考慮調(diào)水和供水規(guī)則的水庫優(yōu)化調(diào)度

王宗志，談麗婷，耿 敏，劉克琳

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，江蘇 南京 210029；2.山東省防汛抗旱物資儲備中心，山東 濟(jì)南 250014)

在水資源時空分布不均，人類社會用水需求攀升的背景下，通過跨流域調(diào)水，開發(fā)利用再生水、海水淡化水等非常規(guī)水可以有效緩解流域間水資源供需矛盾[1-2]。隨著國家水網(wǎng)行動的實施，受調(diào)水輸入條件影響的水庫越來越多。由于外調(diào)水在一定程度上改變了水庫的入庫徑流過程，因此水庫原調(diào)度規(guī)則需要優(yōu)化調(diào)整，以適應(yīng)新變化，進(jìn)而提高供水效益[3-6]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對調(diào)水輸入條件下水庫調(diào)度的運(yùn)行管理進(jìn)行了大量研究。郭旭寧等[7]將調(diào)水和供水看作主從遞階決策問題，提出了確定水庫群調(diào)水和供水規(guī)則的二層規(guī)劃模型，將跨流域水庫群調(diào)水與供水過程有效耦合起來；李成振等[8]在水庫群調(diào)水與供水研究中提出一種雙調(diào)水控制線法，用以控制調(diào)水過程的穩(wěn)定性；Wang等[9]根據(jù)跨流域調(diào)水供水的雙向性，在多水庫調(diào)度中，耦合對沖規(guī)則，建立了一套同時考慮跨流域調(diào)水和供水的雙向運(yùn)行規(guī)則；Tan等[10]將改進(jìn)的對沖規(guī)則用于水庫群調(diào)度研究，通過水庫群的聚合分解，得到了水庫間調(diào)水和供水的最優(yōu)規(guī)則。上述研究著眼于水庫群調(diào)水與供水分配之間的關(guān)聯(lián)性，從而優(yōu)化得到了調(diào)水和供水規(guī)則，但忽略了調(diào)水量變動對水庫供水效率的影響。因此，一些學(xué)者認(rèn)為水庫調(diào)水易造成“過量供水”而產(chǎn)生棄水，在確定調(diào)水規(guī)則時，需優(yōu)化調(diào)水規(guī)模及其過程。彭勇等[11]針對受水水庫出現(xiàn)邊引水邊棄水的問題，提出了一種增加受水區(qū)水庫滿引與不引之間線性插值的引水狀態(tài)，用以提高引水效率；Zhu等[12]針對受水水庫的聯(lián)合調(diào)度提出了增加兩條引水線的水庫分區(qū)運(yùn)用規(guī)則，把水庫有效庫容劃分為3個分區(qū)，將引水線與分區(qū)內(nèi)的引水量作為決策變量進(jìn)行優(yōu)化；Liu等[13]將跨流域調(diào)水水庫群的供水量和調(diào)水量作為決策變量，采用遺傳算法加以優(yōu)化，有效克服了人為設(shè)置調(diào)水分區(qū)、供水分區(qū)的主觀性；馬永勝等[14]考慮到調(diào)水過程變幅大，不利于水庫蓄存的問題，建立了調(diào)水效率最高和調(diào)水過程波動最小的目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化了水庫調(diào)水過程。以上研究通過對跨流域水庫(群)調(diào)水、供水規(guī)則以及調(diào)水量的合理制訂，實現(xiàn)了外調(diào)水和本地水的合理調(diào)配。

然而，極端氣候變化導(dǎo)致降雨徑流減少[15]，為了滿足日益增長的用水需求，許多城市開始強(qiáng)調(diào)非常規(guī)水資源的利用，如再生水回用、雨水集蓄、海水淡化等[16-18]。當(dāng)非常規(guī)水納入受水區(qū)供水系統(tǒng)時，外調(diào)水、當(dāng)?shù)厮c非常規(guī)水資源密切相連，受水區(qū)水庫調(diào)度既受外調(diào)水的影響，還受非常規(guī)水資源利用狀況的影響，有必要對水庫調(diào)度方式進(jìn)一步調(diào)整。為此，本文提出考慮調(diào)水和供水規(guī)則的水庫優(yōu)化調(diào)度模型，研究多水源供水格局下受水水庫運(yùn)行方式，為常規(guī)和非常規(guī)水資源雙重影響下的水庫調(diào)度運(yùn)行管理提供參考。

1 多水源受水水庫調(diào)水和供水模型

采用模擬優(yōu)化法研究多水源受水水庫運(yùn)行調(diào)度。其中，多水源模擬模塊基于配水、調(diào)水和供水規(guī)則對非常規(guī)水、外調(diào)水和天然來水進(jìn)行調(diào)節(jié)計算，根據(jù)非常規(guī)水源和用戶匹配關(guān)系優(yōu)先配置非常規(guī)水，再對受水水庫設(shè)定調(diào)水和供水規(guī)則，調(diào)節(jié)天然來水和外調(diào)水，以盡可能滿足剩余需水；水庫調(diào)度優(yōu)化模塊在評估水庫調(diào)度性能的基礎(chǔ)上對設(shè)定的調(diào)水、供水規(guī)則和外調(diào)水量進(jìn)行優(yōu)化，該模塊中的時段調(diào)水量和調(diào)度規(guī)則為決策變量；通過優(yōu)化算法生成相應(yīng)決策變量后，將其輸入到模擬模塊中進(jìn)行長系列調(diào)節(jié)計算，得到該決策變量下的水庫調(diào)度性能，最終根據(jù)調(diào)度性能的優(yōu)劣選取最佳決策值。模型總體框架見圖1。

1.1 多水源模擬模塊

a.多水源配水規(guī)則。由于非常規(guī)水設(shè)施(如再生水廠、海水淡化水廠)調(diào)蓄能力低，因此優(yōu)先利用非常規(guī)水。各用戶非常規(guī)水利用量受水質(zhì)影響[19]，需要設(shè)定非常規(guī)水的供水系數(shù)，用以約束非常規(guī)水對各用戶的供水量，本文將這類供水系數(shù)稱為非常規(guī)水的供水閾值。對相應(yīng)用戶配置非常規(guī)水之后，再進(jìn)行天然來水和外調(diào)水的調(diào)配。

b.水庫調(diào)水和供水規(guī)則。根據(jù)庫容分區(qū)理論[20]為受水區(qū)水庫設(shè)置了4條調(diào)度線(圖1)，用以控制水庫的調(diào)水和供水。其中，SY為調(diào)水啟動線，當(dāng)水庫初始蓄水量位于SY之上時，水庫不引入外調(diào)水，反之，按水庫時段調(diào)水能力Ytmax進(jìn)行調(diào)水；其余3條調(diào)度線S1、S2、S3依次限制農(nóng)業(yè)、生態(tài)、城市用戶供水，稱為供水限制線[21-22]。

圖1 模型總體框架Fig.1 Overall framework of model

以t時段為例，配置非常規(guī)水的水庫調(diào)水和供水運(yùn)行方式具體過程為：

步驟1優(yōu)先計算非常規(guī)水供水量：

Wsit=ηsiDit

(1)

式中：Wsit為t時段s非常規(guī)水源供給i用戶的水量；Dit為t時段i用戶的需水量；ηsi為s非常規(guī)水源對i用戶的供水閾值。根據(jù)分質(zhì)供水原則，當(dāng)非常規(guī)水無法滿足用戶水質(zhì)要求時，供水閾值為0。

步驟2計算i用戶t時段新的需水量NDit，該需水量采用下述水庫調(diào)水和供水規(guī)則進(jìn)行調(diào)配：

NDit=(1-ηsi)Dit

(2)

步驟3當(dāng)時段初蓄水量Vt位于SYt之上時，水庫不調(diào)水，調(diào)水量Yt=0，否則，按時段調(diào)水能力Yt=Ytmax調(diào)水。

步驟4判斷時段初蓄水量Vt與t時段各用戶供水限制線S1t、S2t、S3t的關(guān)系：如果Vt≥S1t，各用戶按需供水；如果S2t≤Vt

WRt=ND1t+ND2t+ND3t

(3)

WRt=(1-α1)ND1t+ND2t+ND3t

(4)

WRt=(1-α1)ND1t+(1-α2)ND2t+ND3t

(5)

WRt=(1-α1)ND1t+(1-α2)ND2t+(1-α3)ND3t

(6)

式中：WRt為t時段水庫總供水量；ND1t、ND2t、ND3t分別為t時段農(nóng)業(yè)、生態(tài)、城市用戶配置完非常規(guī)水后的需水量；α1、α2、α3為農(nóng)業(yè)、生態(tài)、城市用戶的供水限制系數(shù)；It為t時段水庫來水量；qt為t時段水庫棄水量。

步驟5計算時段末蓄水量：

Vt+1=Vt+It+Yt-WRt-qt

(7)

式中Vt、Vt+1分別為水庫t時段初、末蓄水量。

步驟6循環(huán)步驟1～5，計算下一時段，到最后一個時段N結(jié)束。

1.2 水庫調(diào)度優(yōu)化模塊

1.2.1目標(biāo)函數(shù)

外調(diào)水可以有效緩解水資源供需矛盾，從提高用戶供水保證率的角度，外調(diào)水量越多越好；然而，當(dāng)水庫來水較多時，受水庫調(diào)蓄庫容約束，容易造成大量棄水；而且外調(diào)水成本較高，大量調(diào)水是不經(jīng)濟(jì)的。為了提高外調(diào)水的供水效率，需要使水庫棄水量盡可能小，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為缺水率最小和水庫年均棄水量最?。?/p>

(8)

(9)

式中：f1為缺水率；NDt為配置完非常規(guī)水的總需水量；N為時段總數(shù)；f2為水庫年均棄水量；M為年份數(shù)；qt為t時段水庫棄水量。棄水量越小，外調(diào)水用水效率越高。

1.2.2約束條件

a.水庫水量平衡約束，即式(7)。

b.水庫庫容約束。由水庫的功能和工程特性決定每個時段蓄水量都要在一定庫容范圍內(nèi)：

Stmin≤Vt≤Stmax

(10)

式中：Stmin為最小庫容，是死庫容；Stmax為最大庫容。

c.需水量約束：

WRit≤NDit

(11)

式中WRit為水庫t時段對i用戶的供水量。

d.調(diào)水量約束：

Yt≤Ytmax

(12)

(13)

式中：Ymt為第m年第t時段調(diào)水量；Ycapm為第m年的調(diào)水總量控制指標(biāo)。

e.水庫供水限制線約束。根據(jù)水庫對用戶供水的優(yōu)先序，3條供水限制線需滿足如下約束：

Stmin≤S3t≤S2t≤S1t≤Stmax

(14)

f.非負(fù)約束。根據(jù)工程的實際情況，各決策變量為非負(fù)。

1.2.3求解方法

(15)

2 實例應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

威海市位于山東半島東部，多年平均降水量770 mm，其中汛期降水占71.3%，且年際豐枯變化懸殊，人均水資源占有量573 m3，不足全國平均水平的25%，是一個典型的資源型缺水城市。威海市區(qū)僅有一座大型水庫即米山水庫，為緩解水資源短缺對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的制約作用，近年來威海市區(qū)積極開展多水源供水行動，建設(shè)膠東調(diào)水工程，將外調(diào)水引入米山水庫進(jìn)行調(diào)蓄供水；建設(shè)海水淡化水廠和再生水廠，2017現(xiàn)狀年已具有一定規(guī)模的外調(diào)水、再生水和淡化海水供水量?？梢娡Ｊ袇^(qū)水資源系統(tǒng)是一個典型的多水源多用戶系統(tǒng)，其概化圖如圖2所示。本文以威海市區(qū)為例，將多水源受水水庫調(diào)水和供水模型應(yīng)用于米山水庫，優(yōu)化得到米山水庫受外調(diào)水和非常規(guī)水雙重影響下的水庫調(diào)度規(guī)則。

圖2 研究區(qū)水資源系統(tǒng)概化圖Fig.2 Overview map of water resources system in study area

2.2 基本資料

模型所需數(shù)據(jù)包括研究區(qū)內(nèi)非地表水水源可供水量數(shù)據(jù)、米山水庫1956—2015年逐月入庫徑流數(shù)據(jù)、研究區(qū)內(nèi)需水?dāng)?shù)據(jù)、水利工程特性數(shù)據(jù)等。其中，需水?dāng)?shù)據(jù)包括：2030規(guī)劃水平年威海市區(qū)城市、生態(tài)需水分別為8 960.8萬m3和1 590.6萬m3；2017現(xiàn)狀年米山水庫不對農(nóng)業(yè)供水，為恢復(fù)米山水庫對農(nóng)業(yè)供水，假定米山灌區(qū)歷史灌溉用水量為規(guī)劃年農(nóng)業(yè)需水，總量為4 874.1萬m3。供水?dāng)?shù)據(jù)包括：根據(jù)《威海市水安全保障總體規(guī)劃(2016)》，規(guī)劃年污水再生水規(guī)模33萬m3/d，海淡水規(guī)模20萬m3/d，米山水庫外調(diào)水年控制指標(biāo)為10 200萬m3。工程特性數(shù)據(jù)包括：2017現(xiàn)狀工程條件下，米山水庫死庫容507萬m3，興利庫容14 897萬m3，死水位19.7 m，興利水位30.0 m。根據(jù)水庫調(diào)度規(guī)則，各用戶會出現(xiàn)限制供水情況，城市、生態(tài)和農(nóng)業(yè)的供水限制系數(shù)按照經(jīng)驗分別取為0.1、0.3和0.5。

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1水庫調(diào)度結(jié)果

根據(jù)圖1的模型框架，采用理想點(diǎn)法和遺傳算法優(yōu)化得到米山水庫的調(diào)水和供水規(guī)則，以指導(dǎo)水庫運(yùn)行調(diào)度，結(jié)果如圖3所示。其中，米山水庫的防洪高水位和正常蓄水位相同，因此水庫調(diào)度規(guī)則的上限為興利庫容14 897萬m3。

圖3 米山水庫調(diào)水和供水規(guī)則Fig.3 Water transfer and supply rules of Mishan Reservoir

當(dāng)水庫蓄水量位于調(diào)水線上方時，米山水庫不引入外調(diào)水，反之，米山水庫按照時段調(diào)水能力引入外調(diào)水，調(diào)水線位置越高，表明該月份調(diào)水的可能性越大。根據(jù)圖3，水庫調(diào)水啟動線表明非汛期(10月至次年5月)調(diào)水總體機(jī)會較大，這是由于汛期結(jié)束后來水較小，僅依靠天然來水供水容易造成各用戶深度缺水，有必要增加調(diào)水；汛期(6—9月)同樣存在調(diào)水可能性，原因是3—7月為農(nóng)業(yè)需水高峰期，8—10月農(nóng)業(yè)需水仍較多，因此當(dāng)汛期為滿足防洪要求而進(jìn)行大量棄水時，為滿足汛末用戶需水，汛期也可能進(jìn)行調(diào)水。農(nóng)業(yè)用戶限制線在調(diào)度周期內(nèi)存在先降低后升高的趨勢，該限制線越高，農(nóng)業(yè)用戶供水受到限制的機(jī)會越大，總體上看，6—8月農(nóng)業(yè)用戶供水限制線整體較低，其原因在于農(nóng)業(yè)需水主要集中在這些月份，為了盡可能減小農(nóng)業(yè)需水破壞，有必要減少農(nóng)業(yè)限制供水的機(jī)會。汛期結(jié)束后農(nóng)業(yè)限制供水機(jī)會較大，一是因為汛末農(nóng)業(yè)需水量較小，有些月份甚至不需水；二是為了利于水庫蓄水，防止未來出現(xiàn)連續(xù)枯水年造成嚴(yán)重水資源短缺。城市用戶供水限制線在調(diào)度周期內(nèi)趨于平穩(wěn)，且接近水庫最低蓄水量，其原因是城市用戶既要滿足高供水保證率，又要滿足低破壞深度，供水要求高，供水受到限制的機(jī)會小。

圖4為1956—2015年調(diào)水量和棄水量，由圖4(a)可知，調(diào)水量和棄水量有明顯分界點(diǎn)，天然來水的豐枯程度決定了調(diào)水和棄水的發(fā)生。據(jù)圖4(b)，1956—2015年，共有30年進(jìn)行調(diào)水，20年產(chǎn)生棄水。豐水年和部分平水年不需要調(diào)水，天然來水足以滿足用戶需水，并且由于來水較多，通常會造成大量棄水，其中1964年棄水量最大，為1.58億m3；枯水年和部分平水年不棄水，由于天然來水較少，有必要引入外調(diào)水以保證用戶需水，其中，1999年調(diào)水量最大，為6 257萬m3；一些豐枯交替的年份，調(diào)水量和棄水量的發(fā)生容易受到年際來水變化的影響，即連續(xù)幾年來水較枯，出現(xiàn)某一年來水較豐，仍然需要引入少量外調(diào)水以補(bǔ)充供水，如1981—1984來水頻率均大于75%，為連續(xù)枯水年，1985年天然來水頻率為33%，來水較豐，該年仍調(diào)入163萬m3水量補(bǔ)充供水。

(a) 不同來水頻率

(b) 不同年份圖4 1956—2015年調(diào)水量和棄水量Fig.4 Annual water transfer and disposal from 1956 to 2015

供水水庫調(diào)度主要采用標(biāo)準(zhǔn)調(diào)度策略(standard operating policy，SOP)，即每一個時段內(nèi)水庫釋放所有可供水量來滿足用戶需水[25]。由于米山水庫供水調(diào)度常采用經(jīng)驗性調(diào)度，而SOP調(diào)度規(guī)則符合經(jīng)驗性調(diào)度，因此本文將1956—2015年SOP調(diào)度規(guī)則與優(yōu)化得到的調(diào)水和供水規(guī)則進(jìn)行比較，如圖5和表1所示。

表1 不同調(diào)度規(guī)則結(jié)果比較Table 1 Comparison results of different reservoir operation rules

圖5 不同調(diào)度規(guī)則下的水庫月均調(diào)水量、棄水量和缺水量Fig.5 Average monthly diverted water, discarding water and water shortage under different operation rules

由表1可見，本文提出的水庫調(diào)度規(guī)則可以在提高各用戶供水保證率的同時使多年平均調(diào)水量減少2 692.4萬m3，多年平均棄水量減少417.5萬m3，多年平均缺水量減少1 191萬m3，既節(jié)省了調(diào)水成本，還提高了天然來水和外調(diào)水的利用效率。此外，通過典型年調(diào)度結(jié)果統(tǒng)計比較，可以得到優(yōu)化調(diào)度規(guī)則下豐、平、枯水年對外調(diào)水的依賴分別減少4 189萬m3、3 091萬m3和398萬m3，枯水年對外調(diào)水的依賴大大高于平水年和豐水年；豐水年和平水年的年均棄水量分別減少14%和15.5%，可知天然來水越少，其利用率越高。由圖5可知，兩種調(diào)度規(guī)則下水庫棄水均集中在7—9月，水庫缺水量集中在3—8月，SOP由于缺乏調(diào)水線而采用固定調(diào)水量，忽略了年內(nèi)來水豐枯性對調(diào)水量的影響，造成棄水多、缺水也多的情況，優(yōu)化調(diào)度通過設(shè)置調(diào)水和供水規(guī)則，優(yōu)化了調(diào)水過程和各用戶供水量，減少了調(diào)水量、棄水量和缺水量。

2.3.2非常規(guī)水源配置對水庫調(diào)度的影響

根據(jù)2017現(xiàn)狀年非常規(guī)水用水情況，基礎(chǔ)方案中再生水對城市的供水閾值為0.1，再生水對生態(tài)的供水閾值為0.2，海淡水對城市的供水閾值為0.2，對各用戶配置完非常規(guī)水后，按照優(yōu)化的水庫調(diào)度規(guī)則進(jìn)行調(diào)水和供水。為研究非常規(guī)水配置量的變化對水庫運(yùn)行調(diào)度的影響，結(jié)合非常規(guī)水利用技術(shù)發(fā)展水平，設(shè)定了不同方案，見表2。

表3為不同方案結(jié)果比較，可見，增加非常規(guī)水的配置量可提升非常規(guī)水用戶供水保證率。非常規(guī)水的配置意味著節(jié)省了水庫對城市和生態(tài)的供水，節(jié)省的水庫水可用于供給農(nóng)業(yè)，進(jìn)而提高其供水保證率。此外，鑒于本文中非常規(guī)水對用戶的配置量是一個時不變的值，在水庫來水較豐時段下，極易造成水庫棄水量的增加，因此，隨著非常規(guī)水配置量的增大，水庫的棄水量也呈現(xiàn)上升趨勢。非常規(guī)水配置量的增加從另一個角度也可以理解為水庫供水用戶需水的減少，所以水庫引入的外調(diào)水量也隨之減少。

表3 不同方案結(jié)果比較Table 3 Comparison of different scheme results

圖6采用桑基圖[26]的形式直觀展現(xiàn)了不同方案下的水源用戶的年均水量配置關(guān)系，圖中水源用戶間的連線粗細(xì)表明了水量的大小。比較圖6中各方案，方案1、2、3、4中非常規(guī)水的配置量分別比基礎(chǔ)方案增加896萬m3、318萬m3、1 792萬m3和3 006萬m3，而水庫供給用戶的總水量則分別減少了332萬m3、104萬m3、705萬m3和1 120萬m3?？梢?，非常規(guī)水配置量越多，水庫總供水量越少，其中，非常規(guī)水主要配置給了城市和生態(tài)用水，將原本供給這些用戶的水庫水配置給了農(nóng)業(yè)，實現(xiàn)了水源置換?？梢哉f，非常規(guī)水的利用在保障城市用水的情況下恢復(fù)了被城市用水?dāng)D占的農(nóng)業(yè)用水。

(a) 基礎(chǔ)方案

(b) 方案1

(c) 方案2

(d) 方案3

(e) 方案4

圖6 不同方案下的水源用戶的年均水量配置(單位：萬m3)Fig.6 Annual average water volume allocation in different schemes (unit: 104 m3)

3 結(jié) 語

a.構(gòu)建的多水源受水水庫調(diào)水和供水模型將調(diào)度規(guī)則和時段調(diào)水量作為決策變量，調(diào)整了水庫運(yùn)行方式，優(yōu)化了調(diào)水過程。在米山水庫應(yīng)用實例中，與SOP調(diào)度規(guī)則下水庫采用固定調(diào)水量相比，多年平均調(diào)水量和多年平均棄水量分別減少2 692.4萬m3和417.5萬m3，有效提高了天然來水和外調(diào)水的利用效率，其中，枯水年對外調(diào)水的依賴僅減少398萬m3，與平水年和豐水年相比，枯水年對外調(diào)水的依賴性較大。

b.加大非常規(guī)水的配置能節(jié)省水庫供水，這部分由非常規(guī)水置換出的水庫水可以在不降低城市用水供水保證率的情況下有效增加農(nóng)業(yè)用水的供水量，將農(nóng)業(yè)用水的保證率從75%提高到88.4%，因此，在城市用水中使用非常規(guī)水有利于恢復(fù)被城市用水?dāng)D占的農(nóng)業(yè)用水。

c.水庫調(diào)水量除受天然來水豐枯影響外，還受到用戶需水影響。當(dāng)非常規(guī)水配置量增大，用戶剩余需水減小，水庫調(diào)水量相應(yīng)減小，因此，非常規(guī)水的利用可以減少調(diào)水量，降低調(diào)水成本。