引江濟淮工程年水量調(diào)度模型研究

雷曉輝 張利娜 紀毅 孫嘉輝 沈登樂 王超

摘要：引江濟淮工程以城鄉(xiāng)供水為主，兼顧灌溉補水和改善巢湖生態(tài)，是跨流域、跨省重大戰(zhàn)略性水資源配置工程。采用模擬模型和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合的方式，依據(jù)水量平衡原理建立引江濟淮工程年水量調(diào)度模型，利用遺傳學算法優(yōu)化引江濟巢段的雙線引江比例。從來水條件和用水規(guī)劃兩個方面分析年調(diào)度模型可能的情景，構(gòu)建典型年調(diào)度情景集合，具體包括：枯水年、平水年和豐水年的近期規(guī)劃和遠期規(guī)劃;針對全部調(diào)度情景，采用年調(diào)度模型進行模擬獲取不同情景下的年調(diào)度方案，并對各方案的引供水結(jié)果、分區(qū)段調(diào)度結(jié)果、湖泊調(diào)蓄情況進行對比分析。研究成果可以為工程調(diào)度運行和調(diào)度系統(tǒng)建設提供一定的基礎(chǔ)和參考價值。

關(guān) 鍵 詞：

引江濟淮工程; 水資源調(diào)度; 調(diào)度情景; 正反模擬模型; 遺傳算法

中圖法分類號： TV213.9

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.001

0 引 言

水資源短缺、時間和空間分布不均以及水資源利用率較低等問題已成為制約我國社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要因素[1]。水資源配置的研究對于緩解水資源供需矛盾、促進區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展有重要意義[2-4]。淮河水資源時空分布極不均衡，歷史旱災頻繁，但由于沿淮淮北地區(qū)缺少新建大型水庫的地理條件，因此跨流域調(diào)水是解決淮河區(qū)域水資源問題的根本措施。引江濟淮工程是跨流域、跨省的重大戰(zhàn)略性水資源配置和綜合利用工程。水資源在跨流域調(diào)度時既不能破壞長江下游的生態(tài)環(huán)境[5]以及用水需求，又要兼顧跨流域的供水要求[6]，引水過程中由于調(diào)蓄湖泊水位限制等因素出現(xiàn)不同程度的棄水，如何配置調(diào)度過程使得棄水率最小，是跨流域水資源調(diào)度需要解決的問題[7]。國內(nèi)學者針對跨流域調(diào)水的調(diào)度規(guī)則和方法做了很多研究。林鵬飛等[8]針對并聯(lián)水庫的聯(lián)合供水特征，采用引水限制調(diào)度線控制引水水庫可引水量，構(gòu)建并聯(lián)水庫優(yōu)化調(diào)度模型，通過優(yōu)化引水調(diào)度線提出了改進并聯(lián)水庫系統(tǒng)的調(diào)度規(guī)則和調(diào)度方法。郭旭寧等[9]為了有效描述和求解跨流域水庫群最優(yōu)調(diào)供水過程，建立了基于0-1規(guī)劃方法的水庫群最優(yōu)化調(diào)度模型，確定跨流域水庫群調(diào)水規(guī)則和供水規(guī)則。游進軍等[10]以南水北調(diào)東線為例，建立從配置到調(diào)度的耦合模擬模型，通過外調(diào)水與本地水補償配置調(diào)度耦合算法對可行的水量配置進行優(yōu)化，提出了區(qū)域工程調(diào)度方案。楊柳等[11]以引漢濟渭調(diào)水工程與黑河引水工程為例，構(gòu)建了調(diào)水工程與本地水工程聯(lián)合調(diào)度的水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡，分析了本地水和外調(diào)水不同優(yōu)先供水順序下的優(yōu)化調(diào)度方案。萬芳等[12]融合調(diào)水、引水和供水關(guān)系構(gòu)建跨流域水庫群優(yōu)化調(diào)度規(guī)則，對調(diào)水工程和本地地表水的整體配置調(diào)度體系進行優(yōu)化計算。彭少明等[13]針對跨流域調(diào)水工程的復雜水資源系統(tǒng)，提出多維尺度模擬和優(yōu)化方法，建立了3層結(jié)構(gòu)的泛流域水資源時空優(yōu)化調(diào)配模型系統(tǒng)，并采用大系統(tǒng)協(xié)調(diào)技術(shù)和嵌套遺傳算法動態(tài)調(diào)節(jié)機制求解，得出水資源優(yōu)化分配方案。現(xiàn)有研究多以設計引水控制線或引水能力控制作為引江水量進行輸水和配水優(yōu)化，但缺乏考慮不同水平年的當?shù)貋硭托杷闆r，基于“節(jié)水優(yōu)先”的理念，需同時兼顧“以需定供”和“以供定需”雙向約束。此外，由于引江濟淮工程計劃實施雙線引江，此過程中受菜子湖和巢湖的水位約束以及渠道和閘泵的輸水能力等約束，不同時間段或同一時段兩條線路的不同的輸水過程，呈現(xiàn)不同的棄水量。如何優(yōu)化這一輸水過程使得引水的總棄水量最小，是引江濟淮工程實際調(diào)度時需要考慮的問題。

本文采取模擬模型和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合的方式[14]，依據(jù)水量平衡原理建立引江濟淮工程年水量調(diào)度模型。根據(jù)各單元需水預測過程，同時考慮區(qū)間來水過程、滲漏損失等反向模擬得到引江濟巢段的預測輸水過程。采用遺傳學算法優(yōu)化引江濟巢段的雙線輸水過程的引江比例分配，正向模擬計算得到引江濟淮工程近、遠期規(guī)劃年的豐、平、枯水年的輸水過程，為后續(xù)考慮湖泊調(diào)蓄能力的水資源優(yōu)化調(diào)度研究提供基礎(chǔ)。

1 水量調(diào)度模型

1.1 水量調(diào)度范圍及調(diào)度期

引江濟淮水量調(diào)度范圍為整個工程受水區(qū)域。項目區(qū)涉及皖、豫兩省，行政區(qū)劃包括安徽省安慶、銅陵、蕪湖、馬鞍山、合肥、六安、滁州、淮南、蚌埠、淮北、宿州、阜陽、亳州以及河南省周口、商丘15個市55個縣（市、區(qū)），受水區(qū)總面積7.06萬km2。水源是長江引水、淮河上游來水、三大湖泊前期蓄水及來水量。用水對象為工程沿線各口門需引水量、三大湖泊的生態(tài)需求，以及淮河當?shù)厮┧畬ο?。按照水量調(diào)度建模分析需要，以長江引水點、淮河蚌埠閘以及三大湖泊為主要控制點。重要的閘泵控制點依據(jù)相對位置關(guān)系進行概化，全線概化為10個取水口（見圖1），其中江水北送段的4條線路概化為一個取水口。

本研究基于調(diào)度范圍內(nèi)的水文站1956～2010年長系列徑流數(shù)據(jù)，選取25%，50%，95%的來水頻率條件下汛末10月至次年9月為調(diào)度期，步長為旬。按照現(xiàn)狀水平年2010年，基于各行

業(yè)用水定額核算的25%，50%，95%來水頻率的需水方案，對2030年近期規(guī)劃水平年和2040年遠期規(guī)劃水平年的豐、平、枯水年情景進行水資源調(diào)度取水過程模擬優(yōu)化。

1.2 模型約束條件

1.2.1 湖泊水量平衡及約束

湖泊包括菜子湖、巢湖、瓦埠湖以及淮河蚌埠閘概化的湖泊。

1.3 正反模擬模型及引江水量優(yōu)化調(diào)度

年水量調(diào)度模擬模型遵循水量平衡方程和約束條件，采用規(guī)則調(diào)度[15]和遺傳算法[16]進行求解，得到水量調(diào)度方案成果。模型的已知變量主要包括不同水平年的湖泊初始蓄水量、區(qū)間來水過程以及需水過程。本文的引江過程是基于整個受水區(qū)的需水過程、區(qū)間來水過程進行模擬，同時考慮滲漏損失和棄水。

1.3.1 正反向模擬模型原理

正反模擬模型中的反向模擬是從工程末端樞紐（蚌埠閘樞紐）開始演算倒推至工程起點樞紐（鳳凰頸樞紐和樅陽樞紐）的反方向模擬過程，該過程主要考慮各取水用戶的逐旬需水量，從而倒推出工程全段所需的逐旬需水量過程。將倒推所得的逐旬需水量過程與設計引江供水能力約束進行對比，取兩者的較小值，從而實現(xiàn)“以需定供”的理念。模擬模型中的正向模擬是從工程起點樞紐（鳳凰頸樞紐和樅陽樞紐）開始演算至工程終點（蚌埠閘樞紐）樞紐的正方向模擬過程，該過程主要考慮湖泊的區(qū)間來水量以及湖泊蓄水能力約束以及各工程的引水能力約束，最終模擬出各工程段的逐旬供水過程，以及湖泊的水

位庫容逐旬變化過程，從而實現(xiàn)“以供定需”的理念。引江濟淮工程采用雙線供水設計，為此反向演算的末端需要考慮雙線水量如何分配的問題。兩條引江河段均有湖泊（巢湖、菜子湖）參與引供水過程，為充分利用湖泊的調(diào)蓄能力，盡可能多地減少湖泊棄水量，本文采用遺傳算法進

行雙線水量比例分配過程優(yōu)化，使得引江過程中湖泊的總棄水量最少，以實現(xiàn)“盡可能多地利用本地水而減少引江水量”的理念。圖2為正反演算原理流程圖，計算步驟如下。

2 典型年調(diào)度情景分析

利用不同保證率典型年水量日過程分析規(guī)劃水平年大通站水文站的水量。引江濟淮工程涉及范圍廣，跨長江淮河兩大流域，兩大流域水文特性不同，因此水源區(qū)和受水區(qū)典型年頻率存在不一致，故不同保證率的典型年需綜合考慮長江流域（水源區(qū)）和淮河流域（受水區(qū)）進行選取。本文分別根據(jù)長江流域和淮河流域水文頻率，選取5%～95%共12個典型年進行規(guī)劃水平年水量分析，并最終選取1978年（枯水年），1981年（平水年），1993年（豐水年）作為水量調(diào)度計算的典型年。按照現(xiàn)狀水平年為2010年，2030年為近期規(guī)劃水平年，2040年為遠期規(guī)劃水平年分別設置典型情景。

3 輸出結(jié)果及分析

模型主要輸出取水口各個供水單元的需水過程、供水過程、缺水過程、引江水過程、閘泵和湖泊的調(diào)水過程、最終的供需平衡結(jié)果，以及輸出各類水平衡項的詳細過程，如湖泊的引江入湖流量、湖泊區(qū)間入流、湖泊水利用、湖泊出湖流量、棄水量等。

3.1 湖泊調(diào)蓄過程分析

以2030年規(guī)劃水平年為例，針對年調(diào)度模型結(jié)果進行湖泊調(diào)蓄過程分析。圖3是2030年規(guī)劃水平年菜子湖和巢湖的逐旬引江調(diào)度過程。從圖3（a） 中可以看出，近期枯水年，菜子湖除了2月下旬至6月中旬以外，其他時段均為出入湖相等的調(diào)度狀態(tài)，即供水由引江水提供;2月下旬至6月中旬出湖量大于入湖量，表明引江水在通過湖泊調(diào)蓄的時候，可利用湖泊的棄水（湖泊的區(qū)間來水因受水位限制而被迫排出的水）使得水資源能夠得到高效利用。在整個引江輸水過程中，菜子湖和巢湖的棄水極少。從圖3（b） 中可以看出：在近期枯水年，巢湖4月下旬和5月下旬出湖量大于入湖量，表明引江水在通過湖泊調(diào)蓄的時候可利用湖泊的棄水;6月上旬至11月下旬入湖量大于出湖量，由于5～11月的區(qū)間來水（實際入流-當?shù)厮渲茫樨撝?，為了保證湖泊水位不低于生態(tài)最低水位，實施引江水補給湖泊生態(tài)水。

在近期平水年，菜子湖的棄水量為19.64億m3，調(diào)度期結(jié)束時較調(diào)度起點庫容增加0.79億m3，調(diào)蓄過程詳見圖3（c）;菜子湖遠期平水年的棄水量較近期減少0.58億m3。近期平水年，巢湖棄水量為15.29億m3，調(diào)度期結(jié)束時較調(diào)度起點巢湖庫容增加2.3億m3，調(diào)蓄過程詳見圖3（d）;巢湖遠期平水年的棄水量較近期減少2.48億m3。遠近期平水年中，菜子湖棄水量是巢湖棄水量的1.5倍。

在近期豐水年，菜子湖棄水量為11.67億m3，菜子湖遠期豐水年棄水量較近期減少0.5億m3。近期豐水年，巢湖棄水量為23.21億m3，巢湖遠期豐水年的棄水量較近期減少2.88億m3。近期豐水年中，巢湖棄水量是菜子湖棄水量的2倍。

3.2 工程全線引供結(jié)果分析

3.2.1 2030年規(guī)劃水平年工程引供分析

圖4是2030年規(guī)劃水平年枯、平、豐水年的生活工業(yè)、農(nóng)業(yè)的供缺水統(tǒng)計示意圖。由圖4可知：枯水年呈現(xiàn)較明顯的缺水現(xiàn)象，其中，生活工業(yè)缺水率為9.08%，農(nóng)業(yè)缺水率為15.78%。近期規(guī)劃枯水年總需水量為83.91億m3，設計的引水量為69.17億m3，模型計算的引水量為57.91億m3，較設計方案減少11.26億m3;總供水量為74.85億m3，其中樅陽引水量為27.31億m3，鳳凰頸引水量為30.61億m3。

近期規(guī)劃平水年總需水量38.01億m3，設計的引水量為39.51億m3，模型計算的引水量為15.01億m3，較設計方案減少了24.5億m3，表明該模型在平水年計算中充分利用了湖泊水，進而減少了引江水的使用量，其中巢湖利用量為0億m3，菜子湖利用量為2.13億m3，瓦埠湖利用量為7.37億m3，淮河利用量為24.29億m3?？偣┧繛?8.01億m3，其中，樅陽引水5.02億m3，鳳凰頸引水10億m3。

近期規(guī)劃豐水年總需水量18.22億m3，設計的引水量為11.41億m3，模型計算的引水量與設計規(guī)劃持平;總供水量為18.2億m3，其中樅陽引水6.56億m3，鳳凰頸引水4.85億m3。近期規(guī)劃的豐、平、枯水年的逐旬引江流量過程如圖5所示。

3.2.2 2040年規(guī)劃水平年工程引供分析

2040年規(guī)劃水平年的各典型年供缺水比例與2030規(guī)劃水平年相近;枯水年呈現(xiàn)較明顯的缺水現(xiàn)象，其中，生活工業(yè)缺水率較近期規(guī)劃增加24%，農(nóng)業(yè)缺水率增加12%;隨著農(nóng)業(yè)水利用技術(shù)的不斷發(fā)展，水資源利用率提高，農(nóng)業(yè)缺水率的增長與生活和工業(yè)相比較緩。

遠期規(guī)劃枯水年總需水量92.90億m3，設計的引水量為88.72億m3。模型計算的引水量為62.7億m3，較設計方案減少了26.02億m3，其中巢湖利用量為0.62億m3，菜子湖利用量為1.3億m3，瓦埠湖利用量為1.26億m3，淮河利用量為25.71億m3。

遠期規(guī)劃平水年需水總量47.44億m3，設計的引水量為49.61億m3。模型計算的引水量為20.44億m3，較設計方案減少了29.17億m3，其中，巢湖利用量為0.33億m3，菜子湖利用量為2.56億m3，瓦埠湖利用量為7.4億m3，淮河利用量為28.06億m3。

遠期規(guī)劃豐水年需水總量22.84億m3，設計的引水量為14.77億m3。模型計算的引水量為4.52億m3，較設計方案減少了10.25億m3，其中，巢湖利用量為0.46億m3，菜子湖利用量為0.82億m3，瓦埠湖利用量為9.57億m3，淮河利用量為19.86億m3。

3.3 工程區(qū)段統(tǒng)計分析

引江濟淮工程供水過程中，經(jīng)過菜子湖、巢湖、瓦埠湖三大湖泊和淮河的調(diào)蓄，在輸送過程中湖泊的水量與引江水共同作為供水源供水。針對調(diào)度后的結(jié)果，統(tǒng)計遠、近期規(guī)劃下不同典型年三大區(qū)段的供水量、缺水量、湖泊水利用量、棄水量，詳見表2。工程的缺水情況主要發(fā)生在江水北送段，枯水年較為嚴重;而棄水主要來自菜子湖和巢湖，因此后續(xù)的工作將主要致力于三個湖泊的全局協(xié)同優(yōu)化，使棄水充分利用，降低棄水率。從表2中也可以發(fā)現(xiàn)：江水北送段是工程供水的主要對象，該段枯水年供給量占總量的57%，平水年供給量超過總量的75%，豐水年供給量超過總量的97%。從工程全段來看，近、遠期規(guī)劃下枯水年的供水量最大，平水年的湖泊利用量最大，豐水年的棄水率最大。現(xiàn)定義湖泊水利用率等于湖泊水利用量與供水量的比值。近期規(guī)劃湖泊水利用率為：枯水年為36.6%，平水年為89%，豐水年為146.5%。遠期規(guī)劃湖泊水利用率為：枯水年為35%，平水年為81%，豐水年為134%。由此可以看出，近、遠期規(guī)劃的湖泊水利用率隨著缺水程度的減少不斷增加。

4 結(jié)論與展望

本文采用模擬模型和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合的方式，依據(jù)水量平衡原理建立了引江濟淮工程年水量調(diào)度正反模擬模型。構(gòu)建遠、近期規(guī)劃年的豐、平、枯水年的不同情景，對全部典型情景進行模擬獲取了不同情境下的年調(diào)度方案。模擬結(jié)果表明：平水年和豐水年在近期規(guī)劃水平年（2030年）和遠期規(guī)劃水平年（2040年）的缺水量基本為0，枯水年在遠、近期規(guī)劃水平年均存在較大缺水，以農(nóng)業(yè)缺水為主;與設計規(guī)劃相比，由于本文模型充分考慮了湖泊的調(diào)蓄能力，減少了部分汛前的引水，充分利用了調(diào)蓄湖泊的洪水資源，從而使得調(diào)度方案中各典型年的引水總量較設計規(guī)劃的明顯減少。遠、近期規(guī)劃的枯水年棄水較少，豐水年和平水年棄水量相對較多，平水年兩湖棄水量相近，而豐水年棄水量主要發(fā)生在巢湖。江水北送段是引江濟淮工程供水的主要對象，該段枯水年供給量占總量的57%左右，平水年供給量超過總量的75%，豐水年供給量超過總量的97%。從工程全段來看，近、遠期規(guī)劃下枯水年的供水量最大，平水年的湖泊利用量最大，豐水年的棄水率最大。

本文僅從水量平衡模擬的角度開展了探究，至于如何優(yōu)化上下游湖泊之間的協(xié)同調(diào)度以及取用水調(diào)配規(guī)則，進行全流域統(tǒng)籌調(diào)度及決策，則是在跨流域水資源調(diào)度工作中需要進一步深入研究的內(nèi)容。

參考文獻：

[1] 王浩.我國水資源合理配置的現(xiàn)狀和未來[J].水利水電技術(shù)，2006，37（2）：7-14.

[2] 王順久，侯 玉，張欣莉，等.中國水資源優(yōu)化配置研究的進展與展望[J].水利發(fā)展研究，2002，2（9）：9-11.

[3] GUPTA R A.River basin management：a case study of Narmada Valley development with special reference to the Sardar Project in Gujarat，India[J].Water Resources Development，2001，17（1）：55-78.

[4] 王浩，游進軍.水資源合理配置研究歷程與進展[J].水利學報，2008，39（10）：1168-1175.

[5] 朱建榮，白鳳朋.引江濟淮工程對長江口咸潮入侵的影響研究[J].三峽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，2018，3（3）：60-65，81.

[6] 張虎，陳一明.引江濟淮工程水源區(qū)論證分析[J].人民長江，2017，48（19）：57-40.

[7] 沈佩君，邵東國，郭元裕.南水北調(diào)東線工程優(yōu)化規(guī)劃混合模擬模型研究[J].武漢水利電力學院學報，1991（4）：395-402.

[8] 彭少明，王浩，王煜，等.泛流域水資源系統(tǒng)優(yōu)化研究[J].水利學報，2013（1）：10-17.

[9] 林鵬飛，游進軍，付敏，等.基于引水限制調(diào)度線的并聯(lián)水庫系統(tǒng)供水優(yōu)化算法及應用[J].水利水電技術(shù)，2018，49（2）：8-14.

[10] 郭旭寧，雷曉輝，李云玲，等.跨流域水庫群最優(yōu)調(diào)供水過程耦合研究[J].水利學報，2016，47（7）：949-958.

[11] 游進軍，林鵬飛，王靜，等.跨流域調(diào)水工程水量配置與調(diào)度耦合方法研究[J].水利水電技術(shù)，2018，49（1）：16-22.

[12] 楊柳，汪妮，解建倉，等.跨流域調(diào)水與受水區(qū)多水源聯(lián)合供水模擬研究[J].水力發(fā)電學報，2015，34（6）：49-56，212.

[13] 萬芳，周進，原文林.大規(guī)模跨流域水庫群供水優(yōu)化調(diào)度規(guī)則[J].水科學進展，2016，27（3）：448-457.

[14] 張建云，陳潔云.南水北調(diào)東線工程優(yōu)化調(diào)度研究[J].水科學進展，1995，6（3）：198-204.

[15] 郭旭寧.水量調(diào)度規(guī)則的建模理論與求解方法[D].武漢：武漢大學，2013.

[16] 閆春程，王國利.遺傳算法在跨流域引水工程優(yōu)化調(diào)度中的應用[J].東北水利水電，2006（9）：3-5，71.

[17] 黃淑娟，張?zhí)扃?，陳?基于遺傳算法的九鄉(xiāng)河雙扉閘門優(yōu)化設計方法及應用[J].江蘇水利，2018（12）：35-38.

[18] 黃曼麗，張健，丁大發(fā)，等.基于遺傳算法的區(qū)域水資源優(yōu)化配置研究[J].人民長江，2008，39（6）：29-32.

（編輯：鄭 毅）