朱彥剛（遼寧省清河水庫管理局，遼寧鐵嶺112003）

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白石水庫調(diào)度方案探析

朱彥剛
（遼寧省清河水庫管理局，遼寧鐵嶺112003）

［摘要］根據(jù)白石水庫的實(shí)際特點(diǎn)，構(gòu)建滿足防洪、供水、減淤和改善水質(zhì)4個(gè)目標(biāo)要求的水沙聯(lián)合調(diào)度多目標(biāo)模型，以白石水庫2000—2009年的水庫水沙資料為基礎(chǔ)，擬定3種水沙調(diào)度運(yùn)作方式，采用遺傳算法和多目標(biāo)加權(quán)均衡排序相結(jié)合的方法進(jìn)行多目標(biāo)求解。計(jì)算結(jié)果表明：蓄水運(yùn)用，汛期低水位相機(jī)排沙，兼顧改善水質(zhì)方案為最佳水沙聯(lián)合調(diào)度方案。

［關(guān)鍵詞］水沙聯(lián)合調(diào)度；多目標(biāo)模型；方案；白石水庫

0　引言

白石水庫是大凌河干流上的控制性骨干工程，擔(dān)負(fù)著防洪、灌溉、供水為主，兼顧發(fā)電等任務(wù)，為遼河三角洲的開發(fā)及下游城市提供可靠水源，保證其水資源及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。白石水庫經(jīng)過多年運(yùn)用后，其淤積、水生態(tài)惡化問題非常嚴(yán)重。因此，尋求合理的水沙調(diào)度方式，防沙減淤，改善生態(tài)環(huán)境，從而更好地實(shí)現(xiàn)白石水庫的各個(gè)功能及效益，使白石水庫為地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮更大的作用，具有非常重大的意義。研究通過了解和掌握水庫防洪調(diào)度、生態(tài)調(diào)度等相關(guān)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步理解水庫水沙聯(lián)合調(diào)度的定義、內(nèi)涵和研究方法，構(gòu)建白石水庫科學(xué)合理的水沙聯(lián)合調(diào)度模型，在模型求解基礎(chǔ)上，確定出防洪、供水、減淤和水質(zhì)達(dá)到均衡最優(yōu)的水庫調(diào)度方案，為白石水庫科學(xué)合理調(diào)度以及實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)、健康、穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠的依據(jù)。

1　水沙調(diào)度多目標(biāo)模型的建立

綜合考慮白石水庫的水沙特性和功能要求，以水庫綜合效益最大化為總目標(biāo)，以防洪、供水、減淤和改善水質(zhì)為子目標(biāo)，建立白石水庫的水沙聯(lián)合調(diào)度多目標(biāo)規(guī)劃模型。

1.1決策變量

水沙聯(lián)合調(diào)度的多目標(biāo)規(guī)劃屬于動(dòng)態(tài)規(guī)劃，而動(dòng)態(tài)規(guī)劃要求進(jìn)行面臨的時(shí)段決策時(shí)需滿足無后效性，因而必須選用適當(dāng)?shù)臎Q策變量來描述系統(tǒng)所面臨的狀態(tài)。研究選取水庫時(shí)段末水位Ht+1為決策變量。

1.2目標(biāo)函數(shù)

1.2.1總目標(biāo)函數(shù)

選取防洪、供水、減淤和改善水質(zhì)四個(gè)目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)白石水庫的綜合效益最大化，多目標(biāo)計(jì)算模型的總目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：P為綜合效益總目標(biāo)；f1（X）為防洪子目標(biāo)；f2（X）為供水子目標(biāo)；f3（X）為減淤子目標(biāo)；f4（X）為水質(zhì)子目標(biāo)。

1.2.2子目標(biāo)函數(shù)

1）防洪子目標(biāo)。水庫自身的防洪安全，要求水庫在一次洪水調(diào)度過程中，最高水位越低越好（即占用的防洪庫容越少越好）；水庫下游的防洪安全，要求在一次洪水調(diào)度過程中，水庫最大下泄流量越少越好；不同場次洪水之間的銜接和兼顧興利蓄水，則要求水庫調(diào)洪末段時(shí)刻水位越接近理想水位越好。因此，防洪子目標(biāo)函數(shù)為：

式中：Z（i），Z（n）分別為水庫第時(shí)刻水位及末水位，m；Z為水庫期望的末水位，m；q（i）為水庫出庫流量，m3/s。

2）供水子目標(biāo)。白石水庫供水主要包括阜新市和錦州市的大部分農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、城市生活用水和下游河道環(huán)境用水。隨著供水地區(qū)人口的增長和工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，供水地區(qū)用水已經(jīng)較為緊張。因此，高效使用水資源，提高供水能力，迫在眉睫。供水的子目標(biāo)函數(shù)是使供水量最大，即：

式中：W直供為水庫直供生活和工業(yè)的供水量，萬m3；W補(bǔ)水為下游補(bǔ)水供水量，萬m3，包括凌海及凌海以下補(bǔ)水；W環(huán)境為下游河道環(huán)境供水量，萬m3。

3）減淤子目標(biāo)。水庫在運(yùn)用過程中，會(huì)有一部分泥沙隨出庫水流帶出水庫。一般而言，排出的泥沙越多，水庫的排沙比越大，水庫的剩余庫容也越大，水庫的淤積量就越小。水庫減淤子目標(biāo)函數(shù)是使水庫的淤積量最小，即：

式中：jn為n時(shí)段中含泥沙淤積計(jì)算小時(shí)段的個(gè)數(shù)；Ti為i h段的天數(shù)，d；SEni為i h段內(nèi)水庫的沖淤量，萬m3；SIi為i h水庫上游進(jìn)口斷面輸沙率，kg/s；SOi為i h水庫上游出口斷面輸沙率，kg/s；為淤積物干容量，取1 300 kg/m3。

4）水質(zhì)子目標(biāo)。根據(jù)白石水庫多年水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果與GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)比分析得出，白石水庫總磷總氮均有超標(biāo)，水庫長期運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生富營養(yǎng)化，可能引起藻類繁殖、滋生。因此，確保污染物排放入庫量盡量小，對(duì)于保證水庫的健康運(yùn)行非常重要。水庫水質(zhì)子目標(biāo)函數(shù)是使污染物排放負(fù)荷量最小，即：

式中：KSE（t）為年污水處理能力（處理率），%；BW1（t），BW2分別為年工業(yè)用水、城市生活用水污水產(chǎn)生系數(shù)；XWIND為年工業(yè)需水量，萬m3；XWSD為年生活需水量，萬m3。

1.3約束條件

1）水位約束。在水庫的運(yùn)行過程中，為了安全以及綜合各個(gè)方面的考慮，需要對(duì)水庫運(yùn)行水位作出一定的約束。水位約束主要指死水位和最高水位約束，即：

式中：Zt表示時(shí)段末的水位，m，同時(shí)也是t+1時(shí)段初的水位；Zt.min表示水庫時(shí)段末所允許的最低水位，m；Zt.max表示水庫時(shí)段末所允許最高水位，m。本次研究中，白石水庫最高蓄水位不超過校核洪水位限制的133.88 m，同時(shí)庫水位不得低于死水位限制的108.00 m。

2）水庫庫容約束。水庫的水位—庫容關(guān)系是一項(xiàng)重要的約束條件，通過這一關(guān)系可以得知不同運(yùn)用水位下水庫蓄水量的大小。根據(jù)白石水庫基本特性，其特征水位—庫容關(guān)系如表1所示。

表1　特征水位—庫容關(guān)系表

3）水庫泄流量約束。水庫水位—泄量關(guān)系決定了不同的運(yùn)用水位下水庫允許泄流量的大小。根據(jù)白石水庫多年實(shí)測資料，其單底孔泄流曲線和單表孔泄流曲線見圖1和圖2。

圖1　單底孔泄流曲線

同時(shí)，水庫的泄流量受到泄水建筑物泄流能力的制約，必須大于或等于水庫綜合運(yùn)用的最小用水流量，必須小于等于最大泄流量，即：

圖2　單表孔泄流曲線

式中：qmin為水庫最小泄流量，m3/s；qmax為水庫最大泄流量，對(duì)于白石水庫，qmin=0，qmax=20 613 m3/s。

4）水量平衡約束：

式中：Vi，Vt+1分別為時(shí)段初末水庫的蓄水量，萬m3；Qt為t時(shí)段水庫的入庫流量，m3/s；q泄，t為t時(shí)段水庫的出庫流量，m3/s，△t為計(jì)算時(shí)間，h。

5）供水保證率約束：

式中：WSO為各月目標(biāo)供水量，萬m3，WS為各月實(shí)際供水流量，萬m3。滿足破壞深度小于某一數(shù)值的月數(shù)n占總月數(shù)N的百分比為設(shè)計(jì)供水保證率，即在研究中，白石水庫供水保證率約束為：

式中：f4（X）為污染物排放總量，萬t；XA（t）為t年污染物最大允許排放量，萬t。

7）非零約束。所有變量均大于等于零。

2　擬定計(jì)算方案

在確保白石水庫大壩防洪安全的前提下，以充分利用來水資源、保證水庫水質(zhì)、最大限度地滿足工業(yè)城市供水需求、盡量減少庫區(qū)泥沙淤積為基本原則，同時(shí)考慮保持水庫長期的有效庫容，使水庫長期持續(xù)發(fā)揮效益。以白石水庫2000—2009年10年的水庫水沙資料為基礎(chǔ)，擬定白石水庫的水沙聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行方案。擬定方案過程中，考慮幾方面因素：①合理設(shè)置排沙期，對(duì)入庫水沙進(jìn)行多年調(diào)節(jié)；②優(yōu)選排沙流量和沙限，協(xié)調(diào)供水與排沙之間的矛盾；③盡量提高供水保證率；④改善水質(zhì)。

根據(jù)以上原則和條件，擬定如下3種水庫運(yùn)用方式作為計(jì)算方案，分別進(jìn)行水沙聯(lián)合調(diào)度多目標(biāo)模型的優(yōu)化計(jì)算，通過各方案之間的比選確定科學(xué)合理的水庫運(yùn)行方式。

方案1：蓄水運(yùn)用，相機(jī)排沙。

①排沙方式：7—8月為排沙期，排沙期內(nèi)斷面平均流量Q≥9.31 m3/s且斷面平均含沙量S≥18.08 kg/m3時(shí)，敞泄排沙；特枯年份不排沙。②供水方式及要求：供水月保證率不小于95.65%。③水質(zhì)處理方式：未增加改善水質(zhì)措施，以現(xiàn)狀情況發(fā)展。

方案2：蓄水運(yùn)用，汛期低水位相機(jī)排沙。

①排沙方式：7—8月為排沙期，排沙期內(nèi)庫水位在119 m至123.5 m之間時(shí)，開6個(gè)底孔泄流排沙，庫水位在123.5 m至124.3 m之間時(shí)，全開12個(gè)底孔泄流排沙，庫水位在124.3 m至132.7 m時(shí)，底孔全部打開，表孔選擇性打開泄流排沙，庫水位達(dá)到132.7 m以上時(shí)，底孔和表孔全部打開。②供水方式及要求。同方案1。③水質(zhì)處理方式。同方案1。

方案3：蓄水運(yùn)用，汛期低水位相機(jī)排沙，兼顧改善水質(zhì)。

①排沙方式：同方案2。②供水方式及要求：同方案1、2。③水質(zhì)處理方式：提高水庫上游的污水處理能力，改善污水處理方式，使污水處理率達(dá)到85%，對(duì)庫區(qū)土地進(jìn)行封育、禁止采砂，降低生活生產(chǎn)中面源污染的污水產(chǎn)生系數(shù)。

3　計(jì)算結(jié)果與分析

按照遺傳算法求解步驟，使用MATLAB7.0中遺傳算法工具箱編寫遺傳算法求解程序，并將多目標(biāo)加權(quán)均衡排序方法編進(jìn)程序當(dāng)中，從而求得不同方案下的最優(yōu)解。

擬定遺傳算法運(yùn)行參數(shù)：種群規(guī)模NIND=400、最大遺傳代數(shù)MAXGEN=1 000、交叉概率Pc=0.6，變異概率Pm=0.01，懲罰因子ζi=1 010，Smax=100，Smin=1。對(duì)防洪、供水、減淤、改善水質(zhì)4個(gè)目標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理，目標(biāo)權(quán)重值采用層級(jí)分析法確定為：λ1=0.302，λ2=0.222，λ3=0.290，λ4=0.186。

通過計(jì)算得到白石水庫不同水沙聯(lián)合調(diào)度方案結(jié)果，見表2。

表2　不同運(yùn)行方案下白石水庫水沙聯(lián)合調(diào)度計(jì)算結(jié)果

由表2可以看出，在方案1的蓄水運(yùn)用，相機(jī)排沙的調(diào)度方式下，水庫淤積量為715萬m3，供水月保證率為98.5%，多年平均供水量為3.98億m3，污染物排放負(fù)荷量為7302.64萬t/a；在方案2的蓄水運(yùn)用，汛期低水位相機(jī)排沙的調(diào)度方式下，水庫淤積量為448萬m3，供水月保證率為96.85%，多年平均供水量為3.91億m3，污染物排放負(fù)荷量為7254.28萬t/a；在方案3的蓄水運(yùn)用，汛期低水位相機(jī)排沙，兼顧改善水質(zhì)的調(diào)度方式下，水庫淤積量為526萬m3，供水月保證率為95.9%，多年平均供水量為3.87 億m3，污染物排放負(fù)荷量為5 607.25萬t/a。

這3個(gè)調(diào)度方案下的水庫沖淤情況、供水情況和水質(zhì)情況均是在多目標(biāo)模型中的約束條件的限制下計(jì)算得出的。因此，無論是在防洪、減淤、供水還是水質(zhì)方面都滿足水庫正常運(yùn)行的要求，但是從計(jì)算結(jié)果來看，不同調(diào)度方案運(yùn)行下，水庫所取得的效果（即“綜合效益”）不盡相同。

方案1的運(yùn)行方式較為簡單，雖然操作上方便，但是水庫淤積量和污染物排放負(fù)荷量均最大，不利于水庫的健康運(yùn)行，故該方案不可取。

方案2針對(duì)白石水庫汛期來水量和含沙量大的特點(diǎn)，在汛期分根據(jù)水庫水位的不同采取不同的水沙排泄方式，當(dāng)水庫水位達(dá)到132.7 m以上時(shí)，所有閘門開啟，在防洪同時(shí)集中排沙，當(dāng)水庫水位未達(dá)到此水位之前，有選擇性的開啟閘門，排泄異重流泥沙或高濃度渾水。該方案在保證供水的前提下對(duì)水庫起到了不小的排沙減淤的作用，與方案1相比，淤積量減少了37.34%，同時(shí)，水流的流速間歇性的變化也會(huì)對(duì)水庫的水質(zhì)有一定程度的改善。

方案3在方案2的水庫調(diào)度方式的基礎(chǔ)上，充分考慮了水庫的水質(zhì)因素，通過采取水質(zhì)保護(hù)措施，將水質(zhì)目標(biāo)和約束在水沙調(diào)度的多目標(biāo)模型中得以體現(xiàn)。該情況下的計(jì)算結(jié)果與方案1相比，淤積量減少26.43%，水質(zhì)提高了23.22%，供水保證率有所降低，但仍可以滿足供水要求。

因此，綜合考慮白水水庫防洪、供水、減淤和水質(zhì)的要求和水庫及所在河流和流域的健康可持續(xù)發(fā)展，推薦方案3，即蓄水運(yùn)用，汛期低水位相機(jī)排沙，兼顧改善水質(zhì)的調(diào)度方式。

4　結(jié)論與建議

1）針對(duì)白石水庫含沙量大，水質(zhì)惡化的現(xiàn)狀，在傳統(tǒng)水庫水沙調(diào)度考慮防洪、供水、減淤目標(biāo)的基礎(chǔ)上，將水質(zhì)目標(biāo)納入到水沙聯(lián)合調(diào)度多目標(biāo)模型中，擬定3個(gè)調(diào)度方案。將多目標(biāo)加權(quán)均衡排序方法編進(jìn)遺傳算法程序當(dāng)中，計(jì)算確定出蓄水運(yùn)用，汛期低水位相機(jī)排沙，兼顧改善水質(zhì)的減淤減污的最佳水沙聯(lián)合調(diào)度方案。

2）水庫調(diào)度是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，對(duì)水庫水沙聯(lián)合調(diào)度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型研究是未來的趨勢，通過實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)水庫供水時(shí)段和水量，達(dá)到分水質(zhì)供水的目的。在滿足不同用水部門對(duì)水質(zhì)（水中的泥沙限制含量）的需求的基礎(chǔ)上，充分利用水資源，保證水庫的健康運(yùn)行。

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［中圖分類號(hào)］TV68

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1002－0624（2016）03－0036－04

[收稿日期]2015-04-24