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        鄂北地區(qū)水資源配置工程水資源配置模型研究及調(diào)度方案比選

        2020-11-18 08:45:17何永煜馮小慶王賢斌
        水利水電快報 2020年10期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化配置

        何永煜 馮小慶 王賢斌

        摘要:為了對鄂北地區(qū)水資源配置工程受水區(qū)(唐東地區(qū)、隨州府澴河北區(qū)和大悟澴水區(qū))和唐西引丹灌區(qū)的當?shù)厮Y源與外引水進行聯(lián)合調(diào)度,構(gòu)建了鄂北工程水資源配置模型。分別擬定了以系統(tǒng)缺水量最小、系統(tǒng)總棄水和總?cè)彼訖?quán)最小及系統(tǒng)總棄水最小為目標函數(shù)的3種計算方案。方案計算成果對比分析表明,方案2供水保證率、引水利用率適中,確定作為推薦方案。在初設批復的水量下,方案2可滿足生活、工業(yè)及農(nóng)業(yè)灌溉的需求,且供水保證率可達到設計要求。

        關(guān)鍵詞:水資源配置;配置模型;優(yōu)化配置;供水保證率;聯(lián)合調(diào)度;鄂北地區(qū)水資源配置工程

        中圖法分類號:TV213.4

        文獻標志碼:A

        DOI:10.15974/j .cnki.slsdkb.2020. 10.005

        1 工程背景

        鄂北地區(qū)水資源配置工程(以下簡稱“鄂北工程”)自丹江口水庫清泉溝隧洞引水,輸水線路全長269.672 km,多年平均引水量7.70億m3,渠首設計引水流量為38m3/s。干渠穿越襄陽市的老河口市、襄州區(qū)、棗陽市,隨州市的隨縣、曾都區(qū)、廣水市以及孝感市的大悟縣[1]。

        2 研究目的及范圍

        本文通過建立鄂北工程水資源優(yōu)化配置模型,對該工程受水區(qū)和唐西地區(qū)的本地水資源與外引水進行聯(lián)合調(diào)度,在使鄂北工程受水區(qū)和唐西地區(qū)缺水量最小、供水保證率達到最高的目標下,提出鄂北工程水資源配置方案。

        研究范圍為受水區(qū)(唐東地區(qū)、隨州府澴河北區(qū)和大晤澴水區(qū))和唐西引丹灌區(qū)。研究范圍見圖1。

        3 技術(shù)方案

        3.1 建立水資源優(yōu)化配置模型

        (1)水資源系統(tǒng)供需分析網(wǎng)絡。以行政區(qū)劃為主、水系為輔,對受水區(qū)進行分片。將鄂北工程受水區(qū)劃分為27個計算單元;唐西引丹灌區(qū)僅作為一個分水口門,概化為一個計算單元。

        (2)優(yōu)化配置目標。構(gòu)建合適的目標函數(shù),既能反映決策者的意愿,又能使多目標函數(shù)模型具有總體最佳解。

        3.2 方案比選

        根據(jù)不同的優(yōu)化目標,提出配置方案并進行分析比較,以確定最優(yōu)配置方案。

        4 水資源優(yōu)化配置研究

        4.1 優(yōu)化配置原則

        將鄂北工程當?shù)氐牡乇硭⒌叵滤c工程外引入水量聯(lián)合運用,實現(xiàn)豐枯互補,以滿足唐西地區(qū)和鄂北工程受水區(qū)的用水要求,主要原則包括:①水量調(diào)度服從防洪調(diào)度,保證防洪安全;②充分利用引入水量及當?shù)厮Y源量;③供水順序為生活、河道內(nèi)生態(tài)基流、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等用水,富余水量用于充蓄受水區(qū)內(nèi)的水庫;④盡量減少棄水,提高鄂北工程引水利用率。

        4.2邊界條件

        4.2.1 渠首可引水過程

        鄂北工程可引水過程采用初步設計批復的鄂北工程受水區(qū)和唐西地區(qū)的引水過程,總水量為16.78億m3。

        4.2.2計算系列

        計算系列與南水北調(diào)中線工程規(guī)劃一致,采用1956年5月至1998年4月,共42 a。

        4.2.3輸水損失系數(shù)

        (1)總干渠輸水損失系數(shù)。總干渠輸水損失系數(shù)參考南水北調(diào)等工程,分段取值,其中渠首至夾河套輸水損失系數(shù)采用0.985;夾河套至華陽采用0.975;華陽河至封江口采用0.980;封江口水庫至王家沖采用0.980。唐西總干渠輸水有效利用系數(shù)采用0.940。

        (2)用水戶損失系數(shù)。用戶損失系數(shù)采用分層取值調(diào)算,生活工業(yè)用水損失系數(shù)取0.90,農(nóng)業(yè)灌溉用水損失系數(shù)考慮田間及渠系后綜合取0.64。

        4.2.4徑流與需水系列

        徑流系列與需水系列均為1956年5月至1998年4月。需水系列分為城鎮(zhèn)居民、農(nóng)村居民、第三產(chǎn)業(yè)、大小牲畜、河道外生態(tài)用水,河道內(nèi)生態(tài)需水、灌溉需水。

        4.3 拓撲關(guān)系建模

        將整個水資源系統(tǒng)分成供水、需水和輸水等子系統(tǒng)。對供水子系統(tǒng)和需水子系統(tǒng)可進一步分層(如圖2所示)。

        水資源系統(tǒng)由用水戶、水源、節(jié)點、河流、計算單元組成(便于水量平衡)。這些對象之間存在著復雜的水力聯(lián)系,如節(jié)點與節(jié)點的源匯關(guān)系、水源與用戶的供需關(guān)系等。

        4.4優(yōu)化配置模型

        4.4.1 目標函數(shù)

        以提高鄂北工程外引水及本地水資源利用效率為目標函數(shù),充分利用本地水資源,減少系統(tǒng)總?cè)彼亢蜅壦縖2]。為此,建立以總棄水量和系統(tǒng)總?cè)彼孔钚槟繕说膬?yōu)化模型:水的重視程度。λ =0時,表示模型主要考慮降低缺水,此時調(diào)水量較多;λ越大表示模型對調(diào)水的經(jīng)濟成本考慮越重要,此時調(diào)水量逐漸減少,一般可依據(jù)決策者對用戶缺水以及水源棄水之間的決策偏好影響設定λ的取值。

        用戶權(quán)重系數(shù)aj反映用戶的重要性,由區(qū)間權(quán)重系數(shù)和用戶間的權(quán)重系數(shù)組成。分區(qū)間的權(quán)重系數(shù)可結(jié)合分區(qū)的經(jīng)濟水平、人口總量、政治影響等因素綜合確定,用戶間的權(quán)重系數(shù)主要依據(jù)生活、生產(chǎn)、生態(tài)等不同用戶優(yōu)先供水的次序級別進行設定。一般情況下,模型將自動依據(jù)系數(shù)差異實施依次差額分配水量。目前,考慮到公平性原則,不同分區(qū)間的同一用戶權(quán)重系數(shù)設置為一致;同一分區(qū)的不同用戶間設置規(guī)則如下:用戶供水優(yōu)先級別為生活用水>生態(tài)用水>工業(yè)用水>農(nóng)業(yè)用水,對應權(quán)重系數(shù)分別為0.4,0.3,0.2,0.1。

        4.4.2 約束條件

        以上所有變量均為非負。

        4.4.3 模型求解

        影響目標函數(shù)值的是第j用水戶第t時段的缺水量STj.t缺水量又取決于用戶接收的供水量Sj.t它是由水庫的出庫水量決定的,所以模型的決策變量為出庫水量。采用Lingo (Linear Interactive and Cen-eral Optimizer)非線性規(guī)劃模型求解,其全稱為交互式的線性和通用優(yōu)化求解器,是一套用來快速、方便和有效構(gòu)建并求解線性、非線性及整數(shù)最優(yōu)化模型的功能全面的工具,包括功能強大的建模語言,建立和編輯問題的全功能環(huán)境,讀取、寫入Excel和數(shù)據(jù)庫的功能。

        4.5 水資源優(yōu)化配置成果

        根據(jù)建立的鄂北工程受水區(qū)及唐西地區(qū)聯(lián)合水資源優(yōu)化配置模型,在外引水與本地水聯(lián)合調(diào)度時,外引水與本地水資源利用效率與用戶供水保證率是相互影響的。一般來說,用戶保證率高,系統(tǒng)缺水量小,但此時由于工程需要多引水可能會導致棄水增加,不利于提高工程水資源利用效率。因此,為提高鄂北工程,外引水及本地水資源利用效率,分別擬定以下方案,并進行比選。

        (1)方案1。系統(tǒng)缺水量最小,提高用戶供水保證率,此時不考慮水庫棄水量影響。

        (2)方案2。總棄水量與總?cè)彼考訖?quán)和最小,此時同時考慮供水保證率和水資源利用效率影響。

        (3)方案3??倵壦孔钚。岣咄庖c本地水水資源利用效率。

        本文以設計水平年為例,對擬定方案進行比較,結(jié)果見表1。

        由表1可知,方案1供水保證率最高,但引水水量偏大,棄水量增多,主要是由于充蓄水量增多所致。方案3總的引水量較小,引水利用率較高,但農(nóng)業(yè)供水保證率較低。方案2供水保證率、引水利用率適中,故推薦方案2。方案2多年平均引水總量12.98億m3,其中,唐西地區(qū)多年平均引水量5.36億m3,鄂北工程受水區(qū)多年平均引水量7.62億m3;生活、工業(yè)供水保證率均在99%以上,農(nóng)業(yè)灌溉保證率均在70%以上。

        從初設批復水量下的調(diào)度成果(表2)來看,推薦方案在初設批復水量有所節(jié)余的情況下,可保障生活、工業(yè)及農(nóng)業(yè)灌溉方面的需求,保證率均達到設計保證率要求,特枯年份缺水率減少。

        5 結(jié)語

        本文對鄂北工程研究區(qū)域進行了拓撲概化,構(gòu)建了水資源配置模型;對系統(tǒng)缺水量最小、總棄水與總?cè)彼訖?quán)最小、總棄水最小3個方案進行了比選,推薦方案2。在初設批復的水量下,推薦方案可滿足生活、工業(yè)及農(nóng)業(yè)灌溉的需求,保證率均達到設計保證率要求,特枯年份缺水率減少。

        參考文獻:

        [1] 湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院.湖北省鄂北地區(qū)水資源配置工程初步設計報告[R].武漢:湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院,2015.

        [2]崔遠來,王建鵬,張自寬,等.基于動態(tài)規(guī)劃和自優(yōu)化模擬混合模型的水資源優(yōu)化配置[J-水電能源科學,2007(3):1-5.

        (編輯:李慧)

        作者簡介:何永煜,男,正高級工程師,主要從事水利工程建設管理工作。E-mail: 184083807@qq.com

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