李文生，徐博

（1.大連水利建筑設(shè)計(jì)研究院，遼寧大連116000；2.大連理工大學(xué)，水資源與防洪研究所，遼寧大連116000）

需水量變化的供水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度研究

李文生1，徐博2

（1.大連水利建筑設(shè)計(jì)研究院，遼寧大連116000；2.大連理工大學(xué)，水資源與防洪研究所，遼寧大連116000）

文中以大連市兩個(gè)主要供水水源——碧流河、英那河水庫(kù)為研究對(duì)象，開(kāi)展規(guī)劃水平年（2020）的水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度研究，在無(wú)法滿足約束的情況下，提出“開(kāi)源”和“節(jié)流”兩種解決方案，并給出兩種方案的調(diào)度結(jié)果。

需水變化；水庫(kù)調(diào)度規(guī)則；引水與供水聯(lián)合調(diào)度；優(yōu)化模型

1 引言

我國(guó)水資源時(shí)空分布不均，區(qū)域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度以及跨流域引水工程已成為緩解我國(guó)水資源短缺問(wèn)題的重要手段[1,2]。目前，一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)基于跨流域調(diào)水的水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度規(guī)則展開(kāi)研究：周惠成等[3]針對(duì)跨流域引水工程中供水量和引水效率如何協(xié)調(diào)的問(wèn)題，開(kāi)展了水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度研究；張皓天[4]針對(duì)受水水庫(kù)群的供水能力和共同供水任務(wù)分配問(wèn)題展開(kāi)研究，建立引水和供水聯(lián)合調(diào)度模型；劉娜等[5]針對(duì)跨流域供水水庫(kù)群中供水保證率和破壞深度的關(guān)系展開(kāi)研究，將破壞深度作為目標(biāo)函數(shù)而非約束，得到更多樣的調(diào)度規(guī)則；彭安幫等[6]針對(duì)跨流域水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度所存在優(yōu)化變量多、求解效率低的問(wèn)題，采用聚合水庫(kù)的方法，對(duì)調(diào)度圖的概化降維展開(kāi)研究，在不降低結(jié)果合理性的前提下大大提升了搜索效率。

然而，上述研究并沒(méi)有考慮區(qū)域需水量的增加趨勢(shì)，以及潛在的水資源供需不平衡現(xiàn)象。因此，文中以大連市的碧流河水庫(kù)、英那河水庫(kù)為研究對(duì)象，考慮未來(lái)大連市的用水需求增長(zhǎng)趨勢(shì)，分別以“開(kāi)源”和“節(jié)流”的思想，提出規(guī)劃水平年的水資源配置方案，為大連市水庫(kù)群的科學(xué)調(diào)度提供技術(shù)支持，同時(shí)對(duì)其他流域的相關(guān)工程提供一些新的研究思路。

2 研究流域

2.1 區(qū)域概況

大連市是中國(guó)三大經(jīng)濟(jì)圈中環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的中心城市之一[7]，但卻是典型的資源型缺水城市。碧流河、英那河是主要的地表供水水源，其水資源開(kāi)發(fā)利用率分別達(dá)到了48.4%和53.1%，超過(guò)了國(guó)際公認(rèn)的40%警戒線[4]?？紤]到城市發(fā)展用水量增加[8]、氣候變化導(dǎo)致來(lái)水偏少[9]等因素，未來(lái)水資源供需形勢(shì)將更為嚴(yán)峻。為此，大連市構(gòu)建碧流河-英那河聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，并從大伙房水庫(kù)引水，以滿足日益增長(zhǎng)的用水需求。

2.2 工程概況及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文中所研究對(duì)象為碧流河水庫(kù)、英那河水庫(kù)，二者聯(lián)合為大連市區(qū)供水，另外碧流河水庫(kù)從大伙房水庫(kù)引水。大伙房應(yīng)急入連輸水工程規(guī)劃的引水上限為3.0億m3/a，工程管線規(guī)模為90萬(wàn)t/d[4]。

2.3 用水資料分析

大連市主要用水戶包括：城鎮(zhèn)工業(yè)與生活用水（簡(jiǎn)稱城鎮(zhèn)用水）、環(huán)境用水、農(nóng)業(yè)用水。在模擬計(jì)算的過(guò)程中環(huán)境用水必須優(yōu)先滿足，且按100%供給，否則記為發(fā)生深度破壞。城鎮(zhèn)用水供水優(yōu)先級(jí)其次，供水保證率需達(dá)到95%（按時(shí)段計(jì)算），允許破壞深度為10%；農(nóng)業(yè)用水的供水優(yōu)先級(jí)最靠后，供水保證率需達(dá)到75%（按年計(jì)算），允許破壞深度為30%。

由于區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展及居民生活水平提升，城鎮(zhèn)用水量在逐年遞增，根據(jù)2013年（文中的現(xiàn)狀水平年）資料，碧流河和英那河水庫(kù)的城鎮(zhèn)需水量為4.8億m3/a。而根據(jù)大連市的整體規(guī)劃資料，在2020年（規(guī)劃水平年）碧流河和英那河水庫(kù)的城鎮(zhèn)需水量則達(dá)到了7.0億m3/a。值得注意的是，需水量的增加全部由城鎮(zhèn)需水導(dǎo)致，而其他用水戶的需水量不變。

3 優(yōu)化調(diào)度模型

基于聯(lián)合供水的基本特征，建立水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度模型。首先，建立聯(lián)合調(diào)度規(guī)則的基本形式；接著，明確調(diào)度目標(biāo)及約束條件，構(gòu)建優(yōu)化模型。

3.1 聯(lián)合調(diào)度規(guī)則

將碧流河水庫(kù)與英那河水庫(kù)聚合成一座虛擬水庫(kù)，以兩座水庫(kù)的庫(kù)容之和作為虛擬聚合水庫(kù)的庫(kù)容，并參照該庫(kù)容制定相應(yīng)的引水決策和供水決策，再根據(jù)動(dòng)態(tài)的分水規(guī)則來(lái)分配共同的供水任務(wù)。

1）供水規(guī)則與引水規(guī)則。供水、引水規(guī)則的基本形式分別如圖1（a）和圖2（b）所示。根據(jù)每個(gè)時(shí)段初虛擬聚合水庫(kù)的蓄水量制定如下決策：當(dāng)水位位于Ⅰ區(qū)時(shí)，所有用水均正常供水；當(dāng)水位位于Ⅱ區(qū)時(shí)，城鎮(zhèn)用水正常供給，農(nóng)業(yè)用水按0.7限制供水；當(dāng)水位位于Ⅲ區(qū)時(shí)，城鎮(zhèn)用水、農(nóng)業(yè)用水均限制供給，限制系數(shù)分別為0.9和0.7；當(dāng)水位位于Ⅳ區(qū)時(shí)，水庫(kù)不引水；當(dāng)水位位于Ⅴ區(qū)時(shí)，依據(jù)水位高低在0和時(shí)段，滿引量之間進(jìn)行線性內(nèi)插確定引水量；當(dāng)水位位于Ⅵ區(qū)時(shí)，按照引水能力滿引。

2）分水規(guī)則。采用動(dòng)態(tài)的分水系數(shù)法對(duì)共同供水任務(wù)進(jìn)行分配，以年內(nèi)每個(gè)時(shí)段的分水系數(shù)為優(yōu)化變量，按照該分水系數(shù)將時(shí)段內(nèi)的供水任務(wù)分配至兩座水庫(kù)，其計(jì)算過(guò)程如公式1所示，其中R為t時(shí)段虛擬聚合水庫(kù)的總供水任務(wù)，RA，t為碧流河庫(kù)在t時(shí)段的供水量，RB，t為英那河水庫(kù)在t時(shí)段的供水量，βA，t為t時(shí)段水碧流河水庫(kù)的分水系數(shù)。

3.2 目標(biāo)函數(shù)及約束條件

圖1 供水-引水調(diào)度圖

供水水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度的主要目標(biāo)是使系統(tǒng)內(nèi)的供水保證率最大，缺水量最小，棄水量最小。本文據(jù)此設(shè)定水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)如下：

1）系統(tǒng)工業(yè)保證率最大：

2）系統(tǒng)農(nóng)業(yè)保證率最大：

3）系統(tǒng)總棄水量最?。?/p>

式中：pind，i和Pagr，i為第i個(gè)水庫(kù)的工業(yè)保證率和農(nóng)業(yè)保證率；為第i個(gè)水庫(kù)第t個(gè)時(shí)段的棄水量為第i個(gè)水庫(kù)第t個(gè)時(shí)段農(nóng)業(yè)、工業(yè)供水的深度破壞程度；為第i個(gè)水庫(kù)第t個(gè)時(shí)段農(nóng)業(yè)、工業(yè)保證率的破壞程度；α和β是懲罰系數(shù)；N為水庫(kù)數(shù)；T為調(diào)度時(shí)段數(shù)。

根據(jù)碧流河-英那河水庫(kù)群系統(tǒng)的工程特性，制定如下約束條件：

1）外調(diào)水引水量約束：

2）水庫(kù)水位約束：

3）水量平衡約束：

式中：DSt和DSm分別為t時(shí)段的引水量、最大可引水量；DSY和DSYm分別為一年內(nèi)的引水量以及工程規(guī)劃的年最大引水量；Zdead為水庫(kù)死水位；Zi，t為第i水庫(kù)t時(shí)段水庫(kù)水位；Zlimit，i為第i水庫(kù)汛限水位；Znomal，i為第i水庫(kù)興利蓄水位；Vi，t為第i個(gè)水庫(kù)t時(shí)段水庫(kù)庫(kù)容；Ii，t為第i個(gè)水庫(kù)t時(shí)段水庫(kù)入流量；WIi，t為第i個(gè)水庫(kù)t時(shí)段引水量；Rind，i，t為第i個(gè)水庫(kù)t時(shí)段城鎮(zhèn)供水量；Ragr，i，t為第i個(gè)水庫(kù)t時(shí)段農(nóng)業(yè)供水量；Reco，i，t為第i個(gè)水庫(kù)t時(shí)段環(huán)境供水量；Li，t為第i個(gè)水庫(kù)t時(shí)段的蒸發(fā)、滲漏水量。

4 調(diào)度結(jié)果分析

首先，以2013年的需水情況作為輸入數(shù)據(jù)，得到現(xiàn)狀年調(diào)度結(jié)果，并以其作為對(duì)比方案。然后，以2020年的需水量求得規(guī)劃年的調(diào)度結(jié)果；最后，供需矛盾問(wèn)題，從“開(kāi)源”和“節(jié)流”的角度提出兩種解決方案，為決策者提供參考。文中所采用的入流資料為1958—2013年共56年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以旬為決策時(shí)段。

4.1 現(xiàn)狀年調(diào)度結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)狀年的用水需求，按照第3節(jié)所構(gòu)建的優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行求解，由調(diào)度結(jié)果可知：碧流河水庫(kù)年均入流量為6.00億m3，其中天然入流為5.56億m3，大伙房引水量為0.44億m3，年均供水量為3.94億m3，年均損失和棄水量為2.06億m3，英那河水庫(kù)年均入流量為3.40億m3，年均供水量為1.87億m3，年均損失和棄水量為1.53億m3，碧-英聚合水庫(kù)的城鎮(zhèn)供水保證率為100%，農(nóng)業(yè)保證率為100%。對(duì)于現(xiàn)狀年，在大伙房水庫(kù)的引水量很小的情況下保證率便達(dá)到了100%。這說(shuō)明在不發(fā)生極端干旱的情況下，大連市現(xiàn)有的水資源可供水量大于需水量，能夠適當(dāng)保證用水需求的增長(zhǎng)。

4.2 規(guī)劃年調(diào)度結(jié)果分析

根據(jù)大連市規(guī)劃設(shè)計(jì)資料，2020年大連市由碧、英兩座水庫(kù)負(fù)責(zé)的需水量達(dá)到了7億m3/a。經(jīng)多次優(yōu)化計(jì)算，發(fā)現(xiàn)規(guī)劃年的需水量偏大。在得到的較優(yōu)的方案中，碧-英聚合水庫(kù)的城鎮(zhèn)供水保證率為89.09%，農(nóng)業(yè)供水保證率為68.42%，另外碧流河和英那河水庫(kù)各發(fā)生了56次和39次的深度破壞。由于各項(xiàng)約束條件無(wú)法滿足，此方案沒(méi)有參考意義，但從此調(diào)度結(jié)果可以看出減小用水需求和增加外調(diào)水是兩種解決思路，下面將分別對(duì)兩種方案進(jìn)行討論。

1）解決方案一：“節(jié)流”。所謂“節(jié)流”即是在用水需求無(wú)法滿足的條件下，通過(guò)節(jié)水措施減少未來(lái)水資源需求量，以滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)約束。因此，該方案在規(guī)劃年需水的基礎(chǔ)上，通過(guò)試算不斷減少城鎮(zhèn)用水量，直至獲得滿足保證率和破壞深度要求的最大可供水量，其計(jì)算結(jié)果如表1所示。該部分計(jì)算結(jié)果表明，若沒(méi)有其他水源的增加，在規(guī)劃年大約需節(jié)約用水1億m3/a，才可滿足供水要求，該結(jié)果可為大連市未來(lái)的節(jié)約用水計(jì)劃及產(chǎn)業(yè)調(diào)整等提供了重要的參考依據(jù)。

表1 規(guī)劃需水量與最大可供水量對(duì)比

2）解決方案二：“開(kāi)源”。所謂“開(kāi)源”，即是在節(jié)水措施不能有效降低用水需求的情況下，建設(shè)新的工程措施，增加水庫(kù)群的供水能力。大伙房原引水量為3.0億m3/a，管道能力為90萬(wàn)m3/d，該研究不斷增加年最大引水量，并按照比例相應(yīng)增加供水管道的規(guī)模，直至滿足供水要求。經(jīng)優(yōu)化計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引水量增加至4.2億m3（管道規(guī)模按比例增加至126萬(wàn)m3/d時(shí)）可以滿足要求，此時(shí)城鎮(zhèn)供水保證率為95.49%，農(nóng)業(yè)供水保證率為85.97%。但是，為減少工程投資，需繼續(xù)減小管徑大小。經(jīng)試算發(fā)現(xiàn)在4.2億m3/a的引水規(guī)模下，管徑規(guī)模為115萬(wàn)m3/d仍然可以滿足碧-英規(guī)劃需水的要求，其中城鎮(zhèn)工業(yè)保證率降低至95.29%，農(nóng)業(yè)保證率為75.43%。

3）對(duì)比分析：將上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可知：由于現(xiàn)狀年需水量較少，其工業(yè)和農(nóng)業(yè)保證率均可達(dá)到100%；然而，規(guī)劃年用水量偏大，若按照規(guī)劃的需水量進(jìn)行供水，不僅保證率無(wú)法滿足要求，而且發(fā)生多次深度破壞；最大可供水量與規(guī)劃需水量之間的差距為0.97億m3/a；當(dāng)外調(diào)水量增加至4.2億m3/a時(shí)，同時(shí)管道能力增加至115 m3/d時(shí)，可以滿足規(guī)劃用水的需求。

表2 多調(diào)度方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展碧流河與英那河水庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行研究。首先，構(gòu)建了基于虛擬聚合水庫(kù)的引水供水聯(lián)合調(diào)度規(guī)則。之后，針對(duì)用水需求增長(zhǎng)趨勢(shì)，分析了規(guī)劃年潛在的水資源供需不匹配問(wèn)題，并提出兩種解決思路：一是推求最大可供水量，通過(guò)節(jié)水措施減少未來(lái)用水；二是增加大伙房引水量，計(jì)算可滿足規(guī)劃年用水要求的引水量，通過(guò)增加引水來(lái)滿足未來(lái)用水需求。主要的研究結(jié)論有：

1）現(xiàn)狀年大伙房引水量較小，年均引水只有0.44億m3，且滿足供水保證率要求，工業(yè)和農(nóng)業(yè)保證率分別為99.95%和98.24%，沒(méi)有深度破壞發(fā)生。

2）在規(guī)劃需水量下，2020年所有水庫(kù)均無(wú)法滿足保證率要求，且發(fā)生較多的深度破壞，若要實(shí)現(xiàn)供需平衡，可通過(guò)減少需水量或增大外調(diào)水量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3）按歷史來(lái)水資料來(lái)推算，碧-英兩座水庫(kù)的最大可供水量為6.03億m3/a，在規(guī)劃年需節(jié)約用水0.97億m3/a。若保持用水需求不變，需要大伙房年引水量上限由3.0億m3提升至4.2億m3，同時(shí)管道規(guī)模提升到115萬(wàn)m3/d。

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2016-11-10