王宏元 王渤權

摘要：

針對引大濟湟工程供水調度范圍廣、水利設施多樣以及工程調度目標復雜等難點，提出考慮水流演進過程的大系統(tǒng)分解協(xié)調技術，構建引大濟湟工程水量調度模型。該模型基于大系統(tǒng)協(xié)調分解理論將引大濟湟工程劃分為多個子系統(tǒng)，利用子系統(tǒng)間的水力聯(lián)系構建協(xié)同機制，獲取各項水利設施調度方案信息，并結合一維水動力模型獲取各個節(jié)點斷面的水位、流量關鍵信息。結果表明：相比于僅通過水量分配模型獲取的調度方案，采用該模型得到的方案不僅可滿足供水需求，還可實現(xiàn)對供水過程的動態(tài)跟蹤、模擬仿真，為用戶提供更為精準、科學的供水調度方案編制手段，進一步確保沿線供水安全。

關 鍵 詞：

水量調度； 水流演進； 大系統(tǒng)分解協(xié)調技術； 引大濟湟工程

中圖法分類號： TV697

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.019

0 引 言

隨著全球人口數(shù)量不斷地增加，對水資源的需求也在不斷增加。中國水資源存在時空分布不均、供需矛盾突出、調度粗獷等特點，是制約中國經(jīng)濟發(fā)展的關鍵因素［1-3］。由于中國南北地區(qū)水資源量相差較大，一系列長距離引供水工程應運而生，旨在通過引水工程改變水資源分布格局，保障全國用水需求。因此，水資源跨流域配置調度成為眾多學者研究的重點。馬立亞等［4］針對漢江流域引調水工程和水庫調度任務及特點進行統(tǒng)一建模，綜合考慮了用水總量控制及調度規(guī)則等多項約束指標，實現(xiàn)了不同河段、區(qū)域的水資源配置目標；楊柳等［5］建立了引漢濟渭與黑河引水工程聯(lián)合供水調度模型，通過設定多種調度場景，顯著提升了區(qū)域供水保證率；雷曉輝等［6］對引江濟淮工程水量調度進行了研究，通過水量平衡原理基于遺傳算法構建水資源優(yōu)化調度模型，實現(xiàn)了不同水平年下的調度方案編制；聞昕等［7］針對南水北調東線工程主要水源中長期來水預報精度不高的情況，提出了兩階段隨機優(yōu)化調度方法，克服了來水不確定對調度決策的影響，有效降低了調水成本；郭玉雪等［8-9］針對南水北調江蘇段供水調度需求，構建了多目標優(yōu)化調度模型，并提出了一種改進蛙跳算法，獲取不同來水情況下的調度方案。此外，高仕春［10］、游進軍［11］、朱彩琳［12］、Peng［13］等也對水量分配調度進行了相關的研究工作。

上述專家學者均對水資源分配研究做出了貢獻。對于大型引供水工程來說，輸水距離較長，在沿途過程中需要通過閘泵進行水量控制，以滿足沿線供水要求。但水流在長距離的演進過程中并不是剛性平移的，其流量會出現(xiàn)滯時、坦化等現(xiàn)象，且由于不同水利設施之間（隧洞、渡槽、渠道等）的銜接，導致到達分水口的水量與水量平衡算出的水量存在一定差異，影響供水保證以及沿線供水安全。因此，在編制大型引水工程供水調度方案時，不僅需要考慮水量分配需求，同時還需對關鍵斷面水流演進狀態(tài)進行捕捉，從而更加全面地獲取到每一時刻分水口供水狀態(tài)以及斷面情況，對方案執(zhí)行全過程進行模擬，確保沿線水利設施運行安全。為此，本文以引大濟湟工程為研究對象，構建考慮水流演進規(guī)律的水量分配模型，將大系統(tǒng)分解協(xié)調技術與一維水動力模型相耦合，獲取不同需水場景下的供水調度方案，提高方案編制質量，為引大濟湟工程水量調度提供技術支撐。

1 工程概況及調度任務

1.1 工程概況

引大濟湟工程位于青海省東部，是青海省內一項大型跨流域調水工程。該工程從湟水河一級支流大通河上游石頭峽建庫引水，將大通河水經(jīng)調水干渠調入湟水河一級支流北川河上游的寶庫河，以解決湟水干流水資源緊缺、供需矛盾日益突出的難題［14-15］。該工程主要由調水總干渠、黑泉水庫、北干渠一期、北干渠二期和西干渠組成。調水總干渠是引大濟湟的骨干工程，由引水樞紐、引水隧洞、出口明渠三部分組成，其中引水隧洞全長24.17 km，洞徑5 m，設計流量35 m3/s，設計年調水7.5億m3，主要任務是從大通河調取水量供給黑泉水庫。黑泉水庫是引大濟湟工程的反調節(jié)水庫，是一座以灌溉和城市供水為主，兼有防洪、發(fā)電、環(huán)保等綜合效益的大Ⅱ型水利樞紐工程，總庫容1.82億m3。北干渠一期工程位于湟水流域北岸的淺山地帶，西起黑泉水庫灌溉發(fā)電洞，途徑互助縣，止于樂都縣麻業(yè)磨溝，其中明渠及建筑物長22.72 km，隧洞總長92.11 km，每年供水量1.12億m3，工程可擴大農(nóng)業(yè)灌溉面積1.33萬hm2，擴大林草灌溉面積0.67萬hm2。北干渠二期工程由2條分干、18條支渠、7條干斗、松多水庫及田間工程組成，每年供水量為0.85億m3，工程任務以城鎮(zhèn)生活、農(nóng)業(yè)灌溉為主，總灌溉面積2.67萬hm2。西干渠工程干渠總長123.27 km，每年供水1.84億m3，主要任務是供水和灌溉，控制灌溉面積2.00萬hm2，其中農(nóng)田灌溉面積1.67萬hm2，林地灌溉面積0.33 hm2。

引大濟湟工程拓撲結構如圖1所示。

1.2 調度任務難點分析

引大濟湟工程通過黑泉水庫調節(jié)總干渠和寶庫河來水，結合當前水源狀態(tài)、水利設施邊界等相關信息，由寶庫河、北干渠工程和西干渠工程向受水區(qū)供水，以滿足受水區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的用水需求。該工程包含的水利設施對象主要有渠道、隧洞、渡槽、倒虹、節(jié)制閘、退水閘等，通過不同設施的組合銜接，實現(xiàn)沿線的輸水供水需求。

供水調度方案的編制主要根據(jù)受水區(qū)需水計劃，獲取黑泉水庫的調度運行方式，即從調度總干渠取水量、期末水庫蓄水量以及向各條供水線路的供水過程。由于工程沿線水利設施眾多，且根據(jù)地形地貌特征存在多種組合方式，而每個設施均存在各自的運行要求以及基礎特性，因此，通過黑泉水庫進行水量分配，確保水體在長距離運輸過程中滿足各項實際運行工況是本文研究的重點。

2 考慮水流演進的水量分配模型構建及求解

2.1 水量分配模型構建

由于引大濟湟工程在引供水過程中，不僅要保證沿線供水需求，同時要兼顧工程安全、生態(tài)水量等多項目標需求，結合工程項目背景，考慮到各項目標的優(yōu)先級較為鮮明，分別為防洪＞生態(tài)＞供水＞其他，同時又由于防洪和生態(tài)目標為硬性指標，可將其轉換為硬約束來進行控制。因此，本文以保障供水為主要目標，將其他相關目標轉化為約束條件限制進行模型構建，進而實現(xiàn)供水精細化調度策略的獲取。

2.1.1 目標函數(shù)

對于引大濟湟工程供水調度目標，其目標函數(shù)為在滿足供水保障天數(shù)的情況下，使得供水網(wǎng)絡供水破壞深度最小，如式（1）所示：

2.2 考慮水體演進的模型求解方法

大系統(tǒng)分解協(xié)調方法能夠較好地解決大規(guī)模多維非線性數(shù)學優(yōu)化問題［16-17］，對于一個調度方案而言，不僅關注水量分配的準確性，還關注供水方案執(zhí)行的安全性，因此方案可行與否需要關注多維度的指標。對于引大濟湟工程而言，涉及的目標主要有供水目標、水位指標以及流量指標等，因此，以供水為主要目標，將水位目標和流量目標轉換為約束進行計算，同時提出考慮水流演進的大系統(tǒng)協(xié)調分解技術模型求解方法，基于大系統(tǒng)協(xié)調分解技術對引水工程進行系統(tǒng)分解，逐級求解供水策略，并以此為邊界結合一維水動力模型獲取工程關鍵節(jié)點斷面的水位、流量過程，再以此過程進行約束判斷，反饋調整黑泉水庫供水策略，最終獲取滿足供水安全及運行要求的供水方案。具體步驟如下：

（1） 將引大濟湟工程大系統(tǒng)根據(jù)分水口位置以及用水區(qū)域劃分為n個子系統(tǒng)，設第i個分水口分水量為Qi，流量攝動步長為Δq，利用大系統(tǒng)協(xié)調分解思想逐級求解，子系統(tǒng)求解示意如圖2所示。

3 實例應用

由于北干渠二期工程以及西干渠工程尚未完全建成運行，因此本文選取引大濟湟工程北干渠一期工程為例進行沿線供水調度方案編制，北干渠一期工程沿線共有分水口31個，節(jié)制閘35個，76管線（渠道、隧洞、渡槽、倒虹吸等）共225段，用水單位4個。

從長時間尺度來看各分水口供水量會呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)，即達到供需平衡，而本文方法主要針對供水邊界發(fā)生改變到呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)期間的場景。獲取此期間水庫運行方式，選取2021年4月26日08：00至次日08：00為例進行方案計算，方案輸出時段尺度為15 min，以用水單位涉及區(qū)域對應的分水口劃分子系統(tǒng)，模型邊界參數(shù)設置如表1所列。

為說明所提方法的優(yōu)勢，設計以下兩種方案：方案1為只通過水量分配計算出來的調度方案；方案2為本文所提模型方法計算出來的方案。兩種方案對應的黑泉水庫供水方案以及子系統(tǒng)水量分配方案如表2～3所列。

由表2可知，兩個方案下黑泉水庫水量調度方案均能夠滿足期末水位控制要求，當日天然入庫流量93.39萬m3，方案1總供水量為47.52萬m3，為了滿足供水需求，需從調水總干渠調水43.13萬m3。方案2總供水量為48.60萬m3，需從調水總干渠調水44.21萬m3

從表3水量分配信息可知，兩個方案劃分的4個子系統(tǒng)均可以滿足供水需求，干渠根據(jù)各子系統(tǒng)需水量進行供水，分別為8.21萬，14.86萬，9.41萬，7.86萬m3，供水保證率均達100%。

如果單從水量分配方案來看，兩個方案均可保證水量調度需求，然而，供水計劃編制過程中還要確保沿線運行安全，因此需要進一步獲取供水過程中的水流狀態(tài)信息，為方案執(zhí)行可行性提供依據(jù)。為便于對比，分別以方案1水量分配結果為邊界，基于一維水動力模型進行求解，獲取水流運動狀態(tài)，并與方案2模型計算得到的水位過程進行對比。

對比斷面分別選取4個子系統(tǒng)的渡槽斷面（斷面1、斷面2、斷面3、斷面4），斷面最大流量為11.1 m3/s，最高水位為1.96 m，最低水位為0.70 m，兩個方案4個關鍵斷面的水位和流量過程如表4和圖4所示。

從圖4可以看出，兩個方案斷面流量過程和水位過程變化趨勢大體相似。從方案1中斷面流量過程來看，4個斷面均滿足最大容許流量11.1 m3/s的要求，但從水位來看，斷面4在第58時刻突破最低水位0.70 m 的運行要求，說明方案1盡管滿足水量分配需求，但不滿足沿線水位要求。而對于方案2，從圖4可以看出，流量和水位過程均滿足斷面運行要求。由此可見，基于模型算出來的方案（方案2）不僅滿足沿線水量需求，同時各斷面滿足沿線工程運行要求。綜上，相比于只對水量進行分配的調度方式而言，本文提出的調度方法更加科學合理，可確保引大濟湟工程供水調度方案有效執(zhí)行。

4 結 論

針對引大濟湟工程供水調度范圍廣、設施多、約束多樣等難點，本文構建了引大濟湟工程水量調度模型，并提出了考慮水流演進的大系統(tǒng)協(xié)調分解技術模型求解方法。結論如下：

（1） 通過大系統(tǒng)協(xié)調分解技術將引水工程大系統(tǒng)劃分為4個子系統(tǒng)，并結合每個子系統(tǒng)拓撲結構、水力聯(lián)系進行水量分配，獲取不同時段不同水利設施的流量過程序列，得到的水量分配方案滿足各個用水單位用水需求；

（2） 對水量分配方案進行模擬仿真，捕捉各個時刻關鍵節(jié)點斷面的水體狀態(tài)，通過對工程4個關鍵斷面的水位過程、流量過程對比可知，所有斷面水體運動狀態(tài)均滿足斷面節(jié)點約束要求，說明該模型計算得到的水量分配方案結果可行、合理。

本文所構建的模型可在滿足供水需求的情況下實現(xiàn)對引大濟湟工程供水過程動態(tài)跟蹤、模擬仿真，可有效保障供水目標、設施安全等多項調度目標，使得方案更貼近實際，可為供水調度計劃編制提供新的技術思路。

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（編輯：謝玲嫻）

Abstract：

Aiming at the difficulties such as wide range of water supply operation，diversified water conservancy facilities and complex engineering operation objectives of Datong-to-Huangshui River Water Diversion Project，a decomposition and coordination technology of large-scale system considering the flow routing process was proposed，and a water quantity operation model for this project was constructed.Based on the coordination decomposition theory of large-scale system，the whole system of Datong-to-Huangshui River Water Diversion Project was divided into multiple subsystems，and a coordination mechanism was constructed by the hydraulic connection between the subsystems to obtain the operation scheme information of various water conservancy facilities.Combined with the one-dimensional hydrodynamic model，the key information of water level and flow of each node and section was captured.The results show that compared with the operation scheme obtained by the water allocation model，the scheme obtained by this model can not only meet the water supply demand，but also realize the dynamic tracking and simulation of the water supply process.The model can provide users with more accurate and scientific methods for preparing the water supply operation plans，and further ensure the safety of water supply along the line.

Key words：

water quantity operation；flow routing；decomposition and coordination technology of large-scale system；Datong-to-Huangshui River Water Diversion Project