4437×106m3的蓄水量，可對(duì)該地區(qū)農(nóng)田進(jìn)行充分灌溉，為漁畜用水提供良好的保障。其余部分可用于該地區(qū)濕地補(bǔ)水，以及地下水回填灌。

3)對(duì)滯洪區(qū)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，可以提高庫(kù)容利用率及農(nóng)牧業(yè)土地單位效益，并且對(duì)推進(jìn)地區(qū)工業(yè)發(fā)展，提高居民收入有積極作用。