跨流域引水后碧流河水库不同来水年的调入水量研究

刘 莎

(陕西省地下水保护与监测中心，陕西 西安 710003)

随着人口的增长和经济社会的快速发展，大连市现有的供水布局已不满足发展的需求，水资源严重匮乏，供需矛盾十分突出，境内的水资源承载能力已达到极限[1]。在此形势下，大伙房水库输水应急入连工程应运而生，它是利用大伙房水库输水工程的富余能力作为水源，解决大连市城市工业与生活用水并改善大连地区水环境的一项跨流域引水工程。该工程是由大伙房输水二期工程鞍山配水站开始，铺设一条165.07 km的输水管线，将水调入碧流河水库，经碧流河水库调节后，其中一部分水量利用引碧三期管道富余能力经洼子店水库调节后送往大连市区，另一部分水量经输水管线送往东风水库坝下，为瓦房店及长兴岛供水[2]，工程概况如图1所示。工程建设规模为年引水3.0亿 m3，工程管线规模为90万 t/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，坝址以上控制流域面积2 085 km2(包括玉石水库313 km2)，是一座以城市供水为主，兼有防洪、水力发电、农业灌溉、养鱼等综合利用的多年调节大(Ⅱ)型水利枢纽工程[3]。其科学合理的调度运用对发挥整个引水工程的经济社会效益具有重要的意义。因此，在工程调度过程中，如何实现本地水和外调水的合理利用，研究不同来水年所需大伙房水库输水工程的调入水量，为决策者制定调度计划提供科学依据，是工程运行管理中亟需解决的重要课题。本文以碧流河水库引水与供水联合调度图及调度规则为依据，通过对历史长系列资料的模拟，开展不同来水年所需水源工程调入水量问题的研究。

1 引水与供水联合调度图与调度原则

1.1 引水与供水联合调度图与调度规则

跨流域引水后碧流河水库引水与供水联合调度图(见图2)与调度规则[4]如下：

(1)供水规则。根据时段初水位处于调度图的位置制定供水决策：①农业限制供水线之上、水库最高蓄水位之下(Ⅰ区)，工业生活、农业均正常供水。②农业限制供水线之下、工业与生活限制供水线之上(Ⅱ区)，工业生活正常供水，农业限制供水，限制供水系数为0.7。③工业与生活供水限制线之下、死水位之上(Ⅲ区)，工业生活、农业均限制供水，限制供水系数分别为0.9和 0.7。同时考虑作物灌溉的特殊性，若一年中某初始时段农业供水发生破坏，则作物生长已受影响，该年剩余灌溉期农业按允许破坏深度供水。

图1 大伙房水库输水应急入连工程示意图

图2 碧流河水库引水与供水联合调度图

(2)引水规则。根据时段初水位处于调度图的位置制定引水决策：①不引水线之上、最高蓄水位之下(Ⅳ区)，不引水。②不引水线之下、满引水线之上(Ⅴ区)，引水量根据水位大小在不引水与满引水量间进行线性内插。③满引水线之下、死水位之上(Ⅵ区)，以时段最大能力引水。为避免全年总引水量超过规划总量，则对7月中、下旬和8月上、中旬4个时段的最大引水做了限制。

1.2 引水与供水联合调度图求解思路

大伙房水库输水应急入连工程最主要的目的是满足大连市工业与生活用水需求的增加，返还被挤占的农业与生态环境用水，压缩地下水超采量。因此，在求解碧流河水库引水与供水联合调度图时，需要满足两个目标：① 在给定的引水量范围内，保证引水前的农业与生态等其他用水需求，使水库为工业与生活的供水量最大，并满足其供水保证率要求；② 在目标①的约束下，提高长距离高成本引水量的有效性，即在满足下游生态环境用水条件下使水库的“弃水量”最小。

上述联合调度图的求解是基于长系列模拟与优化技术相结合[5-9]的思路：在长系列模拟优化前，需给定一个初始调度图[10]，即给出各条调度线的初始位置。然后通过动态规划逐次逼近法[11](Successive Approximation Methods of Dynamic Programming, DPSA)依次对联合调度图中各条控制线进行多轮次迭代寻优[12，13]，并结合引水、供水调度规则，进行长系列连续模拟，对模拟结果(目标函数值)进行统计分析以判断优化是否达到停止迭代条件，最终迭代求出优化的水库引水与供水联合调度图。

2 基于联合调度图的长系列模拟

2.1 基于联合调度图的长系列模拟思路

按照1.1所给的碧流河水库引水与供水联合调度图与调度规则进行58年(1951-2008年)历史资料的长系列连续模拟调节，具体做法是：从系列初的起调水位开始，首先分别根据当前时段初的水库水位处于供水调度图(图2(a))的位置及相应的供水规则、水库水位处于引水调度图(图2(b))的位置及相应的引水规则做出当前时段的供水决策与引水决策，然后进行水量平衡计算得下一时段初的库水位，依次逐时段逐年地进行多年长系列模拟调节，直至系列末。

2.2 长系列模拟结果及其合理性分析

依上述模拟思路对跨流域引水后碧流河水库进行长系列多年连续模拟调节，调度运行的年来水量、弃水量和调入水量模拟结果如图3所示。

图3 碧流河水库长系列调节历年来水量、弃水量和调入水量变化过程

从图3中水库逐年来水量、弃水量和调入水量变化过程可知，通过模拟优化调度，在一定程度上提高了跨流域引水的有效性，来水较丰的年份调入水量相对较小而枯水年份的调入水量相对较大，并在58 a的模拟中，有23 a无弃水发生。因此，通过优化调度，提高了长距离高成本引水量的有效性，发挥了水库对跨流域引水的补偿调节能力，提高了受水水库的洪水资源利用率，从而实现跨流域引水供水系统的供水安全与经济运行的目标。进而也说明基于引水与供水优化联合调度图与调度规则进行水库模拟调节，是合理可行的。

3 不同来水年所需调入水量研究

3.1 历史资料长系列模拟结果

以碧流河水库引水与供水联合调度图与调度规则为依据，通过长系列历史资料模拟调节，并对模拟结果进行统计分析，研究得到基于历史资料模拟的不同调入水量相关结论：

1)在58 a中，按工程规划量引水(年调入水量3.0亿 m3)的共13 a，对各调节年的来水情况、年初的蓄水状态(起调水位)进行归纳总结：(1) 来水年的频率大于75%，起调水位低于64 m时，即需全年满引；(2) 来水年的频率小于75%，起调水位低于60 m时，即需全年满引；(3) 当起调水位低于57.67 m，即使遇丰水年，全年满引下也会使供水发生破坏，例如1951年(来水频率31%)；(4) 若遇来水特枯年份，当起调水位低于65 m时，即使全年满引也无法满足供水保证率的要求，例如历史资料中最枯年份2000年(来水频率98%)。

2)非满引的45年中：(1) 按工程规划量的90%以上引水(年调入水量在2.7～3.0亿 m3之间)的共25 a，对其结果分析可知，来水频率在95%、75%、50%上下的，其起调水位分别在67.7 m、65～67.5 m、66～67.2 m左右。来水频率在25%上下的，其起调水位在60～67.5 m之间；(2) 按工程规划量的80%～90%引水(年调入水量2.4～2.7亿 m3之间)的共9年，其来水频率均小于50%，起调水位主要集中在67.2～68.2 m之间；(3) 按工程规划的70%～80%引水(年调入水量2.1～2.4亿 m3之间)的共7 a，情况与②相近，起调水位在67.1～68.1 m之间，且来水频率均低于为50%；(4) 按工程规划的60%～70%引水(年调入水量1.8～2.1亿 m3之间)的只有1956年(起调水位在67 m以上，来水频率为17%)、1957年(起调水位在68 m以上，来水频率为73%)。

3)为保证供水安全的历年最小调入水量为1.65亿 m3，且该年年初的库水位为67.35 m，来水量为历史最大(来水频率2%)。

3.2 不同频率来水典型年模拟

为细化上述长系列模拟结果，研究选取不同频率来水典型年，并考虑各典型年的不同来水过程、不同初始蓄水状态等因素，结合优化的联合调度图，进一步模拟求解碧流河水库不同来水年所需大伙房水库输水工程的调入水量问题。

3.2.1 不同频率来水典型年的选取及其年内分配

1)不同频率来水典型年的选取

典型年的选取对水文计算具有重要意义[14]，传统的典型年选择方法是以一种统计量的频率来确定，或者将多种统计量排频结果进行比较，综合选定[15，16]。本文为了对碧流河水库不同频率来水年进行合理划分，首先对其历年(1951-2008年)径流量进行频率分析，然后根据不同频率所对应的径流量选取不同频率典型年。典型频率分析结果见表1，相应选取的典型代表年为，25%频率代表年份：1955年、1967年、1986年；50%频率代表年份：1987年、1998年、2007年；75%频率代表年份：1957年；95%频率代表年份：1993年。

表1 碧流河水库径流量典型频率分析结果

2)不同频率来水年的年内分配情况设定

典型年的年内分配对研究结果的影响较大，为了研究更为合理，对于不同频率来水年的年内分配主要考虑三种情况：(1)按照多年平均的分配比例进行年内分配；(2)按照所选典型年中较为不利的年份进行同倍比放大或缩小的方法进行年内分配；(3)按照所选典型年中较为有利的年份进行同倍比放大或缩小的方法进行年内分配。这里不利与有利的划分标准为汛期弃水量的大小及过程。

由于95%频率代表年份只有1993年、75%频率代表年份只有1957年，故不存在不利与有利年份的区分，所以相应的年内分配过程只有两种(按照多年平均比例和典型年比例)；分析50%频率各代表年的径流过程，1987年的径流量过程与多年平均的径流量过程相类似，故选取该年的分配过程，按照总量的倍比关系进行缩放，作为“有利典型年分配过程”，而分析1998年的径流量过程，全年的降水主要集中在了汛期的几个时段，特别是8月上、中旬径流量之和，接近全年总量的50%，且这两个时段与其前后时段的径流量相差较大，故选取该年作为“不利典型年分配过程”；同样分析25%频率各代表年的径流过程，选取1986年和1955年的径流量过程，按照总量的倍比关系进行缩放，分别作为有利和不利典型年分配过程。

3.2.2 调节年起调水位研究

为研究得到不用频率来水年所需调入水量，除了选取典型频率来水年、进行其年内分配外，要想合理利用引水与供水联合调度图进行水库调节，还需要一个必不可少的因素，就是调节年的起调水位。按照2.1所介绍的基于联合调度图的长系列模拟思路进行58年连续模拟调节，对运行调节过程中每年年初的水库蓄水状态即水位进行了统计分析，结果如图4所示。

图4 碧流河水库长系列调节历年年初库水位

从图4及统计结果可知，长系列调节中，最高运行水位68.48 m，且运行水位主要集中在65.77～67.88 m之间(占所有情况的64%)。故本文主要考虑这三种水位起调情况下的所需调入水量状况，并求解年调入水量为工程规划量时的最高起调水位。

3.2.3 不同频率来水典型年模拟结果

按照第1点研究设定的不同频率来水年的来水过程以及第2点统计得出的不同起调水位，采用1.1所给的碧流河水库引水与供水联合调度图与调度规则进行模拟运行：从不同频率来水年调节的初始起调水位开始，分别根据供水调度图(图2(a))及其供水规则以及引水调度图(图2(b))及其引水规则做出当前时段的供水决策、引水决策，然后进行水量平衡计算得下一时段初的库水位，依次逐时段地进行年模拟调节。经过汛期(6-9月)按旬、非汛期按月，共计20个决策时段的模拟调节，得不同频率来水年不同起调水位条件下的净调入水量及所需大伙房水库输水工程的毛调入水量(毛调入水量是指考虑4%的长距离输水损失量，实际需要大伙房水库的输水量)，结果见表2。

表2结果是对3.1所得结果的进一步细化，考虑了影响年调入水量的三个主要因素：年初水库蓄水量、年来水量及其分配过程，通过多种工况的模拟得到的。例如按工程规划量的80%～90%引水(年调入水量2.4～2.7亿 m3之间)的情况：(1)95%频率来水年所需调入水量均大于规划量的80%，两种情况下的起调水位范围均为67.88～68.48 m；(2)75%频率来水年，虽然两种情况下按此范围水量引水的起调水位所处的范围不同，但是都包括65.77～67.88 m；(3)50%频率来水年，各情况下起调水位所处的范围都包括65.77～67.88 m；(4)25%频率来水年，除来水按多年平均比例分配外，其他两种情况下的起调水位范围为57.67～65.77 m。

表2 不同频率来水典型年的调入水量

图5 碧流河水库不同频率来水年调入水量对比

4 结果合理性分析

为分析上述所得结果的合理性，本文从不同频率来水典型年推荐调入水量对比和不同频率来水典型年推荐调入水量的引水与弃水过程两方面进行分析研究，说明基于碧流河水库引水与供水联合调度图与调度规则，进行模拟调节，推求不同来水年所需大伙房水库输水工程调入水量的可行性和所得结果的合理有效性。最后给出跨流域引水后碧流河水库不同来水年的调入水量分析结论。

4.1 不同频率来水典型年调入水量对比分析

将不同频率来水年来水按多年平均比例分配下，各起调水位所对应的推荐年调入水量以及年调入水量为工程规划量时的最高起调水位变化绘于图5。由图5可知，典型年由枯水年到丰水年，各起调水位下的年输水量依次减小，年调入水量为工程规划量时的最高起调水位依次降低；相同频率来水年下，随着起调水位的升高，年输水量逐渐减小，符合水库控制运用的规律。

4.2 引水与弃水过程合理性分析

通过对利用联合调度图进行不同频率来水年的年模拟调节运行结果中引水、弃水量过程进行分析，以说明基于该联合调度图的模拟调节进行不同来水年的调入水量问题研究的可行性，推求结果的合理有效性。由于篇幅限制，只选列出不同频率代表年中的两组研究成果进行分析，绘制相应的引水、弃水量过程线(见图6)。其中图6(a)为95%频率来水年来水按多年平均比例分配且起调水位63.77 m条件下所得推荐输入水量相应的引、弃水过程线；图6(b)为50%频率来水年来水按不利典型年比例分配且起调水位67.88 m条件下所得推荐输入水量相应的引、弃水过程线。从图6(a)来看，95%频率来水情况下水量较枯，故无论起调水位高或低，引水量都较大，而水库弃水量为零，未出现大量引水又大量弃水的情况；而从图6(b)来看，50%频率来水情况下水量相对较丰，汛期水库发生弃水，但发生大量弃水的时段水库引水量为零，说明推荐的输入水量过程合理。

图6 不同情况下引水量、弃水量过程线

4.3 碧流河水库的年调入水量分析结论

由于3.2第3点所得结论是对3.1所得结论的进一步细化，所以各种不同比例的调入水量情况下，两种模拟结果是一致的，由此可以得到碧流河水库的年调入水量分析结论：

1)按工程规划量引水：(1) 95%、75%、50%频率来水年起调水位分别低于64 m、63 m、62 m时，需调入水量为工程规划量3.0亿 m3；(2) 任何频率来水年调节年起调水位低于57.67 m时，即使调入水量按规划量也会发生供水破坏。

2)按工程规划量的一定比例引水：(1) 95%、25%频率来水年起调水位分别低于68 m、66 m时，75%和50%频率来水年起调水位低于67.5 m时，需调入水量为工程规划量的90%以上，即2.7～3.0亿 m3；(2) 95%频率来水年起调水位高于68 m、75%和50%频率来水年起调水位在65.77～67.88 m的范围内、25%频率来水年起调水位低于66 m时，需调入水量为工程规划量的80%～90%，即2.4～2.7亿 m3；(3) 75%频率和50%频率来水年起调水位高于67 m、25%频率来水年起调水位在65.77～67.88 m的范围内，需调入水量为工程规划量的70%～80%，即2.1～2.4亿 m3；(4) 50%频率来水年起调水位为68.48 m、25%频率来水年起调水位高于67 m时，需调入水量为工程规划量的60%～70%，即1.8～2.1亿 m3。

3)由于汛期径流中长期预报精度还难于达到实用程度且该问题需专门研究，所以为保证供水安全，即使在丰水年且起调水位较高，也需适量引水以满足供水保证率要求。例如25%频率来水年起调水位68.48 m的情况下，也需调入水量1.71亿 m3。因此，在工程运行的实时调度中，可适当考虑汛期径流中长期预报，进一步提高引水的有效性。

5 结语

(1)以跨流域引水后碧流河水库引水与供水联合调度图及其调度规则为依据，通过历史长系列资料的模拟运行，对水库进行引水与供水联合调度。对模拟结果分析表明，基于该联合调度图进行水库模拟调节合理可行。

(2)基于碧流河水库引水与供水联合调度图与调度规则，进行长系列历史资料与不同频率来水典型年的模拟调节，研究推求跨流域引水后碧流河水库不同来水年所需大伙房水库输水工程调入水量问题是可行的。影响年调入水量的最主要因素为年初水库蓄水量、年来水量及其分配过程，通过多种工况模拟建立了年调入水量及其影响因素间的数表关系。

(3)通过对不同频率来水典型年的推荐结果进行对比分析以及对具体的引水、弃水过程进行合理性分析，论证了研究成果的科学合理性，可用于指导水库引水与供水调度计划的编制。