考慮供水均衡性的南水北調(diào)東線(xiàn)工程江蘇段優(yōu)化調(diào)度

方國(guó)華,李智超,鐘華昱,張勁松,聞 昕,孫洪濱,黃顯峰

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.江蘇省水利廳,江蘇 南京 210029)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口規(guī)模的增長(zhǎng),水資源短缺問(wèn)題愈發(fā)突出,僅靠本流域內(nèi)的水資源難以完全解決資源型缺水地區(qū)的供需矛盾[1-3]。通過(guò)跨流域調(diào)水工程將豐水地區(qū)的水資源調(diào)入缺水地區(qū),已成為緩解水資源短缺問(wèn)題的主要工程措施[4-6],如澳大利亞的雪山工程[7]、俄羅斯的莫斯科運(yùn)河工程[8]、中國(guó)的南水北調(diào)工程[9]等。其中,作為全球最大的跨流域調(diào)水工程,南水北調(diào)工程能夠解決我國(guó)北方水資源嚴(yán)重短缺的問(wèn)題,為我國(guó)北方社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有力保障,是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

隨著跨流域調(diào)水工程的建設(shè)和發(fā)展,如何有效運(yùn)行和管理成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。Matete等[10]利用生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)萊索托跨流域調(diào)水進(jìn)行生態(tài)用水評(píng)價(jià),建立了萊索托跨流域調(diào)水多生態(tài)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。Guo等[11]將調(diào)水規(guī)則與供水方案相結(jié)合,提出了改良后的調(diào)度策略,并運(yùn)用雙層模型解決跨流域調(diào)水多水庫(kù)運(yùn)行策略問(wèn)題。方淑秀等[12]針對(duì)灤河引水工程多水庫(kù)跨流域供水系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行,采用隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法得到了該工程多級(jí)水庫(kù)之間的最優(yōu)運(yùn)行策略。楊柳等[13]以引漢濟(jì)渭與黑河引水工程聯(lián)合供水系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立了模擬調(diào)度模型,充分發(fā)揮外調(diào)水和當(dāng)?shù)厮Y源聯(lián)合調(diào)度的補(bǔ)償作用,優(yōu)化不同來(lái)水頻率下的供水方案。李瑛[14]針對(duì)引嘉濟(jì)漢-引漢濟(jì)渭跨流域調(diào)水工程試運(yùn)行期和正常運(yùn)行期的調(diào)度問(wèn)題,建立了不同時(shí)期的泵站-水庫(kù)-電站協(xié)同運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)。

南水北調(diào)東線(xiàn)工程江蘇段是在原江水北調(diào)工程基礎(chǔ)上的擴(kuò)大規(guī)模和向北延伸,在長(zhǎng)江與駱馬湖間原運(yùn)河線(xiàn)外新開(kāi)辟了運(yùn)西輸水線(xiàn)路,具有河道水系復(fù)雜、配置目標(biāo)多樣、新老泵站一體等特點(diǎn)。南水北調(diào)東線(xiàn)工程江蘇段綜合效益能夠充分發(fā)揮的關(guān)鍵,除對(duì)泵站、閘門(mén)、湖泊等各工程單元進(jìn)行高效的管理外,便是對(duì)工程整體進(jìn)行科學(xué)的調(diào)度決策[15]。近年來(lái),圍繞南水北調(diào)東線(xiàn)工程江蘇段(以下簡(jiǎn)稱(chēng)東線(xiàn)工程)的相關(guān)研究逐漸增多。侍翰生等[16]根據(jù)工程特點(diǎn),將東線(xiàn)工程概化成“河-湖-梯級(jí)泵站”系統(tǒng),以系統(tǒng)缺水量及抽水量最小為目標(biāo),運(yùn)用離散微分動(dòng)態(tài)規(guī)劃法與模擬技術(shù)求解了多湖泊優(yōu)化模型。王文杰等[17]在對(duì)東線(xiàn)工程水資源系統(tǒng)分析概化的基礎(chǔ)上,采用改進(jìn)遺傳算法求解了不同保證率下東線(xiàn)工程湖泊缺水量和泵站抽水量最小的優(yōu)化模型。聞昕等[18]針對(duì)東線(xiàn)工程特點(diǎn),進(jìn)一步提出了“兩線(xiàn)-三湖-四水源-六區(qū)間”的水資源調(diào)配空間格局,建立了考慮受水區(qū)缺水量最小和抽江水量最小的優(yōu)化模型。此外,還有很多學(xué)者通過(guò)合理的概化東線(xiàn)工程系統(tǒng),優(yōu)化各沿線(xiàn)泵站的抽水量[19-21]。當(dāng)前關(guān)于東線(xiàn)工程的優(yōu)化調(diào)度研究,在考慮優(yōu)化目標(biāo)時(shí),主要以系統(tǒng)總抽水量和缺水量最小為主對(duì)整體的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行優(yōu)化,而東線(xiàn)工程的供水范圍涉及不同市、縣的多個(gè)受水區(qū)與不同的供水時(shí)段,就空間維度而言,不同受水區(qū)的供水成本與其所在的地理位置關(guān)系密切,東線(xiàn)工程位于南方的受水區(qū)因?yàn)榫嚯x水源近、提水高度小等原因能夠得到相對(duì)充足的水量供給,位于北方的受水區(qū)因?yàn)檎{(diào)水線(xiàn)路長(zhǎng)、提水高度大等原因使得供水成本增加,各地區(qū)的供水難易程度不同,直接導(dǎo)致了各受水區(qū)的供水差異性;就時(shí)間維度而言,調(diào)度時(shí)段內(nèi)的不同時(shí)期,其來(lái)水量總是不均勻的,在來(lái)水較枯的時(shí)段,各受水區(qū)之間的供水競(jìng)爭(zhēng)性更大,進(jìn)一步加劇了供水成本較大的東線(xiàn)工程北方受水區(qū)的供水困難問(wèn)題。若僅考慮東線(xiàn)工程的整體經(jīng)濟(jì)效益最大化,易造成部分受水區(qū)在某些時(shí)段嚴(yán)重缺水,加劇供水矛盾,有礙公平。因此,考慮東線(xiàn)工程在供水過(guò)程中的時(shí)空均衡性問(wèn)題,使各受水區(qū)在不同時(shí)段得到相對(duì)均衡的供水具有重要意義。

本文以受水區(qū)綜合缺水率最小、泵站總抽水量最小、缺水率時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差最小、缺水率空間標(biāo)準(zhǔn)差最小為優(yōu)化目標(biāo),構(gòu)建考慮受水區(qū)供水時(shí)空均衡性的南水北調(diào)東線(xiàn)工程江蘇段多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型,采用NSGA-Ⅲ算法求解,并采用基于層次分析法與和TOPSIS法的組合賦權(quán)法進(jìn)行方案優(yōu)選,以期所提方案在提高工程整體運(yùn)行調(diào)度效益的同時(shí),保證不同受水區(qū)和不同時(shí)段供水的公平性。

1 研究區(qū)概況與研究資料

1.1 研究區(qū)概況

南水北調(diào)東線(xiàn)工程江蘇段位于淮河流域下游的蘇北地區(qū),省內(nèi)供水范圍包括淮安、宿遷、連云港、徐州市全部轄區(qū)和揚(yáng)州市內(nèi)江都、高郵、寶應(yīng)縣(市)以及鹽城市阜寧縣,沿線(xiàn)包含有數(shù)十個(gè)大中型灌區(qū),總土地面積37980km2,耕地面積200.5萬(wàn)hm2,供水區(qū)域見(jiàn)圖1。工程主要任務(wù)是利用江蘇境內(nèi)2條線(xiàn)路、9個(gè)梯級(jí)泵站逐級(jí)提水北上,向沿線(xiàn)及省外用水戶(hù)提供穩(wěn)定的供水。

圖1 南水北調(diào)東線(xiàn)工程江蘇段供水區(qū)域

1.2 研究資料

將東線(xiàn)工程省內(nèi)供水區(qū)域劃分為16個(gè)受水區(qū),并根據(jù)江蘇省湖泊、閘門(mén)、泵站以及受水區(qū)的位置分布情況對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行概化,如圖2所示;各受水區(qū)的需水量由江水北調(diào)沿線(xiàn)供水調(diào)度計(jì)劃確定,本地降水按照區(qū)域就近原則與外來(lái)水源一并考慮;不同來(lái)水頻率下(50%、75%和95%)的湖泊來(lái)水情況由歷史入湖徑流量確定。相關(guān)資料均來(lái)源于江蘇省水利廳。

圖2 南水北調(diào)東線(xiàn)工程江蘇段系統(tǒng)概化

2 優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)建

2.1 目標(biāo)函數(shù)

首先,從東線(xiàn)工程的建設(shè)目的出發(fā),作為一個(gè)國(guó)家投資并主導(dǎo)建設(shè)的跨流域調(diào)水工程,應(yīng)盡可能最大程度發(fā)揮工程作用,緩解沿線(xiàn)受水區(qū)的缺水狀況,因此應(yīng)作為衡量?jī)?yōu)化效果的一個(gè)重要指標(biāo)。其次,以盡量經(jīng)濟(jì)的方式完成省內(nèi)外供水任務(wù),能夠減少水量損失、提高江蘇省整體供水效率,因此將泵站總抽水量也作為優(yōu)化目標(biāo)。最后,由于東線(xiàn)工程不同受水區(qū)具有顯著的供水成本差異,為了盡可能對(duì)各受水區(qū)均衡供水,需要考慮受水區(qū)供水的空間均衡性;工程在具有省外供水任務(wù)的南水北調(diào)時(shí)期(一般為12月至次年5月)與省內(nèi)大用水時(shí)期(6月至8月上旬)的供水壓力通常較大,需要考慮受水區(qū)供水的時(shí)間均衡性,因此最后2個(gè)指標(biāo)為缺水率空間標(biāo)準(zhǔn)差與缺水率時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差。綜上,4個(gè)目標(biāo)函數(shù)分別為受水區(qū)綜合缺水率最小f1(式(1))、泵站總抽水量最小f2(式(2))、缺水率空間標(biāo)準(zhǔn)差最小f3(式(3))、缺水率時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差最小f4(式(4))。

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2 約束條件

系統(tǒng)中每個(gè)工程單元都有其特定的約束條件,同時(shí)工程中某些調(diào)度目標(biāo)也會(huì)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的約束條件,模型約束包括湖泊水量平衡約束(式(5))、湖泊調(diào)蓄能力約束(式(6))、泵站工作能力約束(式(7))、閘門(mén)最大過(guò)流能力約束(式(8))、非負(fù)約束。

S(k,t+1)=S(k,t)+Q(k,t)+Pr(k,t)+Fr(k,t)-Pc(k,t)-Fc(k,t)-W(k,t)

(5)

Smin(k,t)≤S(k,t)≤Smax(k,t)

第二，加強(qiáng)科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在有基礎(chǔ)和比較優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域，進(jìn)行預(yù)研和前瞻布局，使其成為突破科學(xué)前沿、解決經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)家安全重大科技問(wèn)題的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。

(6)

Pr(k,t)≤Prmax(k,t)Pc(k,t)≤Pcmax(k,t)

(7)

Fr(k,t)≤Frmax(k,t)Fc(k,t)≤Fcmax(k,t)

(8)

式中:S(k,t)為t時(shí)段k湖泊的蓄水量,億m3;Q(k,t)為t時(shí)段k湖泊的自然來(lái)水量,億m3;Pr(k,t)為t時(shí)段泵站抽入k湖泊的水量,億m3;Pc(k,t)為t時(shí)段k湖泊由泵站抽出的水量,億m3;Fr(k,t)為t時(shí)段閘門(mén)泄入k湖泊的水量,億m3;Fc(k,t)為t時(shí)段k湖泊通過(guò)閘門(mén)泄出的水量,億m3;W(k,t)為t時(shí)段k湖泊的輸水損失,億m3;Smin(k,t)和Smax(k,t)分別為t時(shí)段k湖泊的最小蓄水量和最大蓄水量,億m3;Pcmax(k,t)、Prmax(k,t)分別為應(yīng)泵站出入湖的泵站最大抽水能力,億m3;Fcmax(k,t)、Frmax(k,t)分別為閘門(mén)出入湖的最大過(guò)流能力,億m3。

2.3 優(yōu)化調(diào)度方式

東線(xiàn)工程常規(guī)調(diào)度方式假定時(shí)段內(nèi)調(diào)蓄湖泊不進(jìn)行補(bǔ)水或棄水,根據(jù)上游來(lái)水情況和周邊用水戶(hù)的需水情況,依據(jù)水量平衡計(jì)算時(shí)段末湖泊水位,再根據(jù)該水位做出抽(泄)水量決策,決策如下:①當(dāng)大于駱馬湖上限水位時(shí),停止洪澤湖北調(diào)抽水;②當(dāng)洪澤湖、駱馬湖在北調(diào)控制水位與湖泊上限水位之間時(shí),停止湖泊泄水并進(jìn)行補(bǔ)湖;③當(dāng)洪澤湖、駱馬湖低于北調(diào)控制水位時(shí),停止湖泊泄水與北調(diào)抽水并進(jìn)行補(bǔ)湖。

顯然,常規(guī)調(diào)度方式?jīng)]有充分考慮水源的來(lái)水特性,且未能合理利用湖泊的調(diào)蓄能力。因此,本文針對(duì)東線(xiàn)工程的水源、線(xiàn)路、湖泊特點(diǎn),提出了合理的優(yōu)化調(diào)度方式。優(yōu)化調(diào)度方式下湖泊庫(kù)容不再作為抽(泄)水的決策依據(jù),而是僅作為模型的約束條件。優(yōu)化調(diào)度方式以洪澤湖、駱馬湖作為調(diào)蓄工程,以水量平衡為基本原理,將泵站的抽水流量與受水區(qū)綜合缺水率作為決策變量,依據(jù)湖泊對(duì)東線(xiàn)工程進(jìn)行南北分區(qū),繼而由北向南依次推求各閘站的抽(泄)水過(guò)程,最終通過(guò)優(yōu)化算法得出供水系統(tǒng)整體的優(yōu)化配置。

2.4 優(yōu)化調(diào)度模型求解與多目標(biāo)優(yōu)選

2.4.1 NSGA-Ⅲ算法

南水北調(diào)東線(xiàn)工程江蘇段優(yōu)化調(diào)度是一個(gè)典型的高維多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,因此選取能夠較好解決該問(wèn)題的NSGA-Ⅲ算法進(jìn)行求解。NSGA-Ⅲ算法通過(guò)對(duì)NSGA-Ⅱ算法中的擁擠度選擇算子進(jìn)行替換,生成參考點(diǎn)后采用最小生境選擇機(jī)制在快速非支配排序后選擇優(yōu)良個(gè)體,能夠有效保證算法的多樣性和收斂性[22]。具體步驟可以參考文獻(xiàn)[22]。

2.4.2 基于層次分析法與TOPSIS法的組合賦權(quán)法

在多屬性決策方法中,主觀賦權(quán)法的決策結(jié)果客觀性較差,有較強(qiáng)的隨意性,而客觀賦權(quán)法依賴(lài)于實(shí)際的問(wèn)題域,沒(méi)有考慮決策者的主觀意向,通用性和決策人的可參與性較差[23]。因此,本文采用綜合主觀的層次分析法[24]與客觀的TOPSIS法[25]的組合賦權(quán)法,對(duì)南水北調(diào)東線(xiàn)江蘇段優(yōu)化調(diào)度模型結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),先運(yùn)用層次分析法取得總抽水量、綜合缺水率、缺水率時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差、缺水率空間標(biāo)準(zhǔn)差4個(gè)指標(biāo)的主觀權(quán)重,再運(yùn)用TOPSIS法計(jì)算各指標(biāo)加權(quán)后的相對(duì)接近度。

層次分析法先構(gòu)造受水區(qū)總抽水量、綜合缺水率、缺水率時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差、缺水率空間標(biāo)準(zhǔn)差4個(gè)指標(biāo)的判斷矩陣(表1),在判斷矩陣滿(mǎn)足一致性要求的情況下求解判斷矩陣最大特征值與對(duì)應(yīng)的特征向量,將特征向量歸一化處理后計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重向量,從而獲得4個(gè)指標(biāo)的主觀權(quán)重。表1的判斷矩陣一致性指標(biāo)為0.012,小于0.1,滿(mǎn)足一致性要求。

表1 指標(biāo)判斷矩陣

在用層次分析法取得主觀權(quán)重之后,運(yùn)用TOPSIS法對(duì)模型求解結(jié)果進(jìn)行最后的優(yōu)選。TOPSIS法的基本過(guò)程為找出基于加權(quán)后的決策矩陣的最優(yōu)方案和最劣方案,然后分別計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案和最劣方案間的加權(quán)距離,獲得各評(píng)價(jià)對(duì)象與最優(yōu)方案的相對(duì)接近程度,以此作為評(píng)價(jià)優(yōu)劣的依據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 非劣解集分析

本文以水文年為計(jì)算周期(10月初至次年9月底),月為計(jì)算時(shí)段,初始水位設(shè)置為正常蓄水位,采用NSGA-Ⅲ算法求解95%、75%、50%來(lái)水頻率下的調(diào)度模型,其中,來(lái)水頻率采用1980—2020年的洪澤湖、駱馬湖湖泊來(lái)水資料,算法種群數(shù)目設(shè)置為400,迭代次數(shù)設(shè)置為10000,得到的非劣解集如圖3所示。由圖3可知,綜合缺水率與泵站總抽水量、缺水率時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差、空間標(biāo)準(zhǔn)差之間均具有密切聯(lián)系,綜合缺水率越小,總抽水量往往越大;在相同綜合缺水率情況下,來(lái)水條件越好,非劣解越多;綜合缺水率在取值范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí),越接近兩端取值,非劣解數(shù)量越少,缺水率時(shí)間、空間標(biāo)準(zhǔn)差越小,越向中間取值時(shí),非劣解數(shù)量越多,缺水率時(shí)空標(biāo)準(zhǔn)差也越大;缺水率時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差與空間標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)性,時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差越小,空間標(biāo)準(zhǔn)差越大。在綜合缺水率低于50%的情況下,總抽水量與綜合缺水率、缺水率時(shí)空標(biāo)準(zhǔn)差呈競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,綜合缺水率與缺水率時(shí)空標(biāo)準(zhǔn)差呈協(xié)同關(guān)系,說(shuō)明隨著總抽水量上升,綜合缺水率降低,不同受水區(qū)、不同時(shí)段缺水率逼近0,取值范圍縮小。

3.2 優(yōu)化調(diào)度與常規(guī)調(diào)度比較分析

通過(guò)層次分析法得到的總抽水量、綜合缺水率、缺水率時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差、缺水率空間標(biāo)準(zhǔn)差4個(gè)指標(biāo)的主觀權(quán)重分別為0.265、0.616、0.060和0.060,并以此對(duì)TOPSIS法理想解距離加權(quán),得出非劣解集中不同來(lái)水頻率下經(jīng)組合賦權(quán)比較后的方案優(yōu)選結(jié)果,優(yōu)選結(jié)果與目標(biāo)為綜合缺水率最小的常規(guī)調(diào)度結(jié)果的4個(gè)指標(biāo)如表2所示。

表2 不同調(diào)度方案下的指標(biāo)

在95%與75%來(lái)水頻率下,受水區(qū)遭遇干旱缺水,由表2可知,相比常規(guī)調(diào)度方案,優(yōu)化調(diào)度方案總抽水量分別增加了84.41億m3、49.83億m3,增加量占常規(guī)調(diào)度方案的21.6%、15.4%。受水區(qū)綜合缺水率分別減少了9.2%與8.2%,同時(shí)在缺水率的時(shí)空標(biāo)準(zhǔn)差方面顯著小于常規(guī)調(diào)度方案,提升了不同受水區(qū)供水的均衡性。在50%來(lái)水頻率下,由于湖泊來(lái)水相對(duì)充足,在不缺水的情況下優(yōu)化調(diào)度通過(guò)更加合理的調(diào)度方式減少了100.06億m3總抽水量,占常規(guī)調(diào)度方案總抽水量的39.4%,使受水區(qū)綜合缺水率由10.5%降為0。

繪制不同來(lái)水頻率下優(yōu)化調(diào)度與常規(guī)調(diào)度方案的湖泊水位調(diào)度線(xiàn),如圖4所示。由圖4可知,在不同來(lái)水頻率下,常規(guī)調(diào)度方案中洪澤湖與駱馬湖全年都維持在高水位運(yùn)行,未能合理運(yùn)用兩湖泊的調(diào)節(jié)能力。相較于常規(guī)調(diào)度方案,優(yōu)化調(diào)度在6月省內(nèi)大用水時(shí)期前,通過(guò)合理運(yùn)用湖泊的調(diào)蓄能力,使得湖泊水位趨近于正常蓄水位,以保證大用水期間具有充足的水量補(bǔ)給;而在6—8月的大用水時(shí)期,優(yōu)化調(diào)度充分發(fā)揮洪澤湖與駱馬湖的調(diào)蓄能力,釋放蓄存的庫(kù)容,使湖泊水位顯著低于常規(guī)調(diào)度;在大用水時(shí)期后,在75%與50%來(lái)水頻率下進(jìn)行持續(xù)的補(bǔ)湖使水位逐漸恢復(fù),95%來(lái)水頻率由于來(lái)水的嚴(yán)重不足,在補(bǔ)湖的情況下湖泊水位依然較低,仍存在較大的水量缺口。

圖4 不同來(lái)水頻率和調(diào)度方案下的湖泊水位

不同來(lái)水頻率不同調(diào)度方案下的水量利用情況如圖5所示。在95%與75%來(lái)水頻率下,優(yōu)化調(diào)度總抽水量、抽江水量、出入洪澤湖量、出入駱馬湖量均高于常規(guī)調(diào)度,說(shuō)明相比常規(guī)調(diào)度,優(yōu)化調(diào)度更能夠充分發(fā)揮東線(xiàn)工程的抽調(diào)水能力,在合理利用湖泊調(diào)蓄能力的基礎(chǔ)上,降低了受水區(qū)的綜合缺水率,緩解蘇北地區(qū)旱情。在50%來(lái)水頻率下,優(yōu)化調(diào)度通過(guò)合理運(yùn)用湖泊調(diào)蓄能力,充分利用湖泊來(lái)水,從而降低了總抽水量、抽江水量、入洪澤湖量。

圖5 不同來(lái)水頻率和調(diào)度方案下的水量利用情況

以95%來(lái)水頻率為例,優(yōu)化調(diào)度與常規(guī)調(diào)度方案不同受水區(qū)年內(nèi)缺水率情況如圖6所示。由圖6可知,優(yōu)化調(diào)度的供水時(shí)空均衡性遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)調(diào)度,在95%來(lái)水頻率下位于北方的不牢河受水區(qū)、連云港受水區(qū)等受水區(qū)在6—8月大用水期間出現(xiàn)了明顯的缺水狀況,而里運(yùn)河受水區(qū)至廢黃河受水區(qū)在10月至次年5月供水充分,兩者形成鮮明對(duì)比;而優(yōu)化調(diào)度圖空間尺度與時(shí)間尺度上缺水率變化均較為平緩,缺水率分布較為均勻。在75%和50%來(lái)水頻率下,優(yōu)化調(diào)度在6—8月顯著減少了泗洪-睢寧受水區(qū)、睢寧-邳州受水區(qū)、連云港受水區(qū)等北方受水區(qū)缺水的局面。

圖6 95%來(lái)水頻率下受水區(qū)缺水率

具體而言,在供水空間均衡性方面,95%來(lái)水頻率下,常規(guī)調(diào)度的不同受水區(qū)在不同時(shí)段缺水率差異較大,各受水區(qū)年缺水率范圍為[0,72.2%],除部分位于供水前段的受水區(qū)外,其余受水區(qū)年缺水率普遍在40%以上;優(yōu)化調(diào)度下,各受水區(qū)的年缺水率范圍為[8.3%,47.1%],取值范圍得到了顯著改善,各受水區(qū)年缺水率分布更集中,差距顯著減少。75%來(lái)水頻率下,常規(guī)調(diào)度各受水區(qū)年缺水率范圍為[0, 31.2%];優(yōu)化調(diào)度由于綜合缺水率降低與考慮了供水均衡等多種因素,供水的空間均衡性得到了明顯的改善,年缺水率范圍為[0.1%, 6.8%],取值范圍明顯減少;50%來(lái)水頻率下,常規(guī)調(diào)度依然存在10.5%的綜合缺水率,優(yōu)化調(diào)度則使得各受水區(qū)供水充分,將綜合缺水率降為0,消除了受水區(qū)供水不均衡的問(wèn)題。在供水時(shí)間均衡性方面,95%來(lái)水頻率下,相比常規(guī)調(diào)度,優(yōu)化調(diào)度小幅度提升了1—5月的缺水率,降低了其余月份約10%的缺水率;75%來(lái)水頻率下,優(yōu)化調(diào)度大幅降低了6月的缺水率,由60.9%降至16.5%;50%來(lái)水頻率下,優(yōu)化調(diào)度方案缺水率由10.5%降為0。3種來(lái)水頻率缺水率時(shí)空分布情況說(shuō)明隨著來(lái)水的減少,受水區(qū)供水的分配與協(xié)調(diào)問(wèn)題會(huì)更加突出。

4 結(jié) 論

a.相較于常規(guī)調(diào)度,優(yōu)化調(diào)度方案在95%、75%、50%來(lái)水頻率下使受水區(qū)綜合缺水率分別降低9.2%、8.2%、10.5%。在95%與75%來(lái)水頻率下,優(yōu)化調(diào)度方案通過(guò)對(duì)湖泊、泵站等工程單元的合理規(guī)劃,充分發(fā)揮了工程能力,分別增加泵站84.41億m3、49.83億m3總抽水量,分別占常規(guī)調(diào)度方案的21.6%、15.4%,從而顯著降低受水區(qū)的綜合缺水率,緩解了缺水壓力;在50%來(lái)水頻率下,優(yōu)化調(diào)度方案合理利用湖泊來(lái)水,充分發(fā)揮湖泊調(diào)蓄能力,使受水區(qū)綜合缺水率由10.5%降為0,減少了100.06億m3總抽水量,占常規(guī)調(diào)度方案的39.4%,節(jié)約了抽水成本。

b.相較于常規(guī)調(diào)度,優(yōu)化調(diào)度方案受水區(qū)供水時(shí)空均衡性明顯提高,在95%、75%和50%來(lái)水頻率下各時(shí)段缺水率標(biāo)準(zhǔn)差、各受水區(qū)缺水率標(biāo)準(zhǔn)差均顯著降低,且使不同受水區(qū)不同時(shí)段缺水率分布范圍更為均勻集中,有效避免了極端情況的出現(xiàn),保障了不同地區(qū)人民的基本用水。