王旨祥，王 超，雷曉輝，金鵬宇，孫嘉輝，崔 朋

（1. 河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038； 2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源所，北京 100038； 3. 河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 4. 山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061； 5. 安徽省引江濟(jì)淮集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230601）

0 引 言

在自然條件制約、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素影響下，水資源短缺、時(shí)空分配不均以及區(qū)域發(fā)展經(jīng)濟(jì)不平衡等問(wèn)題已嚴(yán)重影響了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展［1］，進(jìn)行合理的水資源配置可有效改善水資源分布問(wèn)題，對(duì)緩解水資源供需矛盾，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有顯著作用［2，3］?？缌饔蛘{(diào)水工程［4］是指橫跨兩個(gè)或多個(gè)流域之間的調(diào)水工程，實(shí)現(xiàn)流域間水資源量豐枯互濟(jì)。引江濟(jì)淮工程［5-7］由長(zhǎng)江下游向淮河中游跨流域補(bǔ)水同時(shí)兼顧沿線供水生態(tài)等需求的水資源配置工程。該工程涉及范圍廣、工程線路復(fù)雜以及閘泵庫(kù)湖諸多因素，包括水源區(qū)、受水區(qū)和調(diào)水工程等部分，在滿足目標(biāo)供水的前提下，同時(shí)需兼顧渠首取水量、受水區(qū)的用水計(jì)劃等諸多因素，考慮湖泊是一個(gè)多輸入、多輸出的重要載體，故可充分利用沿線湖泊調(diào)蓄［8，9］能力進(jìn)行取水和供水，如何在湖泊水位的限制下使湖泊進(jìn)行充分調(diào)蓄，減少受水區(qū)缺額提高調(diào)水效率，是現(xiàn)在跨流域水資源調(diào)度中亟待解決的問(wèn)題。

近期眾多國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)跨流域調(diào)水的水資源配置和優(yōu)化調(diào)度方面進(jìn)行了很多研究。萬(wàn)芳等［10］以灤河下游跨流域水庫(kù)群為例，應(yīng)用博弈論原理建立了跨流域水庫(kù)群供水調(diào)度規(guī)則的三層規(guī)劃模型，提出結(jié)合調(diào)水、引水和供水規(guī)則的水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度規(guī)則并進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。張鍇慧等［11］基于水量平衡分析構(gòu)建以缺水量最小和工程效益最大為目標(biāo)的多水源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，分析不同水源的水資源優(yōu)化配置方案。游進(jìn)軍等［12］以南水北調(diào)東線為例，針對(duì)跨流域調(diào)水配置及工程運(yùn)行調(diào)度，提出配置與調(diào)度相耦合的模擬模型，并通過(guò)外調(diào)水與本地水補(bǔ)償配置調(diào)度耦合算法提出區(qū)域工程調(diào)度方案。李瑛等［13］以引嘉濟(jì)漢-引漢濟(jì)渭跨流域調(diào)水工程為例，建立泵站-水庫(kù)-電站協(xié)同運(yùn)行調(diào)度模型并進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，制定初期和正常運(yùn)行期的水庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案與規(guī)則。在改進(jìn)優(yōu)化算法方面，孔波等［14］采用參數(shù)調(diào)整策略、領(lǐng)域變異和加速策略等方法對(duì)布谷鳥(niǎo)算法進(jìn)行改進(jìn)，建立電站-水庫(kù)-泵站群目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型并進(jìn)行求解。雷曉輝等［15］以引江濟(jì)淮為例，采用模擬模型嵌套優(yōu)化技術(shù)的方式建立年水量調(diào)度模型，基于遺傳學(xué)算法對(duì)不同水平年進(jìn)行分析并模擬出調(diào)度方案?？傮w而言，部分學(xué)者的現(xiàn)有研究多為基于水量平衡建立優(yōu)化調(diào)度模型對(duì)引水和輸水進(jìn)行調(diào)配。對(duì)調(diào)水工程協(xié)同湖泊調(diào)度的聯(lián)合調(diào)度，基于湖泊調(diào)蓄能力以“以供定需”和“以需定供”理論快速模擬滿足引水、輸水和湖泊調(diào)度多目標(biāo)的研究較少。

針對(duì)引江濟(jì)淮工程實(shí)際調(diào)度需求，在已有研究的基礎(chǔ)上，本文基于不同水平年來(lái)水預(yù)報(bào)情況、分水口門用水計(jì)劃、湖泊運(yùn)行水位約束以及閘泵過(guò)流能力等約束條件?？紤]湖泊在調(diào)水工程充當(dāng)供水單元和取水單元多個(gè)角色，以各湖泊的水位過(guò)程為決策變量構(gòu)建反向優(yōu)化模型，考慮區(qū)間來(lái)水及渠段水量損失進(jìn)行反向模擬逐段演進(jìn)出渠首引水量，模擬過(guò)程中對(duì)湖泊和閘泵的超限流量進(jìn)行修正。根據(jù)渠首引水結(jié)果基于“以供定需”理念以分水口門供水量削減率為決策變量構(gòu)建正向優(yōu)化模型，模擬工程實(shí)體引調(diào)水過(guò)程、分水口門供水量及工程運(yùn)行調(diào)度方案。本文構(gòu)建的正反雙向分層耦合模型更大程度的利用了湖泊的調(diào)蓄空間，對(duì)取用水進(jìn)行合理的調(diào)配［16-18］，制定科學(xué)合理的年水量調(diào)度方案，為引江濟(jì)淮工程調(diào)度運(yùn)行和編制調(diào)度方案提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

引江濟(jì)淮工程是由長(zhǎng)江下游向淮河中游地區(qū)跨流域補(bǔ)水，是連接長(zhǎng)江和淮河兩大水系的跨流域、跨區(qū)域的重大戰(zhàn)略性水資源配置工程。該工程主要以城鄉(xiāng)供水和發(fā)展江淮航運(yùn)為重點(diǎn)，同時(shí)兼顧灌溉補(bǔ)水和改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境，包含引江濟(jì)巢線、江淮溝通段、江水北送段三部分，輸水線路總長(zhǎng)為723 km。項(xiàng)目區(qū)涉及皖豫兩省，行政區(qū)劃包括安徽省安慶、銅陵、蕪湖、馬鞍山、合肥、六安、滁州、淮南、蚌埠、淮北、宿州、阜陽(yáng)、亳州以及河南省周口、商丘15 個(gè)市55 個(gè)縣（市、區(qū)），受水區(qū)［19］總面積7.06 萬(wàn)km2。近期規(guī)劃水平年2030 年工程多年平均引江水量34.27 億m3，其中向河南省供水量為5.41 億m3。

考慮到水量調(diào)度模型的建立及計(jì)算分析，需把引江濟(jì)淮工程進(jìn)行概化，全線的主要實(shí)體對(duì)象主要包括樅陽(yáng)站、鳳凰頸站、派河口站、蜀山站、西淝河站、闞瞳南站、西淝河北站、朱集站及龍德站等九座泵站；樅陽(yáng)節(jié)制閘、兆河節(jié)制閘、廬江節(jié)制閘、白山節(jié)制閘、派河口節(jié)制閘及東淝閘等6座閘門；菜子湖、巢湖、瓦埠湖等三大湖泊。閘泵湖泊等實(shí)體對(duì)象作為控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)地理位置進(jìn)行了概化。同時(shí)根據(jù)各地級(jí)市申報(bào)用水計(jì)劃結(jié)果概化了13個(gè)取水單元，引江濟(jì)淮工程概化圖如圖1所示。

圖1 引江濟(jì)淮工程概化圖Fig.1 Schematic diagram of the Yangtze River to Huaihe River diversion project

2 模型構(gòu)建

2.1 模型原理

2.1.1 年水量調(diào)度模型原理

年水量調(diào)度模型采用模擬模型和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合的方式，在水量平衡原理的基礎(chǔ)上嵌套智能優(yōu)化算法來(lái)構(gòu)建引江濟(jì)淮工程年水量調(diào)度模型。根據(jù)“以供定需”原則從工程末端反向模擬確定渠首的引江水量，進(jìn)而嵌套算法優(yōu)化三大湖泊的水位過(guò)程，結(jié)合反向優(yōu)化模型輸出的樅陽(yáng)泵站和鳳凰頸泵站的引江過(guò)程與泵站的實(shí)際引水能力（樅陽(yáng)、鳳凰頸泵站的引江設(shè)計(jì)流量為150 m3/s）進(jìn)行對(duì)比，修正引江過(guò)程使之滿足引江能力限制，以反向優(yōu)化結(jié)果逐旬引江過(guò)程和口門的用水計(jì)劃為邊界，口門缺額最小、湖泊水位變幅最小為目標(biāo)，構(gòu)建正向優(yōu)化模型得出逐旬引江流量、沿線閘泵的過(guò)流水量、口門逐旬分水流量及湖泊的調(diào)蓄過(guò)程，以此來(lái)指導(dǎo)引江濟(jì)淮工程編制調(diào)度方案。

2.1.2 湖泊水量平衡原理

湖泊作為多輸入、多輸出的重要載體，主要通過(guò)棄水形式進(jìn)行調(diào)蓄，湖泊水量平衡公式如下：

式中：Qin為工程入湖流量，m3/s；Qregion為區(qū)間入流量，m3/s；Qout為出湖流量，m3/s；Qdesert為湖泊棄水量，m3/s。

湖泊輸入主要包括工程引江入湖流量及區(qū)間來(lái)水量，輸出為出湖水量及湖泊棄水量。各湖泊的棄水方式各不相同，菜子湖和巢湖反排到長(zhǎng)江，瓦埠湖則正向棄水至淮河。工程可通過(guò)改變棄水和調(diào)水出湖水量的比例來(lái)對(duì)湖泊進(jìn)行靈活調(diào)蓄，以此達(dá)到減少引江水量、減少供水缺額提高水資源利用率的目的。

2.2 引江濟(jì)淮工程水量調(diào)度模擬模型

引江濟(jì)淮工程水量調(diào)度模擬模型應(yīng)用了正反雙向模擬的思路基于水量平衡對(duì)全線工程進(jìn)行水量演進(jìn)。反向模擬是從工程末端樞紐為起點(diǎn)逐步向上游倒推至樅陽(yáng)樞紐和鳳凰頸樞紐的反向模擬過(guò)程。綜合考慮工程沿線各取水口的用水需求，按照以需定供的原則逐步倒推出樅陽(yáng)、鳳凰頸樞紐的引江水量。將反向模擬出的引江水量過(guò)程與泵站的實(shí)際引江能力約束進(jìn)行對(duì)比，對(duì)超過(guò)約束的時(shí)段進(jìn)行修正使之滿足引水能力約束。正向模擬是從工程起點(diǎn)（長(zhǎng)江側(cè)）逐級(jí)水量演進(jìn)至工程末端樞紐的正方向模擬過(guò)程，根據(jù)反向模擬推算出的引江水量，考慮工程實(shí)體對(duì)象的引水能力、渠段區(qū)間來(lái)水、分水口門分水流量等約束條件，按照以需定供模擬口門的逐旬分水過(guò)程、泵站閘門逐旬過(guò)流流量及湖泊的調(diào)蓄過(guò)程。圖2為正反模擬演算流程圖，詳細(xì)步驟如下：

圖2 正反模擬演算原理流程圖Fig.2 Flow chart of forward and backward simulation calculus principle

（1）基于各湖泊區(qū)間來(lái)水以及口門需水量，充分考慮工程沿線各湖泊的調(diào)蓄能力，故以各湖泊逐旬水位過(guò)程為反向優(yōu)化模型的決策變量，耦合優(yōu)化算法在水位約束區(qū)間內(nèi)生成各湖泊的水位過(guò)程。

（2）調(diào)用反向模擬模型以工程末端（河南段）為起點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行反向推演計(jì)算，基于渠段水量平衡進(jìn)行水量演進(jìn)，以增減分水口取水流量的方式對(duì)閘泵超限流量進(jìn)行修正，逐步向上游反推省界-派河口泵站段的過(guò)流情況，途中充分利用瓦埠湖棄水，根據(jù)沿線分水口門的需水量來(lái)確定派河口泵站的逐旬過(guò)流過(guò)程。從派河口泵站按菜子湖線進(jìn)行反向水量演進(jìn)推算樅陽(yáng)樞紐的逐旬引水過(guò)程，在菜子湖棄水得到最大利用的前提下根據(jù)菜子湖線分水口門的需水要求來(lái)計(jì)算樅陽(yáng)樞紐的逐旬引江過(guò)程。西兆河線則利用巢湖的棄水反向推算出鳳凰頸泵站的逐旬引江過(guò)程。

（3）經(jīng)過(guò)反向模擬模型推算出的樅陽(yáng)、鳳凰頸樞紐逐旬引江結(jié)果與泵站實(shí)際的引水能力約束作對(duì)比，超過(guò)約束的時(shí)段對(duì)其進(jìn)行修正使之滿足泵站的引水能力約束。根據(jù)修正后的逐旬引江過(guò)程、各湖泊的區(qū)間來(lái)水和工程沿線各分水口門需水，按照以供定需的原則調(diào)用正向模擬模型，得到分水口門的取用水過(guò)程，各湖泊逐旬調(diào)蓄過(guò)程及工程樞紐逐旬過(guò)流過(guò)程。

2.3 引江濟(jì)淮工程優(yōu)化調(diào)度模型

引江濟(jì)淮工程優(yōu)化調(diào)度模型主要分為正向和反向兩個(gè)優(yōu)化模型，反向優(yōu)化調(diào)度模型以菜子湖、巢湖及瓦埠湖逐旬水位過(guò)程為決策變量，以樅陽(yáng)、鳳凰頸泵站引江水量超限最小、分水口門缺水率最小為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)反向優(yōu)化模型來(lái)確定渠首的逐旬引江水量及各湖泊的調(diào)蓄過(guò)程。正向優(yōu)化調(diào)度模型考慮分水口門分水流量、泵站閘門過(guò)流能力等約束，以分水口門取水流量系數(shù)為決策變量來(lái)優(yōu)化分水口門取用水過(guò)程。通過(guò)反向嵌套正向優(yōu)化調(diào)度模型的方式來(lái)得到完整的引江濟(jì)淮工程年水量調(diào)度方案。

2.3.1 反向優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)建

（1）目標(biāo)函數(shù)?？紤]到湖泊調(diào)蓄能力及渠首引江水量未知的情況下，以菜子湖、巢湖、瓦埠湖水位為決策變量構(gòu)建反向優(yōu)化調(diào)度模型，充分利用湖泊調(diào)蓄能力來(lái)達(dá)到減少引江水量及各分水口門缺水量的問(wèn)題。因此將湖泊水位回歸變化最小、水位超限最小和引江超過(guò)取水能力的超水量最小為目標(biāo)函數(shù)。

①水位回歸變化最小：

式中：m為調(diào)蓄湖泊的個(gè)數(shù)；T為調(diào)度期內(nèi)的總旬?dāng)?shù)，為36 旬；Zi，t+1表示第i湖泊t+ 1 旬的水位值，m；Zi，t表示第i湖泊t旬的水位值，m。

②水位超限最?。?/p>

式中：Zi，t，nomal表示第i湖泊t時(shí)段的正常蓄水位，m；Zi，t，dead表示第i湖泊t時(shí)段的死水位，m。

③總引江水量（超過(guò)引江約束的時(shí)段）最?。?/p>

式中：Qzy，t，Qfhj，t分別表示第t旬樅陽(yáng)、鳳凰頸泵站的引江流量，m3/s；Qzy，max，Qfhj，max分別表示樅陽(yáng)、鳳凰頸泵站的最大引水能力，m3/s；Δt為時(shí)段步長(zhǎng)，年水量調(diào)度模型的計(jì)算步長(zhǎng)為旬，s。

（2）約束條件。反向模型約束條件主要有分水口門的分水流量約束、湖泊入湖和出湖水量平衡約束及河道水量平衡約束。

①口門分水流量約束：

式中：Qdiv，j為第j分水口的分水流量，m3/s；Qmaxdemand，j為第j分水口的最大需水流量，m3/s。

②湖泊約束：

湖泊水量平衡約束

湖泊水位約束：

湖泊水位庫(kù)容曲線約束：

式中：Vt+1，Vt分別表示t+ 1 時(shí)刻和t時(shí)刻的湖泊庫(kù)容，m3；Qin，t，Qout，t分別表示t時(shí)刻湖泊入湖流量及出湖流量，m3/s；Δt為時(shí)段步長(zhǎng)，s。Zt，min，Zt，max分別表示在t時(shí)刻湖泊運(yùn)行的最低和最高水位，m。Zt表示在t時(shí)刻湖泊水位值，m。

③管渠水量平衡約束：

式中：Qoutdown，t，Qinup，t分別表示t時(shí)刻管渠上游斷面入流流量及下游斷面出流流量，m3/s；Qdiv，t為t時(shí)刻渠道的分水流量，m3/s；δ為率定后的水量利用系數(shù)。

2.3.2 正向優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)建

反向優(yōu)化模型主要優(yōu)化湖泊的調(diào)蓄過(guò)程及引江水量結(jié)果，但并為考慮工程閘泵約束能力及口門分水情況，需構(gòu)建正向優(yōu)化模型對(duì)口門分水進(jìn)行優(yōu)化。以反向優(yōu)化結(jié)果逐旬引江過(guò)程及口門用水計(jì)劃為邊界條件，對(duì)樅陽(yáng)、鳳凰頸泵站引江過(guò)程中超過(guò)引水能力的時(shí)段對(duì)應(yīng)分水口門取水流量進(jìn)行削減，故該正向優(yōu)化模型考慮工程閘泵過(guò)流約束及分水口分水約束條件，以相應(yīng)分水口門的分水流量削減率為決策變量，口門供水缺額最小、引江水量最小為目標(biāo)來(lái)構(gòu)建正向優(yōu)化模型。

（1）目標(biāo)函數(shù)。

缺水率最小：

式中：R代表分水口門缺水率；Di表示第i取水口的需水量，m3；Si，t代表第i取水口在t時(shí)段內(nèi)的取水量。

（2）約束條件：因正向優(yōu)化模型以口門分水流量削減率為決策變量，隨機(jī)生成變量個(gè)體進(jìn)行水量演進(jìn)，故主要考慮的約束條件為泵站、閘門的過(guò)流能力約束、湖泊水位變幅約束。

閘泵過(guò)流流量約束：

式中：Qminsec，t，Qmaxsec，t分別表示閘泵在t時(shí)刻的最大和最小過(guò)流能力，m3/s；Qsec，t為閘泵在t時(shí)刻的過(guò)流流量，m3/s。湖泊水位約束和河道水量平衡約束同反向優(yōu)化模型構(gòu)建的約束條件一致，故不在此進(jìn)行闡述。

2.4 求解算法

差分進(jìn)化算法［20-22］（Differential Evolution， DE）是一種新興的進(jìn)化計(jì)算技術(shù)，主要通過(guò)構(gòu)建非線性方程組，模擬人體染色體的基因交換過(guò)程。通過(guò)采用浮點(diǎn)矢量進(jìn)行實(shí)數(shù)編碼，主要包含種群初始化、差分變異、交叉和選擇4個(gè)步驟。該算法主要用來(lái)解決多維變量的最優(yōu)解問(wèn)題，收斂速度快，全局搜索能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

基于傳統(tǒng)差分進(jìn)化算法的個(gè)體更新機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)子代種群進(jìn)行劃分和變異因子的自適應(yīng)調(diào)整，形成自適應(yīng)參數(shù)的差分進(jìn)化算法。主要思路為根據(jù)個(gè)體適應(yīng)度把種群分為優(yōu)勢(shì)、中間、劣勢(shì)3 個(gè)種群，在之前的基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)的變異因子，不同種群采用不同的變異因子。優(yōu)勢(shì)種群中的個(gè)體采用較小的變異因子，使個(gè)體保持自身優(yōu)勢(shì)并不斷向最優(yōu)值靠近，劣勢(shì)種群則與優(yōu)勢(shì)種群相反，采用較大的變異因子防止出現(xiàn)局部最優(yōu)解并不斷逼近最優(yōu)值。中間種群采用變異因子自適應(yīng)調(diào)整策略，具體公式如下：

式中：Fi為中間種群第i個(gè)個(gè)體的變異因子；Fo，F(xiàn)w分別為優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)種群的變異因子；xi為中間種群第i個(gè)個(gè)體適應(yīng)度；max(fn)，min(fn)分別為中間種群個(gè)體適應(yīng)度的極大值和極小值。

與傳統(tǒng)的DE 算法相比，采用自適應(yīng)參數(shù)的DE 算法提高了種群多樣性，收斂速度也得到提升，在優(yōu)化結(jié)果和全局收斂性優(yōu)于傳統(tǒng)DE算法。

3 典型年調(diào)度情景集合

對(duì)規(guī)劃水平年大通站水量，用不同保證率典型年逐日水量過(guò)程進(jìn)行分析。由于引江濟(jì)淮工程涉及范圍較廣，跨長(zhǎng)江和淮河兩大流域，考慮兩大流域水文特性不同， 水源區(qū)和受水區(qū)典型年頻率不一致，故不同保證率典型年需綜合考慮水源區(qū)（長(zhǎng)江流域）和受水區(qū)（淮河流域）進(jìn)行選擇。本文根據(jù)長(zhǎng)江和淮河流域水文頻率，選取5%～95%共12 個(gè)典型年進(jìn)行分析，最終1993 年（豐水年），1981 年（平水年），1978 年（枯水年）作為水量調(diào)度計(jì)算的典型年。按照2010 年為現(xiàn)狀水平年，2030 為近期規(guī)劃水平年，2040年為遠(yuǎn)期規(guī)劃水平年設(shè)置典型年調(diào)度情景。

4 輸出結(jié)果及分析

引江濟(jì)淮工程水量調(diào)度模型的輸入主要為菜子湖、巢湖和瓦埠湖的來(lái)水預(yù)報(bào)結(jié)果、渠段區(qū)間來(lái)水、各概化分水口門的需水過(guò)程及工程約束條件。本文以2030 年規(guī)劃水平年豐水年為例對(duì)逐旬引江水量、分水口門取用水過(guò)程及湖泊調(diào)蓄過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 工程引供水結(jié)果分析

引江濟(jì)淮工程沿線分水口門的總需水量為18.22 億m3，經(jīng)模型計(jì)算結(jié)果引江水量為18.79 億m3，其中樅陽(yáng)泵站引江10.05億m3，鳳凰頸泵站引江8.74 億m3。分水口門供水量為18.22 億m3，缺水總量為0 億m3，引江濟(jì)淮工程能滿足受水區(qū)在2030 水平規(guī)劃年條件下的用水需求。

4.2 湖泊調(diào)蓄過(guò)程分析

以引江濟(jì)淮工程2030年規(guī)劃水平年豐水年為例，針對(duì)考慮湖泊調(diào)蓄的分層耦合水量調(diào)度模型結(jié)果對(duì)湖泊的入、出湖水量、棄水以及湖泊水位過(guò)程進(jìn)行分析。針對(duì)淮河的調(diào)度規(guī)則，不利用淮河水進(jìn)行調(diào)蓄，采用進(jìn)出平衡的方式進(jìn)行調(diào)度。

（1）菜子湖調(diào)度結(jié)果。菜子湖引江濟(jì)淮工程入湖水量為3.46 億m3，區(qū)間來(lái)水量為14.35 億m3，出湖水量為6.44 億m3，菜子湖棄水量為9.67 億m3。調(diào)度期結(jié)束后菜子湖庫(kù)容增加了1.61 億m3。從圖3 中可看出7 月和10 月時(shí)間段內(nèi)入菜子湖水量大于出湖水量，由于該時(shí)段內(nèi)的區(qū)間來(lái)水為負(fù)值，考慮到菜子湖的生態(tài)水位，故采用長(zhǎng)江水給菜子湖補(bǔ)水。3、5、8 月時(shí)間段內(nèi)，入湖水量與出湖水量相等，菜子湖在此時(shí)間段內(nèi)不參與調(diào)蓄，下游分水口門需水直接由引江水量提供，同時(shí)為了保證湖泊正常的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)棄水的方式降低湖泊蓄量使湖泊處于平穩(wěn)狀態(tài)。其他時(shí)段內(nèi)入湖水量小于出湖水量，表明渠首引水量不能滿足沿線口門的需水要求，需借助菜子湖的調(diào)蓄空間來(lái)達(dá)到供水要求，提高水資源的利用效率。該模型較常規(guī)優(yōu)化調(diào)度模型相比，湖泊棄水量減少了3.5 億m3，在利用湖泊調(diào)蓄的前提下使湖泊平穩(wěn)的運(yùn)行，而且通過(guò)正反雙向優(yōu)化模型對(duì)湖泊水位的優(yōu)化，逐旬水位變幅變得更小，基本控制在0.1 m 之間，見(jiàn)圖3。

圖3 菜子湖調(diào)蓄過(guò)程及水位對(duì)比情況Fig.3 The regulation and storage process and water level comparison of Caizi Lake

（2）巢湖調(diào)度結(jié)果。巢湖引江濟(jì)淮工程入湖水量為6.48 億m3，區(qū)間來(lái)水量為19.95 億m3，出湖水量為6.26 億m3，巢湖棄水量為18.69 億m3，沿線湖泊的棄水主要發(fā)生在巢湖，在調(diào)度期內(nèi)巢湖的利用水量為1.47 億m3。圖4中在第9旬水位開(kāi)始降低的原因是巢湖限制水位在第13～27 旬為6.1～6.6 m，如表1 所示。根據(jù)水量平衡原則湖泊需通過(guò)增加棄水和降低引江水量的方式降低湖泊蓄量使其在限制水位之間運(yùn)行，如圖4，棄水在第12旬有大幅度的漲幅，同時(shí)工程調(diào)水入湖量很小，以此來(lái)控制湖泊的蓄量；在第28～30旬，通過(guò)協(xié)調(diào)降低棄水和增加入湖水量的比例使水位增高。較常規(guī)優(yōu)化調(diào)度模型，該模型使巢湖的水位在約束條件下得到充分利用，巢湖的末水位偏差值0.17 m，同時(shí)逐旬水位變幅控制在0.08 m內(nèi)，水位比原模型更平穩(wěn)，見(jiàn)圖4。

表1 大通站水量分析典型年選取Tab.1 Typical year selection for water volume analysis at Datong Station

表2 引江濟(jì)淮工程各湖泊水位約束mTab.2 Water level constraints of various lakes in the Yangtze River to Huaihe River Diversion Project

表3 引江濟(jì)淮工程湖泊特征水位mTab.3 Characteristic water levels of lakes in the Yangtze River to Huaihe River Diversion Project

（3）瓦埠湖調(diào)度結(jié)果。瓦埠湖的工程入湖水量為12.43 億m3，區(qū)間來(lái)水量為9.62 億m3，出湖水量為17.93 億m3，該湖泊棄水量為4.16 億m3。在調(diào)度期時(shí)間內(nèi)，瓦埠湖庫(kù)容降低了0.05億m3。在圖5 中第4 旬到第5 旬水位明顯上升，該時(shí)段內(nèi)區(qū)間來(lái)水及下游用水需求增多，棄水為0，根據(jù)湖泊水量平衡水位明顯上升并處于高水位運(yùn)行，第12～13 旬水位驟降是因?yàn)榈?3～27 旬時(shí)段內(nèi)水位約束在17.4～17.9 m 之間，故通過(guò)增加棄水、降低工程入湖水量的方式降低蓄量使水位處于限制水位之間。該模型除第4～5，12～13 旬時(shí)間段，其余時(shí)段的逐旬水位變幅均在0.1 m 之間，并在限制水位之間處于高水位運(yùn)行狀態(tài)，見(jiàn)圖5。

圖5 瓦埠湖調(diào)蓄過(guò)程及水位對(duì)比情況Fig.5 The regulation and storage process and water level comparison of Wabu Lake

5 結(jié) 論

通過(guò)構(gòu)建考慮湖泊調(diào)蓄的正反雙向分層耦合優(yōu)化模型，以豐水年為例進(jìn)行分析計(jì)算得到引江濟(jì)淮年水量調(diào)度方案，通過(guò)分層耦合優(yōu)化調(diào)度模型與常規(guī)優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行對(duì)比分析得出以下結(jié)論：與常規(guī)調(diào)度模型相比，分層耦合優(yōu)化調(diào)度模型同樣達(dá)到受水區(qū)用水計(jì)劃需求，缺水量為0。湖泊棄水量較原模型降低了3.47 億m3，使棄水得到充分利用，且湖泊末水位偏差值較小，逐旬水位變幅普遍控制在0.1 m 以下，并在湖泊限制水位間處于高水位運(yùn)行，使湖泊調(diào)蓄空間得到最大程度的利用，而且不影響湖泊的正常運(yùn)行狀態(tài)。該模型在湖泊調(diào)蓄的作用下，通過(guò)湖泊調(diào)蓄水量滿足引水和用水的需求，對(duì)水資源進(jìn)行合理配置提高調(diào)水工程調(diào)水效率。為后續(xù)引江濟(jì)淮工程運(yùn)行調(diào)度和年水量調(diào)水計(jì)劃方案的編制提供了技術(shù)支撐。

研究基于來(lái)水情況和用水計(jì)劃已知的前提下，構(gòu)建分層耦合優(yōu)化調(diào)度模型制定出年水量調(diào)度方案，但在來(lái)水及需水未知的情況下還待進(jìn)一步研究。