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        都江堰毗河供水工程長藤結(jié)瓜式水利系統(tǒng)的水利計算

        2018-05-15 12:07:08,,
        四川水利 2018年2期
        關(guān)鍵詞:保證率都江堰樞紐

        ,,

        (四川省水利水電勘測設(shè)計研究院,成都,610072)

        1 毗河供水工程概況

        四川省都江堰灌區(qū)毗河供水工程是都江堰水利工程的重要組成部分,其供水區(qū)位于四川盆地腹部,地處涪江、沱江兩江之間的廣大丘陵區(qū),行政區(qū)劃隸屬于成都、資陽和遂寧三市。都江堰灌區(qū)由平原灌區(qū)、盆周丘陵灌區(qū)及毗河供水區(qū)組成,其中平原灌區(qū)及盆周丘陵灌區(qū)為已建成灌區(qū),毗河供水區(qū)為規(guī)劃的最后一片擴灌區(qū)。

        毗河供水工程開發(fā)任務(wù)以城鎮(zhèn)供水和灌溉為主,兼有農(nóng)村人畜用水等綜合利用。毗河供水工程由取水樞紐、輸水總干渠、灌區(qū)囤蓄水庫、灌溉渠系及提水工程五大部分組成。工程終期(2030年)規(guī)模為灌溉面積22.2萬hm2,其中田9.53萬hm2;供水人口433萬人,其中城鎮(zhèn)人口272萬人。

        2 工程總體布局

        毗河供水區(qū)上游岷江紫坪鋪水庫是都江堰灌區(qū)的水源調(diào)節(jié)工程,通過紫坪鋪水庫的合理調(diào)度,保障都江堰灌區(qū)的綜合利用要求。紫坪鋪水庫興利庫容77400萬m3,多年平均入庫水量136.3億m3,在保證金馬河環(huán)境基流、供都江堰已成灌區(qū)及環(huán)境用水后,余水通過寶瓶口進入內(nèi)江,利用已成灌區(qū)輸水渠道的輸水能力,輸水至毗河供水區(qū)取水口[1]。

        毗河供水區(qū)服從都江堰管理局的水量計劃與調(diào)配,只有通過上游紫坪鋪水庫的優(yōu)化調(diào)度及水量調(diào)出區(qū)都江堰已成灌區(qū)的水資源合理配置,才有余水保障毗河供水區(qū)的需水要求[2]。為充分利用毗河來水,滿足供水區(qū)的保證率要求,降低渠道設(shè)計規(guī)模,節(jié)省投資,提高工程效益,毗河供水工程采用長藤結(jié)瓜水利系統(tǒng),由于毗河是利用已成灌區(qū)余水,來水主要集中在汛期,而需水高峰通常在枯期,來水和需水過程不匹配,必須設(shè)置囤蓄水庫才能滿足用水需求。在非灌溉季節(jié),利用渠道(藤)充囤水庫(瓜),引入水庫存蓄起來,供灌水高峰期使用,彌補引入水量的不足;在灌溉季節(jié),尤其是用水緊張時,渠道水和囤蓄水庫水同時灌田、供水,提高了灌溉、供水保證率。

        毗河供水工程主要水源來自總干渠首毗河茍家灘,水庫之間的調(diào)水均需通過總干渠輸水充入各囤蓄水庫才能解決本灌區(qū)的水源問題。為此灌區(qū)分片范圍,立足于各分片灌區(qū)獨立供水、局部優(yōu)選的原則,確定全灌區(qū)的合理囤蓄水庫布局方案。根據(jù)灌區(qū)水文、地形、囤蓄水庫建設(shè)條件、干旱及種植習(xí)慣等特點,毗河供水區(qū)分8片,分別由踏水、趙家溝、新生、寶石、丹山、書房壩、朝陽和關(guān)刀橋等8個囤蓄水庫充水調(diào)節(jié)供水。毗河供水工程布局見圖1。

        圖1 毗河供水工程布局示意

        3 毗河供水工程多目標(biāo)規(guī)劃模型(MOP)

        長藤結(jié)瓜式水利系統(tǒng)。一般由三部分組成:一是渠首取水樞紐工程;二是輸、配水渠道系統(tǒng)(稱之為藤);三是灌區(qū)內(nèi)部的囤蓄水庫(稱之為瓜)[3]。

        根據(jù)毗河供水工程的工程布局,踏水、趙家溝、新生、寶石、丹山、書房壩、朝陽等7個囤蓄水庫從干渠直接取水,關(guān)刀橋通過朝陽干渠取水與朝陽水庫串聯(lián)。由此毗河供水工程的囤蓄水庫與總干渠及取水樞紐構(gòu)成一個長藤結(jié)瓜的大系統(tǒng),全系統(tǒng)共分為8個供需平衡節(jié)點,即踏水(節(jié)點1)、趙家溝(節(jié)點2)、新生(節(jié)點3)、寶石(節(jié)點4)、書房壩(節(jié)點5)、丹山(節(jié)點6)、朝陽(節(jié)點7)、關(guān)刀橋(節(jié)點8)。

        作為一個大型長藤結(jié)瓜式水利系統(tǒng),其水利計算的基本思路為:在來水一定的情況下,通過干渠和各片囤蓄水庫的合理調(diào)度,滿足供水和灌溉的設(shè)計保證率要求,提高水資源的利用效率,減少工程規(guī)模和投資,實現(xiàn)囤蓄水庫與渠道整體規(guī)模的最優(yōu)。

        由此可見,毗河供水工程水利計算屬于多目標(biāo)和多約束的優(yōu)化模型(MOP,multi-objective promgramming)問題。根據(jù)毗河供水工程的實際情況,主要考慮供水保證率、工程總投資兩個因子作為規(guī)劃目標(biāo):

        (1)供水保證率以滿足于供水區(qū)各片的最低供水保證率為目標(biāo)。根據(jù)規(guī)范,本工程灌溉保證率取70%,工業(yè)、生活保證率取90%;

        (2)工程總投資以滿足工程功能要求的最小投資為目標(biāo)。工程投資按照取水樞紐、各段輸水渠道和囤蓄水庫的規(guī)模投資曲線確定。

        取水樞紐、各段渠道和囤蓄水庫的規(guī)模等指標(biāo)作為約束變量。為了降低模型的復(fù)雜程度,提高計算效率,并使各計算結(jié)果符合工程要求。計算中根據(jù)工程的實際情況,設(shè)置各規(guī)模參數(shù)的上下限,并以適當(dāng)?shù)牟介L擬定參數(shù)。以取水樞紐規(guī)模為例,分別擬定了55m3/s、60m3/s、65m3/s、70m3/s、75m3/s、80m3/s、85m3/s等7個方案進行分析。而囤蓄水庫的水位按照各節(jié)點水庫最高充水高程作為正常水位上限,按照各水庫的建設(shè)條件、供水區(qū)灌面高程分布及泥沙淤積的要求作為下限,設(shè)置適合步長,分別擬定各個囤蓄水庫的規(guī)模方案。

        對于整個毗河供水系統(tǒng),增大囤蓄水庫規(guī)模增加了水庫的調(diào)蓄能力,相應(yīng)的取水樞紐和渠道的規(guī)模將減小;反之增大取水樞紐和渠道規(guī)??梢詼p少對水庫的調(diào)節(jié)庫容的需求,相應(yīng)的囤蓄水庫的規(guī)模將減小。通過多目標(biāo)規(guī)劃模型可以優(yōu)化取水樞紐、各段輸水渠道和囤蓄水庫規(guī)模之間的組合,求得總投資最省的方案。

        4 毗河供水工程水利計算

        根據(jù)規(guī)范,毗河供水工程的水利計算應(yīng)采用長系列計算。毗河取水樞紐具有完整41年(1966年~2007年)的逐旬可引水量資料。各片囤蓄水庫除少量自身攔截的天然來水外,主要來水依靠渠首分配,因此調(diào)節(jié)計算首先要對各片進行配水。各片區(qū)配水的比例直接影響各個片區(qū)的保證率和水資源的利用效率。如果分配不當(dāng),配水不足的片區(qū)會因為可供水量不足而破壞,配水過多的片區(qū)則可能產(chǎn)生棄水。

        長系列調(diào)節(jié)計算過程中,不同時段渠首來水量,各片區(qū)需水以及各囤蓄水庫的蓄水量情況均不同,因而不能采用單一的分配比例進行配水,必須根據(jù)不同時段來水和各囤蓄水庫的運行實時情況進行動態(tài)分配。

        為此,毗河供水工程的水利計算中還采用了動態(tài)規(guī)劃模型(DP,dynamic-programming),調(diào)節(jié)計算中對配水過程進行動態(tài)優(yōu)化,發(fā)揮囤蓄水庫的調(diào)節(jié)功能,充分利用水量,減少棄水,優(yōu)化配水方案。

        動態(tài)規(guī)劃模型以最優(yōu)的供水利用效率為目標(biāo),以各片區(qū)的配水比例為決策變量,構(gòu)建動態(tài)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型。計算過程中,按照各年逐旬劃分階段,動態(tài)分配各片區(qū)水量,通過系列過程計算,求得長系列中最優(yōu)的配水過程。

        按照以上方法,將動態(tài)規(guī)劃模型和多目標(biāo)規(guī)劃模型進行耦合。把長系列計算的動態(tài)優(yōu)化的配水過程帶入多目標(biāo)規(guī)劃模型,通過模型求得最優(yōu)的取水樞紐、各段輸水渠道和囤蓄水庫規(guī)模方案組合及對應(yīng)的保證率和工程總投資。

        利用41年長系列來水、用水資料進行計算,得出毗河供水工程最優(yōu)方案為取水樞紐引水規(guī)模60m3/s,總囤蓄水庫興利庫容3.6億m3。

        5 結(jié)論

        (1)毗河供水工程作為長藤結(jié)瓜式水利系統(tǒng),其水利計算較復(fù)雜。取水樞紐、渠道和囤蓄水庫規(guī)模的選取相互關(guān)聯(lián),有多個目標(biāo)需要優(yōu)化,故采用多目標(biāo)規(guī)劃模型;

        (2)長系列調(diào)節(jié)計算是一個動態(tài)過程,配水過程采用動態(tài)規(guī)劃模型優(yōu)化,以發(fā)揮囤蓄水庫調(diào)節(jié)功能,充分利用來水,減少棄水,優(yōu)化配水方案;

        (3)為合理確定渠道和囤蓄水庫規(guī)模,把動態(tài)規(guī)劃模型和多目標(biāo)規(guī)劃模型進行耦合,從而計算出投資最省的方案組合。

        參考文獻

        〔1〕肖志娟,李 霞.論調(diào)水工程中調(diào)水規(guī)模的合理性[J].四川水力發(fā)電,2013,32(1):1-3.

        〔2〕肖志娟,李 霞.跨區(qū)域調(diào)水工程水資源統(tǒng)一管理實踐——以都江堰灌區(qū)毗河供水工程為例[J].中國水利,2003(10):17-18.

        〔3〕張京恩,劉冬梅,韓元元.水庫群的長藤結(jié)瓜灌溉系統(tǒng)的水量平衡與調(diào)節(jié)[J].人民長江,2009(17):11-13.

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