碧流河水库与英那河水库联合优化调度研究

李智慧

(辽宁省水利水电勘测设计研究院 沈阳 110006)

张 茹 王金伟

(大连市供水有限公司 116021)

1 研究意义

一直以来，英那河、碧流河水库承担着大连市的防洪、供水、改善生态环境等多项综合利用任务，对大连市水资源系统的可持续发展发挥了重要作用。但是英那河、碧流河水库原有的运用方式和调度图不能满足大伙房输水应急入连工程实施后的调度需要。主要原因如下:

a.随着大伙房输水应急入连工程的规划实施，碧流河水库作为这一跨流域调水工程的中转水库承接大伙房水库的调水，将与英那河水库一同负责对大连市日益增长的城市供水。

b.水库设计过程中没有考虑下游生态用水的适当补给，造成下游生态用水的紧缺。

c.碧流河水库和英那河水库原有运行方式是单库运行，现在需要考虑两个水库和大伙房输水工程的联合运用问题。

英那河与碧流河水库运行方式是否合理不仅对大连市社会经济可持续发展产生深远的影响，而且将是决定流域间水资源能否得到优化配置的关键因素之一。调度图是指导水库科学、合理运行的重要工具，因此研究并提出英那河、碧流河水库合理运行方式并绘制两水库调度图对大连市的社会经济发展，对大伙房输水应急入连工程效益的发挥均有重要意义。

2 碧流河、英那河水库联合优化调度方案

2.1 碧流河水库概况

碧流河水库是大连市最大的水源地，位于碧流河干流上。碧流河发源于盖州市卧龙泉镇的新开岭，于普兰店市城子坦镇谢家屯流入黄海，碧流河总长156km，流域面积2814km2，坝址以上控制流域面积2085 km2，占全流域的74.1%。，总库容9.34亿m3。坝址以上多年平均径流量6.14亿m3。碧流河水库是一座以城市供水为主，兼有防洪、发电、养鱼、灌溉、旅游等综合效益的多年调节大(2)型水利枢纽工程。水库主要负责大连城市直供工业的部分供水、下游工业供水，并保证下游河道有一定的基本流量作为生态环境用水。

2.2 英那河水库概况

英那河水库主要负责大连城市直供工业的部分供水与英那河水库下游的农业供水，并保证下游河道有一定的基本流量作为生态环境用水。当水库发生弃水时，生态环境用水可由弃水补充，不足部分由水库另行支出。

2.3 碧流河与英那河水库联合调度方案

碧流河、英那河水库并联共同完成对大连城市直供需水的供给。通过构建碧—英虚拟聚合水库，编制联合调度图，确定每个调度时段对大连城市的直供供水量，之后通过补偿调节的调度规则分配每个水库各自对大连城市直供需水的供水任务。因为英那河水库兴利库容比碧流河水库小得多，因此将碧流河水库确定为补偿调节水库，在英那河水库不足以完成直供供水任务的情况下，碧流河水库通过补偿调节与英那河水库共同完成该任务。在英那河水库有能力独立完成直供供水任务的情况下，碧流河水库不再参与此项任务。

所构建的虚拟聚合水库除了不具备一定的物理形态，即没有一定的面积特性和容积特性外，其他方面无异于一般现实水库。聚合水库蓄水上、下限水位对应蓄水量等于混联水库群各成员水库蓄水上、下限水位对应蓄水量之和，聚合水库各时段蓄水量等于相应时段的各成员水库蓄水量之和。在联合调度过程中，聚合水库遵循如下的水量平衡方程:

以构建的虚拟聚合水库为基础，编制联合调度图。采用粒子群算法(PSO)，以调度线位置为决策变量，依据水库模拟调度结果优劣，优化确定联合调度图。

3 碧流河、英那河水库联合优化调度规则

因为碧—英聚合水库仅由大连直供供水确定，因此联合调度图由4 条线(死水位线、大连城市直供限制供水线、大连城市直供加大供水线、正常或防洪限制线)、5个调度区［死水位线以下(Ⅰ区)、大连城市直供限制供水区(Ⅱ区)、正常供水区(Ⅲ区)、大连城市直供加大供水区(Ⅳ区)、正常或防洪限制线以上(Ⅴ区)］构成。当水库状态处于Ⅴ区时，水库弃水并给城市直供加大供水;当水库状态处于Ⅳ区时，水库给城市直供加大供水;当水库状态处于Ⅲ区时，水库给城市直供工业正常供水;当水库状态处于Ⅱ区时，水库给城市直供工业限制供水;水库状态不能跌破死水位，当水库状态处于Ⅰ区时该调度规则失败。大连城市直供加大供水系数均采用1.02，限制供水系数为0.90，供水要求保证率为95%以上。

本研究采用补偿调节的调度规则分配两个水库各自对大连城市直供需水的供水任务。因为英那河水库兴利库容比碧流河水库小得多，因此将碧流河水库确定为补偿调节水库，在英那河水库不足以完成直供供水任务的情况下，碧流河水库通过补偿调节与英那河水库共同完成该任务。在英那河水库有能力独立完成直供供水任务的情况下，碧流河水库不再参与此项任务。

基于英那河水库的下游直供农业供水调度图由4条线(死水位线、英那河直供农业限制供水线、英那河直供农业加大供水线、正常或防洪限制线)、5个调度区［死水位线以下(Ⅰ区)、英那河直供农业限制供水区(Ⅱ区)、正常供水区(Ⅲ区)、英那河直供农业加大供水区(Ⅳ区)、正常或防洪限制线以上(Ⅴ区)］构成。当水库状态处于Ⅴ区时，水库弃水并给英那河直供农业加大供水;当水库状态处于Ⅳ区时，水库给英那河直供农业加大供水;当水库状态处于Ⅲ区时，水库给英那河直供农业正常供水;当水库状态处于Ⅱ区时，水库给英那河直供农业限制供水;水库状态不能跌破死水位，当水库状态处于Ⅰ区时该调度规则失败。英那河直供农业加大供水系数均采用1.02，限制供水系数为0.70，供水要求保证率为75%以上。

碧流河调水规则如下:当碧流河水库蓄水量高于限制供水线时，则不需要调水;如果碧流河水库蓄水量低于限制供水线，则这个时段需要从大伙房水库调一部分水入碧流河水库。

4 碧流河、英那河水库联合优化调度模型

4.1 目标函数

在大连市城市直供、生活用水与英那河水库农业直供供水保证率接近要求保证率(工业生活供水要求保证率为95%，农业供水保证率为75%)的条件下，大连城市直供水量多年平均值最大。即

式中 Rdomestic——大连城市直供供水保证率;

Ragricu1tra1——直供农业供水保证率;

D——大连市城市直供多年平均供水量;

DS——碧流河水库调水量;

1imitup——大连市城市直供多年平均供水量上限值;

ratio1、ratio2、ratio3、ratio4——权重系数。

4.2 决策变量

碧流河、英那河水库联合优化调度模型决策变量包括聚合水库联合调度图调度线位置、英那河水库农业供水调度图调度线位置和碧流河水库调水限制线位置。

4.3 约束条件

a.时段水量平衡方程:

b.水库上、下限约束:

c.弃水、缺水约束:

缺水量约束

d.最小破环深度约束:

e.水库水位Z 与蓄水量S 关系及水位Z 与水库水面面积A 关系约束:

f.调水量约束:

以上式中 t——时段序列号，t=1，…，N;

St、St+1——t 时段初、末水库蓄水量，万m3;

It——t 时段的入库径流量，万m3;

IWVt、AWVt——t 时段的直供水量、农业需水量，万m3;

Dt——水库供水量(包括大连城市直供供水和农业供水);

ECt、Et——t 时段的环境生态用水量、水库损失，万m3;

SUt、DEt——t 时段的弃水量、缺水量，万m3;

DSt——t 时段的调水量;

DSmax——最大允许调水量;

α1、α2——直供工业与农业供水破环深度，一般取10%、30%;

V0——死水位对应的库容，万m3;

Vc、Vn——汛期、非汛期的上限水位对应的库容，万m3。

5 碧流河、英那河水库联合优化调度计算结果

5.1 联合调度中碧流河水库计算结果

在碧—英水库联合调度中，碧流河水库对大连市的城市生活与工业多年平均供水量为45120.95万m3，日供水量为123.62万t，保证率为95.07%;对库下工业供水多年平均供水量为9.3万m3，保证率为100%;碧流河水库汛期弃水20939.31万m3，非汛期弃水162.68万m3，对下游生态环境年均补给水量为2049.70万m3。碧流河水库在1951～2003年，有33年汛期达到汛限水位，发生弃水;1951年水库运行水位最低，接近死水位。碧流河水库调度图见图1。

图1 碧流河水库调水控制线

5.2 联合调度中英那河水库计算结果

在碧—英水库联合调度中，英那河水库对大连市的城市生活与工业多年平均供水量为21071.35万m3，日供水量为57.73万t，保证率为95.07%;库下农业多年平均供水量为1765.89万m3，保证率为75.93%;英那河水库汛期弃水7645.13万m3，非汛期弃水498.59万m3，对下游生态环境年均补给水量为376.97万m3。英那河水库在1951～2003年，有29年汛期水位达到汛限水位发生弃水。英那河水库调度图见图2。

图2 英那河水库调度图