膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度方案研究

金鵬宇 王超 孫嘉輝 雷曉輝

摘要：

隨著跨流域調(diào)水工程的規(guī)模逐漸增加，其內(nèi)部各個組件之間的協(xié)調(diào)性降低，工程年度水量運行調(diào)度的難度和復(fù)雜性也隨之增加。膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度方法根據(jù)膠東調(diào)水工程的工程特性，對沿線的樞紐工程進行概化并構(gòu)建空間拓撲結(jié)構(gòu)圖，綜合考慮匯水區(qū)水量補償調(diào)節(jié)作用及分水口門的反調(diào)節(jié)作用，構(gòu)建水量模擬調(diào)度模型。通過解構(gòu)分水口門取用水過程，降低優(yōu)化問題維度，構(gòu)建決策空間，耦合水量模擬調(diào)度模型，構(gòu)建膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型，應(yīng)用混合優(yōu)化算法（HOA）求解模型，進而編制工程年度水量調(diào)度方案。結(jié)果表明：膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型通過解構(gòu)需水側(cè)取用水過程降低優(yōu)化問題維度，能夠克服工程供、需水側(cè)的非過程控制總量邊界條件與其年度水量調(diào)度方案編制步長、時間尺度不匹配等問題，實現(xiàn)優(yōu)化問題快速求解，避免分水口門出現(xiàn)極端缺水情況，最大限度滿足其用水需求。

關(guān) 鍵 詞：

跨流域調(diào)水工程； 年度水量調(diào)度模型； 混合優(yōu)化算法

中圖法分類號： TV213.9

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.018

0 引 言

膠東調(diào)水工程橫跨黃河、海河流域，是實現(xiàn)優(yōu)化水資源供需平衡配置，緩解水資源短缺局面，促進水源區(qū)與受水區(qū)的水資源相互調(diào)配，使整個調(diào)水系統(tǒng)實現(xiàn)對資源的充分利用，顯著提高調(diào)水效率，避免發(fā)生險情，改善當(dāng)?shù)厮h(huán)境現(xiàn)狀的重要水利基礎(chǔ)設(shè)施［1-2］。如何對工程調(diào)度進行科學(xué)、高效決策，是實現(xiàn)工程安全、高效運行，調(diào)水量優(yōu)化配置的核心驅(qū)動力。

近年來，隨著跨流域調(diào)水工程的規(guī)模逐漸增加，其內(nèi)部各個組件之間的協(xié)調(diào)性降低，工程年度水量運行調(diào)度的難度和復(fù)雜性也隨之增加。目前針對跨流域調(diào)水工程的年度水量運行調(diào)度，國內(nèi)很多學(xué)者做了大量的研究工作。萬芳等［3］通過提取水源區(qū)、受水區(qū)的供水調(diào)度規(guī)則，構(gòu)建并求解跨流域水庫群供水調(diào)度的3層規(guī)劃模型，完善了跨流域水庫群供水調(diào)度理論體系。馬永勝等［4］針對多水源區(qū)聯(lián)合調(diào)度供給同一受水區(qū)的復(fù)雜跨流域聯(lián)合調(diào)度，基于大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)理論，建立了聯(lián)合調(diào)度最優(yōu)決策制定模式。郭旭寧等［5］基于逐步優(yōu)化思想，改進傳統(tǒng)粒子群算法，提出了逐步優(yōu)化粒子群算法并對大型跨流域水庫群優(yōu)化調(diào)度模型進行求解。彭安幫等［6］根據(jù)聚合水庫用水戶供水限制線的基本形式，確定調(diào)度圖概化降維方法，并構(gòu)建基于概化調(diào)度圖的模擬-優(yōu)化求解模型。李瑛［7］通過分析嘉陵江與漢江的徑流豐枯遭遇規(guī)律，建立并求解引嘉濟漢-引漢濟渭跨流域調(diào)水工程初期、正常運行期的泵站-水庫-電站協(xié)同模擬、優(yōu)化調(diào)度模型，探討了徑流不確定性對調(diào)度結(jié)果的影響。曹明霖等［8］基于現(xiàn)有模擬優(yōu)化技術(shù)，建立并求解跨區(qū)域多水源水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，探索出一條多水源高效利用的時空協(xié)調(diào)策略。曾祥等［9］構(gòu)建了跨流域調(diào)水啟動標準優(yōu)選的水庫群聯(lián)合調(diào)度模型，使用粒子群算法（PMSE-PSO）進行優(yōu)化求解，提出了一種新的調(diào)水啟動標準。

總體而言，上述研究成果多數(shù)在供水側(cè)引水計劃或需水側(cè)用水計劃已知的前提下，以多水源高效利用、復(fù)雜調(diào)度問題解耦、工程樞紐高效運行為問題導(dǎo)向，構(gòu)建多水源水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，采用優(yōu)化算法進行模型求解，以整體規(guī)劃和配置為主要目的。膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度問題的工程供水側(cè)、需水側(cè)邊界均為總量控制，不具有詳細供、需水計劃。編制工程年度水量調(diào)度方案時，根據(jù)膠東調(diào)水局編制年水量調(diào)度方案的實際工程需求，為制定各個分水口門的詳細用水計劃建議，提高輸配水精度減少水量損失，要求方案編制調(diào)度步長為日，且工程沿線分水口門數(shù)量較多，各控制節(jié)點具有復(fù)雜約束要素，因此工程調(diào)度過程、外調(diào)水源引水過程及分水口門供水過程的求解難度大，優(yōu)化問題維度高。本文綜合考慮膠東調(diào)水工程沿線的各種調(diào)度對象與拓撲關(guān)系構(gòu)建工程沿線空間拓撲結(jié)構(gòu)圖，通過解構(gòu)分水口門取用水過程降低問題維度，綜合考慮工程沿線復(fù)雜約束要素，構(gòu)建膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型，應(yīng)用混合優(yōu)化算法（HOA）進行模型求解，以期為膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度方案編制提供一種思路。

1 研究區(qū)域概況

1.1 研究區(qū)域及意義

膠東調(diào)水工程由引黃濟青工程和膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程組成，從山東省濱州市打魚張引黃閘［10］，引黃河水輸送至威海市米山水庫及青島市棘洪灘水庫。膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度方案編制要求日步長，且工程需水側(cè)、供水側(cè)均為總量控制，不具有詳細的外調(diào)水源供水計劃及分水口門需水計劃。此外，沿線分水口門數(shù)量多，工程約束條件多，導(dǎo)致最優(yōu)工程調(diào)度過程、分水口門取用水過程、外調(diào)水源引水過程求解難度大，形成了高緯度、

多變量的復(fù)雜調(diào)度問題。傳統(tǒng)優(yōu)化模式是在供水或需水側(cè)邊界條件已知的前提下，構(gòu)建優(yōu)化調(diào)度模型，應(yīng)用優(yōu)化算法求解，而顯然膠東調(diào)水工程的調(diào)度問題難以用傳統(tǒng)優(yōu)化模式解決。因此，迫切需要一種能夠精確高效求解上述復(fù)雜調(diào)度問題的優(yōu)化模式，為編制膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度方案提供技術(shù)、數(shù)據(jù)支撐。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖概化

膠東調(diào)水工程沿線主要包括：渠道、輸水隧洞、輸水管道、泵站、閘站、分水口門及外調(diào)水源［11］，其工程結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，沿線輸水線路之間存在串、并聯(lián)復(fù)雜關(guān)系［12］。沿線泵站和閘站過流不僅需要考慮匯水區(qū)的水量補償調(diào)節(jié)，也需要考慮沿線分水口的反調(diào)節(jié)作用?；谀z東調(diào)水工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和沿線樞紐類型多樣性，需要對工程沿線的空間拓撲結(jié)構(gòu)進行概化［13］，以便更好地解決工程年度水量調(diào)度問題。通過綜合分析膠東調(diào)水工程沿線包含的各個組成部分的水力聯(lián)系，將沿線渠道、輸水管道、輸水隧洞和分水口概化成線，將沿線泵站、閘站概化為點，將沿線的匯水區(qū)概化為面，從而組成一個完整的空間拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2 膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型構(gòu)建

膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型主要是根據(jù)外調(diào)水源引水指標，分水口門需水量等工程邊界條件，綜合考慮工程沿線過流能力，外調(diào)水源引水能力及分水口門取水能力等約束條件，以分水口門取用水過程為決策變量構(gòu)建決策空間，優(yōu)化取用水過程，提高分水口門供水保證率。

2.1 水量模擬調(diào)度模型構(gòu)建

水量模擬調(diào)度模型的構(gòu)建是本次研究的重點，模型采用以需定供的反向模擬計算模式，通過需水側(cè)取用水過程反向推求供水側(cè)引水過程。以沿線各分水口門需水量為工程邊界條件，綜合考慮沿線過流能力約束、分水口門取水能力約束、匯水區(qū)產(chǎn)流過程，根據(jù)工程沿線空間拓撲結(jié)構(gòu)將工程沿線劃分為若干渠段，以沿線閘門、泵站、湖泊和水庫為水量演進節(jié)點，同時以管渠水量平衡條件為驅(qū)動進行渠段內(nèi)徑流反向演進，以空間拓撲關(guān)系銜接上、下游渠池過流過程，進而模擬得到沿線各分水口門的取用水過程、各水量演進節(jié)點的過流過程及外調(diào)水源引水過程。

2.3 水量優(yōu)化調(diào)度模型求解方法

本文采用混合優(yōu)化算法（Hybrid optimization algorithm，HOA），對水量優(yōu)化調(diào)度模型進行求解。HOA算法集成了差分進化算法（DE）、遺傳算法（GA）及逐步優(yōu)化算法（POA），在DE算法與GA算法并行計算［17］的基礎(chǔ)上，采取移民策略［18］定期對兩算法種群進行外部個體的植入，打亂群體結(jié)構(gòu)，增加其全局搜索能力。在兩算法優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，將其中最優(yōu)個體引入POA算法種群進行迭代計算，以期得到全局最優(yōu)解。具體算法計算流程如圖2所示。

3 實例計算

3.1 調(diào)度方案情景

膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度方案的編制是根據(jù)調(diào)度開始前膠東調(diào)水局相關(guān)通知，膠東調(diào)水工程沿線各地市填報分水口門和需水量。根據(jù)沿線各地市的填報情況，結(jié)合調(diào)度期內(nèi)外調(diào)水源的引水指標，由膠東調(diào)水局制定年度水量調(diào)度方案，進而明確調(diào)度期內(nèi)膠東調(diào)水工程沿線各分水口的供水過程及外調(diào)水源的引水過程。膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型以工程邊界條件作為模型輸入，在反向模擬的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化計算［19］，進而編制中長期水量調(diào)度方案［20］。因此，工程邊界條件顯得尤為重要。以膠東調(diào)水工程2020～2021年度調(diào)水方案為例，整理得到工程邊界條件為

（1） 沿線受水區(qū)用水計劃如圖3所示。

（2） 外調(diào)水源引水指標。

膠東調(diào)水工程具有3個外調(diào)水源，2020～2021年度黃水東調(diào)引水指標22 982.4 萬m3，引黃濟青引水指標42 145.92萬m3，南水北調(diào)東線引水指標22 801萬m3。

（3） 輸水開始、截止時間。

2020～2021年度膠東調(diào)水工程輸水開始時間為2020年12月10日，輸水截止時間為2021年6月30日。

3.2 調(diào)度結(jié)果分析

3.2.1 供需關(guān)系分析

膠東調(diào)水工程歷史供需關(guān)系分析結(jié)果如表1所列，分析結(jié)果表明2019～2020、2020～2021年度計劃供水無法滿足沿線分水口門的用水需求，通過對工程最大供水能力進行分析計算，按照最上級臨時泵站設(shè)計流量（36 m3/s）及黃水東調(diào)（14.5 m3/s）引水，在不考慮冰期引水約束及沿線過流能力約束的前提下，以歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計年水量損失率（18.43%）計算水量損失，得出2019～2020年度調(diào)度期時長為240 d，最大供水量9.58億m3。2020～2021年度調(diào)度期時長為202 d，最大供水量7.54億m3。以上計算結(jié)果表明，工程最大供水量無法完全滿足年度用水需求，膠東調(diào)水工程供水受限于工程引水能力與調(diào)度期時長。

3.2.2 調(diào)度方案對比

對膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型進行求解，針對模型求解結(jié)果及膠東調(diào)水工程2020～2021年度水量調(diào)度方案中的各分水口門供水情況、外調(diào)水源引水情況等方面做對比分析，分析結(jié)果如表2～3所列。同時針對外調(diào)水源引水指標利用情況，水量調(diào)度方案與水量分配方案的協(xié)調(diào)性及各分水口門供水保障程度等方面［21］進行對比分析，分析結(jié)果如表4～6及圖4所示。

根據(jù)表2，3可知，模型計算結(jié)果中各行政區(qū)供水保證率整體在70%以上，且供水保證率分布均勻，膠東調(diào)水工程供水保證率為76.85%，用水保障程度高。模型計算結(jié)果中外調(diào)水源引水量較之原方案減少1 060.8萬m3，沿線最低分水口門供水保證率為67%，整體供水保證率76.85%，能夠以較少引調(diào)水量最大程度保障工程沿線各行政區(qū)用水需求，計算結(jié)果具有相對優(yōu)勢。

根據(jù)表4的對比分析結(jié)果可知，在工程供水受限于引水能力的前提下，模型求解的年度水量調(diào)度方案外調(diào)水源引水指標利用率為98.13%，能夠充分利用外調(diào)水源引水指標。由表5統(tǒng)計結(jié)果及圖4可知，方案中各分水口門供水保證率數(shù)據(jù)集離散程度低且分布均勻，整體在65%以上，各分水口門用水保障程度高。

通過對各行政區(qū)水量分配指標［22］，模型求解水量調(diào)度方案及膠東調(diào)水工程2020～2021年度水量調(diào)度方案中各現(xiàn)地市的供水量進行對比分析，具體結(jié)果如表6所示。發(fā)現(xiàn)模型求解水量調(diào)度方案中濰坊市供水8 132.29萬m3、2020～2021年度濰坊市用水計劃8 140萬m3、時段配水量1.39億m3。上述結(jié)果表明，模型求解的水量調(diào)度方案能夠以滿足行政區(qū)用水計劃為調(diào)度目標，以水量分配指標約束各行政區(qū)供水量，最大限度保障了各行政區(qū)的用水需求。

3.2.3 算法性能對比

分別用DE算法、POA算法、GA算法和HOA算法求解膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型，初始種群個數(shù)為100，算法迭代次數(shù)1 000，對兩層優(yōu)化目標有效迭代次數(shù)的優(yōu)化效果、算法收斂迭代次數(shù)、最優(yōu)解適應(yīng)度值等方面進行對比分析，其分析結(jié)果如表7及圖5所示。

對比分析結(jié)果表明，HOA算法的初始種群可行解數(shù)量較多，算法收斂速度快，相同迭代次數(shù)下具有較好的優(yōu)化效果，較之其他算法具有優(yōu)勢。

4 結(jié) 語

膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度方法根據(jù)膠東調(diào)水工程的工程特性，對工程沿線的不同組件進行概化并構(gòu)建空間拓撲結(jié)構(gòu)圖。以徑流演進為驅(qū)動，綜合考慮匯水區(qū)水量補償調(diào)節(jié)作用及分水口門的反調(diào)節(jié)作用，構(gòu)建水量模擬調(diào)度模型。針對工程供、需水側(cè)的非強約束總量控制邊界條件與年度水量調(diào)度方案編制步長、時間尺度不匹配等問題，解構(gòu)分水口門取用水過程，降低優(yōu)化問題維度，構(gòu)建決策空間，耦合水量模擬調(diào)度模型進而構(gòu)建膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型，并應(yīng)用HOA算法進行模型求解，得到工程調(diào)度過程、分水口門取用水過程及外調(diào)水源引水過程，進而編制工程年度水量調(diào)度方案。本文采用HOA算法求解膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型，算法收斂速度快，相同迭代次數(shù)下優(yōu)化效果較好，且模型求解水量調(diào)度方案中，外調(diào)水源引水指標利用率為98.13%，各分水口門供水保證率在65%以上且工程總體供水保證率為76.85%。較之原方案，總供水缺額減少、分水口門供水保證率分布均勻，外調(diào)水源引水指標利用率高，具有相對優(yōu)勢，能夠為膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度方案的編制提供一種新的思路。

同時，膠東調(diào)水工程水量優(yōu)化調(diào)度應(yīng)編制年、月、旬水量調(diào)度方案，以年、月水量調(diào)度方案指導(dǎo)工程沿線外調(diào)水的宏觀水量配置，以旬水量調(diào)度方案［23］指導(dǎo)實際工程調(diào)度決策，同時應(yīng)考慮實際調(diào)度過程中的復(fù)雜擾動，對旬水量調(diào)度方案進行滾動更新，以提高水量調(diào)度方案模擬精度，為工程調(diào)度決策提供技術(shù)支撐。

參考文獻：

［1］ 孫杰豪.膠東調(diào)水工程輸水效率與水資源優(yōu)化調(diào)度研究［D］.濟南：山東大學(xué)，2020.

［2］ 馬吉剛，張澤玉，王金山，等.山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)調(diào)水工程水資源配置淺析［J］.中國水利，2012（3）：13-15.

［3］ 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(xué)進展，2016，27（3）：448-457.

［4］ 馬永勝，史娟，潘景辰.復(fù)雜跨流域調(diào)水系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究：以陜西省引嘉入漢調(diào)水工程為例［J］.水資源與水工程學(xué)報，2020，31（5）：142-148.

［5］ 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(xué)報，2016，47（7）：949-958.

［6］ 彭安幫，彭勇，周惠成.跨流域調(diào)水條件下水庫群聯(lián)合調(diào)度圖概化降維方法研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2015，34（5）：35-43.

［7］ 李瑛.基于引嘉濟漢—引漢濟渭的復(fù)雜跨流域調(diào)水工程協(xié)同調(diào)度研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2020.

［8］ 曹明霖，徐斌，王臘春，等.跨區(qū)域調(diào)水多水源水庫群系統(tǒng)供水聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度多情景優(yōu)化模型研究與應(yīng)用［J］.南水北調(diào)與水利科技，2019，17（6）：54-61.

［9］ 曾祥，胡鐵松，郭旭寧，等.跨流域供水水庫群調(diào)水啟動標準研究［J］.水利學(xué)報，2013，44（3）：253-261.

［10］ 張貴民，段志強，牛曉東.跨流域調(diào)水工程運行管理模式探討［J］.山東水利，2017（1）：29-30，32.

［11］ 谷峪，鄭英，傅川.膠東調(diào)水工程運行管理實踐探討［C］∥中國水利學(xué)會2015學(xué)術(shù)年會論文集（下冊），2015：314-321.

［12］ 楊靜靈，王好芳.膠東調(diào)水工程水資源優(yōu)化調(diào)度研究［J］.人民黃河，2018，40（5）：58-62，68.

［13］ 聞昕，李精藝.南水北調(diào)東線工程江蘇段中長期優(yōu)化調(diào)度研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2022，41（6）：65-77.

［14］ 萬群志，楊光，李翰卿.嘉陵江流域干旱應(yīng)急水量調(diào)度預(yù)案研究［J］.人民長江，2014，45（3）：16-19.

［15］ 曹倩.膠東調(diào)水工程水資源優(yōu)化調(diào)度管理研究［J］.中國水利，2018（13）：23-25.

［16］ 雷曉輝，蔡思宇，王浩，等.河流水資源調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)及通用軟件平臺探討［J］.人民長江，2017，48（17）：37-35.

［17］ 彭安幫，彭勇，周惠成.跨流域調(diào)水條件下水庫群聯(lián)合調(diào)度圖的多核并行計算研究［J］.水利學(xué)報，2014，45（11）：1284-1292.

［18］ 張義長，楊加明，魯宇明.結(jié)合保優(yōu)策略和移民策略的自適應(yīng)遺傳算法［J］.計算機工程與應(yīng)用，2010，46（31）：36-38.

［19］ 雷曉輝，張利娜，紀毅，等.引江濟淮工程年水量調(diào)度模型研究［J］.人民長江，2021，52（5）：1-7.

［20］ 馬立亞，吳澤宇，雷靜，等.南水北調(diào)中線一期工程水量調(diào)度方案研究［J］.人民長江，2018，49（13）：59-64.

［21］ 楊永生，劉聚濤，李榮昉，等.基于水量分配方案的非汛期水量調(diào)度方案編制：以江西撫河流域為例［J］.人民長江，2011，42（15）：9-12.

［22］ 山東省水利廳.2020年山東省水資源公報［R］.濟南：山東省水利廳，2020.

［23］ 王超，孔令仲，朱雙，等.考慮湖泊調(diào)蓄的引江濟淮工程旬水量調(diào)度方案［J］.南水北調(diào)與水利科技（中英文），2022，20（6）：1109-1116.

（編輯：黃文晉）

Abstract：

With the increasing number of inter-basin water diversion projects gradually，the coordination among its internal components decreases，and the difficulty and complexity of the annual water flow scheduling of projects also increase.According to the engineering characteristics of Jiaodong Water Diversion Project in east Shandong Province，the hub projects along the route are generalized and a spatial topological structure diagram is constructed.By deconstructing the water intake process，a decision space is constructed by reducing the dimension of the optimization problem，and the annual water dispatching model of the Jiaodong Water Diversion Project is constructed by coupling the water simulation dispatching model.The Hybrid Optimization Algorithm （HOA） is used to solve the model，and then the annual water dispatching scheme of the project is compiled.The results show that the annual water dispatching model reduces the dimension of optimization problem by deconstructing the water intake process，and can overcome the problems of mismatch between the boundary conditions of non-process control on the supply and demand sides and the time scale of annual water dispatching scheme，so as to realize the rapid solution of optimization problem，avoid the extreme water shortage at the water inlet，and meet the water demand to the greatest extent.

Key words：

inter-basin water diversion project；annual water scheduling model；hybrid optimization algorithm