灌區(qū)水資源的聯(lián)合調(diào)度實(shí)踐

◎李鴻志

合理高效配置灌區(qū)水資源，是積極推進(jìn)水權(quán)制度建設(shè)，支撐灌區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。隨著信息技術(shù)和工業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)大型灌區(qū)也逐漸向更科學(xué)的技術(shù)轉(zhuǎn)變，對(duì)大型灌區(qū)制定科學(xué)合理的引水和供水調(diào)度規(guī)則、能夠有效發(fā)揮外流域引水及本地區(qū)的水資源優(yōu)化配置功能，可以達(dá)到大型灌區(qū)內(nèi)水資源“優(yōu)化配置、多源互補(bǔ)、促進(jìn)發(fā)展、節(jié)約能源”的目標(biāo)。

引言：灌區(qū)水資源優(yōu)化配置是指在某一特定灌區(qū)，在水資源受限的情形下，遵循公平、有效、可持續(xù)等原則，利用工程措施和非工程措施，對(duì)多種可利用水資源在區(qū)域間和各用水戶之間進(jìn)行人為配置，以達(dá)到灌區(qū)整體效益最大化。針對(duì)灌區(qū)用水綜合效益低下，各行業(yè)爭(zhēng)水頻發(fā)，供用水矛盾愈加突出的現(xiàn)狀，開(kāi)展灌區(qū)內(nèi)部水量?jī)?yōu)化分配研究，切實(shí)做好水量的科學(xué)調(diào)度配置，有助于在供水總量約束條件下發(fā)揮水資源的最大整體效益。

一、模型的建立

大型灌區(qū)的面積大，種類多，尤其可能存在特權(quán)作物，需要優(yōu)先灌溉，及時(shí)灌溉。所以在水庫(kù)供水時(shí)，需要滿足特權(quán)作物生長(zhǎng)的水量需求下，再合理分配水庫(kù)水量。因此，在供需水調(diào)度過(guò)程中以農(nóng)業(yè)普通作物時(shí)段平均缺水量最小作為優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)，而以農(nóng)業(yè)缺水保證率作為約束條件，以得到對(duì)農(nóng)業(yè)普通作物灌溉供水缺水影響最小的調(diào)度結(jié)果。其中缺水率是指灌區(qū)灌溉需水量未得到滿足的程度，一般用實(shí)際供水量未能滿足規(guī)劃需水量的比例表示。缺水指數(shù)越小越好，考慮到特定的優(yōu)先地區(qū)作物（特權(quán)作物或試驗(yàn)田）等用水方面的要求，灌區(qū)灌溉水量目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式如下：

式中：Ri，t，Qi，t表示第 i個(gè)水庫(kù) t時(shí)段的農(nóng)業(yè)規(guī)劃供水總量和實(shí)際供水量；Pi，t，Ii，t，表示第 i個(gè)水庫(kù) t時(shí)段灌區(qū)特定作物規(guī)劃供水量和實(shí)際供水量；T為時(shí)段總數(shù)；N為水庫(kù)個(gè)數(shù)；為懲罰函數(shù)系數(shù)。灌區(qū)水庫(kù)水量平衡約束條件：

式中：V1表示水庫(kù) t時(shí)段的蓄水量；QOi，t表示第 i水庫(kù) t時(shí)段的入庫(kù)徑流量；QLi，t表示第 i水庫(kù) t時(shí)段的出庫(kù)徑流量；Li，t表示水庫(kù)t時(shí)段的蒸發(fā)滲漏損失量。

水庫(kù)庫(kù)容約束：

水位約束：保障水庫(kù)功能的正常發(fā)揮，水庫(kù)水量要維持在基本水位線之間。

式中：QJi，t表示第i座水庫(kù)與第i+1座水庫(kù)之間的徑流量。

本文采用改進(jìn)的POA算法搜索步長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化。改進(jìn)的POA算法可以保證在所有的情況下都收斂到真正的總體最優(yōu)解，有效降低計(jì)算量，求解多維狀態(tài)的優(yōu)化問(wèn)題。但是其容易收斂到局部最優(yōu)，搜索半徑對(duì)結(jié)果影響較大，收斂速度有些慢，但是求解精度較高。解決水庫(kù)供水問(wèn)題是對(duì)所研究階段的決策變量進(jìn)行搜索尋優(yōu)，將其他變量固定，然后再考慮下一個(gè)階段，將上次的結(jié)果作為下次優(yōu)化的初始條件，進(jìn)行尋優(yōu)，這樣反復(fù)循環(huán)，最終達(dá)到收斂。在前期的計(jì)算中，選用動(dòng)態(tài)步長(zhǎng)的方法，達(dá)到全局最優(yōu)的效果，然后再根據(jù)最優(yōu)解的大致范圍，逐漸縮短搜索步長(zhǎng)，加強(qiáng)局部搜索的能力，精確確定最優(yōu)解的位置。

二、案例概述

1.水資源利用現(xiàn)狀。

某灌區(qū)水源流域年均徑流量達(dá)161.98億m3，年均年徑流深為 1024.5mm，實(shí)測(cè)最大流量達(dá) 11100m3/s，歷史最大洪水14500m3/s。近年區(qū)域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐加快，灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉面積逐年遞減，灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水比重隨之降低，但因渠系管理不到位，農(nóng)業(yè)灌溉用水量未減反增；同時(shí)，灌區(qū)城鎮(zhèn)環(huán)境用水和城鎮(zhèn)生活用水比重逐漸加大，用水量逐年遞增已達(dá)2.82億m3。水行政主管部門分配給灌區(qū)的取水量為12.66億m3，灌區(qū)實(shí)施的水量分配首先應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)灌溉用水管理，否則取水總量難于滿足灌區(qū)供水需求。

2.灌區(qū)水量分配方案。

（1）生活用水水量分配?；诠鄥^(qū)歷年生活用水量，按照用水戶所在渠道和相應(yīng)的渠系水利用系數(shù)推算至總干渠進(jìn)水口確定的。具體分配指標(biāo)為1384萬(wàn)m3。

（2）工業(yè)用水水量分配。以供水管理中心提供的灌區(qū)年工業(yè)用水水量為基礎(chǔ)，依據(jù)用水戶所在的取水渠道和灌區(qū)渠系水利用系數(shù)反推到總干渠進(jìn)水口的取水量擬定。具體分配指標(biāo)為3139 萬(wàn) m3。

（3）城鎮(zhèn)環(huán)境用水水量分配。以局供水管理中心提供的灌區(qū)年環(huán)境用水量為依據(jù)，按照屬地原則和相應(yīng)的渠系水利用系數(shù)推算至總干渠進(jìn)水口。具體分配指標(biāo)為28213萬(wàn)m3。

（4）農(nóng)業(yè)灌溉用水量分配。依據(jù)各縣申報(bào)的農(nóng)田灌溉面積和相應(yīng)的農(nóng)田綜合凈灌溉定額測(cè)算，分配水量需考慮渠系水利用系數(shù)綜合分析確定。具體測(cè)算分配指標(biāo)為84408萬(wàn)m3。

（5）預(yù)留水量。作為灌區(qū)機(jī)動(dòng)水量的預(yù)留水量，是灌區(qū)可供分配水量與已分配水量之差。其主要作用是應(yīng)對(duì)公共突發(fā)事件所需應(yīng)急用水，或者用于調(diào)整初始水權(quán)分配和規(guī)范用水市場(chǎng)?；诖?，在完成灌區(qū)初次水量分配后，預(yù)留9456萬(wàn)m3水量保障供水調(diào)度。

三、結(jié)束語(yǔ)

可持續(xù)發(fā)展的理念是水資源優(yōu)化配置的核心目的，同時(shí)水資源優(yōu)化配置關(guān)系著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等諸多方面，基于多目標(biāo)同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)效益、用水成本，總量限制等約束條件的綜合求解獲得最優(yōu)方案。灌區(qū)水資源調(diào)度需要按照灌區(qū)用水調(diào)度優(yōu)先序等做好灌區(qū)水量的優(yōu)化分配工作，并依據(jù)實(shí)際情況及時(shí)修正用水計(jì)劃。