流域大型水庫群中長期水量調(diào)度研究

侯文娟

(新疆伊犁昭蘇縣水利局，新疆 伊犁 835600)

1 研究區(qū)概況

某河流全長386 km，流域面積約11 600 km2，集水面積約4 892 km2，年平均徑流量35.1×108m3。流域主要以沖擊平原和丘陵為主，流域內(nèi)分布有大小30多條支流。流域內(nèi)有大型水庫5座，中型水庫22座，流域水庫總庫容約22.5×108m3，控制集水面積5 000 km2。本文主要針對大型水庫的中長期水量調(diào)度問題，因此選擇調(diào)蓄能力強(qiáng)的大型水庫進(jìn)行概化研究[1-2]，并將流域概化為5個水庫(匯水區(qū))和3個用水單位(水資源計算分區(qū))。5個水庫具體情況見表1，流域水庫群概化后示意圖見圖1。

表1 流域大型水庫概況

圖1 流域水庫群概化示意

2 模型構(gòu)建

2.1 水量調(diào)度原則

水量調(diào)度不僅要考慮社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還需要兼顧生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。為了達(dá)到供水高效性、可持續(xù)性和水質(zhì)安全性[3-5]，確定流域水量調(diào)度原則如下：①在滿足基本居民生活和生態(tài)用水基礎(chǔ)上，兼顧農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水；②各用水單位必須提交合理的用水計劃，盡可能提高水資源的利用效率；③根據(jù)水庫調(diào)水性能和用水單元自身特點(diǎn)制定合理的調(diào)度方式。

2.2 水量平衡模型及參數(shù)

為了將抽象的水量調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)描述的框架，定義來水點(diǎn)、蓄水點(diǎn)、取水點(diǎn)、退水點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)流路，建立流域水量平衡模型，見圖2。

圖2 水量平衡模型

流域用水單元的來水節(jié)點(diǎn)主要包括河道和水庫，并將其用于生活用水、生態(tài)用水、農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水，最后產(chǎn)生的廢水、棄水再通過凈化后流回河道。因此，要確定調(diào)水量和調(diào)水方式，就需要確定各類型用水的耗水系數(shù)和回水系數(shù)[6-9]。本文根據(jù)已有研究，綜合確定流域用水參數(shù)情況，見表2。

表2 各類用水參數(shù)

2.3 模型構(gòu)建

由于水庫群的水量調(diào)度受生活、生態(tài)、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等多方面需求的影響，因此決定了水量調(diào)度是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性目標(biāo)決策問題。目標(biāo)決策的最終目的是使得總的調(diào)水目標(biāo)處于最優(yōu)狀態(tài)，因而首先要建立的是目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)分為主要目標(biāo)和次要目標(biāo)，主要目標(biāo)為供水缺率最小，次要目標(biāo)為發(fā)電效益最大，兩者的計算模型為：

供水缺率：

(1)

(2)

發(fā)電效益：

(3)

式中：T為發(fā)電效益；N為水庫數(shù)量；Hi為i水庫的發(fā)電量。

構(gòu)建好目標(biāo)函數(shù)后，還需要對模型進(jìn)行約束，約束包括兩部分：一是水庫約束；二是防洪約束。水庫約束包括水量平衡方程、水位約束、出庫流量約束、出力約束和發(fā)電水頭約束；防洪安全約束主要為水電站水位邊界。

水量平衡方程：

(4)

式中：Vi,t、Vi,t+1為第i個水庫在計算時段的初庫容和末庫容；Qi,t為平均入庫流量；Qk，t-Tki為下泄流量；Ii,t為t時段第i個水庫的入庫流量。

水位約束：

(5)

出庫流量約束：

(6)

出力約束：

(7)

發(fā)電水頭約束：

(8)

2.4 模型計算

逐步優(yōu)化算法在求解多階段動態(tài)優(yōu)化問題上具有獨(dú)特的優(yōu)勢[10]，相比其它傳統(tǒng)算法能夠避免維數(shù)災(zāi)的問題。因此，本文利用逐步優(yōu)化算法求取目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，計算過程如下：

1) 確定水庫逐步優(yōu)化順序，上游和干流水庫優(yōu)先計算，下游和支流水庫后計算。

2) 利用DP算法得到初始解算結(jié)果。

3) 采用POA計算次數(shù)N和計算時段t。

4) 運(yùn)用離散精度向量，離散各t時段的水位過程。

5) 運(yùn)用動態(tài)規(guī)劃法，優(yōu)化t時段相鄰時段的水位過程，t=t+1。

6) 當(dāng)計算次數(shù)達(dá)到循環(huán)次數(shù)N或者達(dá)到計算精度要求后停止計算。

3 應(yīng)用結(jié)果

以流域2020年調(diào)水情況為例，根據(jù)中長期流域的來水預(yù)報得到流域的最大可供水量為15.26×108m3，考慮現(xiàn)有供水能力，將最大供水量的90%作為地表的可用水量，其余10%作為河道基流。同時為了全面模擬2020年度水庫群的水量調(diào)度情況，還分別設(shè)計50%來水頻率(可供水量為20.56×108m3)和95%來水頻率(可供水量為12.92×108m3)兩種情況下的水量調(diào)度模擬計算。

3.1 水庫群水位變化過程

模擬得到的不同來水頻率下水庫群調(diào)水水位過程曲線(初始水位均為正常蓄水位)見圖3。

圖3 水庫群水位變化趨勢

從圖3中可以看到，位于最上游的1水庫，當(dāng)處于預(yù)報來水可供水量和50%來水頻率可供水量情況下時，水庫水位走勢基本一致；當(dāng)處于95%來水頻率可供水量情況下時，1-6月份和10-12月份的水庫水位較其他兩種情況時低，7-9月份的水位保持一致，且此時的水位最低，僅為309 m。2水庫位于1水庫下游，當(dāng)處于預(yù)報來水可供水量和95%來水頻率可供水量情況下時，水庫水位走勢基本一致；當(dāng)處于50%來水頻率可供水量情況下時，1-5月份的水庫水位較其他兩種情況時高，其余月份的水庫水位基本保持一致，且7-10月份的水位最低，為175 m。位于支流1的3水庫，當(dāng)處于預(yù)報來水可供水量和50%來水頻率可供水量情況下時，1-6月份水庫水位走勢基本一致；當(dāng)處于50%和95%來水頻率可供水量情況下時，9-12月份水庫水位走勢一致，7-8月份時3種情況下的水庫水位最小，均為173 m。位于支流2上游的4水庫，當(dāng)處于預(yù)報來水可供水量和50%來水頻率可供水量情況下時，水庫水位走勢基本一致；當(dāng)處于95%來水頻率可供水量情況下時，水庫水位略低于其它兩種情況，水庫水位最低時為7-9月份，僅為184.5 m。位于支流2下游的5水庫，當(dāng)處于預(yù)報來水可供水量和95%來水頻率可供水量情況下時，水庫水位走勢基本一致；當(dāng)處于50%來水頻率可供水量情況下時，水庫水位略高于其它兩種情況，水庫水位最低時為7-9月份，僅為145 m。從水位變化曲線可以看出，每年的7-9月份是調(diào)水最多的月份。

3.2 用水保證率

模擬計算分析得到不同來水頻率下各用水單位的用水保證率變化曲線見圖4。

圖4 各用水單位用水保證率

從圖4中可以看到，在預(yù)報可供水量(15.26×108m3)情況下時，位于上游的1用水單位和中游的2用水單位的用水保證率隨著月份呈動態(tài)變化，具體表現(xiàn)為先減小后增大的變化特征，最低用水保證率均出現(xiàn)在3月份，用水保證率僅為38%和37%，3用水單位的用水保證率橫跨整個2020年度均能保持在100%。在50%來水頻率可供水量(20.56×108m3)情況下，1用水單位和2用水單位的用水保證率呈逐漸升高趨勢，最低用水保證率均出現(xiàn)在1月份，分別為71%和88%，當(dāng)4月份之后，兩個用水單位的用水保證率可達(dá)到100%，而3用水單位的用水保證率均是100%。在95%來水頻率可供水量(12.92×108m3)情況下，1用水單位和2用水單位的用水保證率呈先降低后上升的變化趨勢，最低用水保證率也是出現(xiàn)在3月份，分別為42%和47%，至6月份之后，兩個用水單位的用水保證率也達(dá)到100%，而3用水單位的用水保證率仍是100%。綜上分析可以發(fā)現(xiàn)，位于中上游的用水單位平均用水保證率要低于下游用水單位的平均用水保證率，這主要是因?yàn)?用水地區(qū)主要以生活用水為主，而在供水原則設(shè)計時，是需要優(yōu)先保證生活用水的，且用水保證率最低一般出現(xiàn)在開春前后(3-5月份)；預(yù)報可供水量和95%來水頻率可供水量情況下的平均用水保證率要低于50%來水頻率可供水量情況下的平均用水保證率。

4 結(jié) 語

針對某流域大型水庫群中長期水資源調(diào)度問題，構(gòu)建流域用水調(diào)度模型，并基于逐步優(yōu)化算法(POA)進(jìn)行最優(yōu)解計算，結(jié)論如下：

1) 為方便研究，需要將流域水庫群和用水單位進(jìn)行概化，并根據(jù)已有研究確定合適的流域用水參數(shù)。

2) 保證初始水位均為正常水位前提下，在預(yù)報可供水量和50%來水頻率可供水量情況下，水庫群水位普遍高于95%來水頻率可供水量情況的水位，且每年的7-9月份是水庫群調(diào)水最多的時間段。

3) 位于流域中上游的用水單位平均用水保證率要低于下游用水單位的平均用水保證率，流域缺水主要發(fā)生在每年的3-5月份；預(yù)報可供水量和95%來水頻率可供水量情況下的平均用水保證率要低于50%來水頻率可供水量情況下的平均用水保證率。