申 林，馬羅扣，王肇優(yōu)

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200）

0 引言

南水北調(diào)工程是國(guó)家巨額投資建成的一項(xiàng)跨流域引水的大型水利工程，對(duì)于緩解我國(guó)北方地區(qū)特別是京津冀地區(qū)的干旱缺水狀況，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水補(bǔ)給，全面實(shí)現(xiàn)小康社會(huì)目標(biāo)，具有重要、長(zhǎng)遠(yuǎn)和基礎(chǔ)性的作用。項(xiàng)目建成調(diào)水運(yùn)行以來，建筑物及機(jī)組運(yùn)行可靠，為中國(guó)北方地區(qū)的用水需求提供了水資源保障，有力地促進(jìn)了灌區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，極大地提高了人民生活水平，灌區(qū)生態(tài)環(huán)境也得到了有效的改善。

但是南水北調(diào)工程運(yùn)行多年以來其原效益目標(biāo)定位已不適應(yīng)受益區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求，且未及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，不能滿足多元化用水結(jié)構(gòu)的需求，致使水資源未得到更科學(xué)的利用，年平均引水量?jī)H占設(shè)計(jì)的40%左右，工程效益未能充分發(fā)揮。本文在全面分析南水北調(diào)工程?hào)|線江蘇段水資源開發(fā)利用保護(hù)和工程運(yùn)行管理實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，將東線段湖泊及與之相關(guān)聯(lián)的泵站作為一個(gè)單獨(dú)的庫(kù)區(qū)單元，建立了多水庫(kù)水資源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，并對(duì)其進(jìn)行了仿真研究，以期提高引水工程的總供水量，減少其總棄水量和缺少量，為該工程未來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供保障。

1 梯級(jí)泵站引水流量多水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化模型設(shè)計(jì)研究

在建立多水庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化模型時(shí)，首先要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確定位，包括項(xiàng)目功能和目標(biāo)進(jìn)行定位。將工程功能定位由當(dāng)初的“發(fā)展灌溉、增產(chǎn)糧食、解決溫飽、環(huán)境城市用水”調(diào)整為“以城市開發(fā)建設(shè)為依據(jù)，以經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益最大化為目標(biāo)、統(tǒng)籌農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鄉(xiāng)生活、生態(tài)用水，面向市場(chǎng)，建立多元化供水格局，為供水區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面協(xié)調(diào)發(fā)展提供水資源支撐。其次是要突破供水范圍限定地區(qū)的局限，將供水范圍拓展到工程沿線和灌區(qū)周邊地區(qū)，突破供水對(duì)象局限于單一的農(nóng)業(yè)灌溉，實(shí)現(xiàn)工程向農(nóng)業(yè)、城鄉(xiāng)居民生活、工業(yè)及生態(tài)多元化供水的轉(zhuǎn)變；突破由季節(jié)性供水向常年不間斷供水的轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)供水的轉(zhuǎn)變[2]。最后是水資源配置的“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。即：第一步，穩(wěn)定農(nóng)業(yè)灌區(qū)規(guī)模逐年擴(kuò)大供水范圍，促進(jìn)灌溉農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收，完善渠系配套，強(qiáng)化工程維修和灌溉管理，提高水資源利用效率和灌溉效益，為供水區(qū)新農(nóng)村建設(shè)提供水資源支撐；第二步，建設(shè)調(diào)蓄水庫(kù)及配套設(shè)施，滿足以沿線的現(xiàn)代化衛(wèi)星城等二、三產(chǎn)業(yè)和居民生活用水需求；第三步，拓展城鄉(xiāng)居民生活用水市場(chǎng)，為北方城鄉(xiāng)居民提供優(yōu)質(zhì)生活水源，增加高效用水比重，全面提升引大入秦工程綜合效益。

1.1 模型的建立

對(duì)于工程而言，由于其本身的受益范圍較為廣泛，受益區(qū)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益很難用數(shù)學(xué)方法來進(jìn)行衡量。與此同時(shí)，江蘇段工程的各個(gè)梯級(jí)泵站都是使用的可調(diào)節(jié)工況的機(jī)組，因此，發(fā)生“棄水”的問題相對(duì)較少，在設(shè)計(jì)梯級(jí)泵站引水流量調(diào)度優(yōu)化模型時(shí)，選擇“系統(tǒng)總能耗最小”作為其最終的優(yōu)化目標(biāo)[3]。除此以外，在影響系統(tǒng)耗能的各個(gè)要素當(dāng)中，各個(gè)梯級(jí)泵站的水流量最為關(guān)鍵。因此，對(duì)于梯級(jí)運(yùn)行的引水工程，各個(gè)梯級(jí)泵站的水流量有著直接的關(guān)系，在運(yùn)行過程當(dāng)中，前一梯級(jí)泵站的流量除了要供給下一級(jí)泵站以外，還要滿足該區(qū)間的用水需求。

式中：Si是第級(jí)受益區(qū)用水流量，它包含受益區(qū)的流量損失；而Qi是第級(jí)泵站抽水流量。

而各級(jí)泵站的揚(yáng)程又是由其泵站的進(jìn)口水位和出口水位所決定的：

式中：Hi是第i 級(jí)泵站揚(yáng)程；而Hi2與Hi1分別為其進(jìn)口水位與出口水位。

對(duì)于梯級(jí)運(yùn)行的階級(jí)泵站而言，前一級(jí)泵站出口水位與其后面第二級(jí)泵站之間輸水河道水位以及下一階級(jí)泵站進(jìn)口水位有著密切的聯(lián)系，在具體計(jì)算當(dāng)中，可以采取水力學(xué)明渠非恒定流的方法來進(jìn)一步推算它們之間的關(guān)系。

1.2 目標(biāo)函數(shù)

在研究目標(biāo)函數(shù)時(shí)，主要是以各站總能耗最低為目標(biāo)。其計(jì)算公式為：

式中；G 為水資源調(diào)度系統(tǒng)中總?cè)鄙倭康钠椒胖?；Fk為第k 座水庫(kù)的缺水量平方值，k=1,2,3；D 為受水區(qū)的需水量；i，j 為不同的調(diào)水時(shí)間段。

1.3 約束條件

水庫(kù)調(diào)度的主要約束條件分別為：水量平衡約束、庫(kù)容約束、可供水量約束、水資源總量耦合約束、供水保證率約束以及非負(fù)條件約束，主要計(jì)算公式如下：

式中：Vt為水庫(kù)第 i 時(shí)段蓄水量，m3；LSi、Ci、EFi為水庫(kù)第 i 時(shí)段的來水量、棄水量、蒸發(fā)量、滲漏損失量，m3；SK 為可供水量，m3；模型次要約束條件見表1。

表1 模型次要約束條件

1.4 模型求解

梯級(jí)泵站引水水流量調(diào)度優(yōu)化模型的求解是一個(gè)多重決策過程。第一重決策主要是優(yōu)化分配總揚(yáng)程，使其更好的分配給各個(gè)梯級(jí)泵站；第二重決策是利用已經(jīng)分配好的各個(gè)梯級(jí)泵站的揚(yáng)程來求解各個(gè)梯級(jí)泵站的最優(yōu)運(yùn)行方式[3]。二者之間相互聯(lián)系、相互影響，共同構(gòu)成求解的整體[5]。除此以外，還可使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、微增率法來進(jìn)行求解。第一重決策使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法來進(jìn)行求解，在求解過程當(dāng)中利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃技術(shù)當(dāng)中的逆序遞推法進(jìn)行求解。

總之，梯級(jí)泵站一般在運(yùn)行啟動(dòng)過程當(dāng)中或者是工況調(diào)整過程當(dāng)中都會(huì)有一個(gè)水位、流量等水力要素協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)的過程。并且這個(gè)動(dòng)態(tài)過程可能是一種暫時(shí)狀態(tài)，也可能是一個(gè)瞬時(shí)狀態(tài)，亦或是一個(gè)十分復(fù)雜的過程[5]。在這一過程當(dāng)中，由于各個(gè)梯級(jí)泵站的出流量和進(jìn)流量存在不平衡，導(dǎo)致輸水河道水位不斷變化。在經(jīng)過短暫運(yùn)行之后，系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)相對(duì)平衡的穩(wěn)定運(yùn)行狀況。對(duì)于工程而言，其平衡運(yùn)行的時(shí)間相對(duì)較少，所以其耗能也會(huì)相應(yīng)的減少，因此，對(duì)工程本身的經(jīng)濟(jì)效益影響也會(huì)降低。

求解模型采用分解動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法（DDPA），首先根據(jù)研究問題需要將系統(tǒng)分為若干個(gè)子系統(tǒng)（依據(jù)水庫(kù)個(gè)數(shù)分類），并求解子系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值及變量的最優(yōu)解，總的目標(biāo)函數(shù)為各子系統(tǒng)供水量的最大值或缺水量最少值Y，根據(jù)Y 的數(shù)值動(dòng)態(tài)調(diào)整各子系統(tǒng)的最優(yōu)解X，最終獲得水庫(kù)在各時(shí)段的最優(yōu)供水量Xi,k。采用DDPA 算法求解多水庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型的計(jì)算流程見圖1，該算法的詳細(xì)計(jì)算過程見參考文獻(xiàn)[7]。

圖1 多水庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型DDPA 算法求解計(jì)算過程

2 結(jié)果分析

根據(jù)湖泊類型將調(diào)度系統(tǒng)分為三個(gè)庫(kù)區(qū)，分別為南四湖庫(kù)區(qū)（A）、駱馬湖庫(kù)區(qū)（B）和胡澤湖庫(kù)區(qū)（C）。3 個(gè)湖泊的死水位相差較大，分別為31.6 m、21.9 m、11.2 m。雖然洪澤湖的死水位最小，但其死庫(kù)容最大，其死庫(kù)容分別為3.64 億m3、3.9 億m3、7.2 億m3。各子系統(tǒng)按照年調(diào)節(jié)水庫(kù)考慮。采用1957 年～2000 年的徑路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)其P-Ⅲ曲線確定設(shè)計(jì)頻率下的年徑流量，減去各湖泊的蒸發(fā)量損失，從而確定來水量代表過程，最終確定以2019 年作為規(guī)劃水平年。根據(jù)水位庫(kù)容曲線得到保證率為50%、75%和95%時(shí)A 的初始庫(kù)容分別為 79319 萬(wàn) m3、79319 萬(wàn) m3、143360 萬(wàn) m3。B 的初始庫(kù)容分別為 24712 萬(wàn) m3、24712 萬(wàn) m3、50817 萬(wàn) m3。C 的初始庫(kù)容分別為 46813 萬(wàn) m3、41281 萬(wàn) m3、46080 萬(wàn) m3。在各時(shí)段調(diào)水過程中，水庫(kù)的需水量始終介于上下限制庫(kù)容之間。由于調(diào)度原則為不宜公開，在這里不做介紹。為了證明模型的可靠性及經(jīng)濟(jì)性，分別采用常規(guī)調(diào)度及優(yōu)化調(diào)度兩種模型進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模型的適用性。在受水區(qū)水資源配置時(shí)，優(yōu)先考慮生活、農(nóng)業(yè)及工業(yè)用水等，以不同的保證率向各行業(yè)供水，緩解用水量高峰時(shí)期的嚴(yán)重缺水。其計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同保證率下常規(guī)調(diào)度與多水庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度結(jié)果對(duì)比

從表2 可以看出：在不同保證率下，水庫(kù)提供的總供水量分別為 1374618 萬(wàn) m3、1495469 萬(wàn) m3、1262517 萬(wàn) m3；與常規(guī)調(diào)度相比，其供水量分別增加了 5397 m3、16134 m3、125576 m3，分別增加了0.39%、1.09%、11.05%?？倵壦糠矫鎯?yōu)化調(diào)度模型棄水量減少顯著，實(shí)現(xiàn)了供水量的經(jīng)濟(jì)性，在95%保證率下其棄水量最優(yōu)，為0，無(wú)棄水量，與常規(guī)調(diào)度相比，棄水量的減少量分別為26.11%、24.73%和100%。在缺水量方面，50%保證率下，減少量顯著，為40.5%，有效的減少的水量供給的不足，75%與95%保證率下，與常規(guī)調(diào)度相比，其總?cè)彼疁p少量分別為7.85%和1.6%?？傮w來看，本文所建立的優(yōu)化模型具有可靠的適用性，可有效大幅度減少棄水量，并增加總供水量，解決受水區(qū)的用水矛盾，提高湖泊與泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減少能源損耗。

總而言之，本文所研究的梯級(jí)泵站引水流量聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化模型實(shí)現(xiàn)了工程水資源的科學(xué)利用和保護(hù)，突破了單一農(nóng)業(yè)供水、季節(jié)性供水、供水范圍僅在秦王川地區(qū)的局限，實(shí)現(xiàn)了向農(nóng)業(yè)、城鄉(xiāng)居民生活、工業(yè)及生態(tài)多元化的供水需求，實(shí)現(xiàn)了由季節(jié)性供水向常年供水的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了供水范圍向工程沿線和灌區(qū)周邊地區(qū)的轉(zhuǎn)變；該項(xiàng)目的技術(shù)關(guān)鍵是供水區(qū)設(shè)計(jì)水平年經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展預(yù)測(cè)及水資源供需平衡分析，水資源優(yōu)化配置和項(xiàng)目總體方案調(diào)整。

3 結(jié)論

為了解決在水量調(diào)度過程中，將湖泊、泵站、河網(wǎng)等作為單一調(diào)水系統(tǒng)進(jìn)行水量分配造成的過度損耗（電力消耗、水量損失、設(shè)備維護(hù)等）問題，建立梯級(jí)泵站引水聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化模型，采用DDPA 算法進(jìn)行求解，將供水區(qū)的水源地即湖泊、河流、泵站作為整體進(jìn)行考慮，有效的提高引大入秦工程的運(yùn)行效率，減少其能源消耗，確保其安全、有序運(yùn)行。調(diào)度結(jié)果表明，新的優(yōu)化模型在各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)中均優(yōu)于傳統(tǒng)的常規(guī)調(diào)度方式，與常規(guī)調(diào)度相比，其供水量分別增加了0.39%、1.09%、11.05%。棄水量的減少量分別為26.11%、24.73%和100%。在缺水量方面,50%保證率下，減少量顯著，為40.5%，75%與95%保證率下，其總?cè)彼疁p少量分別為7.85%和1.6%，說明本文建立的模型是合理的，能有效解決受水區(qū)的用水矛盾，提高調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行效率。