鄂北地区水资源配置工程水资源配置模型研究及调度方案比选

何永煜 冯小庆 王贤斌

摘要：为了对鄂北地区水资源配置工程受水区（唐东地区、随州府澴河北区和大悟澴水区）和唐西引丹灌区的当地水资源与外引水进行联合调度，构建了鄂北工程水资源配置模型。分别拟定了以系统缺水量最小、系统总弃水和总缺水加权最小及系统总弃水最小为目标函数的3种计算方案。方案计算成果对比分析表明，方案2供水保证率、引水利用率适中，确定作为推荐方案。在初设批复的水量下，方案2可满足生活、工业及农业灌溉的需求，且供水保证率可达到设计要求。

关键词：水资源配置;配置模型;优化配置;供水保证率;联合调度;鄂北地区水资源配置工程

中图法分类号：TV213.4

文献标志码：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2020. 10.005

1 工程背景

鄂北地区水资源配置工程（以下简称“鄂北工程”）自丹江口水库清泉沟隧洞引水，输水线路全长269.672 km，多年平均引水量7.70亿m3，渠首设计引水流量为38m3/s。干渠穿越襄阳市的老河口市、襄州区、枣阳市，随州市的随县、曾都区、广水市以及孝感市的大悟县[1]。

2 研究目的及范围

本文通过建立鄂北工程水资源优化配置模型，对该工程受水区和唐西地区的本地水资源与外引水进行联合调度，在使鄂北工程受水区和唐西地区缺水量最小、供水保证率达到最高的目标下，提出鄂北工程水资源配置方案。

研究范围为受水区（唐东地区、随州府澴河北区和大晤澴水区）和唐西引丹灌区。研究范围见图1。

3 技术方案

3.1 建立水资源优化配置模型

（1）水资源系统供需分析网络。以行政区划为主、水系为辅，对受水区进行分片。将鄂北工程受水区划分为27个计算单元;唐西引丹灌区仅作为一个分水口门，概化为一个计算单元。

（2）优化配置目标。构建合适的目标函数，既能反映决策者的意愿，又能使多目标函数模型具有总体最佳解。

3.2 方案比选

根据不同的优化目标，提出配置方案并进行分析比较，以确定最优配置方案。

4 水资源优化配置研究

4.1 优化配置原则

将鄂北工程当地的地表水、地下水与工程外引入水量联合运用，实现丰枯互补，以满足唐西地区和鄂北工程受水区的用水要求，主要原则包括：①水量调度服从防洪调度，保证防洪安全;②充分利用引入水量及当地水资源量;③供水顺序为生活、河道内生态基流、工业、农业等用水，富余水量用于充蓄受水区内的水库;④尽量减少弃水，提高鄂北工程引水利用率。

4.2边界条件

4.2.1 渠首可引水过程

鄂北工程可引水过程采用初步設计批复的鄂北工程受水区和唐西地区的引水过程，总水量为16.78亿m3。

4.2.2计算系列

计算系列与南水北调中线工程规划一致，采用1956年5月至1998年4月，共42 a。

4.2.3输水损失系数

（1）总干渠输水损失系数。总干渠输水损失系数参考南水北调等工程，分段取值，其中渠首至夹河套输水损失系数采用0.985;夹河套至华阳采用0.975;华阳河至封江口采用0.980;封江口水库至王家冲采用0.980。唐西总干渠输水有效利用系数采用0.940。

（2）用水户损失系数。用户损失系数采用分层取值调算，生活工业用水损失系数取0.90，农业灌溉用水损失系数考虑田间及渠系后综合取0.64。

4.2.4径流与需水系列

径流系列与需水系列均为1956年5月至1998年4月。需水系列分为城镇居民、农村居民、第三产业、大小牲畜、河道外生态用水，河道内生态需水、灌溉需水。

4.3 拓扑关系建模

将整个水资源系统分成供水、需水和输水等子系统。对供水子系统和需水子系统可进一步分层（如图2所示）。

水资源系统由用水户、水源、节点、河流、计算单元组成（便于水量平衡）。这些对象之间存在着复杂的水力联系，如节点与节点的源汇关系、水源与用户的供需关系等。

4.4优化配置模型

4.4.1 目标函数

以提高鄂北工程外引水及本地水资源利用效率为目标函数，充分利用本地水资源，减少系统总缺水量和弃水量[2]。为此，建立以总弃水量和系统总缺水量最小为目标的优化模型：水的重视程度。λ =0时，表示模型主要考虑降低缺水，此时调水量较多;λ越大表示模型对调水的经济成本考虑越重要，此时调水量逐渐减少，一般可依据决策者对用户缺水以及水源弃水之间的决策偏好影响设定λ的取值。

用户权重系数aj反映用户的重要性，由区间权重系数和用户间的权重系数组成。分区间的权重系数可结合分区的经济水平、人口总量、政治影响等因素综合确定，用户间的权重系数主要依据生活、生产、生态等不同用户优先供水的次序级别进行设定。一般情况下，模型将自动依据系数差异实施依次差额分配水量。目前，考虑到公平性原则，不同分区间的同一用户权重系数设置为一致;同一分区的不同用户间设置规则如下：用户供水优先级别为生活用水>生态用水>工业用水>农业用水，对应权重系数分别为0.4，0.3，0.2，0.1。

4.4.2 约束条件

以上所有变量均为非负。

4.4.3 模型求解

影响目标函数值的是第j用水户第t时段的缺水量STj.t缺水量又取决于用户接收的供水量Sj.t它是由水库的出库水量决定的，所以模型的决策变量为出库水量。采用Lingo （Linear Interactive and Cen-eral Optimizer）非线性规划模型求解，其全称为交互式的线性和通用优化求解器，是一套用来快速、方便和有效构建并求解线性、非线性及整数最优化模型的功能全面的工具，包括功能强大的建模语言，建立和编辑问题的全功能环境，读取、写入Excel和数据库的功能。

4.5 水资源优化配置成果

根据建立的鄂北工程受水区及唐西地区联合水资源优化配置模型，在外引水与本地水联合调度时，外引水与本地水资源利用效率与用户供水保证率是相互影响的。一般来说，用户保证率高，系统缺水量小，但此时由于工程需要多引水可能会导致弃水增加，不利于提高工程水资源利用效率。因此，为提高鄂北工程，外引水及本地水资源利用效率，分别拟定以下方案，并进行比选。

（1）方案1。系统缺水量最小，提高用户供水保证率，此时不考虑水库弃水量影响。

（2）方案2。总弃水量与总缺水量加权和最小，此时同时考虑供水保证率和水资源利用效率影响。

（3）方案3。总弃水量最小，提高外引水与本地水水资源利用效率。

本文以设计水平年为例，对拟定方案进行比较，结果见表1。

由表1可知，方案1供水保证率最高，但引水水量偏大，弃水量增多，主要是由于充蓄水量增多所致。方案3总的引水量较小，引水利用率较高，但农业供水保证率较低。方案2供水保证率、引水利用率适中，故推荐方案2。方案2多年平均引水总量12.98億m3，其中，唐西地区多年平均引水量5.36亿m3，鄂北工程受水区多年平均引水量7.62亿m3;生活、工业供水保证率均在99%以上，农业灌溉保证率均在70%以上。

从初设批复水量下的调度成果（表2）来看，推荐方案在初设批复水量有所节余的情况下，可保障生活、工业及农业灌溉方面的需求，保证率均达到设计保证率要求，特枯年份缺水率减少。

5 结语

本文对鄂北工程研究区域进行了拓扑概化，构建了水资源配置模型;对系统缺水量最小、总弃水与总缺水加权最小、总弃水最小3个方案进行了比选，推荐方案2。在初设批复的水量下，推荐方案可满足生活、工业及农业灌溉的需求，保证率均达到设计保证率要求，特枯年份缺水率减少。

参考文献：

[1] 湖北省水利水电规划勘测设计院.湖北省鄂北地区水资源配置工程初步设计报告[R].武汉：湖北省水利水电规划勘测设计院，2015.

[2]崔远来，王建鹏，张自宽，等.基于动态规划和自优化模拟混合模型的水资源优化配置[J-水电能源科学，2007（3）：1-5.

（编辑：李慧）

作者简介：何永煜，男，正高级工程师，主要从事水利工程建设管理工作。E-mail： 184083807@qq.com