考慮水流演進(jìn)規(guī)律的引大濟(jì)湟工程水量調(diào)度研究

王宏元 王渤權(quán)

摘要：

針對引大濟(jì)湟工程供水調(diào)度范圍廣、水利設(shè)施多樣以及工程調(diào)度目標(biāo)復(fù)雜等難點，提出考慮水流演進(jìn)過程的大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)技術(shù)，構(gòu)建引大濟(jì)湟工程水量調(diào)度模型。該模型基于大系統(tǒng)協(xié)調(diào)分解理論將引大濟(jì)湟工程劃分為多個子系統(tǒng)，利用子系統(tǒng)間的水力聯(lián)系構(gòu)建協(xié)同機(jī)制，獲取各項水利設(shè)施調(diào)度方案信息，并結(jié)合一維水動力模型獲取各個節(jié)點斷面的水位、流量關(guān)鍵信息。結(jié)果表明：相比于僅通過水量分配模型獲取的調(diào)度方案，采用該模型得到的方案不僅可滿足供水需求，還可實現(xiàn)對供水過程的動態(tài)跟蹤、模擬仿真，為用戶提供更為精準(zhǔn)、科學(xué)的供水調(diào)度方案編制手段，進(jìn)一步確保沿線供水安全。

關(guān) 鍵 詞：

水量調(diào)度； 水流演進(jìn)； 大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)技術(shù)； 引大濟(jì)湟工程

中圖法分類號： TV697

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.019

0 引 言

隨著全球人口數(shù)量不斷地增加，對水資源的需求也在不斷增加。中國水資源存在時空分布不均、供需矛盾突出、調(diào)度粗獷等特點，是制約中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素［1-3］。由于中國南北地區(qū)水資源量相差較大，一系列長距離引供水工程應(yīng)運而生，旨在通過引水工程改變水資源分布格局，保障全國用水需求。因此，水資源跨流域配置調(diào)度成為眾多學(xué)者研究的重點。馬立亞等［4］針對漢江流域引調(diào)水工程和水庫調(diào)度任務(wù)及特點進(jìn)行統(tǒng)一建模，綜合考慮了用水總量控制及調(diào)度規(guī)則等多項約束指標(biāo)，實現(xiàn)了不同河段、區(qū)域的水資源配置目標(biāo)；楊柳等［5］建立了引漢濟(jì)渭與黑河引水工程聯(lián)合供水調(diào)度模型，通過設(shè)定多種調(diào)度場景，顯著提升了區(qū)域供水保證率；雷曉輝等［6］對引江濟(jì)淮工程水量調(diào)度進(jìn)行了研究，通過水量平衡原理基于遺傳算法構(gòu)建水資源優(yōu)化調(diào)度模型，實現(xiàn)了不同水平年下的調(diào)度方案編制；聞昕等［7］針對南水北調(diào)東線工程主要水源中長期來水預(yù)報精度不高的情況，提出了兩階段隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度方法，克服了來水不確定對調(diào)度決策的影響，有效降低了調(diào)水成本；郭玉雪等［8-9］針對南水北調(diào)江蘇段供水調(diào)度需求，構(gòu)建了多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，并提出了一種改進(jìn)蛙跳算法，獲取不同來水情況下的調(diào)度方案。此外，高仕春［10］、游進(jìn)軍［11］、朱彩琳［12］、Peng［13］等也對水量分配調(diào)度進(jìn)行了相關(guān)的研究工作。

上述專家學(xué)者均對水資源分配研究做出了貢獻(xiàn)。對于大型引供水工程來說，輸水距離較長，在沿途過程中需要通過閘泵進(jìn)行水量控制，以滿足沿線供水要求。但水流在長距離的演進(jìn)過程中并不是剛性平移的，其流量會出現(xiàn)滯時、坦化等現(xiàn)象，且由于不同水利設(shè)施之間（隧洞、渡槽、渠道等）的銜接，導(dǎo)致到達(dá)分水口的水量與水量平衡算出的水量存在一定差異，影響供水保證以及沿線供水安全。因此，在編制大型引水工程供水調(diào)度方案時，不僅需要考慮水量分配需求，同時還需對關(guān)鍵斷面水流演進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行捕捉，從而更加全面地獲取到每一時刻分水口供水狀態(tài)以及斷面情況，對方案執(zhí)行全過程進(jìn)行模擬，確保沿線水利設(shè)施運行安全。為此，本文以引大濟(jì)湟工程為研究對象，構(gòu)建考慮水流演進(jìn)規(guī)律的水量分配模型，將大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)技術(shù)與一維水動力模型相耦合，獲取不同需水場景下的供水調(diào)度方案，提高方案編制質(zhì)量，為引大濟(jì)湟工程水量調(diào)度提供技術(shù)支撐。

1 工程概況及調(diào)度任務(wù)

1.1 工程概況

引大濟(jì)湟工程位于青海省東部，是青海省內(nèi)一項大型跨流域調(diào)水工程。該工程從湟水河一級支流大通河上游石頭峽建庫引水，將大通河水經(jīng)調(diào)水干渠調(diào)入湟水河一級支流北川河上游的寶庫河，以解決湟水干流水資源緊缺、供需矛盾日益突出的難題［14-15］。該工程主要由調(diào)水總干渠、黑泉水庫、北干渠一期、北干渠二期和西干渠組成。調(diào)水總干渠是引大濟(jì)湟的骨干工程，由引水樞紐、引水隧洞、出口明渠三部分組成，其中引水隧洞全長24.17 km，洞徑5 m，設(shè)計流量35 m3/s，設(shè)計年調(diào)水7.5億m3，主要任務(wù)是從大通河調(diào)取水量供給黑泉水庫。黑泉水庫是引大濟(jì)湟工程的反調(diào)節(jié)水庫，是一座以灌溉和城市供水為主，兼有防洪、發(fā)電、環(huán)保等綜合效益的大Ⅱ型水利樞紐工程，總庫容1.82億m3。北干渠一期工程位于湟水流域北岸的淺山地帶，西起黑泉水庫灌溉發(fā)電洞，途徑互助縣，止于樂都縣麻業(yè)磨溝，其中明渠及建筑物長22.72 km，隧洞總長92.11 km，每年供水量1.12億m3，工程可擴(kuò)大農(nóng)業(yè)灌溉面積1.33萬hm2，擴(kuò)大林草灌溉面積0.67萬hm2。北干渠二期工程由2條分干、18條支渠、7條干斗、松多水庫及田間工程組成，每年供水量為0.85億m3，工程任務(wù)以城鎮(zhèn)生活、農(nóng)業(yè)灌溉為主，總灌溉面積2.67萬hm2。西干渠工程干渠總長123.27 km，每年供水1.84億m3，主要任務(wù)是供水和灌溉，控制灌溉面積2.00萬hm2，其中農(nóng)田灌溉面積1.67萬hm2，林地灌溉面積0.33 hm2。

引大濟(jì)湟工程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 調(diào)度任務(wù)難點分析

引大濟(jì)湟工程通過黑泉水庫調(diào)節(jié)總干渠和寶庫河來水，結(jié)合當(dāng)前水源狀態(tài)、水利設(shè)施邊界等相關(guān)信息，由寶庫河、北干渠工程和西干渠工程向受水區(qū)供水，以滿足受水區(qū)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的用水需求。該工程包含的水利設(shè)施對象主要有渠道、隧洞、渡槽、倒虹、節(jié)制閘、退水閘等，通過不同設(shè)施的組合銜接，實現(xiàn)沿線的輸水供水需求。

供水調(diào)度方案的編制主要根據(jù)受水區(qū)需水計劃，獲取黑泉水庫的調(diào)度運行方式，即從調(diào)度總干渠取水量、期末水庫蓄水量以及向各條供水線路的供水過程。由于工程沿線水利設(shè)施眾多，且根據(jù)地形地貌特征存在多種組合方式，而每個設(shè)施均存在各自的運行要求以及基礎(chǔ)特性，因此，通過黑泉水庫進(jìn)行水量分配，確保水體在長距離運輸過程中滿足各項實際運行工況是本文研究的重點。

2 考慮水流演進(jìn)的水量分配模型構(gòu)建及求解

2.1 水量分配模型構(gòu)建

由于引大濟(jì)湟工程在引供水過程中，不僅要保證沿線供水需求，同時要兼顧工程安全、生態(tài)水量等多項目標(biāo)需求，結(jié)合工程項目背景，考慮到各項目標(biāo)的優(yōu)先級較為鮮明，分別為防洪＞生態(tài)＞供水＞其他，同時又由于防洪和生態(tài)目標(biāo)為硬性指標(biāo)，可將其轉(zhuǎn)換為硬約束來進(jìn)行控制。因此，本文以保障供水為主要目標(biāo)，將其他相關(guān)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為約束條件限制進(jìn)行模型構(gòu)建，進(jìn)而實現(xiàn)供水精細(xì)化調(diào)度策略的獲取。

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

對于引大濟(jì)湟工程供水調(diào)度目標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)為在滿足供水保障天數(shù)的情況下，使得供水網(wǎng)絡(luò)供水破壞深度最小，如式（1）所示：

2.2 考慮水體演進(jìn)的模型求解方法

大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)方法能夠較好地解決大規(guī)模多維非線性數(shù)學(xué)優(yōu)化問題［16-17］，對于一個調(diào)度方案而言，不僅關(guān)注水量分配的準(zhǔn)確性，還關(guān)注供水方案執(zhí)行的安全性，因此方案可行與否需要關(guān)注多維度的指標(biāo)。對于引大濟(jì)湟工程而言，涉及的目標(biāo)主要有供水目標(biāo)、水位指標(biāo)以及流量指標(biāo)等，因此，以供水為主要目標(biāo)，將水位目標(biāo)和流量目標(biāo)轉(zhuǎn)換為約束進(jìn)行計算，同時提出考慮水流演進(jìn)的大系統(tǒng)協(xié)調(diào)分解技術(shù)模型求解方法，基于大系統(tǒng)協(xié)調(diào)分解技術(shù)對引水工程進(jìn)行系統(tǒng)分解，逐級求解供水策略，并以此為邊界結(jié)合一維水動力模型獲取工程關(guān)鍵節(jié)點斷面的水位、流量過程，再以此過程進(jìn)行約束判斷，反饋調(diào)整黑泉水庫供水策略，最終獲取滿足供水安全及運行要求的供水方案。具體步驟如下：

（1） 將引大濟(jì)湟工程大系統(tǒng)根據(jù)分水口位置以及用水區(qū)域劃分為n個子系統(tǒng)，設(shè)第i個分水口分水量為Qi，流量攝動步長為Δq，利用大系統(tǒng)協(xié)調(diào)分解思想逐級求解，子系統(tǒng)求解示意如圖2所示。

3 實例應(yīng)用

由于北干渠二期工程以及西干渠工程尚未完全建成運行，因此本文選取引大濟(jì)湟工程北干渠一期工程為例進(jìn)行沿線供水調(diào)度方案編制，北干渠一期工程沿線共有分水口31個，節(jié)制閘35個，76管線（渠道、隧洞、渡槽、倒虹吸等）共225段，用水單位4個。

從長時間尺度來看各分水口供水量會呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)，即達(dá)到供需平衡，而本文方法主要針對供水邊界發(fā)生改變到呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)期間的場景。獲取此期間水庫運行方式，選取2021年4月26日08：00至次日08：00為例進(jìn)行方案計算，方案輸出時段尺度為15 min，以用水單位涉及區(qū)域?qū)?yīng)的分水口劃分子系統(tǒng)，模型邊界參數(shù)設(shè)置如表1所列。

為說明所提方法的優(yōu)勢，設(shè)計以下兩種方案：方案1為只通過水量分配計算出來的調(diào)度方案；方案2為本文所提模型方法計算出來的方案。兩種方案對應(yīng)的黑泉水庫供水方案以及子系統(tǒng)水量分配方案如表2～3所列。

由表2可知，兩個方案下黑泉水庫水量調(diào)度方案均能夠滿足期末水位控制要求，當(dāng)日天然入庫流量93.39萬m3，方案1總供水量為47.52萬m3，為了滿足供水需求，需從調(diào)水總干渠調(diào)水43.13萬m3。方案2總供水量為48.60萬m3，需從調(diào)水總干渠調(diào)水44.21萬m3

從表3水量分配信息可知，兩個方案劃分的4個子系統(tǒng)均可以滿足供水需求，干渠根據(jù)各子系統(tǒng)需水量進(jìn)行供水，分別為8.21萬，14.86萬，9.41萬，7.86萬m3，供水保證率均達(dá)100%。

如果單從水量分配方案來看，兩個方案均可保證水量調(diào)度需求，然而，供水計劃編制過程中還要確保沿線運行安全，因此需要進(jìn)一步獲取供水過程中的水流狀態(tài)信息，為方案執(zhí)行可行性提供依據(jù)。為便于對比，分別以方案1水量分配結(jié)果為邊界，基于一維水動力模型進(jìn)行求解，獲取水流運動狀態(tài)，并與方案2模型計算得到的水位過程進(jìn)行對比。

對比斷面分別選取4個子系統(tǒng)的渡槽斷面（斷面1、斷面2、斷面3、斷面4），斷面最大流量為11.1 m3/s，最高水位為1.96 m，最低水位為0.70 m，兩個方案4個關(guān)鍵斷面的水位和流量過程如表4和圖4所示。

從圖4可以看出，兩個方案斷面流量過程和水位過程變化趨勢大體相似。從方案1中斷面流量過程來看，4個斷面均滿足最大容許流量11.1 m3/s的要求，但從水位來看，斷面4在第58時刻突破最低水位0.70 m 的運行要求，說明方案1盡管滿足水量分配需求，但不滿足沿線水位要求。而對于方案2，從圖4可以看出，流量和水位過程均滿足斷面運行要求。由此可見，基于模型算出來的方案（方案2）不僅滿足沿線水量需求，同時各斷面滿足沿線工程運行要求。綜上，相比于只對水量進(jìn)行分配的調(diào)度方式而言，本文提出的調(diào)度方法更加科學(xué)合理，可確保引大濟(jì)湟工程供水調(diào)度方案有效執(zhí)行。

4 結(jié) 論

針對引大濟(jì)湟工程供水調(diào)度范圍廣、設(shè)施多、約束多樣等難點，本文構(gòu)建了引大濟(jì)湟工程水量調(diào)度模型，并提出了考慮水流演進(jìn)的大系統(tǒng)協(xié)調(diào)分解技術(shù)模型求解方法。結(jié)論如下：

（1） 通過大系統(tǒng)協(xié)調(diào)分解技術(shù)將引水工程大系統(tǒng)劃分為4個子系統(tǒng)，并結(jié)合每個子系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、水力聯(lián)系進(jìn)行水量分配，獲取不同時段不同水利設(shè)施的流量過程序列，得到的水量分配方案滿足各個用水單位用水需求；

（2） 對水量分配方案進(jìn)行模擬仿真，捕捉各個時刻關(guān)鍵節(jié)點斷面的水體狀態(tài)，通過對工程4個關(guān)鍵斷面的水位過程、流量過程對比可知，所有斷面水體運動狀態(tài)均滿足斷面節(jié)點約束要求，說明該模型計算得到的水量分配方案結(jié)果可行、合理。

本文所構(gòu)建的模型可在滿足供水需求的情況下實現(xiàn)對引大濟(jì)湟工程供水過程動態(tài)跟蹤、模擬仿真，可有效保障供水目標(biāo)、設(shè)施安全等多項調(diào)度目標(biāo)，使得方案更貼近實際，可為供水調(diào)度計劃編制提供新的技術(shù)思路。

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（編輯：謝玲嫻）

Abstract：

Aiming at the difficulties such as wide range of water supply operation，diversified water conservancy facilities and complex engineering operation objectives of Datong-to-Huangshui River Water Diversion Project，a decomposition and coordination technology of large-scale system considering the flow routing process was proposed，and a water quantity operation model for this project was constructed.Based on the coordination decomposition theory of large-scale system，the whole system of Datong-to-Huangshui River Water Diversion Project was divided into multiple subsystems，and a coordination mechanism was constructed by the hydraulic connection between the subsystems to obtain the operation scheme information of various water conservancy facilities.Combined with the one-dimensional hydrodynamic model，the key information of water level and flow of each node and section was captured.The results show that compared with the operation scheme obtained by the water allocation model，the scheme obtained by this model can not only meet the water supply demand，but also realize the dynamic tracking and simulation of the water supply process.The model can provide users with more accurate and scientific methods for preparing the water supply operation plans，and further ensure the safety of water supply along the line.

Key words：

water quantity operation；flow routing；decomposition and coordination technology of large-scale system；Datong-to-Huangshui River Water Diversion Project