北坑水庫(kù)與明溪水庫(kù)雙庫(kù)聯(lián)合調(diào)度初步研究

馬鴻龍

(深圳市北部水源工程管理處，廣東 深圳 518048)

深汕特別合作區(qū)地處珠三角經(jīng)濟(jì)圈和海峽西岸經(jīng)濟(jì)圈結(jié)合部，是粵港澳大灣區(qū)向粵東城鎮(zhèn)群拓展輻射的重要戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)著“區(qū)域協(xié)調(diào)、合作示范、自主創(chuàng)新”的重要使命。深汕特別合作區(qū)2019年末常住人口為9.34萬(wàn)人，根據(jù)《深汕特別合作區(qū)總體規(guī)劃(2017—2035年)綱要》，至2035年末全區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)用地達(dá)到125km2，人口約為150萬(wàn)人。隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，供需水矛盾日益突出，已成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸，迫切需要建設(shè)新的骨干水源工程作支撐。

北坑水庫(kù)為流域綜合規(guī)劃確定的利用本地水資源新建的中型水庫(kù)；明溪水庫(kù)為大(2)型水庫(kù)，其來水主要由兩部分組成，10%為本地徑流，90%為白盆珠水庫(kù)引水?？紤]到明溪水庫(kù)和北坑水庫(kù)兩庫(kù)庫(kù)容相差較大，來水徑流特性不一，通過聯(lián)合調(diào)度，可以有效增加水庫(kù)的聯(lián)合供水能力。文章以深汕特別合作區(qū)北坑水庫(kù)和明溪水庫(kù)為例，研究水庫(kù)間的聯(lián)合調(diào)度，以達(dá)到充分發(fā)揮水庫(kù)的調(diào)蓄能力、提高水資源利用的目的。

1 工程特點(diǎn)

擬建北坑水庫(kù)位于赤石河干流北坑水段，是一座以城鎮(zhèn)供水為主、兼顧灌溉的中型水利工程。水庫(kù)具有多年調(diào)節(jié)性能，水庫(kù)集水面積為26km2，大壩為面板堆石壩，最大壩高69.5m。水庫(kù)按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，2000年一遇洪水校核，設(shè)計(jì)洪水位為98.13m，校核洪水位為98.80m，總庫(kù)容為2294萬(wàn)m3。水庫(kù)正常蓄水位為98.00m，死水位為67.00m，興利庫(kù)容為1957萬(wàn)m3。

擬建明溪水庫(kù)位于赤石河二級(jí)支流明溪河上，是一座以城鎮(zhèn)供水為主的大(2)型水庫(kù)。明溪水庫(kù)具有多年調(diào)節(jié)性能，水庫(kù)集水面積為28.3km2，明溪水庫(kù)主壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高84.3m。主壩按500年一遇洪水設(shè)計(jì)，5000年一遇洪水校核，設(shè)計(jì)洪水位為92.91m，校核洪水位為93.67m，總庫(kù)容為19702萬(wàn)m3。水庫(kù)正常蓄水位為90.20m，死水位為35.00m，興利庫(kù)容為17437萬(wàn)m3。

2 單庫(kù)調(diào)度

2.1 計(jì)算原則與方法

(1)首先來水滿足壩址下游河道生態(tài)基流[1- 2，12]；其次，多余水量滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水，再有余水進(jìn)行蓄庫(kù)；當(dāng)河道來流量小于生態(tài)基流時(shí)，來多少，下泄多少，不影響河道天然生態(tài)基流。

(2)當(dāng)水庫(kù)來水量大于城鄉(xiāng)供水和灌溉需水量時(shí)，按需水量供水，余水充蓄水庫(kù)，直至水庫(kù)水位上升到正常蓄水位，水庫(kù)水位達(dá)到正常蓄水位且仍有多余水量時(shí)，水庫(kù)棄水。

(3)供水次序：優(yōu)先滿足城鄉(xiāng)需水，其次為農(nóng)灌需水。

(4)需水過程：根據(jù)供需平衡成果，北坑水庫(kù)按照5.4萬(wàn)m3/d均勻向中心水廠供城鎮(zhèn)需水，按照2800畝的灌溉需水過程進(jìn)行農(nóng)業(yè)供水；明溪水庫(kù)按45.4萬(wàn)m3/d均勻向中心水廠供城鎮(zhèn)需水，進(jìn)行單庫(kù)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算；城鄉(xiāng)生活供水保證率按不小于97%控制，農(nóng)灌供水保證率按不小于90%控制。

(5)采用時(shí)歷法進(jìn)行水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)入庫(kù)徑流與用水長(zhǎng)系列過程逐旬進(jìn)行計(jì)算。

2.2 計(jì)算成果

經(jīng)單庫(kù)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，北坑水庫(kù)多年平均來水量為4160萬(wàn)m3，多年平均向中心水廠供水量為1958萬(wàn)m3，供水保證率為97.1%；灌溉可供水量為175萬(wàn)m3，灌溉保證率為91.1%；蒸發(fā)滲漏損失184萬(wàn)m3，棄水1250萬(wàn)m3，生態(tài)下泄水量為593萬(wàn)m3。

明溪水庫(kù)多年平均向中心水廠供水量為16571萬(wàn)m3，供水保證率為97.1%，生態(tài)下泄水量為670萬(wàn)m3，引調(diào)水量為13681萬(wàn)m3。

2.3 存在問題

北坑水庫(kù)為深汕特別合作區(qū)本地水資源，單庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算，多年平均棄水量為1250萬(wàn)m3，棄水率為30%，棄水較大，現(xiàn)有調(diào)度方式未能充分利用本地水資源；兩大水庫(kù)共同為中心水廠供水，明溪水庫(kù)為大型水庫(kù)，北坑水庫(kù)為中型水庫(kù)，聯(lián)合調(diào)度，可有效提高水資源利用效率。目前水庫(kù)規(guī)劃未考慮兩庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，未能充分利用水資源。

3 兩庫(kù)聯(lián)合調(diào)度

根據(jù)合作區(qū)水資源綜合規(guī)劃，明溪水庫(kù)建成后，北坑水庫(kù)與明溪水庫(kù)共同為中心水廠供水。兩庫(kù)聯(lián)合調(diào)度可提高區(qū)域水資源利用率，考慮到合作區(qū)以境外引水為主要水源，為充分利用本地水資源，減少北坑水庫(kù)棄水，在北坑水庫(kù)預(yù)留7～10d儲(chǔ)備庫(kù)容455萬(wàn)m3的基礎(chǔ)上，優(yōu)先利用北坑水庫(kù)給中心水廠供水，盡量減少引調(diào)水量。

3.1 聯(lián)合調(diào)度模型

3.1.1目標(biāo)函數(shù)

北坑水庫(kù)來水為本流域來水，明溪水庫(kù)來水包含本流域來水和外流域輸水，具有城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉等多種功能，多個(gè)優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)。目標(biāo)函數(shù)包括中心水廠缺水量最小、北坑水庫(kù)灌區(qū)缺水量最小、北坑水庫(kù)棄水量最小、明溪水庫(kù)引調(diào)水量最小，目標(biāo)函數(shù)式如下：

(1)城鎮(zhèn)供水

以中心水廠多年平均缺水量最小為優(yōu)化準(zhǔn)則，城鎮(zhèn)供水計(jì)算公式見式(1)：

(1)

式中，CZXS(t)—t時(shí)段中心水廠需水量，萬(wàn)m3；CZGS(t)—t時(shí)段中心水廠缺水量，萬(wàn)m3；t—整數(shù)，取值為1，2，3，…，N。

(2)農(nóng)業(yè)用水

以北坑水庫(kù)灌區(qū)缺水量最小為優(yōu)化準(zhǔn)則，農(nóng)業(yè)用水計(jì)算公式見式(2)：

(2)

式中，GGXS(t)—t時(shí)段灌溉需水量，萬(wàn)m3；GGGS(t)—t時(shí)段灌溉缺水量，萬(wàn)m3。

(3)本地水庫(kù)棄水量

以北坑水庫(kù)棄水量最小為優(yōu)化準(zhǔn)則，本地水庫(kù)棄水量計(jì)算公式見式(3)：

(3)

式中，QS(t)—t時(shí)段北坑水庫(kù)棄水量，萬(wàn)m3。

(4)引調(diào)水量

以明溪水庫(kù)引調(diào)水量最小為優(yōu)化準(zhǔn)則，引調(diào)水量計(jì)算公式見式(4)：

(4)

式中，DS(t)—t時(shí)段明溪水庫(kù)引調(diào)水量，萬(wàn)m3。

3.1.2約束條件

(1)建立了水量平衡約束公式

Vt+1=Vt+It-GSt-SZt-QSt-DSt

(5)

式中，Vt+1—t時(shí)段末蓄水量，萬(wàn)m3；Vt—t時(shí)段初蓄水量，萬(wàn)m3；It—t時(shí)段徑流量，萬(wàn)m3；GSt—t時(shí)段供水量，萬(wàn)m3；SZt—t時(shí)段蒸發(fā)滲漏損失量，萬(wàn)m3；QSt—t時(shí)段棄水量，萬(wàn)m3；DSt—t時(shí)段調(diào)水量，萬(wàn)m3。

(2)建立了水庫(kù)蓄水能力上下限約束值計(jì)算公式

Vmin≤Vt≤Vmax

(6)

式中，Vmin，Vmax分別為水庫(kù)蓄水能力的上下限，萬(wàn)m3。

(3)建立了明溪水庫(kù)引水工程可輸水量約束公式

0≤DS(t)≤DSmax

(7)

式中，DSmax—引水工程最大輸水能力，萬(wàn)m3。

(4)水庫(kù)庫(kù)容-面積-水位特征曲線

Zi，t=f(Vi，t)，Vi，t=f(Si，t)

(8)

式中，f(Vi，t)—水位-庫(kù)容曲線函數(shù)；f(Si，t)—庫(kù)容-面積曲線函數(shù)。

(5)限制供水能力不超過允許破壞深度

城鎮(zhèn)供水的限制系數(shù)β1取0.7；農(nóng)業(yè)供水限制系數(shù)β2取0.5。

3.1.3模型求解

(1)化多目標(biāo)為單目標(biāo)[3- 5]

兩庫(kù)聯(lián)合調(diào)度模型是一個(gè)多目標(biāo)、多約束的函數(shù)。若直接用多目標(biāo)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解，則狀態(tài)變量數(shù)太多，所需內(nèi)存量和計(jì)算量大，存在維數(shù)災(zāi)難[6- 8]。本次研究綜合采用權(quán)重法和約束法將部分目標(biāo)轉(zhuǎn)化為決策約束和運(yùn)行規(guī)則，只保留一個(gè)主要目標(biāo)，從而將一個(gè)多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題求解[9- 10]，具體如下：

此次有4個(gè)目標(biāo)同時(shí)要求最小，故模型以城鎮(zhèn)生活缺水、灌溉缺水、本地棄水量、引調(diào)水量加權(quán)和最小為基本目標(biāo)，其計(jì)算公式見式(9)：

minm5=a1m1+a2m2+a3m3+a4m4

(9)

供水次序:首先兩庫(kù)來水滿足壩址下游河道生態(tài)基流；其次，多余水量滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水，再有余水進(jìn)行蓄庫(kù)；當(dāng)河道來流量小于生態(tài)基流時(shí)，來多少，下泄多少，不影響河道天然生態(tài)基流。當(dāng)某時(shí)段有虧水時(shí)，優(yōu)先保證城鎮(zhèn)供水，其次農(nóng)業(yè)供水。

對(duì)北坑水庫(kù)棄水量最小的目標(biāo)，主要通過分析單庫(kù)調(diào)節(jié)棄水、北坑水庫(kù)來水，建立規(guī)則達(dá)到。

根據(jù)北坑水庫(kù)單庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算成果，北坑水庫(kù)多年平均棄水量為1250萬(wàn)m3，約占多年平均來水量的30%。經(jīng)分析，水庫(kù)棄水多集中在4—9月，多年平均棄水量為1182萬(wàn)m3，占全年棄水量的95%。

根據(jù)壩址徑流分析，水庫(kù)汛期為4—9月來水占多年平均來水量的83.3%，枯期10月—次年3月來水占多年平均來水量的16.7%。汛期平均來水流量為2.19m3/s，枯期平均來水流量為0.44m3/s。

從單庫(kù)調(diào)節(jié)多年平均棄水以及壩址多年平均來水的角度講，汛期加大供水有利于水資源利用[11]。綜合考慮，確定汛期4—9月共6個(gè)月北坑水庫(kù)集中向中心水廠供水，供水流量為2.5m3/s，不足時(shí)由明溪水庫(kù)補(bǔ)充?？萜?0月—次年3月共6個(gè)月，北坑水庫(kù)以蓄水為主，明溪水庫(kù)以供水為主。

這樣將多目標(biāo)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型求解。

(2)數(shù)據(jù)處理

徑流系列：徑流系列為1975年4月至2019年3月，共44年。每年劃分為36個(gè)旬，共1584個(gè)旬。

水庫(kù)蒸發(fā)滲漏：取旬平均庫(kù)容的0.3%。

初始條件：北坑水庫(kù)以死庫(kù)容+儲(chǔ)備庫(kù)容為調(diào)節(jié)計(jì)算的起點(diǎn)，明溪水庫(kù)以死水位為調(diào)節(jié)計(jì)算的起點(diǎn)，逐年逐旬進(jìn)行計(jì)算，直至系列末，再以系列末的水庫(kù)蓄水量為系列初的水庫(kù)蓄水量繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，直至系列初和系列末相銜接。

3.2 聯(lián)合調(diào)度成果

經(jīng)聯(lián)合調(diào)度計(jì)算，北坑水庫(kù)壩址多年平均供水量為3372萬(wàn)m3，其中城鎮(zhèn)供水3197萬(wàn)m3，灌溉供水175萬(wàn)m3，棄水量減少至67萬(wàn)m3，北坑水庫(kù)水量利用率達(dá)到81.1%，棄水率1.6%，比單庫(kù)調(diào)節(jié)水量利用增加1239萬(wàn)m3，水量利用率提高29.8%。

明溪水庫(kù)多年平均為中心水廠供水量為15295萬(wàn)m3，引水量減少1315萬(wàn)m3，中心水廠供水保證率大于97%。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)為適應(yīng)新時(shí)代的水資源管理[13- 15]、合理利用水資源，文章以北坑水庫(kù)、明溪水庫(kù)為深汕特別合作區(qū)中心水廠供水為例，提出了以供水、灌溉等為主的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，構(gòu)建出兩大水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度模型。實(shí)現(xiàn)聯(lián)合調(diào)度后，可有效減少外調(diào)水量，對(duì)類似工程的研究有一定的借鑒意義。

(2)北坑水庫(kù)與明溪水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度的供水模型是一個(gè)多目標(biāo)動(dòng)態(tài)求解模型，文章采用權(quán)重法和約束法求解，簡(jiǎn)化了計(jì)算，但簡(jiǎn)化方法在適用范圍方面有所限制，應(yīng)用推廣有待論證。