需水量变化的供水库群联合调度研究

李文生，徐博

（1.大连水利建筑设计研究院，辽宁大连116000；2.大连理工大学，水资源与防洪研究所，辽宁大连116000）

需水量变化的供水库群联合调度研究

李文生1，徐博2

（1.大连水利建筑设计研究院，辽宁大连116000；2.大连理工大学，水资源与防洪研究所，辽宁大连116000）

文中以大连市两个主要供水水源——碧流河、英那河水库为研究对象，开展规划水平年（2020）的水库群优化调度研究，在无法满足约束的情况下，提出“开源”和“节流”两种解决方案，并给出两种方案的调度结果。

需水变化；水库调度规则；引水与供水联合调度；优化模型

1 引言

我国水资源时空分布不均，区域水库群联合调度以及跨流域引水工程已成为缓解我国水资源短缺问题的重要手段[1,2]。目前，一些学者已经对基于跨流域调水的水库群联合调度规则展开研究：周惠成等[3]针对跨流域引水工程中供水量和引水效率如何协调的问题，开展了水库群联合调度研究；张皓天[4]针对受水水库群的供水能力和共同供水任务分配问题展开研究，建立引水和供水联合调度模型；刘娜等[5]针对跨流域供水水库群中供水保证率和破坏深度的关系展开研究，将破坏深度作为目标函数而非约束，得到更多样的调度规则；彭安帮等[6]针对跨流域水库群优化调度所存在优化变量多、求解效率低的问题，采用聚合水库的方法，对调度图的概化降维展开研究，在不降低结果合理性的前提下大大提升了搜索效率。

然而，上述研究并没有考虑区域需水量的增加趋势，以及潜在的水资源供需不平衡现象。因此，文中以大连市的碧流河水库、英那河水库为研究对象，考虑未来大连市的用水需求增长趋势，分别以“开源”和“节流”的思想，提出规划水平年的水资源配置方案，为大连市水库群的科学调度提供技术支持，同时对其他流域的相关工程提供一些新的研究思路。

2 研究流域

2.1 区域概况

大连市是中国三大经济圈中环渤海经济圈的中心城市之一[7]，但却是典型的资源型缺水城市。碧流河、英那河是主要的地表供水水源，其水资源开发利用率分别达到了48.4%和53.1%，超过了国际公认的40%警戒线[4]。考虑到城市发展用水量增加[8]、气候变化导致来水偏少[9]等因素，未来水资源供需形势将更为严峻。为此，大连市构建碧流河-英那河联合调度系统，并从大伙房水库引水，以满足日益增长的用水需求。

2.2 工程概况及拓扑结构

文中所研究对象为碧流河水库、英那河水库，二者联合为大连市区供水，另外碧流河水库从大伙房水库引水。大伙房应急入连输水工程规划的引水上限为3.0亿m3/a，工程管线规模为90万t/d[4]。

2.3 用水资料分析

大连市主要用水户包括：城镇工业与生活用水（简称城镇用水）、环境用水、农业用水。在模拟计算的过程中环境用水必须优先满足，且按100%供给，否则记为发生深度破坏。城镇用水供水优先级其次，供水保证率需达到95%（按时段计算），允许破坏深度为10%；农业用水的供水优先级最靠后，供水保证率需达到75%（按年计算），允许破坏深度为30%。

由于区域经济发展及居民生活水平提升，城镇用水量在逐年递增，根据2013年（文中的现状水平年）资料，碧流河和英那河水库的城镇需水量为4.8亿m3/a。而根据大连市的整体规划资料，在2020年（规划水平年）碧流河和英那河水库的城镇需水量则达到了7.0亿m3/a。值得注意的是，需水量的增加全部由城镇需水导致，而其他用水户的需水量不变。

3 优化调度模型

基于联合供水的基本特征，建立水库群优化调度模型。首先，建立联合调度规则的基本形式；接着，明确调度目标及约束条件，构建优化模型。

3.1 联合调度规则

将碧流河水库与英那河水库聚合成一座虚拟水库，以两座水库的库容之和作为虚拟聚合水库的库容，并参照该库容制定相应的引水决策和供水决策，再根据动态的分水规则来分配共同的供水任务。

1）供水规则与引水规则。供水、引水规则的基本形式分别如图1（a）和图2（b）所示。根据每个时段初虚拟聚合水库的蓄水量制定如下决策：当水位位于Ⅰ区时，所有用水均正常供水；当水位位于Ⅱ区时，城镇用水正常供给，农业用水按0.7限制供水；当水位位于Ⅲ区时，城镇用水、农业用水均限制供给，限制系数分别为0.9和0.7；当水位位于Ⅳ区时，水库不引水；当水位位于Ⅴ区时，依据水位高低在0和时段，满引量之间进行线性内插确定引水量；当水位位于Ⅵ区时，按照引水能力满引。

2）分水规则。采用动态的分水系数法对共同供水任务进行分配，以年内每个时段的分水系数为优化变量，按照该分水系数将时段内的供水任务分配至两座水库，其计算过程如公式1所示，其中R为t时段虚拟聚合水库的总供水任务，RA，t为碧流河库在t时段的供水量，RB，t为英那河水库在t时段的供水量，βA，t为t时段水碧流河水库的分水系数。

3.2 目标函数及约束条件

图1 供水-引水调度图

供水水库群优化调度的主要目标是使系统内的供水保证率最大，缺水量最小，弃水量最小。本文据此设定水库群联合调度模型的目标函数如下：

1）系统工业保证率最大：

2）系统农业保证率最大：

3）系统总弃水量最小：

式中：pind，i和Pagr，i为第i个水库的工业保证率和农业保证率；为第i个水库第t个时段的弃水量为第i个水库第t个时段农业、工业供水的深度破坏程度；为第i个水库第t个时段农业、工业保证率的破坏程度；α和β是惩罚系数；N为水库数；T为调度时段数。

根据碧流河-英那河水库群系统的工程特性，制定如下约束条件：

1）外调水引水量约束：

2）水库水位约束：

3）水量平衡约束：

式中：DSt和DSm分别为t时段的引水量、最大可引水量；DSY和DSYm分别为一年内的引水量以及工程规划的年最大引水量；Zdead为水库死水位；Zi，t为第i水库t时段水库水位；Zlimit，i为第i水库汛限水位；Znomal，i为第i水库兴利蓄水位；Vi，t为第i个水库t时段水库库容；Ii，t为第i个水库t时段水库入流量；WIi，t为第i个水库t时段引水量；Rind，i，t为第i个水库t时段城镇供水量；Ragr，i，t为第i个水库t时段农业供水量；Reco，i，t为第i个水库t时段环境供水量；Li，t为第i个水库t时段的蒸发、渗漏水量。

4 调度结果分析

首先，以2013年的需水情况作为输入数据，得到现状年调度结果，并以其作为对比方案。然后，以2020年的需水量求得规划年的调度结果；最后，供需矛盾问题，从“开源”和“节流”的角度提出两种解决方案，为决策者提供参考。文中所采用的入流资料为1958—2013年共56年的实测数据，以旬为决策时段。

4.1 现状年调度结果分析

根据现状年的用水需求，按照第3节所构建的优化调度模型进行求解，由调度结果可知：碧流河水库年均入流量为6.00亿m3，其中天然入流为5.56亿m3，大伙房引水量为0.44亿m3，年均供水量为3.94亿m3，年均损失和弃水量为2.06亿m3，英那河水库年均入流量为3.40亿m3，年均供水量为1.87亿m3，年均损失和弃水量为1.53亿m3，碧-英聚合水库的城镇供水保证率为100%，农业保证率为100%。对于现状年，在大伙房水库的引水量很小的情况下保证率便达到了100%。这说明在不发生极端干旱的情况下，大连市现有的水资源可供水量大于需水量，能够适当保证用水需求的增长。

4.2 规划年调度结果分析

根据大连市规划设计资料，2020年大连市由碧、英两座水库负责的需水量达到了7亿m3/a。经多次优化计算，发现规划年的需水量偏大。在得到的较优的方案中，碧-英聚合水库的城镇供水保证率为89.09%，农业供水保证率为68.42%，另外碧流河和英那河水库各发生了56次和39次的深度破坏。由于各项约束条件无法满足，此方案没有参考意义，但从此调度结果可以看出减小用水需求和增加外调水是两种解决思路，下面将分别对两种方案进行讨论。

1）解决方案一：“节流”。所谓“节流”即是在用水需求无法满足的条件下，通过节水措施减少未来水资源需求量，以满足系统的各项约束。因此，该方案在规划年需水的基础上，通过试算不断减少城镇用水量，直至获得满足保证率和破坏深度要求的最大可供水量，其计算结果如表1所示。该部分计算结果表明，若没有其他水源的增加，在规划年大约需节约用水1亿m3/a，才可满足供水要求，该结果可为大连市未来的节约用水计划及产业调整等提供了重要的参考依据。

表1 规划需水量与最大可供水量对比

2）解决方案二：“开源”。所谓“开源”，即是在节水措施不能有效降低用水需求的情况下，建设新的工程措施，增加水库群的供水能力。大伙房原引水量为3.0亿m3/a，管道能力为90万m3/d，该研究不断增加年最大引水量，并按照比例相应增加供水管道的规模，直至满足供水要求。经优化计算发现，当引水量增加至4.2亿m3（管道规模按比例增加至126万m3/d时）可以满足要求，此时城镇供水保证率为95.49%，农业供水保证率为85.97%。但是，为减少工程投资，需继续减小管径大小。经试算发现在4.2亿m3/a的引水规模下，管径规模为115万m3/d仍然可以满足碧-英规划需水的要求，其中城镇工业保证率降低至95.29%，农业保证率为75.43%。

3）对比分析：将上述计算结果进行对比分析，如表2所示。由表中数据可知：由于现状年需水量较少，其工业和农业保证率均可达到100%；然而，规划年用水量偏大，若按照规划的需水量进行供水，不仅保证率无法满足要求，而且发生多次深度破坏；最大可供水量与规划需水量之间的差距为0.97亿m3/a；当外调水量增加至4.2亿m3/a时，同时管道能力增加至115 m3/d时，可以满足规划用水的需求。

表2 多调度方案计算结果对比

5 结语

开展碧流河与英那河水库联合优化调度进行研究。首先，构建了基于虚拟聚合水库的引水供水联合调度规则。之后，针对用水需求增长趋势，分析了规划年潜在的水资源供需不匹配问题，并提出两种解决思路：一是推求最大可供水量，通过节水措施减少未来用水；二是增加大伙房引水量，计算可满足规划年用水要求的引水量，通过增加引水来满足未来用水需求。主要的研究结论有：

1）现状年大伙房引水量较小，年均引水只有0.44亿m3，且满足供水保证率要求，工业和农业保证率分别为99.95%和98.24%，没有深度破坏发生。

2）在规划需水量下，2020年所有水库均无法满足保证率要求，且发生较多的深度破坏，若要实现供需平衡，可通过减少需水量或增大外调水量来实现。

3）按历史来水资料来推算，碧-英两座水库的最大可供水量为6.03亿m3/a，在规划年需节约用水0.97亿m3/a。若保持用水需求不变，需要大伙房年引水量上限由3.0亿m3提升至4.2亿m3，同时管道规模提升到115万m3/d。

［1］胡尧文，郑雄伟，等.跨流域水库联合供水调度研究［J］.水电能源科学，2006（05）：26-29.

［2］张燕，谷长叶.辽宁省东水西调工程国民经济评价［J］.水利科技与经济，1998（03）：163.

［3］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（08）：883-891.

［4］张皓天.受水区供水水库（群）优化调度方法研究及应用［D］.大连理工大学，2013.

［5］刘娜，李昱，丁伟，等.跨流域水库群联合调度规则研究［J］.水资源研究，2015（03）：216-227.

［6］彭安帮，彭勇，周惠成.跨流域调水条件下水库群联合调度图概化降维方法研究［J］.水力发电学报，2015（05）：35-43.

［7］荆艳东.大连市海水入侵区地下水系统保护标准及确定方法［D］.河海大学，2005.

［8］郎连和，李敏，何斌，等.变化条件下大连市水资源可持续利用状态评价［J］.水电能源科学，2012（09）：43-46.

［9］祝雪萍.跨流域引水与水库供水联合调度及变化条件对其影响研究［D］.大连理工大学，2013.

1002－0624（2017）05－0059－04

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2016-11-10