耦合中期径流预报的跨流域引水受水水库引水调度图研究

曲寿飞，阎 林，卢 迪

(1.辽宁省大连市金州水利管理服务中心，辽宁 大连 116000;2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

由于我国某些流域的地域水文特点，仅靠挖掘本流域内水资源潜力无法完全解决当地水资源短缺的问题，大规模的跨流域调水已成为我国重新分配水资源、缓解缺水地区供需矛盾的重要途径。据不完全统计，国内已建重点调水工程20余项，总调水量约200多亿m3。跨流域引水工程是解决水资源空间分布不均的最有效工程措施之一。水库天然径流的随机性是跨流域引水工程受水水库优化调度的难点［1］。

跨流域引水受水水库研究成果多集中于供水任务分配、多目标协同竞争等优化问题［2-3］。文献［1］进行水库引水、供水联合优化调度，对受水水库优化调图进行了研究，提高了跨流域引水的有效性，增加了受水水库的综合效益。文献［4］对引水、供水调度图分层优化，确定了水库联合调度规则。对跨流域引水工程受水水库优化调度，以上研究均未进行预报调度方式的研究。跨流域引水工程建立后，现有调水方式不考虑预报信息，未能充分体现径流变化对引水决策的影响。应用径流预报信息，可为调度决策提供重要参考，从而提高跨流域调水的有效性。文献［5-6］在跨流域引水工程调度运行时，应用旬径流预报信息，提高了引水的有效性，但并未研究耦合旬径流预报的引水调度图。因此，需利用中长期预报信息，建立耦合预报信息的跨流域引水受水水库调度方案，增强天然来水年内、年际变化与引水量的互补性，提高水资源的利用率。本文以碧流河水库为研究对象，耦合中期径流预报，对其引水调度图进行研究，以期提高跨流域引水的有效性。

1 工程背景

大伙房水库输水应急入连工程是为解决大连市工业与生活用水供需矛盾，并改善大连地区水环境而修建的一项跨流域引水工程，建设规模为年引水3.0亿m3，工程管线规模为90万m3/d。碧流河水库作为该引水工程的受水水库，是大连市最大的水源地，是一座以城市供水为主，并兼有防洪、农业灌溉、水力发电、养鱼、旅游等综合效益的大型水利枢纽工程。水库控制流域面积2 814 km2，总库容9.34亿m3，兴利库容6.44亿m3，多年平均径流量5.57亿m3。

输入调度模型的径流数据时间尺度为旬，资料由设计院整理并提供，并已对碧流河水库上游玉石水库的蓄水进行了还原处理，保证径流系列的一致性。模拟资料选择2001年～2011年资料。水库工业与城市生活用水5.2亿m3，农业用水0.37亿m3，环境用水0.16亿m3。

2 调度模型建立

本文应用多目标优化算法进行调度图优化，通过多次长系列模拟，直到满足算法设定的模型模拟次数为止，即可得到不同调度方案的调度图。

2.1 目标函数及约束条件

根据整个供水系统中给定的需水量，通过系统内引水量调配和发挥水库群间的补偿调节作用，使工业与生活用水保证率最大，农业用水保证率最大，缺水量最小，引水量最小。调度目标函数可表示为式中，f1为工业与生活用水保证率目标;f2为农业用水保证率目标;f3为缺水目标;f4为引水目标;Pind为工业与生活供水保证率;Pagr为农业供水保证率;R(t)为水库供水量;D(t)为时段总需水量;I'i，t为i年t时段的引水量;m为年数。

约束条件为

式中，S(t)为t时段水库末库容;I'(t)为时段t的引水量;I(t)为时段t水库入流量;Sp(t)为由于汛限水位限制产生的弃水;I'max为时段引水上限;E(t)为水库蒸发渗漏损失;Sdead为水库死库容;Smax(t)为时段的水库库容上限。

2.2 调度图及规则

2.2.1 不考虑预报信息的调度图形式

不考虑预报信息的调度图形式见图1。根据引水与供水决策要求，调度图中有两类调度线，即引水线和供水限制线，具体调度规则如下:

(1)供水规则。根据时段初库容处于调度图的位置制定供水决策。当库容在农业限制线以上时，工业、农业均正常供水;当库容在农业限制线以下，工业限制线以上时，农业限制供水，工业正常供水;当库容在工业限制线以下时，工业、农业均限制供水。其中，工业与生活或农业限制供水系数分别为0.9和 0.7。

(2)引水规则。根据时段初库容处于调度图的位置制定引水决策。库容在引水线以上时，按最小引水限制引水，即不引水;库容在引水线以下时，按最大引水能力引水，即满引。

图1 不考虑预报信息调度图基本形式

2.2.2 应用中期预报调度图形式

本文选择应用旬径流预报信息。考虑旬径流预报信息时，供水调度控制线与不考虑预报信息控制线相同，而引水线控制线由时段初水库库容处于调度图的位置制定引水决策，变为根据“时段初库容+当前时段径流预报”处于调度图的位置制定引水决策。该决策方式原理即在决策时增加预报信息为判别条件，进而改进调度决策。

引水控制线设置单引水调度线和双引水调度线2种方案。单引水调度线方案引水规则与不考虑预报信息相同，仅决策变量不同;双引水调度线方案引水规则为:当“库容+预报入流”在两条引水线之间时，引水量根据库容大小在不引水与满引水量间进行线性内插;“库容+预报入流”在引水线1以上时，按最小引水限制引水，即不引水;“库容+预报入流”在引水线2以下，按最大引水能力引水，即满引。耦合旬预报信息的双引水调度线预报调度图基本形式见图2。通过多目标优化得出碧流河水库双引水线预报调度图(见图3)。

图2 双引水线预报调度图基本形式

图3 双引水线预报调度

3 模拟结果

应用2002年～2013年旬预报信息，模拟生成预报调度结果，比较各方案时段平均缺水量、引水量。调度模拟结果见表1。从表1中可知，相比不考虑预报信息的调度方案，在不缺水的条件下，应用单引水线与双引水线预报调度图年分别减少引水0.11亿m3和0.24亿m3，约为4%和9%。

表1 调度模拟结果 108m3/年

进一步结合各方案年内引水与入流的变化(见图4)，分析引水决策的合理性。从图4可知，在6月上旬开始引水，不考虑预报信息方案大于考虑预报信息方案;而7月下旬入流量虽然较大，不考虑预报信息方案引水并未出现减少。单引水线引水量位于不考虑预报方案与双引水线调度方案之间，即其引水线决定其不可部分引水，只能满引或不引。综上可见，双引水线预报调度方案为最优。

4 结论

图4 各方案年内引水与入流变化

跨流域引水受水水库耦合旬径流预报的调度形式可提高引水效率，保证不缺水的条件下，减少受水水库长距离引水量，对水库运行有重要的参考价值。相比不考虑预报信息的调度方案，本文建立的双引水线预报调度图减少引水9%，提高了水资源的利用率。相比单预报调度图形式，双引水线预报调度图形式虽增加了调度图的复杂性，但多年平均减少引水5%，为决策者提供了重要的参考信息。

［1］周惠成，刘莎，程爱民，等.跨流域引水期间受水水库引水与供水联合调度研究［J］.水利学报，2013，44(8):883-891.

［2］刘攀，郭生练，郭富强，等.清江梯级水库群联合优化调度图研究［J］.华中科技大学学报:自然科学版，2008，36(7):63-66.

［3］李昱，彭勇，初京刚，等.复杂水库群共同供水任务分配问题研究［J］.水利学报，2015，46(1):83-90.

［4］ GUO X N， HU T S，ZHANG T， et al.Bilevel model for multi-reservoir operating policy in inter-basin water transfer-supply project［J］.Journal of Hydrology，2012，424(4):252-263.

［5］习树峰，彭勇，梁国华，等.基于决策树方法的水库跨流域引水调度规则研究［J］.大连理工大学学报，2012，52(1):74-78.

［6］董霞，王本德，梁国华.基于旬径流预报信息的跨流域引水兴利调度方式的研究［J］.东北水利水电，2014，32(3):1-4.