李海濤

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局 烏魯木齊 830000)

江 浩 謝小燕

(南京南瑞集團公司水利水電技術(shù)分公司 南京 211106)

1 概述

北疆供水渠系工程系國家級重點工程，渠線長510多km，設(shè)計流量75m3/s，沿線布置有渡槽、涵洞、大型倒虹吸、節(jié)制閘、退水閘、分水閘等眾多建筑物，該工程從“635”水庫取水，主要解決受水區(qū)城市生活和工業(yè)用水緊張問題，同時兼顧工程沿線農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境用水。從調(diào)度技術(shù)上講，這種長距離、大流量、建筑物眾多的渠系工程在運行過程中，將受到各種因素的影響，如水文氣象、水力控制、受水區(qū)多方利益協(xié)調(diào)等，其調(diào)度過程十分復(fù)雜，國內(nèi)外可以借鑒的經(jīng)驗極為有限。

2 調(diào)度特點分析

2.1 可供水量難以掌控

由于受當(dāng)前現(xiàn)有水文預(yù)報技術(shù)的制約，目前尚無法對入庫水量作長時間準確的預(yù)測，因此在實際調(diào)度中“635”水庫全年可供水量必須根據(jù)上游水文站的實測值進行實時的調(diào)整，并且由于總干渠上沒有可調(diào)節(jié)的水庫，整個渠系供水完全依賴水庫的調(diào)蓄能力，這使供水調(diào)度的難度大大增加。如何利用現(xiàn)有條件，確保供水調(diào)度的科學(xué)性，保證有限水資源的合理分配和管理，是供水調(diào)度模型必須解決的問題。

2.2 需水量的不確定性

北疆渠系供水工程的需水量是一個不確定的隨機量。主要原因包括:供水距離長，工程沿線共設(shè)有12個分水口，用水戶眾多，需求各不相同;各用戶的需水量受水文氣象因素的影響很大，而工程跨越戈壁、沙漠、草原和耕地，受水區(qū)的水文氣象極其復(fù)雜;各用戶的需水量還受到國家和地方政策、供水價格、調(diào)度體制和經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r等諸多因素的影響，供水計劃的編制難度較大。

2.3 渠道運行的特殊性

由于北疆供水工程渠系線路長，沿線布置有分水閘、節(jié)制閘、大型倒虹吸、渡槽等渠系建筑物，其渠系運行的安全尤為重要。如果渠道的水位驟升，水頭的流速過大，將對渠道造成沖刷破壞。如果渠道水位驟降，滲入膜后及渠堤內(nèi)的水不能隨渠道水位的降低而及時逸出，必然會產(chǎn)生揚壓力，將對渠道襯砌板塊產(chǎn)生頂托破壞，對于膨脹性泥巖較為集中、地質(zhì)條件較差的渠段甚至?xí)斐汕肋吰率Х€(wěn)，產(chǎn)生大面積滑塌。因此，在渠系運行過程中必須保證流量和水位的穩(wěn)定性，流量的增加或減小、水位的抬高或降低必須緩慢進行，避免水位的驟升、驟降，使渠水按照近似明渠均勻流的方式運行。

基于上述特點對供水調(diào)度進行研究，以分水口權(quán)重的最大經(jīng)濟效益為目標(biāo)函數(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，用相應(yīng)算法求解最佳配置。

3 建立調(diào)度模型

北疆供水工程的調(diào)度目標(biāo)是使運行期內(nèi)供水收益最大。結(jié)合北疆供水工程特點，其調(diào)度目標(biāo)可以表述如為

式中 E——所有供水對象的總收益;

Δt——時段數(shù);

Qwsi，t——t時段 i分水口所需流量;

Pi——i分水口的供水價格;

wi——i分水口的權(quán)重系數(shù)。

根據(jù)北疆供水工程的調(diào)度特點，可以確定如下約束目標(biāo)。

a.進水口最大可供流量約束;

式中 Qwsi，t(t－ τ)——t時段、i分水口的需水流量;

τ——i分水口的水流傳播時間;

Qinfmax——進水口最大可供流量;

σi——分水口的渠道水利用系數(shù)。

b.渠道水位變幅:

式中 Zi，t——i分水口 t時段的水位;

Zi，t－1——i分水口 t－1 時段的水位;

ΔZi——i分水口的水位變幅。

c.節(jié)制分水閘運行要求:

式中 Qinf，t——t時段進水口的進水流量;

Qlimi——i分水口節(jié)制運行所需最小流量。

d.分水口分水流量變幅:

式中 Qi，t——i供水口t時段的水位;

Qi，t－1——i供水口 t時段的水位;

ΔQi——i供水的水位變幅。

e.分水口最大分水流量約束:

式中 Qmaxi——i供水口最大供水流量。

f.倒虹吸運行條件:

式中 Qinv，t——t時段倒虹吸的進水流量;

Qmin，inv——倒虹吸的最小進水流量;

Qmax，inv——倒虹吸的最大進水流量。

g.供水水量約束:

式中 Wi——i分水口的分水量;

Wi，need——i分水口的需水量。

以上模型計算的邊界條件為供水工程各個水位站的初始水位和各個閘門的初始開度。

4 模型求解

結(jié)合北疆渠系供水工程的調(diào)度特點建立供水調(diào)度模型后，其調(diào)度模型的求解采用目標(biāo)規(guī)劃法［2］。

4.1 目標(biāo)規(guī)劃模型

對于L個約束目標(biāo)、K個優(yōu)先等級(K≤L)的一般目標(biāo)規(guī)劃問題，對于同一個優(yōu)先級別的不同目標(biāo)，它們的正負偏差變量的重要程度還可以有差別。如對于第k(k=1，2，…，K)級目標(biāo)的正負偏差變量分別賦予不同的權(quán)系數(shù)和(l=1，2，…，L)，則目標(biāo)規(guī)劃問題的一般數(shù)學(xué)模型可表述為

4.2 建立模型的步驟

a.針對北疆供水工程提出的各個目標(biāo)與條件確定目標(biāo)值，首先列出目標(biāo)約束與絕對約束。

b.根據(jù)供水單位決策層的需要將某些或全部絕對約束轉(zhuǎn)化為目標(biāo)約束，這時需要給絕對約束加上負偏差變量和減去正偏差變量。

c.給已確定的每個目標(biāo)賦予相應(yīng)的優(yōu)先因子Pk(k=1，2，…，K)。

d.對同一優(yōu)先等級中的各偏差變量，根據(jù)需要可按其重要程度不同，賦予相應(yīng)的權(quán)系數(shù)和(l=1，2，…，L)。

4.3 優(yōu)先因子與權(quán)系數(shù)

北疆供水工程的調(diào)度是一個多目標(biāo)決策的問題，要找出使所有目標(biāo)都達到最優(yōu)的解是很不容易的。在有些情況下，這樣的解根本不存在(當(dāng)這些目標(biāo)互相矛盾時)。因此實際的做法是:根據(jù)北疆供水工程的調(diào)度特點，將所有約束目標(biāo)分出主次，或根據(jù)這些目標(biāo)輕重緩急的不同，區(qū)別對待，也就是說，將這些目標(biāo)按其重要程度排序，并用優(yōu)先因子Pk(k=1，2，…，K)來標(biāo)記，即要求第一位達到的目標(biāo)賦予優(yōu)先因子P1，要求第二位達到的目標(biāo)賦予優(yōu)先因子P2，…，要求第K位達到的目標(biāo)賦予優(yōu)先因子PK。規(guī)定

其中，符號“?”表示“遠大于”;PK?PK+1表示PK與PK+1不是同一級別的量，即PK比PK+1有更大的優(yōu)先權(quán)。這些目標(biāo)優(yōu)先等級因子也可以理解為一種特殊的系數(shù)，可以量化，但必須滿足

其中，M ＞0是一個充分大的數(shù)。

在同一優(yōu)先級別中，可能包含兩個或多個目標(biāo)，它們的正負偏差變量的重要程度還可以有差別，這時還可以給處于同一優(yōu)先級別的目標(biāo)賦予不同的權(quán)系數(shù)wj，這些都由供水單位決策層按具體情況而定。

5 調(diào)度流程

調(diào)度流程可以概括為制定用水協(xié)議、編制年調(diào)度預(yù)案和滾動計劃三步。

a.制定用水計劃。根據(jù)相關(guān)資料，制定各用水單位當(dāng)年用水計劃，與需水預(yù)測模型預(yù)測結(jié)果進行比較分析并作協(xié)調(diào)處理，最后由供水單位與各用水單位簽訂用水協(xié)議，保證全年用水不超過協(xié)議中規(guī)定的用水限額。

b.編制年度調(diào)度預(yù)案。根據(jù)運行供水調(diào)度模型和各用水單位提出的需水計劃，制定下一年度的年度供水調(diào)度預(yù)案，保證各用戶年用水總量不超過需水計劃。

c.滾動計劃。在實際調(diào)度運行中，根據(jù)來水信息變化和各用水單位實際用水信息，運用調(diào)度模型滾動修正年度調(diào)度預(yù)案。

6 實例

以2009年度北疆供水調(diào)度過程為例，根據(jù)沿線各需水用戶的需水要求和“635”水庫的可供水量，運用調(diào)度模型進行供水調(diào)度演算，以期收益最大，并將演算結(jié)果(年度調(diào)度預(yù)案)與該年度供水單位實際調(diào)度情況進行對比(見下圖)。

2009年供水調(diào)度方案總干進水流量對比圖

從兩條曲線的吻合程度可以看出，由調(diào)度模型進行供水調(diào)度演算后輸出的供水調(diào)度預(yù)案與供水單位實際調(diào)度的過程基本一致。這就證明調(diào)度模型在以供水收益最大為調(diào)度目標(biāo)，并對各種約束目標(biāo)進行演算后輸出的調(diào)度預(yù)案是成功的。

7 結(jié)語

在充分考慮北疆供水調(diào)度特點基礎(chǔ)上提出的供水調(diào)度模型針對性強、實用性強，在此基礎(chǔ)上開發(fā)的供水調(diào)度模型軟件已經(jīng)嵌入北疆供水調(diào)度決策支持系統(tǒng)，目前通過試運行，已取得良好的效果。模型能很好地協(xié)調(diào)好水量供需之間、用水戶水量分配之間的矛盾，借助系統(tǒng)理論、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)痊F(xiàn)代化手段，能夠提出科學(xué)的供水調(diào)度預(yù)案，從而為實現(xiàn)精確的供水目標(biāo)奠定了扎實的基礎(chǔ)。

1 水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院.北疆供水工程總干渠輸水安全鑒定報告.2000.7.

2 馮尚有.多目標(biāo)決策理論方法與應(yīng)用.武漢:華中理工大學(xué)出版社，1990.