鄂北地區(qū)水資源配置工程水資源配置模型研究及調(diào)度方案比選

何永煜 馮小慶 王賢斌

摘要：為了對鄂北地區(qū)水資源配置工程受水區(qū)（唐東地區(qū)、隨州府澴河北區(qū)和大悟澴水區(qū)）和唐西引丹灌區(qū)的當?shù)厮Y源與外引水進行聯(lián)合調(diào)度，構(gòu)建了鄂北工程水資源配置模型。分別擬定了以系統(tǒng)缺水量最小、系統(tǒng)總棄水和總?cè)彼訖?quán)最小及系統(tǒng)總棄水最小為目標函數(shù)的3種計算方案。方案計算成果對比分析表明，方案2供水保證率、引水利用率適中，確定作為推薦方案。在初設批復的水量下，方案2可滿足生活、工業(yè)及農(nóng)業(yè)灌溉的需求，且供水保證率可達到設計要求。

關鍵詞：水資源配置;配置模型;優(yōu)化配置;供水保證率;聯(lián)合調(diào)度;鄂北地區(qū)水資源配置工程

中圖法分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

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

1 工程背景

鄂北地區(qū)水資源配置工程（以下簡稱“鄂北工程”）自丹江口水庫清泉溝隧洞引水，輸水線路全長269.672 km，多年平均引水量7.70億m3，渠首設計引水流量為38m3/s。干渠穿越襄陽市的老河口市、襄州區(qū)、棗陽市，隨州市的隨縣、曾都區(qū)、廣水市以及孝感市的大悟縣[1]。

2 研究目的及范圍

本文通過建立鄂北工程水資源優(yōu)化配置模型，對該工程受水區(qū)和唐西地區(qū)的本地水資源與外引水進行聯(lián)合調(diào)度，在使鄂北工程受水區(qū)和唐西地區(qū)缺水量最小、供水保證率達到最高的目標下，提出鄂北工程水資源配置方案。

研究范圍為受水區(qū)（唐東地區(qū)、隨州府澴河北區(qū)和大晤澴水區(qū)）和唐西引丹灌區(qū)。研究范圍見圖1。

3 技術(shù)方案

3.1 建立水資源優(yōu)化配置模型

（1）水資源系統(tǒng)供需分析網(wǎng)絡。以行政區(qū)劃為主、水系為輔，對受水區(qū)進行分片。將鄂北工程受水區(qū)劃分為27個計算單元;唐西引丹灌區(qū)僅作為一個分水口門，概化為一個計算單元。

（2）優(yōu)化配置目標。構(gòu)建合適的目標函數(shù)，既能反映決策者的意愿，又能使多目標函數(shù)模型具有總體最佳解。

3.2 方案比選

根據(jù)不同的優(yōu)化目標，提出配置方案并進行分析比較，以確定最優(yōu)配置方案。

4 水資源優(yōu)化配置研究

4.1 優(yōu)化配置原則

將鄂北工程當?shù)氐牡乇硭⒌叵滤c工程外引入水量聯(lián)合運用，實現(xiàn)豐枯互補，以滿足唐西地區(qū)和鄂北工程受水區(qū)的用水要求，主要原則包括：①水量調(diào)度服從防洪調(diào)度，保證防洪安全;②充分利用引入水量及當?shù)厮Y源量;③供水順序為生活、河道內(nèi)生態(tài)基流、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等用水，富余水量用于充蓄受水區(qū)內(nèi)的水庫;④盡量減少棄水，提高鄂北工程引水利用率。

4.2邊界條件

4.2.1 渠首可引水過程

鄂北工程可引水過程采用初步設計批復的鄂北工程受水區(qū)和唐西地區(qū)的引水過程，總水量為16.78億m3。

4.2.2計算系列

計算系列與南水北調(diào)中線工程規(guī)劃一致，采用1956年5月至1998年4月，共42 a。

4.2.3輸水損失系數(shù)

（1）總干渠輸水損失系數(shù)?？偢汕斔畵p失系數(shù)參考南水北調(diào)等工程，分段取值，其中渠首至夾河套輸水損失系數(shù)采用0.985;夾河套至華陽采用0.975;華陽河至封江口采用0.980;封江口水庫至王家沖采用0.980。唐西總干渠輸水有效利用系數(shù)采用0.940。

（2）用水戶損失系數(shù)。用戶損失系數(shù)采用分層取值調(diào)算，生活工業(yè)用水損失系數(shù)取0.90，農(nóng)業(yè)灌溉用水損失系數(shù)考慮田間及渠系后綜合取0.64。

4.2.4徑流與需水系列

徑流系列與需水系列均為1956年5月至1998年4月。需水系列分為城鎮(zhèn)居民、農(nóng)村居民、第三產(chǎn)業(yè)、大小牲畜、河道外生態(tài)用水，河道內(nèi)生態(tài)需水、灌溉需水。

4.3 拓撲關系建模

將整個水資源系統(tǒng)分成供水、需水和輸水等子系統(tǒng)。對供水子系統(tǒng)和需水子系統(tǒng)可進一步分層（如圖2所示）。

水資源系統(tǒng)由用水戶、水源、節(jié)點、河流、計算單元組成（便于水量平衡）。這些對象之間存在著復雜的水力聯(lián)系，如節(jié)點與節(jié)點的源匯關系、水源與用戶的供需關系等。

4.4優(yōu)化配置模型

4.4.1 目標函數(shù)

以提高鄂北工程外引水及本地水資源利用效率為目標函數(shù)，充分利用本地水資源，減少系統(tǒng)總?cè)彼亢蜅壦縖2]。為此，建立以總棄水量和系統(tǒng)總?cè)彼孔钚槟繕说膬?yōu)化模型：水的重視程度。λ =0時，表示模型主要考慮降低缺水，此時調(diào)水量較多;λ越大表示模型對調(diào)水的經(jīng)濟成本考慮越重要，此時調(diào)水量逐漸減少，一般可依據(jù)決策者對用戶缺水以及水源棄水之間的決策偏好影響設定λ的取值。

用戶權(quán)重系數(shù)aj反映用戶的重要性，由區(qū)間權(quán)重系數(shù)和用戶間的權(quán)重系數(shù)組成。分區(qū)間的權(quán)重系數(shù)可結(jié)合分區(qū)的經(jīng)濟水平、人口總量、政治影響等因素綜合確定，用戶間的權(quán)重系數(shù)主要依據(jù)生活、生產(chǎn)、生態(tài)等不同用戶優(yōu)先供水的次序級別進行設定。一般情況下，模型將自動依據(jù)系數(shù)差異實施依次差額分配水量。目前，考慮到公平性原則，不同分區(qū)間的同一用戶權(quán)重系數(shù)設置為一致;同一分區(qū)的不同用戶間設置規(guī)則如下：用戶供水優(yōu)先級別為生活用水>生態(tài)用水>工業(yè)用水>農(nóng)業(yè)用水，對應權(quán)重系數(shù)分別為0.4，0.3，0.2，0.1。

4.4.2 約束條件

以上所有變量均為非負。

4.4.3 模型求解

影響目標函數(shù)值的是第j用水戶第t時段的缺水量STj.t缺水量又取決于用戶接收的供水量Sj.t它是由水庫的出庫水量決定的，所以模型的決策變量為出庫水量。采用Lingo （Linear Interactive and Cen-eral Optimizer）非線性規(guī)劃模型求解，其全稱為交互式的線性和通用優(yōu)化求解器，是一套用來快速、方便和有效構(gòu)建并求解線性、非線性及整數(shù)最優(yōu)化模型的功能全面的工具，包括功能強大的建模語言，建立和編輯問題的全功能環(huán)境，讀取、寫入Excel和數(shù)據(jù)庫的功能。

4.5 水資源優(yōu)化配置成果

根據(jù)建立的鄂北工程受水區(qū)及唐西地區(qū)聯(lián)合水資源優(yōu)化配置模型，在外引水與本地水聯(lián)合調(diào)度時，外引水與本地水資源利用效率與用戶供水保證率是相互影響的。一般來說，用戶保證率高，系統(tǒng)缺水量小，但此時由于工程需要多引水可能會導致棄水增加，不利于提高工程水資源利用效率。因此，為提高鄂北工程，外引水及本地水資源利用效率，分別擬定以下方案，并進行比選。

（1）方案1。系統(tǒng)缺水量最小，提高用戶供水保證率，此時不考慮水庫棄水量影響。

（2）方案2?？倵壦颗c總?cè)彼考訖?quán)和最小，此時同時考慮供水保證率和水資源利用效率影響。

（3）方案3?？倵壦孔钚?，提高外引水與本地水水資源利用效率。

本文以設計水平年為例，對擬定方案進行比較，結(jié)果見表1。

由表1可知，方案1供水保證率最高，但引水水量偏大，棄水量增多，主要是由于充蓄水量增多所致。方案3總的引水量較小，引水利用率較高，但農(nóng)業(yè)供水保證率較低。方案2供水保證率、引水利用率適中，故推薦方案2。方案2多年平均引水總量12.98億m3，其中，唐西地區(qū)多年平均引水量5.36億m3，鄂北工程受水區(qū)多年平均引水量7.62億m3;生活、工業(yè)供水保證率均在99%以上，農(nóng)業(yè)灌溉保證率均在70%以上。

從初設批復水量下的調(diào)度成果（表2）來看，推薦方案在初設批復水量有所節(jié)余的情況下，可保障生活、工業(yè)及農(nóng)業(yè)灌溉方面的需求，保證率均達到設計保證率要求，特枯年份缺水率減少。

5 結(jié)語

本文對鄂北工程研究區(qū)域進行了拓撲概化，構(gòu)建了水資源配置模型;對系統(tǒng)缺水量最小、總棄水與總?cè)彼訖?quán)最小、總棄水最小3個方案進行了比選，推薦方案2。在初設批復的水量下，推薦方案可滿足生活、工業(yè)及農(nóng)業(yè)灌溉的需求，保證率均達到設計保證率要求，特枯年份缺水率減少。

參考文獻：

[1] 湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院.湖北省鄂北地區(qū)水資源配置工程初步設計報告[R].武漢：湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，2015.

[2]崔遠來，王建鵬，張自寬，等.基于動態(tài)規(guī)劃和自優(yōu)化模擬混合模型的水資源優(yōu)化配置[J-水電能源科學，2007（3）：1-5.

（編輯：李慧）

作者簡介：何永煜，男，正高級工程師，主要從事水利工程建設管理工作。E-mail： 184083807@qq.com