優(yōu)化引調(diào)水規(guī)則的跨流域水庫聯(lián)合調(diào)度研究

秦儀婷 楊侃 何琦 俞悅 吳云 常露

摘 要：為解決跨流域水庫群最優(yōu)供水調(diào)度問題，以忻定盆地-陽泉跨流域供水系統(tǒng)為例，結(jié)合該地區(qū)的水庫群及供水區(qū)特點(diǎn)，優(yōu)化引調(diào)水規(guī)則和供水規(guī)則，設(shè)置引水控制線和減少引水控制線將受水水庫庫容分為3個(gè)區(qū)間，設(shè)置調(diào)水控制線將水源水庫庫容劃分為2個(gè)區(qū)間，以此建立跨流域水庫聯(lián)合調(diào)度模型進(jìn)行合理調(diào)度。結(jié)合實(shí)例對優(yōu)化后的引調(diào)水規(guī)則和優(yōu)化模型的可行性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明：優(yōu)化后的引調(diào)水規(guī)則和調(diào)度模型減少了棄水量，提高了忻定盆地-陽泉跨流域水庫群聯(lián)合調(diào)度的引水效率。

關(guān)鍵詞：跨流域調(diào)水;水庫聯(lián)合調(diào)度;引水規(guī)則;忻定盆地-陽泉

中圖分類號(hào)：TV213.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.013

引用格式：秦儀婷，楊侃，何琦，等.優(yōu)化引調(diào)水規(guī)則的跨流域水庫聯(lián)合調(diào)度研究[J].人民黃河，2021，43（1）：67-71.

Study on Joint Operation of Inter-Basin Reservoirs by Optimizing Rules of Water Diversion and Transfer

QIN Yiting1， YANG Kan1， HE Qi1， YU Yue1，WU Yun2， CHANG Lu3

（1.College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing 210098， China;

2.Shanxi Vocational and Technical College of Water Conservancy， Yuncheng 044004， China;

3.Wuxi Water Resources Management Division， Wuxi 214000， China）

Abstract：In order to solve the issue of optimal water supply operation for inter-basin reservoir group， this article took Xinding basin-Yangquan as an example， considering the characteristics of the reservoir group and water supply area in this area and optimized the water diversion and water supply rules and set the diversion control line and reduction control line. As a result， the storage capacity of the receiving reservoir was divided into three sections and the storage capacity of the water source reservoir was divided into two sections， a model of inter basin reservoir joint operation was established for reasonable operation. Combined with the example， the feasibility of the optimized water diversion rules and optimization model was tested. The results show that the optimized water diversion rules and dispatching model reduce the abandoned water and improve the water supply guarantee rate of Xinding basin-Yangquan.

Key words： inter-basin water transfer; joint operation of reservoirs; water diversion rules; Xinding basin-Yangquan

當(dāng)城市發(fā)展到一定規(guī)模，城市附近的水源不能滿足其發(fā)展需要時(shí)，就會(huì)面臨缺水問題，同時(shí)單一水源供給將會(huì)在遭遇重大污染事件時(shí)帶來供水不足問題，因此跨流域調(diào)水工程建設(shè)對于區(qū)域水資源合理配置和高效利用十分重要?？缌饔蛘{(diào)水工程通常涉及多個(gè)水庫、多個(gè)用戶，受很多因素制約，在調(diào)度過程中既要充分利用外調(diào)水滿足當(dāng)?shù)匦枨螅惨紤]引水的經(jīng)濟(jì)性，減少不必要的引水，避免浪費(fèi)[1]，因此需要綜合考慮水庫的運(yùn)行特點(diǎn)，制定合理的引調(diào)水規(guī)則。

目前，國內(nèi)專家學(xué)者對跨流域水庫群引調(diào)水作了大量研究，例如：胡堯文等[2]在分析跨流域調(diào)水工程的引水原則時(shí)添加了并行調(diào)節(jié)和聚合分解法;彭勇等[3]提出了一種新型引水規(guī)則和在這種規(guī)則下受水水庫引水量的確定方法;趙勇等[4]將系統(tǒng)仿真理論運(yùn)用到南水北調(diào)東線工程中，并引入數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行水量調(diào)配仿真試驗(yàn)分析;閆春程等[5]建立了以受水水庫引水量最小為目標(biāo)的引水優(yōu)化調(diào)度模型，并應(yīng)用于大伙房跨流域調(diào)水工程。

筆者根據(jù)忻定盆地-陽泉跨流域供水區(qū)的水庫群特點(diǎn)，提出了水庫群引調(diào)水新規(guī)則，建立跨流域水庫聯(lián)合調(diào)度模型，采用粒子群算法對模型進(jìn)行求解，得到跨流域水庫群最優(yōu)供水調(diào)度過程線，并結(jié)合忻定盆地-陽泉跨流域供水區(qū)對優(yōu)化后的引調(diào)水規(guī)則和優(yōu)化模型的可行性進(jìn)行檢驗(yàn)，以期為制定忻定盆地-陽泉地區(qū)的跨流域引調(diào)水方案提供參考。

vki=βvk-1i-αr（vg-vk-1i）（9）

式中：vki、vk-1i分別為粒子i迭代k次和k-1次后的速度;α、β為系數(shù);r為0～1之間的隨機(jī)數(shù);vg為最佳粒子個(gè)體的速度。

求解步驟如下：①依據(jù)水庫群來水資料與特征庫容資料確定粒子群算法相關(guān)參數(shù);②隨機(jī)產(chǎn)生粒子群聯(lián)合調(diào)度決策初始位置與速度;③根據(jù)粒子群確定的水庫群長系列聯(lián)合調(diào)水供水決策過程，對水庫群進(jìn)行模擬調(diào)度，種群按式（9）更新最優(yōu)位置和最優(yōu)速度;④判斷是否達(dá)到終止條件，若不滿足，返回步驟③;若滿足，則輸出跨流域水庫群最優(yōu)供水調(diào)度過程線，計(jì)算結(jié)束。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 跨流域調(diào)水工程基本情況

根據(jù)山西省“大水網(wǎng)”概念體系，將忻定盆地-陽泉跨流域供水系統(tǒng)作為研究對象，對跨流域水庫群最優(yōu)供水調(diào)度模型進(jìn)行求解及驗(yàn)證。忻定盆地-陽泉跨流域供水系統(tǒng)包括米家寨水庫、雙乳山水庫、觀上水庫、大石門水庫、坪上水庫等5座水庫，以及坪上引水工程、龍華口調(diào)水工程（在建）、娘子關(guān)提水工程、龍華口水電站等工程，其中：坪上引水工程位于定襄縣境內(nèi)滹沱河與清水河交匯處，水源地距定襄縣城約40 km、距忻府區(qū)約60 km，引調(diào)坪上泉域的泉水向忻州市、原平市和定襄縣供水，年最大供水能力為1.0億m3;龍華口水電站位于滹沱河支流龍華河上，設(shè)計(jì)庫容0.3億m3，以發(fā)電為主;娘子關(guān)提水工程引調(diào)娘子關(guān)泉水至陽泉市城區(qū)，設(shè)計(jì)提水能力為3 m3/s。各水庫的特征庫容和對應(yīng)的供水任務(wù)見表1。

忻定盆地-陽泉跨流域水庫聯(lián)合調(diào)度模型以水庫群入庫徑流量作為輸入資料，將一個(gè)水文年劃分為 12個(gè)時(shí)段。將位于忻定盆地與陽泉之間調(diào)蓄能力較大的坪上水庫作為主要水源水庫，米家寨水庫、雙乳山水庫、觀上水庫、大石門水庫作為主要受水水庫，其余小型水利工程作為節(jié)點(diǎn)，忻定盆地-陽泉跨流域水庫群供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概化見圖3。

采用定額法，對忻定盆地-陽泉跨流域供水系統(tǒng)受水區(qū)2020年50%來水頻率下的需水量進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果見表2。圖3 忻定盆地-陽泉跨流域水庫群供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概化

2.2 聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度圖及調(diào)度結(jié)果

忻定盆地-陽泉跨流域水庫群供水規(guī)則通過聯(lián)合調(diào)度圖表示（見圖4），調(diào)度圖由引調(diào)水控制線和水庫供水任務(wù)相對應(yīng)的限制供水線構(gòu)成。在水庫調(diào)度過程中，當(dāng)水庫蓄水量處于某限制供水線下方時(shí)，則向其對應(yīng)的用水戶實(shí)施限制供水，否則正常供水。一般來說，對供水質(zhì)量要求越高的用水戶限制供水線位置越低。從限制供水線的位置來看，其在枯水期的位置較高，在汛期的位置則偏低，原因主要是通過增加枯水期限制供水的機(jī)會(huì)，使盡量多的水留在水庫內(nèi)，防止供水不足的情況發(fā)生。

坪上水庫的天然入庫徑流量大，為忻州市城市、工業(yè)及定襄縣農(nóng)業(yè)供水，同時(shí)向雙乳山水庫、米家寨水庫調(diào)水，為了增加向外調(diào)水的機(jī)會(huì)，其調(diào)水控制線整體偏低（見圖4（a））。坪上水庫在10月到次年2月的來水量較少，應(yīng)適當(dāng)抬高調(diào)水控制線，減少調(diào)水外流，在其他時(shí)段可適當(dāng)降低調(diào)水控制線，增加調(diào)水機(jī)會(huì)。雙乳山水庫、米家寨水庫、觀上水庫向原平市、忻州市、定襄縣等需水量較多的用水單元供水，因此需要設(shè)置較高的引水控制線和減少引水控制線（見圖4（b）～（d））。汛期7—9月，雙乳山水庫、米家寨水庫和觀上水庫可適當(dāng)多蓄水，減少棄水。

2.3 水庫群徑流量調(diào)節(jié)結(jié)果比較

根據(jù)忻定盆地-陽泉地區(qū)的水庫群及供水區(qū)特點(diǎn)，優(yōu)化引調(diào)水規(guī)則和供水規(guī)則，建立跨流域水庫群最優(yōu)供水調(diào)度模型，并采用智能粒子群算法對模型進(jìn)行求解和水庫群徑流量優(yōu)化調(diào)節(jié)計(jì)算。為了對優(yōu)化后的引調(diào)水規(guī)則和優(yōu)化模型的可行性進(jìn)行檢驗(yàn)，將優(yōu)化引調(diào)水規(guī)則與供水規(guī)則的跨流域水庫群供水調(diào)度方案設(shè)為方案①，常規(guī)引調(diào)水規(guī)則與供水規(guī)則的跨流域水庫群供水調(diào)度方案設(shè)為方案②，兩者進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表3。可以看出，方案①總體優(yōu)于方案②，在相同需水規(guī)模下，兩種方案都能滿足各用水地區(qū)的設(shè)計(jì)供水保證率，說明5座水庫聯(lián)合調(diào)度在常規(guī)引調(diào)水規(guī)則下和優(yōu)化引調(diào)水規(guī)則下都能滿足實(shí)際生產(chǎn)生活的需要。

由表4可以看出：在一定的供水量條件下，方案①比方案②減少引水量121萬m3、減少棄水量90萬m3，說明優(yōu)化引調(diào)水規(guī)則后，引水效率有所提高。

3 結(jié) 語

（1）為了解決跨流域供水水庫群聯(lián)合調(diào)度問題，本文優(yōu)化了引調(diào)水規(guī)則，通過設(shè)置受水水庫的引水控制線和減少引水控制線，將水源水庫的庫容分為若干個(gè)區(qū)間來進(jìn)行合理調(diào)度，采用粒子群算法對跨流域水庫群最優(yōu)供水調(diào)度模型進(jìn)行求解，得到跨流域水庫群最優(yōu)供水調(diào)度過程線。最后結(jié)合忻定盆地-陽泉跨流域供水區(qū)的水庫群特點(diǎn)，驗(yàn)證了優(yōu)化引調(diào)水規(guī)則，可使水庫群引水效率得到提高。

（2）如何提高跨流域供水水庫引水效率，改進(jìn)引調(diào)水規(guī)則只是一個(gè)方面，在保證供水安全的前提下，如何利用降雨與徑流的中長期預(yù)報(bào)信息，制定相應(yīng)的引調(diào)水聯(lián)合調(diào)度規(guī)則，以進(jìn)一步有效利用引水水庫的調(diào)水量，提高受水水庫在豐水年的洪水資源利用率，有待進(jìn)一步深入研究。

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【責(zé)任編輯 張華興】