优化引调水规则的跨流域水库联合调度研究

2021-03-03秦仪婷杨侃何琦俞悦吴云常露

人民黄河 2021年1期

关键词：阳泉

秦仪婷杨侃何琦俞悦吴云常露

摘要：为解决跨流域水库群最优供水调度问题，以忻定盆地-阳泉跨流域供水系统为例，结合该地区的水库群及供水区特点，优化引调水规则和供水规则，设置引水控制线和减少引水控制线将受水水库库容分为3个区间，设置调水控制线将水源水库库容划分为2个区间，以此建立跨流域水库联合调度模型进行合理调度。结合实例对优化后的引调水规则和优化模型的可行性进行检验，结果表明：优化后的引调水规则和调度模型减少了弃水量，提高了忻定盆地-阳泉跨流域水库群联合调度的引水效率。

关键词：跨流域调水;水库联合调度;引水规则;忻定盆地-阳泉

中图分类号：TV213.9文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.013

引用格式：秦仪婷，杨侃，何琦，等.优化引调水规则的跨流域水库联合调度研究[J].人民黄河，2021，43（1）：67-71.

Study on Joint Operation of Inter-Basin Reservoirs by Optimizing Rules of Water Diversion and Transfer

QIN Yiting1， YANG Kan1， HE Qi1， YU Yue1，WU Yun2， CHANG Lu3

（1.College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing 210098， China;

2.Shanxi Vocational and Technical College of Water Conservancy， Yuncheng 044004， China;

3.Wuxi Water Resources Management Division， Wuxi 214000， China）

Abstract：In order to solve the issue of optimal water supply operation for inter-basin reservoir group， this article took Xinding basin-Yangquan as an example， considering the characteristics of the reservoir group and water supply area in this area and optimized the water diversion and water supply rules and set the diversion control line and reduction control line. As a result， the storage capacity of the receiving reservoir was divided into three sections and the storage capacity of the water source reservoir was divided into two sections， a model of inter basin reservoir joint operation was established for reasonable operation. Combined with the example， the feasibility of the optimized water diversion rules and optimization model was tested. The results show that the optimized water diversion rules and dispatching model reduce the abandoned water and improve the water supply guarantee rate of Xinding basin-Yangquan.

Key words： inter-basin water transfer; joint operation of reservoirs; water diversion rules; Xinding basin-Yangquan

當城市发展到一定规模，城市附近的水源不能满足其发展需要时，就会面临缺水问题，同时单一水源供给将会在遭遇重大污染事件时带来供水不足问题，因此跨流域调水工程建设对于区域水资源合理配置和高效利用十分重要。跨流域调水工程通常涉及多个水库、多个用户，受很多因素制约，在调度过程中既要充分利用外调水满足当地需求，也要考虑引水的经济性，减少不必要的引水，避免浪费[1]，因此需要综合考虑水库的运行特点，制定合理的引调水规则。

目前，国内专家学者对跨流域水库群引调水作了大量研究，例如：胡尧文等[2]在分析跨流域调水工程的引水原则时添加了并行调节和聚合分解法;彭勇等[3]提出了一种新型引水规则和在这种规则下受水水库引水量的确定方法;赵勇等[4]将系统仿真理论运用到南水北调东线工程中，并引入数理统计方法进行水量调配仿真试验分析;闫春程等[5]建立了以受水水库引水量最小为目标的引水优化调度模型，并应用于大伙房跨流域调水工程。

笔者根据忻定盆地-阳泉跨流域供水区的水库群特点，提出了水库群引调水新规则，建立跨流域水库联合调度模型，采用粒子群算法对模型进行求解，得到跨流域水库群最优供水调度过程线，并结合忻定盆地-阳泉跨流域供水区对优化后的引调水规则和优化模型的可行性进行检验，以期为制定忻定盆地-阳泉地区的跨流域引调水方案提供参考。

vki=βvk-1i-αr（vg-vk-1i）（9）

式中：vki、vk-1i分别为粒子i迭代k次和k-1次后的速度;α、β为系数;r为0～1之间的随机数;vg为最佳粒子个体的速度。

求解步骤如下：①依据水库群来水资料与特征库容资料确定粒子群算法相关参数;②随机产生粒子群联合调度决策初始位置与速度;③根据粒子群确定的水库群长系列联合调水供水决策过程，对水库群进行模拟调度，种群按式（9）更新最优位置和最优速度;④判断是否达到终止条件，若不满足，返回步骤③;若满足，则输出跨流域水库群最优供水调度过程线，计算结束。

2 实例应用

2.1 跨流域调水工程基本情况

根据山西省“大水网”概念体系，将忻定盆地-阳泉跨流域供水系统作为研究对象，对跨流域水库群最优供水调度模型进行求解及验证。忻定盆地-阳泉跨流域供水系统包括米家寨水库、双乳山水库、观上水库、大石门水库、坪上水库等5座水库，以及坪上引水工程、龙华口调水工程（在建）、娘子关提水工程、龙华口水电站等工程，其中：坪上引水工程位于定襄县境内滹沱河与清水河交汇处，水源地距定襄县城约40 km、距忻府区约60 km，引调坪上泉域的泉水向忻州市、原平市和定襄县供水，年最大供水能力为1.0亿m3;龙华口水电站位于滹沱河支流龙华河上，设计库容0.3亿m3，以发电为主;娘子关提水工程引调娘子关泉水至阳泉市城区，设计提水能力为3 m3/s。各水库的特征库容和对应的供水任务见表1。

忻定盆地-阳泉跨流域水库联合调度模型以水库群入库径流量作为输入资料，将一个水文年划分为 12个时段。将位于忻定盆地与阳泉之间调蓄能力较大的坪上水库作为主要水源水库，米家寨水库、双乳山水库、观上水库、大石门水库作为主要受水水库，其余小型水利工程作为节点，忻定盆地-阳泉跨流域水库群供水系统结构概化见图3。

采用定额法，对忻定盆地-阳泉跨流域供水系统受水区2020年50%来水频率下的需水量进行预测，结果见表2。图3 忻定盆地-阳泉跨流域水库群供水系统结构概化

2.2 联合优化调度图及调度结果

忻定盆地-阳泉跨流域水库群供水规则通过联合调度图表示（见图4），调度图由引调水控制线和水库供水任务相对应的限制供水线构成。在水库调度过程中，当水库蓄水量处于某限制供水线下方时，则向其对应的用水户实施限制供水，否则正常供水。一般来说，对供水质量要求越高的用水户限制供水线位置越低。从限制供水线的位置来看，其在枯水期的位置较高，在汛期的位置则偏低，原因主要是通过增加枯水期限制供水的机会，使尽量多的水留在水库内，防止供水不足的情况发生。

坪上水库的天然入库径流量大，为忻州市城市、工业及定襄县农业供水，同时向双乳山水库、米家寨水库调水，为了增加向外调水的机会，其调水控制线整体偏低（见图4（a））。坪上水库在10月到次年2月的来水量较少，应适当抬高调水控制线，减少调水外流，在其他时段可适当降低调水控制线，增加调水机会。双乳山水库、米家寨水库、观上水库向原平市、忻州市、定襄县等需水量较多的用水单元供水，因此需要设置较高的引水控制线和减少引水控制线（见图4（b）～（d））。汛期7—9月，双乳山水库、米家寨水库和观上水库可适当多蓄水，减少弃水。

2.3 水库群径流量调节结果比较

根据忻定盆地-阳泉地区的水库群及供水区特点，优化引调水规则和供水规则，建立跨流域水库群最优供水调度模型，并采用智能粒子群算法对模型进行求解和水库群径流量优化调节计算。为了对优化后的引调水规则和优化模型的可行性进行检验，将优化引调水规则与供水规则的跨流域水库群供水调度方案设为方案①，常规引调水规则与供水规则的跨流域水库群供水调度方案设为方案②，两者进行对比分析，结果见表3。可以看出，方案①总体优于方案②，在相同需水规模下，两种方案都能满足各用水地区的设计供水保证率，说明5座水库联合调度在常规引调水规则下和优化引调水规则下都能满足实际生产生活的需要。

由表4可以看出：在一定的供水量条件下，方案①比方案②减少引水量121万m3、减少弃水量90万m3，说明优化引调水规则后，引水效率有所提高。

3 结语

（1）为了解决跨流域供水水库群联合调度问题，本文优化了引调水规则，通过设置受水水库的引水控制线和减少引水控制线，将水源水库的库容分为若干个区间来进行合理调度，采用粒子群算法对跨流域水库群最优供水调度模型进行求解，得到跨流域水库群最优供水调度过程线。最后结合忻定盆地-阳泉跨流域供水区的水库群特点，验证了优化引调水规则，可使水库群引水效率得到提高。

（2）如何提高跨流域供水水库引水效率，改进引调水规则只是一个方面，在保证供水安全的前提下，如何利用降雨与径流的中长期预报信息，制定相应的引调水联合调度规则，以进一步有效利用引水水库的调水量，提高受水水库在丰水年的洪水资源利用率，有待进一步深入研究。

参考文献：

[1] 张弛，陈晓贤，李昱，等.跨流域引水受水水库最优调度决策的理论分析[J].水科学进展，2018，29（4）：492-504.

[2] 胡尧文，郑雄伟，周芬，等.跨流域水库联合供水调度研究[J].水电能源科学，2006，24（5）：26-29，98.

[3] 彭勇，彭安帮，周惠成，等.基于改进引水规则的跨流域供水水库联合优化调度研究[J].系统工程理论与实践，2016，36（5）：1346-1353.

[4] 赵勇，谢建仓，马斌.基于系统仿真理论的南水北调东线水量调度[J].水利学报，2002，33（11）：38-43.

[5] 闫春程，王国利.遗传算法在跨流域引水工程优化调度中的应用[J].东北水利水电，2006，24（9）：3-5.

[6] 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.

[7] 邢端生.基于可持续发展的水资源配置方案评价研究[D].郑州：郑州大学，2005：12-23.

[8] 郭旭宁，雷晓辉，李云玲，等.跨流域水库群最优调供水过程耦合研究[J].水利学报，2016，47（7）：949-958.

[9] 郭旭宁，胡铁松，吕一兵，等.跨流域供水水库群联合调度規则研究[J].水利学报，2012，43（7）：757-766.

[10] 吴恒卿，黄强，徐炜，等.基于聚合模型的水库群引水与供水多目标优化调度[J].农业工程学报，2016，32（1）：140-146.