胶东调水工程年度水量调度方案研究

金鹏宇 王超 孙嘉辉 雷晓辉

摘要：

随着跨流域调水工程的规模逐渐增加，其内部各个组件之间的协调性降低，工程年度水量运行调度的难度和复杂性也随之增加。胶东调水工程年度水量调度方法根据胶东调水工程的工程特性，对沿线的枢纽工程进行概化并构建空间拓扑结构图，综合考虑汇水区水量补偿调节作用及分水口门的反调节作用，构建水量模拟调度模型。通过解构分水口门取用水过程，降低优化问题维度，构建决策空间，耦合水量模拟调度模型，构建胶东调水工程年度水量调度模型，应用混合优化算法（HOA）求解模型，进而编制工程年度水量调度方案。结果表明：胶东调水工程年度水量调度模型通过解构需水侧取用水过程降低优化问题维度，能够克服工程供、需水侧的非过程控制总量边界条件与其年度水量调度方案编制步长、时间尺度不匹配等问题，实现优化问题快速求解，避免分水口门出现极端缺水情况，最大限度满足其用水需求。

关 键 词：

跨流域调水工程； 年度水量调度模型； 混合优化算法

中图法分类号： TV213.9

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.018

0 引 言

胶东调水工程横跨黄河、海河流域，是实现优化水资源供需平衡配置，缓解水资源短缺局面，促进水源区与受水区的水资源相互调配，使整个调水系统实现对资源的充分利用，显著提高调水效率，避免发生险情，改善当地水环境现状的重要水利基础设施［1-2］。如何对工程调度进行科学、高效决策，是实现工程安全、高效运行，调水量优化配置的核心驱动力。

近年来，随着跨流域调水工程的规模逐渐增加，其内部各个组件之间的协调性降低，工程年度水量运行调度的难度和复杂性也随之增加。目前针对跨流域调水工程的年度水量运行调度，国内很多学者做了大量的研究工作。万芳等［3］通过提取水源区、受水区的供水调度规则，构建并求解跨流域水库群供水调度的3层规划模型，完善了跨流域水库群供水调度理论体系。马永胜等［4］针对多水源区联合调度供给同一受水区的复杂跨流域联合调度，基于大系统分解协调理论，建立了联合调度最优决策制定模式。郭旭宁等［5］基于逐步优化思想，改进传统粒子群算法，提出了逐步优化粒子群算法并对大型跨流域水库群优化调度模型进行求解。彭安帮等［6］根据聚合水库用水户供水限制线的基本形式，确定调度图概化降维方法，并构建基于概化调度图的模拟-优化求解模型。李瑛［7］通过分析嘉陵江与汉江的径流丰枯遭遇规律，建立并求解引嘉济汉-引汉济渭跨流域调水工程初期、正常运行期的泵站-水库-电站协同模拟、优化调度模型，探讨了径流不确定性对调度结果的影响。曹明霖等［8］基于现有模拟优化技术，建立并求解跨区域多水源水库群联合优化调度模型，探索出一条多水源高效利用的时空协调策略。曾祥等［9］构建了跨流域调水启动标准优选的水库群联合调度模型，使用粒子群算法（PMSE-PSO）进行优化求解，提出了一种新的调水启动标准。

总体而言，上述研究成果多数在供水侧引水计划或需水侧用水计划已知的前提下，以多水源高效利用、复杂调度问题解耦、工程枢纽高效运行为问题导向，构建多水源水库群联合优化调度模型，采用优化算法进行模型求解，以整体规划和配置为主要目的。胶东调水工程年度水量调度问题的工程供水侧、需水侧边界均为总量控制，不具有详细供、需水计划。编制工程年度水量调度方案时，根据胶东调水局编制年水量调度方案的实际工程需求，为制定各个分水口门的详细用水计划建议，提高输配水精度减少水量损失，要求方案编制调度步长为日，且工程沿线分水口门数量较多，各控制节点具有复杂约束要素，因此工程调度过程、外调水源引水过程及分水口门供水过程的求解难度大，优化问题维度高。本文综合考虑胶东调水工程沿线的各种调度对象与拓扑关系构建工程沿线空间拓扑结构图，通过解构分水口门取用水过程降低问题维度，综合考虑工程沿线复杂约束要素，构建胶东调水工程年度水量调度模型，應用混合优化算法（HOA）进行模型求解，以期为胶东调水工程年度水量调度方案编制提供一种思路。

1 研究区域概况

1.1 研究区域及意义

胶东调水工程由引黄济青工程和胶东地区引黄调水工程组成，从山东省滨州市打鱼张引黄闸［10］，引黄河水输送至威海市米山水库及青岛市棘洪滩水库。胶东调水工程年度水量调度方案编制要求日步长，且工程需水侧、供水侧均为总量控制，不具有详细的外调水源供水计划及分水口门需水计划。此外，沿线分水口门数量多，工程约束条件多，导致最优工程调度过程、分水口门取用水过程、外调水源引水过程求解难度大，形成了高纬度、

多变量的复杂调度问题。传统优化模式是在供水或需水侧边界条件已知的前提下，构建优化调度模型，应用优化算法求解，而显然胶东调水工程的调度问题难以用传统优化模式解决。因此，迫切需要一种能够精确高效求解上述复杂调度问题的优化模式，为编制胶东调水工程年度水量调度方案提供技术、数据支撑。

1.2 网络拓扑图概化

胶东调水工程沿线主要包括：渠道、输水隧洞、输水管道、泵站、闸站、分水口门及外调水源［11］，其工程结构十分复杂，沿线输水线路之间存在串、并联复杂关系［12］。沿线泵站和闸站过流不仅需要考虑汇水区的水量补偿调节，也需要考虑沿线分水口的反调节作用。基于胶东调水工程结构复杂性和沿线枢纽类型多样性，需要对工程沿线的空间拓扑结构进行概化［13］，以便更好地解决工程年度水量调度问题。通过综合分析胶东调水工程沿线包含的各个组成部分的水力联系，将沿线渠道、输水管道、输水隧洞和分水口概化成线，将沿线泵站、闸站概化为点，将沿线的汇水区概化为面，从而组成一个完整的空间拓扑结构，如图1所示。

2 胶东调水工程年度水量调度模型构建

胶东调水工程年度水量调度模型主要是根据外调水源引水指标，分水口门需水量等工程边界条件，综合考虑工程沿线过流能力，外调水源引水能力及分水口门取水能力等约束条件，以分水口门取用水过程为决策变量构建决策空间，优化取用水过程，提高分水口门供水保证率。

2.1 水量模拟调度模型构建

水量模拟调度模型的构建是本次研究的重点，模型采用以需定供的反向模拟计算模式，通过需水侧取用水过程反向推求供水侧引水过程。以沿线各分水口门需水量为工程边界条件，综合考虑沿线过流能力约束、分水口门取水能力约束、汇水区产流过程，根据工程沿线空间拓扑结构将工程沿线划分为若干渠段，以沿线闸门、泵站、湖泊和水库为水量演进节点，同时以管渠水量平衡条件为驱动进行渠段内径流反向演进，以空间拓扑关系衔接上、下游渠池过流过程，进而模拟得到沿线各分水口门的取用水过程、各水量演进节点的过流过程及外调水源引水过程。

2.3 水量优化调度模型求解方法

本文采用混合优化算法（Hybrid optimization algorithm，HOA），对水量优化调度模型进行求解。HOA算法集成了差分进化算法（DE）、遗传算法（GA）及逐步优化算法（POA），在DE算法与GA算法并行计算［17］的基础上，采取移民策略［18］定期对两算法种群进行外部个体的植入，打乱群体结构，增加其全局搜索能力。在两算法优化结果的基础上，将其中最优个体引入POA算法种群进行迭代计算，以期得到全局最优解。具体算法计算流程如图2所示。

3 实例计算

3.1 调度方案情景

胶东调水工程年度水量调度方案的编制是根据调度开始前胶东调水局相关通知，胶东调水工程沿线各地市填报分水口门和需水量。根据沿线各地市的填报情况，结合调度期内外调水源的引水指标，由胶东调水局制定年度水量调度方案，进而明确调度期内胶东调水工程沿线各分水口的供水过程及外调水源的引水过程。胶东调水工程年度水量调度模型以工程边界条件作为模型输入，在反向模拟的基础上进行优化计算［19］，进而编制中长期水量调度方案［20］。因此，工程边界条件显得尤为重要。以胶东调水工程2020～2021年度调水方案为例，整理得到工程边界条件为

（1） 沿线受水区用水计划如图3所示。

（2） 外调水源引水指标。

胶东调水工程具有3个外调水源，2020～2021年度黄水东调引水指标22 982.4 万m3，引黄济青引水指标42 145.92万m3，南水北调东线引水指标22 801万m3。

（3） 输水开始、截止时间。

2020～2021年度胶东调水工程输水开始时间为2020年12月10日，输水截止时间为2021年6月30日。

3.2 调度结果分析

3.2.1 供需关系分析

胶东调水工程历史供需关系分析结果如表1所列，分析结果表明2019～2020、2020～2021年度计划供水无法满足沿线分水口门的用水需求，通过对工程最大供水能力进行分析计算，按照最上级临时泵站设计流量（36 m3/s）及黄水东调（14.5 m3/s）引水，在不考虑冰期引水约束及沿线过流能力约束的前提下，以历史数据统计年水量损失率（18.43%）计算水量损失，得出2019～2020年度调度期时长为240 d，最大供水量9.58亿m3。2020～2021年度调度期时长为202 d，最大供水量7.54亿m3。以上计算结果表明，工程最大供水量无法完全满足年度用水需求，胶东调水工程供水受限于工程引水能力与调度期时长。

3.2.2 调度方案对比

对胶东调水工程年度水量调度模型进行求解，针对模型求解结果及胶东调水工程2020～2021年度水量调度方案中的各分水口门供水情况、外调水源引水情况等方面做对比分析，分析结果如表2～3所列。同时针对外调水源引水指标利用情况，水量调度方案与水量分配方案的协调性及各分水口门供水保障程度等方面［21］进行对比分析，分析结果如表4～6及图4所示。

根据表2，3可知，模型计算结果中各行政区供水保证率整体在70%以上，且供水保证率分布均匀，胶东调水工程供水保证率为76.85%，用水保障程度高。模型计算结果中外调水源引水量较之原方案减少1 060.8万m3，沿线最低分水口门供水保证率为67%，整体供水保证率76.85%，能够以较少引调水量最大程度保障工程沿线各行政区用水需求，计算结果具有相对优势。

根据表4的对比分析结果可知，在工程供水受限于引水能力的前提下，模型求解的年度水量调度方案外调水源引水指标利用率为98.13%，能夠充分利用外调水源引水指标。由表5统计结果及图4可知，方案中各分水口门供水保证率数据集离散程度低且分布均匀，整体在65%以上，各分水口门用水保障程度高。

通过对各行政区水量分配指标［22］，模型求解水量调度方案及胶东调水工程2020～2021年度水量调度方案中各现地市的供水量进行对比分析，具体结果如表6所示。发现模型求解水量调度方案中潍坊市供水8 132.29万m3、2020～2021年度潍坊市用水计划8 140万m3、时段配水量1.39亿m3。上述结果表明，模型求解的水量调度方案能够以满足行政区用水计划为调度目标，以水量分配指标约束各行政区供水量，最大限度保障了各行政区的用水需求。

3.2.3 算法性能对比

分别用DE算法、POA算法、GA算法和HOA算法求解胶东调水工程年度水量调度模型，初始种群个数为100，算法迭代次数1 000，对两层优化目标有效迭代次数的优化效果、算法收敛迭代次数、最优解适应度值等方面进行对比分析，其分析结果如表7及图5所示。

对比分析结果表明，HOA算法的初始种群可行解数量较多，算法收敛速度快，相同迭代次数下具有较好的优化效果，较之其他算法具有优势。

4 结 语

胶东调水工程年度水量调度方法根据胶东调水工程的工程特性，对工程沿线的不同组件进行概化并构建空间拓扑结构图。以径流演进为驱动，综合考虑汇水区水量补偿调节作用及分水口门的反调节作用，构建水量模拟调度模型。针对工程供、需水侧的非强约束总量控制边界条件与年度水量调度方案编制步长、时间尺度不匹配等问题，解构分水口门取用水过程，降低优化问题维度，构建决策空间，耦合水量模拟调度模型进而构建胶东调水工程年度水量调度模型，并应用HOA算法进行模型求解，得到工程调度过程、分水口门取用水过程及外调水源引水过程，进而编制工程年度水量调度方案。本文采用HOA算法求解胶东调水工程年度水量调度模型，算法收敛速度快，相同迭代次数下优化效果较好，且模型求解水量调度方案中，外调水源引水指标利用率为98.13%，各分水口门供水保证率在65%以上且工程总体供水保证率为76.85%。较之原方案，总供水缺额减少、分水口门供水保证率分布均匀，外调水源引水指标利用率高，具有相对优势，能够为胶东调水工程年度水量调度方案的编制提供一种新的思路。

同時，胶东调水工程水量优化调度应编制年、月、旬水量调度方案，以年、月水量调度方案指导工程沿线外调水的宏观水量配置，以旬水量调度方案［23］指导实际工程调度决策，同时应考虑实际调度过程中的复杂扰动，对旬水量调度方案进行滚动更新，以提高水量调度方案模拟精度，为工程调度决策提供技术支撑。

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（编辑：黄文晋）

Abstract：

With the increasing number of inter-basin water diversion projects gradually，the coordination among its internal components decreases，and the difficulty and complexity of the annual water flow scheduling of projects also increase.According to the engineering characteristics of Jiaodong Water Diversion Project in east Shandong Province，the hub projects along the route are generalized and a spatial topological structure diagram is constructed.By deconstructing the water intake process，a decision space is constructed by reducing the dimension of the optimization problem，and the annual water dispatching model of the Jiaodong Water Diversion Project is constructed by coupling the water simulation dispatching model.The Hybrid Optimization Algorithm （HOA） is used to solve the model，and then the annual water dispatching scheme of the project is compiled.The results show that the annual water dispatching model reduces the dimension of optimization problem by deconstructing the water intake process，and can overcome the problems of mismatch between the boundary conditions of non-process control on the supply and demand sides and the time scale of annual water dispatching scheme，so as to realize the rapid solution of optimization problem，avoid the extreme water shortage at the water inlet，and meet the water demand to the greatest extent.

Key words：

inter-basin water diversion project；annual water scheduling model；hybrid optimization algorithm