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        需水量變化的供水庫群聯(lián)合調(diào)度研究

        2017-05-15 12:37:15李文生徐博
        東北水利水電 2017年5期
        關鍵詞:保證率供水量需水量

        李文生,徐博

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

        需水量變化的供水庫群聯(lián)合調(diào)度研究

        李文生1,徐博2

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

        文中以大連市兩個主要供水水源——碧流河、英那河水庫為研究對象,開展規(guī)劃水平年(2020)的水庫群優(yōu)化調(diào)度研究,在無法滿足約束的情況下,提出“開源”和“節(jié)流”兩種解決方案,并給出兩種方案的調(diào)度結果。

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

        1 引言

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

        然而,上述研究并沒有考慮區(qū)域需水量的增加趨勢,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、英那河水庫為研究對象,考慮未來大連市的用水需求增長趨勢,分別以“開源”和“節(jié)流”的思想,提出規(guī)劃水平年的水資源配置方案,為大連市水庫群的科學調(diào)度提供技術支持,同時對其他流域的相關工程提供一些新的研究思路。

        2 研究流域

        2.1 區(qū)域概況

        大連市是中國三大經(jīng)濟圈中環(huán)渤海經(jīng)濟圈的中心城市之一[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,其水資源開發(fā)利用率分別達到了48.4%和53.1%,超過了國際公認的40%警戒線[4]??紤]到城市發(fā)展用水量增加[8]、氣候變化導致來水偏少[9]等因素,未來水資源供需形勢將更為嚴峻。為此,大連市構建碧流河-英那河聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng),并從大伙房水庫引水,以滿足日益增長的用水需求。

        2.2 工程概況及拓撲結構

        文中所研究對象為碧流河水庫、英那河水庫,二者聯(lián)合為大連市區(qū)供水,另外碧流河水庫從大伙房水庫引水。大伙房應急入連輸水工程規(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(簡稱城鎮(zhèn)用水)、環(huán)境用水、農(nóng)業(yè)用水。在模擬計算的過程中環(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)先級其次,供水保證率需達到95%(按時段計算),允許破壞深度為10%;農(nóng)業(yè)用水的供水優(yōu)先級最靠后,供水保證率需達到75%(按年計算),允許破壞深度為30%。

        由于區(qū)域經(jīng)濟發(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的城鎮(zhèn)需水量則達到了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)度目標及約束條件,構建優(yōu)化模型。

        3.1 聯(lián)合調(diào)度規(guī)則

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

        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)每個時段初虛擬聚合水庫的蓄水量制定如下決策:當水位位于Ⅰ區(qū)時,所有用水均正常供水;當水位位于Ⅱ區(qū)時,城鎮(zhèn)用水正常供給,農(nóng)業(yè)用水按0.7限制供水;當水位位于Ⅲ區(qū)時,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;當水位位于Ⅳ區(qū)時,水庫不引水;當水位位于Ⅴ區(qū)時,依據(jù)水位高低在0和時段,滿引量之間進行線性內(nèi)插確定引水量;當水位位于Ⅵ區(qū)時,按照引水能力滿引。

        2)分水規(guī)則。采用動態(tài)的分水系數(shù)法對共同供水任務進行分配,以年內(nèi)每個時段的分水系數(shù)為優(yōu)化變量,按照該分水系數(shù)將時段內(nèi)的供水任務分配至兩座水庫,其計算過程如公式1所示,其中R為t時段虛擬聚合水庫的總供水任務,RA,t為碧流河庫在t時段的供水量,RB,t為英那河水庫在t時段的供水量,βA,t為t時段水碧流河水庫的分水系數(shù)。

        3.2 目標函數(shù)及約束條件

        圖1 供水-引水調(diào)度圖

        供水水庫群優(yōu)化調(diào)度的主要目標是使系統(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)此設定水庫群聯(lián)合調(diào)度模型的目標函數(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個水庫的工業(yè)保證率和農(nóng)業(yè)保證率;為第i個水庫第t個時段的棄水量為第i個水庫第t個時段農(nóng)業(yè)、工業(yè)供水的深度破壞程度;為第i個水庫第t個時段農(nóng)業(yè)、工業(yè)保證率的破壞程度;α和β是懲罰系數(shù);N為水庫數(shù);T為調(diào)度時段數(shù)。

        根據(jù)碧流河-英那河水庫群系統(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)水庫水位約束:

        3)水量平衡約束:

        式中:DSt和DSm分別為t時段的引水量、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為水庫死水位;Zi,t為第i水庫t時段水庫水位;Zlimit,i為第i水庫汛限水位;Znomal,i為第i水庫興利蓄水位;Vi,t為第i個水庫t時段水庫庫容;Ii,t為第i個水庫t時段水庫入流量;WIi,t為第i個水庫t時段引水量;Rind,i,t為第i個水庫t時段城鎮(zhèn)供水量;Ragr,i,t為第i個水庫t時段農(nóng)業(yè)供水量;Reco,i,t為第i個水庫t時段環(huán)境供水量;Li,t為第i個水庫t時段的蒸發(fā)、滲漏水量。

        4 調(diào)度結果分析

        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)度結果,并以其作為對比方案。然后,以2020年的需水量求得規(guī)劃年的調(diào)度結果;最后,供需矛盾問題,從“開源”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年的實測數(shù)據(jù),以旬為決策時段。

        4.1 現(xiàn)狀年調(diào)度結果分析

        根據(jù)現(xiàn)狀年的用水需求,按照第3節(jié)所構建的優(yōu)化調(diào)度模型進行求解,由調(diào)度結果可知:碧流河水庫年均入流量為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-英聚合水庫的城鎮(zhèn)供水保證率為100%,農(nóng)業(yè)保證率為100%。對于現(xiàn)狀年,在大伙房水庫的引水量很小的情況下保證率便達到了100%。這說明在不發(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,能夠適當保證用水需求的增長。

        4.2 規(guī)劃年調(diào)度結果分析

        根據(jù)大連市規(guī)劃設計資料,2020年大連市由碧、英兩座水庫負責的需水量達到了7億m3/a。經(jīng)多次優(yōu)化計算,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各發(fā)生了56次和39次的深度破壞。由于各項約束條件無法滿足,此方案沒有參考意義,但從此調(diào)度結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,下面將分別對兩種方案進行討論。

        1)解決方案一:“節(jié)流”。所謂“節(jié)流”即是在用水需求無法滿足的條件下,通過節(jié)水措施減少未來水資源需求量,以滿足系統(tǒng)的各項約束。因此,該方案在規(guī)劃年需水的基礎上,通過試算不斷減少城鎮(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,其計算結果如表1所示。該部分計算結果表明,若沒有其他水源的增加,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,該結果可為大連市未來的節(jié)約用水計劃及產(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比

        2)解決方案二:“開源”。所謂“開源”,即是在節(jié)水措施不能有效降低用水需求的情況下,建設新的工程措施,增加水庫群的供水能力。大伙房原引水量為3.0億m3/a,管道能力為90萬m3/d,該研究不斷增加年最大引水量,并按照比例相應增加供水管道的規(guī)模,直至滿足供水要求。經(jīng)優(yōu)化計算發(fā)現(xiàn),當引水量增加至4.2億m3(管道規(guī)模按比例增加至126萬m3/d時)可以滿足要求,此時城鎮(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)對比分析:將上述計算結果進行對比分析,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)保證率均可達到100%;然而,規(guī)劃年用水量偏大,若按照規(guī)劃的需水量進行供水,不僅保證率無法滿足要求,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;當外調(diào)水量增加至4.2億m3/a時,同時管道能力增加至115 m3/d時,可以滿足規(guī)劃用水的需求。

        表2 多調(diào)度方案計算結果對比

        5 結語

        開展碧流河與英那河水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度進行研究。首先,構建了基于虛擬聚合水庫的引水供水聯(lián)合調(diào)度規(guī)則。之后,針對用水需求增長趨勢,分析了規(guī)劃年潛在的水資源供需不匹配問題,并提出兩種解決思路:一是推求最大可供水量,通過節(jié)水措施減少未來用水;二是增加大伙房引水量,計算可滿足規(guī)劃年用水要求的引水量,通過增加引水來滿足未來用水需求。主要的研究結論有:

        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%,沒有深度破壞發(fā)生。

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

        3)按歷史來水資料來推算,碧-英兩座水庫的最大可供水量為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,同時管道規(guī)模提升到115萬m3/d。

        [1]胡堯文,鄭雄偉,等.跨流域水庫聯(lián)合供水調(diào)度研究[J].水電能源科學,2006(05):26-29.

        [2]張燕,谷長葉.遼寧省東水西調(diào)工程國民經(jīng)濟評價[J].水利科技與經(jīng)濟,1998(03):163.

        [3]周惠成,劉莎,程愛民,等.跨流域引水期間受水水庫引水與供水聯(lián)合調(diào)度研究[J].水利學報,2013(08):883-891.

        [4]張皓天.受水區(qū)供水水庫(群)優(yōu)化調(diào)度方法研究及應用[D].大連理工大學,2013.

        [5]劉娜,李昱,丁偉,等.跨流域水庫群聯(lián)合調(diào)度規(guī)則研究[J].水資源研究,2015(03):216-227.

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        1002-0624(2017)05-0059-04

        TV697

        B

        2016-11-10

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