基于水量聯(lián)合調度的“十四運”水景觀運行研究

馬永勝， 董旭榮

(陜西省水利電力勘測設計研究院， 陜西 西安 710001)

1 研究背景

從20世紀50、60年代橡膠壩誕生至今，作為一種薄壁柔性結構的新型水工建筑物，由于其構造簡單、宜于施工、便于使用等特點，已廣泛應用于世界各地，用以構建水景觀長廊、打造河流連續(xù)水生態(tài)格局、美化城市宜居環(huán)境等[1-3]。目前，有關橡膠壩的研究多偏重于防洪度汛方案設計方面[4-6]，如劉楊等[7]分別選用了一維與二維水動力學模型，模擬計算了某城市河道遭遇洪水時，橡膠壩群立壩蓄水運行狀態(tài)下洪水演進隨洪水過程線變化的狀況；張慶華等[8]建立了橡膠壩塌壩仿真計算模型，采用遭遇洪水時連續(xù)塌壩過程線計算方法，研究了不同情境下的梯級橡膠壩塌壩泄流過程；楊菊香[9]假定了不同等級洪水的波傳播速度、各壩體塌壩時間及其最大泄水流量等運行條件，研究了橡膠壩群的不同塌壩順序-壩群塌壩時間相關關系。實際上，橡膠壩也是一種蓄水建筑物，能夠存蓄天然河道來水，同時通過溢流或排水方式泄水，具有一定的調蓄能力，但是鑒于其較為特殊的壩體結構難以實現精準蓄泄運行，導致梯級橡膠壩群聯(lián)合運用操控難度較大[10-12]。然而，隨著城市人居環(huán)境的不斷提升，人們對于以橡膠壩為構建主體的城市河段濱水環(huán)境需求愈發(fā)迫切[13-14]。因此，有必要系統(tǒng)地研究以構建城市親水環(huán)境，實現秀美水景觀為主要目的的梯級橡膠壩群的水量聯(lián)通調控，特別是涉及與壩群所在流域水庫群之間的聯(lián)合調度。

浐河和灞河(下稱浐灞河)是渭河主要支流[15]，自古以來也是構成“八水繞長安”盛景的主要河流[16]，二者是距離西安主城區(qū)最近的較大河流[17]。近年來，浐灞河流域相繼建造了30余座橡膠壩[18]，近期又在橡膠壩群末端修建了“全運湖”橡膠壩，初步形成了自上而下水面銜接的梯級橡膠壩群，極大地提高了浐灞河流域的水景觀布局[18]。2021年“中華人民共和國第十四屆運動會”(以下簡稱“十四運”)在陜西省西安市舉辦，作為“十四運”水域項目及開、閉幕式主場館所在地，對浐灞河流域水景觀，特別是開、閉幕式階段的效果，提出了更高要求[19-20]。本文通過流域水量聯(lián)合調度打造“全運湖”水景觀效果，構建浐灞河流域水量聯(lián)合調度模型，判定浐、灞河橡膠壩群以及水庫群補水功能，分析“全運湖”在不同階段水景觀流量與補水時長關系，制定“十四運”水景觀運行方案。

2 浐灞河流域及庫壩群概況

2.1 浐灞河流域概況

浐灞河流域位于陜西省西安市東南部，東經109°00′～109°47′，北緯33°50′～34°27′，南依秦嶺山地，北連渭河平原[21]。浐灞河流域多年平均徑流量約為5.86×108m3，其中浐、灞河天然徑流量分別為1.12×108、4.74×108m3。本流域徑流量時程分配不均，天然徑流量的55%左右集中于汛期(7-10月)，且汛期往往易發(fā)較大洪水，河流含沙量雖變化較大，但基本呈現大水大沙，小水小沙的趨勢[22]。

2.2 “十四運”期間水文情勢分析

“十四運”定于2021年9月15日-9月27日召開，該時段為浐灞河流域主汛末期?？紤]到設計工況下橡膠壩在汛期應塌壩運行，而為了在“十四運”期間實現“全運湖”水景觀效果，對梯級橡膠壩群采取非常規(guī)操控，即在汛期擇機立壩運行。然而，為確保河道行洪及上下游度汛安全，須嚴格遵守流域防洪預案中既定的橡膠壩度汛要求，當預警洪水流量達到100 m3/s時，橡膠壩群立即塌壩運行。此外，參照模型實驗數據，可形成“全運湖”水景觀的適宜流量范圍為18～40 m3/s。統(tǒng)計2010-2019年“十四運”同期“全運湖”水景觀運行的特征流量分布情況，結果見表1。

表1 2010-2019年“十四運”同期浐灞河流域特征流量分布表

2010-2019年“十四運”同期浐灞河流域平均流量及特征值統(tǒng)計見表2。由表2可見，該期間“全運湖”平均天然流量為57 m3/s，考慮橡膠壩安全度汛塌壩流量100 m3/s影響后的有效平均流量為29 m3/s，大于“全運湖”水景觀運行最小流量18 m3/s，然而入湖流量年際間差異較大，最枯年份有效流量僅為4 m3/s(2013年)。因此，需通過上游庫壩群聯(lián)合調度，發(fā)揮其調蓄能力，確?！叭\湖”較為穩(wěn)定的持續(xù)水景觀流量。

表2 2010-2019年“十四運”同期浐灞河流域平均流量及特征值統(tǒng)計 m3/s

2.3 庫壩群基本情況

浐灞河流域水量聯(lián)合調度所涉及的調蓄工程共有浐、灞河及其支流上已建的5座水庫和沿河16座橡膠壩，庫壩群分布詳見圖1。

圖1 浐灞河流域庫壩群位置分布圖

5座水庫包括浐河流域鯨魚溝內的鹿塬、楊家溝和紅旗3座串聯(lián)梯級庫以及岱峪河上的岱峪水庫，上述4座水庫合計調節(jié)庫容為920×104m3；另有灞河流域輞川河上的李家河水庫，該水庫為西安市骨干水源工程[23-24]，總庫容為5 690×104m3。

灞河上參與聯(lián)合調度的橡膠壩共10座，其中灞河1號壩通過控制溢流流量形成“全運湖”水景觀，其上游灞河A、B壩設計蓄水量分別為600×104、400×104m3(考慮壩前淤積及泄放效率，兩壩有效蓄水量合計500×104m3)，為橡膠壩群內蓄水容積最大的兩個壩體，其余7座橡膠壩分布于灞河中上游的灞橋及藍田區(qū)段，各壩容積有限(合計383×104m3)；浐河上參與聯(lián)合調度的6座橡膠壩均為小型壩，合計蓄水容積僅為157×104m3。

3 浐灞河流域水量聯(lián)合調度

3.1 浐灞河流域水量聯(lián)合調度系統(tǒng)

考慮上述水庫及橡膠壩群之間的水力聯(lián)系、儲水能力、運行方式、空間屬地等因素，確定各庫壩體在聯(lián)合調度系統(tǒng)中的功能定位及其相互關系，繪制聯(lián)合調度系統(tǒng)拓撲關系，如圖2所示。

圖2 浐灞河流域聯(lián)合調度系統(tǒng)各對象拓撲關系示意圖

灞河1號壩是“全運湖”水景觀的形成壩，可作為聯(lián)合調度系統(tǒng)中的目標壩，目標壩形成水景觀適宜流量范圍應控制在18～40 m3/s；灞河A號壩緊鄰灞河1號壩之上，在橡膠壩群中蓄水容積最大，且位于浐、灞河交匯口以下，能夠充分調蓄浐、灞河徑流資源，確定為直接控制壩；灞河B號在A號壩上游，與目標壩相距不遠，蓄水容積次之，可作為間接控制壩。

實施水量聯(lián)合調度以便灞河A、B號壩發(fā)揮其較大的調蓄能力，當流域內天然來水不足時，利用兩控制壩向目標壩補充水量，此外控制壩還可控制流態(tài)、凈化水質，調控“全運湖”水景觀效果；而其他13座橡膠壩，調蓄能力偏低，可按壩體間拓撲關系分為灞河與浐河梯級壩群，用于存蓄水量補充兩控制壩的缺水。

當橡膠壩群不滿足目標壩“全運湖”水景觀用水時，可啟動水庫群加大下泄，通過浐、灞河天然河道補水。浐河流域鯨魚溝內3座串聯(lián)梯級庫(鹿塬、楊家溝、紅旗水庫)距目標壩較近，且調蓄庫容適宜，可優(yōu)先下泄補水；其次，可利用上游岱峪水庫補水。考慮到灞河流域李家河水庫既有的西安市城市供水的重要任務，僅當聯(lián)合調度系統(tǒng)遭遇極端干旱狀況時，才適時啟動李家河水庫補水。

3.2 浐灞河流域水量聯(lián)合調度模型

通過流域水量聯(lián)合調度實現“全運湖”水景觀運行效果，“十四運”水景觀運行時段主要分為3個階段：開幕式、閉幕式以及中間期階段。考慮到聯(lián)合調度模型應協(xié)調系統(tǒng)對不同階段的補水分配及水景觀運行時長，且各階段還需滿足水景觀形成與壩體補水時段動態(tài)平衡，本文所構建浐灞河流域水量聯(lián)合調度模型如下：

3.2.1 目標函數

(1)水景觀運行時長最長

maxT=ω1·T開幕式+ω2·T中間期+ω3·T閉幕式

(1)

式中：T為水景觀運行總時長，h；T開幕式、T中間期、T閉幕式分別為水景觀3階段(開幕式、閉幕式及中間期)運行時長，h；ω1、ω2、ω3分別為根據各階段重要程度而確定的權重因子。

(2)水景觀流量最佳

maxQt水景觀=QN水景觀

(2)

QN水景觀={Qmin水景觀，Qmax水景觀}

(3)

(N=開幕式，中間期，閉幕式)

式中：Qt水景觀在3個階段分別為各自水景觀運行流量QN水景觀，m3/s；Qmin水景觀和Qmax水景觀分別為運行流量區(qū)間的最小值和最大值，分別取值為18、40 m3/s。

3.2.2 約束條件

(1)水景觀流量組成

Qt水景觀=Qt控制壩A+Qt控制壩B

(4)

式中：Qt控制壩A和Qt控制壩B分別為兩座控制壩灞河A壩和B壩的泄放流量，m3/s。

(2)直接控制壩灞河A壩水量平衡

Qt控制壩A=QtA天然徑流+QtB→A+Qt浐河壩群→A+Qt灞河壩群→A+Qt水庫群→A+(Vt-1控制壩A-Vt控制壩A)/(3600TA)

(5)

式中：Qt控制壩A為控制壩灞河A壩的泄放流量，m3/s；QtA天然徑流為灞河A壩的天然入壩流量，m3/s；QtB→A、Qt浐河壩群→A、Qt灞河壩群→A、Qt水庫群→A分別為灞河B壩、浐河壩群、灞河壩群、水庫群向灞河A壩的補水量，m3/s；Vt-1控制壩A、Vt控制壩A分別為本時段初期與末期的壩內蓄水量，m3；TA為補水運行時間，h。

(3)間接控制壩灞河B壩水量平衡

Qt控制壩B=QtB天然徑流+Qt浐河壩群→B+Qt灞河壩群→B+Qt水庫群→B+

(Vt-1控制壩B-Vt控制壩B)/(3600TB)-QtB→A

(6)

式中：各符號含義及單位與公式(5)中的相應變量一致。

(4)上游庫壩群水量平衡

Qti 損失)×3600TNi

(7)

式中：Vti、Vt+1i分別為各庫壩群(i分別代表浐河壩群、灞河壩群以及水庫群)本時段初、末期對水景觀補水前后的蓄水量，m3；Qti 天然徑流為各庫壩群的天然入庫流量，m3/s；Qti→A、Qti→B、Qti→原對象分別為各庫壩群向灞河A壩、B壩、原有供水對象的供水量，m3/s；Qti 損失為水庫群蒸發(fā)與滲漏損失之和(橡膠壩由于水面較小，可不考慮其蒸發(fā)滲漏損失)，m3/s；TNi為各個階段N的補水運行時間，h。

(5)各庫壩體補水能力約束

(8)

(6)各橡膠壩立壩高度約束

(9)

(7)各水庫庫容約束

(10)

3.3 聯(lián)合調度運行原則及求解

(1)“十四運”期間對“全運湖”景觀用水與流域原用水對象進行統(tǒng)一調度管理；

(2)以先灞河、浐河流域梯級壩，再浐河、灞河水庫的次序錯時補蓄；

(3)水庫群保障生活需水要求后，擇機加大泄水以補充 “全運湖”水景觀用水。

本文采用具有高效并行性的協(xié)同粒子群優(yōu)化算法(coordinated particle swarm optimization, CPSO)[25-26]，即將每個階段的運行方案即補水與水景觀時長作為相對獨立的子系統(tǒng)生成聯(lián)合粒子群，各個階段之間按照協(xié)同優(yōu)化理論，通過求解3個階段的子系統(tǒng)各自目標函數并耦合得到系統(tǒng)最優(yōu)解集，最終確定“全運湖”水景觀運行方式，求解流程見圖3。

圖3 “全運湖”水景觀運行方式求解流程圖

4 “全運湖”水景觀運行方案

4.1 “十四運”前期控制壩充水歷時

兩控制壩對目標壩具有補充水量、保障水質、控制流態(tài)等作用，“十四運”之前應盡量確?？刂茐蜛、B壩充水蓄滿，以充足水量應對“十四運”期間聯(lián)合調度系統(tǒng)遭遇枯水特別是連續(xù)枯水時段，進而對目標壩調蓄補水，確保“全運湖”水景觀運行。然而，兩控制壩在汛期遵循度汛安全，又不宜過早長期立壩蓄水。因此，對兩控制壩充水蓄壩時機的選擇尤為重要。有必要研究“十四運”前期兩控制壩充水歷時，本文利用長系列2010-2019年9月份“十四運”前逐日徑流資料，通過兩控制壩蓄水模擬計算，繪制不同充水蓄滿歷時情況下的蓄壩水量與其概率關系曲線，如圖4所示。

圖4 不同充水蓄滿歷時情況下的蓄壩水量與概率關系曲線

由圖4可見，若充水蓄壩歷時為3或5 d，“十四運”前兩控制壩均蓄滿(蓄壩500×104m3)的概率偏低，均小于50%；當充水蓄壩的歷時為7 d，即“十四運”前1周開始充水至兩控制壩蓄滿的概率增幅顯著，提高至81.6%；而“十四運”前10 d啟動充水，則兩控制蓄滿概率為92.1%，蓄滿概率增幅減緩。因此，既要確保度汛安全不過早立壩，又要提前在控制壩存蓄充足水量，達到較高蓄滿率，對比分析，控制壩宜采用“十四運”前7 d啟動充水蓄壩的運行方式。

4.2 “全運湖”水景觀情景設定

按照“全運湖”水景觀最小運行流量18 m3/s和最佳運行流量40 m3/s及相應持續(xù)時長，對3個階段設置不同的情景組合，通過所建立浐灞河流域水量聯(lián)合優(yōu)化調度模型，采用2010-2019年“十四運”同期水文情勢進行情景模擬，各情景組合計算結果見表3。

表3 “十四運”3個階段不同運行流量及時長組合模擬情景及相應保障率計算結果

由表3 可看出，“十四運”開、閉幕式及中間期3個階段難以實現“全運湖”全天24 h均以最佳水景觀流量40 m3/s運行，若前兩個階段水景觀持續(xù)時長較長、補水量利用較多，則導致第3階段保障率僅為5% (情景1)；通過對時長離散化計量 (6 h為1個離散單位)，當時長減少為全天運行18 h時，第1階段可基本滿足情景要求，保障率為95%，而后兩個階段保障率提高有限 (情景2)；在此基礎上，即使繼續(xù)縮短第2階段時長為12 h，則后兩個階段保障率仍無較大提高 (情景3)。因此，需參照“十四運”不同階段“全運湖”水景觀運行重要程度 (目標函數中的權重因子)，對各階段水景觀流量優(yōu)化調整：若各階段水景觀仍以全天24 h運行，第2階段運行流量減小為18 m3/s時，考慮到該階段總歷時(11 d)在3個階段中最長，運行流量減小后調度系統(tǒng)內可預留水量較多，從而可較大程度地提高第3階段水景觀保障率至75% (情景4)；當3個階段“全運湖”水景觀運行時長同時縮短為18 h，第2階段保證率可顯著提高至70% (情景5)，而上述兩情景仍未充分滿足“十四運”水景觀運行要求 (保障率達到95%)；最終，通過“全運湖”水景觀不同運行流量與持續(xù)時長優(yōu)選組合，得出3個階段均能滿足水景觀運行要求的情景：第1、3階段即開、閉幕式可以最佳水景觀流量40 m3/s優(yōu)先運行，相應歷時為18 h，而中間期可按每天12 h維持“全運湖”最小水景觀流量18 m3/s(情景6)。

4.3 “全運湖”水景觀運行方式

基于浐灞河流域水量聯(lián)合調度模型，擬定“十四運”期間(2021-09-15-2021-09-27)3個階段不同運行流量與持續(xù)時長組成情景，以優(yōu)選的情景組合制定“全運湖”水景觀運行方式。按照前述“十四運”期間水文情勢分析、水景觀運行流量目標、橡膠壩安全度汛流量要求，視不同天然來流過程將其劃分為以下幾個流量區(qū)段：0～4 m3/s(加大補水區(qū)段)、4～18 m3/s(正常補水區(qū)段)、18～40 m3/s(無補水區(qū)段)、40～100 m3/s(蓄水區(qū)段)，針對各流量區(qū)段制定與之對應的“全運湖”水景觀運行具體蓄泄操控方式。

受篇幅所限，本文以天然來流量為0～4 m3/s區(qū)段的最不利情況為例，該流量區(qū)段內聯(lián)合調度參與補水水源較多，且基本涵蓋其他流量區(qū)段的相應操控，其補、泄水量時程分配過程如表4所示。

表4 “十四運”期間各階段“全運湖”水景觀流量及補、泄水量時程分配過程(天然來流量為0～4 m3/s) m3/s

將表4中的補、泄水量時程分配過程說明如下：

(1)第1、3階段，即開、閉幕式期：“全運湖”水景觀以40 m3/s運行18 h，并按照28 m3/s錯時補水6 h；

(2)第2階段，中間期：可依據天然來流在該區(qū)段內變化，“全運湖”水景觀以40 m3/s或18 m3/s各運行6 h(若天然來水多處于區(qū)段低值區(qū)，應選擇18 m3/s運行)，此外，參照上游灞河壩群、浐河壩群、水庫群等各補水水源有效蓄水量和實施運行狀況，以28 m3/s錯時按序補水。

5 結 論

針對“十四運”期間浐灞河流域“全運湖”水景觀要求，本文構建了以水景觀運行時長最長、流量最佳為目標函數的浐灞河流域水量聯(lián)合調度模型，采用協(xié)同粒子群優(yōu)化算法開展了不同運行階段聯(lián)合調度方案求解，通過長系列日尺度模擬計算，主要得到以下結論：

(1)當灞河A、B控制壩充水蓄壩歷時為7 d時，相較于3 d或5 d充水歷時，兩控制壩蓄滿概率增幅顯著，達到81.6%，具有較高的保障程度，既為度汛安全不過早立壩，又可確?？刂茐晤A存充足的水量。

(2)通過對“十四運”期間3個階段不同運行流量、時長組合的模擬情景對比分析，優(yōu)選情景6方案，即開、閉幕式階段以最佳水景觀流量40 m3/s優(yōu)先運行，運行歷時為18 h；中間期可按每天12 h維持“全運湖”最小水景觀流量18 m3/s。

(3)在天然流量不同區(qū)段，即0～4 m3/s (加大補水區(qū)段)、4～18 m3/s (正常補水區(qū)段)、18～40 m3/s (無補水區(qū)段)、40～100 m3/s (蓄水區(qū)段)，分別制定出 “全運湖”水景觀蓄泄運行方案，并以天然流量為0～4 m3/s區(qū)段的最不利運行工況，展示出滿足“全運湖”水景觀蓄泄水要求的庫壩群“錯時補水”操控方式。