雙水源聯(lián)合調(diào)度方案水頭壓力安全性分析

摘 要：本文以雙水源聯(lián)合調(diào)度方案的水頭壓力安全性分析為主題，通過構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系、權(quán)重確定、模糊綜合評價(jià)和結(jié)果分析對雙水源聯(lián)合調(diào)度方案的水頭壓力安全性進(jìn)行全面評估。研究結(jié)果表明，調(diào)度過程中的最大水頭壓力和地下水源水頭壓力穩(wěn)定性是影響水頭壓力安全性的關(guān)鍵因素。在評價(jià)中，方案2表現(xiàn)較突出，具有較高的安全性。通過研究，可以為實(shí)際工程提供有效的決策支持，確保水利設(shè)施的安全運(yùn)行和地下水資源的可持續(xù)利用。

關(guān)鍵詞：雙水源聯(lián)合調(diào)度；水頭壓力安全性；模糊綜合評價(jià)；安全性分析

中圖分類號：TV 213 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

水資源的高效利用和優(yōu)化配置成為當(dāng)前水資源管理的重要研究課題[1]。在此背景下，雙水源聯(lián)合調(diào)度作為一種提高水資源利用效率的有效手段，在水資源管理中發(fā)揮越來越重要的作用。然而，雙水源聯(lián)合調(diào)度過程中，水頭壓力的安全性成為制約調(diào)度效果的關(guān)鍵因素[2]。因此，研究雙水源聯(lián)合調(diào)度方案的水頭壓力安全性，對保障水利工程的安全運(yùn)行具有重要意義。

學(xué)者們從不同角度對水源聯(lián)合調(diào)度方案安全性分析進(jìn)行深入研究和探索。儲德義等[3]提出多水源、多用戶、多控制要素下的動態(tài)蓄引技術(shù)和不同組合條件下的聯(lián)合配置方案。陳香朋[4]提出各水源工程的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案，便于在灌區(qū)建設(shè)與管理運(yùn)行中參考，使灌區(qū)水資源得到合理優(yōu)化配置。陳紅光等[5]以開采地下水量最小為目標(biāo)建立多水源聯(lián)合調(diào)度模型，確定滿足不同約束條件的灌區(qū)多水源聯(lián)合調(diào)度方案。

本文旨在結(jié)合工程實(shí)際，運(yùn)用模型評價(jià)等理論方法，對雙水源聯(lián)合調(diào)度方案的水頭壓力安全性進(jìn)行分析，揭示雙水源聯(lián)合調(diào)度過程中水頭壓力的變化規(guī)律，為制定合理的水源調(diào)度方案提供依據(jù)。

1 水源調(diào)度方案

針對赤壁市雙水源聯(lián)合調(diào)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出以下雙水源聯(lián)合調(diào)度方案。

方案一：基于長江水源和陸水水源的互補(bǔ)特性，確保城區(qū)供水安全與穩(wěn)定。長江水源地位于城區(qū)北部，設(shè)計(jì)日供水量為10萬t，陸水水源地位于城區(qū)南部，設(shè)計(jì)日供水量為14萬t。當(dāng)現(xiàn)狀總需水量為12萬t時(shí)，長江水源承擔(dān)城區(qū)1/3的供水任務(wù)，即日供水量為4萬t，陸水水源則提供剩余的2/3，即日供水量為8萬t。供水分界線為老國道——金雞山路沿線，以北為長江水，以南為陸水水。長江水水壓43m，陸水水壓21m，最不利點(diǎn)距高鐵站24m。

方案二：當(dāng)現(xiàn)狀總需水量為12萬t時(shí)，長江水?dāng)U大供水范圍，盡可能供新區(qū)大范圍用戶。通過加大長江水供水壓力來實(shí)現(xiàn)。供水量保持不變，長江水日供水量為4萬t，陸水水源供水量為8萬t。此時(shí)，供水分界線為河北大道——銀輪大道沿線，以北為長江水供水，長江水供水范圍擴(kuò)大。長江水水壓47m，陸水水壓21m，最不利點(diǎn)距高鐵站26m。

2 雙水源聯(lián)合調(diào)度方案水頭壓力安全性評價(jià)體系構(gòu)建

當(dāng)構(gòu)建雙水源聯(lián)合調(diào)度方案水頭壓力安全性評價(jià)體系時(shí)，遵循構(gòu)建原則：確保指標(biāo)的系統(tǒng)性，即指標(biāo)應(yīng)全面覆蓋影響水頭壓力安全性的各個(gè)因素；強(qiáng)調(diào)指標(biāo)的可操作性，確保所選指標(biāo)能夠通過實(shí)際數(shù)據(jù)或?qū)I(yè)評估進(jìn)行量化；注重指標(biāo)的科學(xué)性，指標(biāo)應(yīng)基于《水資源調(diào)度管理辦法》等相關(guān)規(guī)范和專業(yè)知識；保證指標(biāo)的獨(dú)立性，避免指標(biāo)間的相互重疊，確保評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。為進(jìn)一步優(yōu)化評價(jià)指標(biāo)，邀請行業(yè)內(nèi)的資深專家進(jìn)行訪談，對初步指標(biāo)進(jìn)行了篩選和調(diào)整，最終確定評價(jià)指標(biāo)。1）地表水源來水保證率。反映地表水源的可靠性和穩(wěn)定性，對保障雙水源聯(lián)合調(diào)度方案的水頭壓力安全性具有重要意義。2）地下水源可持續(xù)開采率。衡量地下水源的開采潛力，對評估地下水源的長期供應(yīng)能力至關(guān)重要。3）地表水源水頭壓力波動范圍。體現(xiàn)地表水源水頭壓力的變化情況，波動范圍越小，表明水頭壓力越穩(wěn)定，安全性越高。4）地下水源水頭壓力穩(wěn)定性。反映地下水源水頭壓力的穩(wěn)定程度，穩(wěn)定性越高，水頭壓力安全性越好。5）調(diào)度過程中的最大水頭壓力。關(guān)注調(diào)度過程中可能出現(xiàn)的最大水頭壓力，對預(yù)防因水頭壓力過大導(dǎo)致的工程風(fēng)險(xiǎn)具有指導(dǎo)意義。

3 模型配置

3.1 CRITIC法確定權(quán)重

為客觀確定評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，引入CRITIC法對雙水源聯(lián)合調(diào)度方案的水頭壓力安全性指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重確定，根據(jù)水源調(diào)度方案中提出的2種調(diào)度方案，收集相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括地表水源來水保證率、地下水源可持續(xù)開采率、地表水源水頭壓力波動范圍、地下水源水頭壓力穩(wěn)定性以及調(diào)度過程中的最大水頭壓力等。CRITIC法是一種基于指標(biāo)對比和指標(biāo)間相關(guān)性的權(quán)重確定方法。它考慮指標(biāo)變異性（標(biāo)準(zhǔn)差）和指標(biāo)間的沖突性（相關(guān)系數(shù)），從而為每個(gè)指標(biāo)賦予合理的權(quán)重。具體計(jì)算步驟如下。

3.1.1 對各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于水源調(diào)度方案中提到的指標(biāo)涉及不同的單位和量級，因此需要消除不同指標(biāo)量綱的影響。標(biāo)準(zhǔn)化公式如公式（1）所示。

（1）

式中：x' ij為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值；i為實(shí)際值；j為樣本值；xij為第j個(gè)樣本的第i個(gè)指標(biāo)的實(shí)際值；min（xij）和max（xij）分別為第j個(gè)樣本的第i個(gè)指標(biāo)的的最小值和最大值。

3.1.2 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差

計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差，反映水源調(diào)度方案中不同水源的特性，以衡量指標(biāo)的變異性，如公式（2）所示。

（2）

式中：σj為第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差；n為樣本數(shù)量；x\" i為第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化平均值；x' ij為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值。

3.1.3 計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣

構(gòu)建相關(guān)系數(shù)矩陣（公式（3）），以衡量指標(biāo)間的沖突性，有助于理解水源調(diào)度方案中不同水源間的相互作用。

（3）

式中：rij為第i個(gè)指標(biāo)的第j個(gè)相關(guān)系數(shù)；σi為第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差；σj為j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差；n為樣本數(shù)量；x\" i為第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化平均值；xj\"為第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化平均值。

3.1.4 計(jì)算指標(biāo)的沖突性

每個(gè)指標(biāo)的沖突性可以通過其與其他指標(biāo)相關(guān)系數(shù)的乘積來衡量，如公式（4）所示。

（4）

式中：Ci為第i個(gè)指標(biāo)的沖突性；rij為第i個(gè)指標(biāo)與第j個(gè)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)；m為指標(biāo)的總數(shù)。

3.1.5 計(jì)算權(quán)重

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差和沖突性計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重（公式（5）），這些權(quán)重將直接應(yīng)用于2個(gè)水源調(diào)度方案中，以評估它們的水頭壓力安全性。

（5）

式中：wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；σi為第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差；Ci為第i個(gè)指標(biāo)的沖突性；m為指標(biāo)的總數(shù)。

3.2 模糊綜合評價(jià)法確定方案得分

為處理評價(jià)過程中的不確定性和模糊性，采用模糊綜合評價(jià)法對雙水源聯(lián)合調(diào)度方案的水頭壓力安全性指標(biāo)進(jìn)行打分。模糊綜合評價(jià)法是一種基于模糊集合理論的評價(jià)方法，它通過構(gòu)建模糊評價(jià)矩陣和模糊算子，將定性評價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評價(jià)，從而對多指標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評價(jià)。具體計(jì)算步驟如下。

3.2.1 建立評價(jià)指標(biāo)集

確定評價(jià)指標(biāo)集U，它包括所有影響水頭壓力安全性的指標(biāo)。評價(jià)指標(biāo)集U如公式（6）所示。

U={U1，U2，...，Um} （6）

式中：Ui為第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)，i=1，2，…，m。

3.2.2 確定評價(jià)等級

評價(jià)等級如公式（7）所示。

V={V1，V2，...，Vn} （7）

式中：Vj為第j個(gè)評價(jià)等級，j=1，2，…，n。

3.2.3 構(gòu)建模糊評價(jià)矩陣

通過專家評分或其他方法構(gòu)建模糊評價(jià)矩陣R，如公式（8）所示。

（8）

式中：rmn為第m個(gè)評價(jià)指標(biāo)對應(yīng)第n個(gè)評價(jià)等級的隸屬度。

3.2.4 模糊合成運(yùn)算

將CRITIC法確定的權(quán)重W應(yīng)用于模糊評價(jià)矩陣R，從而得到每個(gè)方案的綜合評價(jià)值S。這一步驟將水源調(diào)度方案與雙水源聯(lián)合調(diào)度方案水頭壓力安全性評價(jià)體系構(gòu)建中的定性評價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評價(jià)，為決策提供依據(jù)，如公式（9）所示。

S=max（W×R） （9）

式中：S為最終評價(jià)值；W為CRITIC法確定的權(quán)重；R為模糊評價(jià)矩陣。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 權(quán)重計(jì)算

根據(jù)公式（1）～公式（5）確定方案的權(quán)重，具體計(jì)算步驟如下。

4.1.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化如公式（10）所示。

（10）

重復(fù)計(jì)算步驟可以得到整體標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，見表1。

4.1.2 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差

根據(jù)表1以及公式（2）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，如公式（11）所示。

（11）

4.1.3 計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣

根據(jù)公式（3）計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣，如公式（12）所示。

（12）

所得最終結(jié)果見表2。

4.1.4 計(jì)算指標(biāo)沖突性

根據(jù)公式（4）以及表2計(jì)算指標(biāo)沖突性，如公式（13）所示。

（13）

4.1.5 計(jì)算權(quán)重

根據(jù)公式（5）計(jì)算權(quán)重，如公式（14）所示。

（14）

最終，匯總各個(gè)指標(biāo)權(quán)重，見表3。

4.2 評價(jià)計(jì)算

根據(jù)公式（6）～公式（9）計(jì)算2種方案的最終評價(jià)得分。其中，根據(jù)公式（6）～公式（7）構(gòu)建模糊評價(jià)矩陣。

根據(jù)公式（8），邀請專家構(gòu)建模糊評價(jià)矩陣，如公式（15）所示。

（15）

根據(jù)公式（9）計(jì)算最終評價(jià)得分，見表4。

以方案1為例：

B1=W×R={0.36×0.15…0.46×0.29}=0.21，B2=0.28

S1=max{b1}=0.24，S2=max{b2}=0.28

4.3 結(jié)果分析

從權(quán)重結(jié)果可以看出，調(diào)度過程中的最大水頭壓力的安全性評價(jià)權(quán)重系數(shù)最高，為0.29，而地下水源水頭壓力穩(wěn)定性次之，權(quán)重系數(shù)為0.24。調(diào)度過程中的最大水頭壓力在評價(jià)中占據(jù)較高權(quán)重，這主要是因?yàn)樗^壓力過大可能導(dǎo)致水利設(shè)施損壞、地下水位下降等安全問題?？梢酝ㄟ^優(yōu)化調(diào)度策略、合理配置水源比例、加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)和監(jiān)控等方式，確保水頭壓力始終處于可控范圍內(nèi)。地下水源水頭壓力穩(wěn)定性權(quán)重系數(shù)較高，這表明地下水源的水頭壓力穩(wěn)定性對雙水源聯(lián)合調(diào)度方案的安全性具有重要影響。穩(wěn)定的地下水源水頭壓力有利于維持地下水資源的可持續(xù)利用，降低地下水位下降的風(fēng)險(xiǎn)。可以加強(qiáng)地下水源的監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理地下水位異常變化；合理規(guī)劃地下水源的開發(fā)利用，避免過度開采導(dǎo)致地下水位下降；采取措施提高地下水源的補(bǔ)給能力，例如實(shí)施人工增雨、水源涵養(yǎng)等。

評價(jià)結(jié)果顯示，方案2的評價(jià)得分最高，達(dá)到0.28。這表明在各個(gè)評價(jià)指標(biāo)上，方案2表現(xiàn)較突出，具有較高的安全性，為實(shí)際工程中選擇合適的調(diào)度方案提供有力依據(jù)。然而，為確保供水安全，還需要對方案2進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整，例如提高地下水源的穩(wěn)定性、降低調(diào)度過程中的最大水頭壓力等。

通過對方案2的細(xì)化綜合分析，可以發(fā)現(xiàn)以下5個(gè)方面的優(yōu)勢。1）地表水源來水保證率。方案2的地表水源來水保證率為0.75，這意味在供水過程中，地表水源能夠穩(wěn)定提供一定比例的水量，從而保證供水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。這對控制水頭壓力至關(guān)重要，穩(wěn)定的水源供應(yīng)有助于保持水頭壓力的穩(wěn)定，避免因水源供應(yīng)不足導(dǎo)致壓力波動。2）地下水源可持續(xù)開采率。方案2的地下水源可持續(xù)開采率為0.85，表明地下水源具有較大的開采潛力。這意味在供水過程中，地下水源可以提供相對穩(wěn)定的水源，有利于地下水資源的合理利用。同時(shí)，較高的可持續(xù)開采率也有助于降低地下水位下降的風(fēng)險(xiǎn)，從而保障地下水資源的可持續(xù)利用。3）地表水源水頭壓力波動范圍。方案2的地表水源水頭壓力波動范圍較小，為0.45m。這有助于減少水頭壓力的波動，提高水頭壓力的穩(wěn)定性。穩(wěn)定的水頭壓力有利于保障供水系統(tǒng)的安全運(yùn)行，降低因壓力波動導(dǎo)致的供水設(shè)施損壞風(fēng)險(xiǎn)。4）地下水源水頭壓力穩(wěn)定性。方案2的地下水源水頭壓力穩(wěn)定性較高，為0.65m。這有利于維持地下水資源的可持續(xù)利用，降低地下水位下降的風(fēng)險(xiǎn)。穩(wěn)定的地下水源水頭壓力有助于保障地下水資源的穩(wěn)定供應(yīng)，滿足供水需求。5）調(diào)度過程中的最大水頭壓力。方案2在調(diào)度過程中的最大水頭壓力為0.65m，處于安全范圍內(nèi)。這有利于保證水利設(shè)施的安全運(yùn)行，避免因壓力過大而導(dǎo)致設(shè)施損壞。同時(shí)，安全范圍內(nèi)的最大水頭壓力也有助于保證供水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高供水安全性。

5 結(jié)語

本文采用模糊綜合評價(jià)法對雙水源聯(lián)合調(diào)度方案的水頭壓力安全性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。1）構(gòu)建的評價(jià)指標(biāo)體系涵蓋影響水頭壓力安全性的關(guān)鍵因素，能夠全面反映雙水源聯(lián)合調(diào)度方案的安全性。2）對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行篩選和優(yōu)化，確保了評價(jià)體系與實(shí)際工程需求緊密對接。同時(shí)，采用模糊綜合評價(jià)法能夠處理評價(jià)過程中的不確定性和模糊性，使評價(jià)結(jié)果更具實(shí)際意義。3）評價(jià)結(jié)果與實(shí)際方案的選擇一致表明該評價(jià)方法進(jìn)行評價(jià)所得的結(jié)果與實(shí)際相符，在后續(xù)相似方案的決策上可作為參考。

參考文獻(xiàn)

[1]張辰旸，童旭，李子遠(yuǎn).應(yīng)急備用水源聯(lián)合調(diào)度方案分析——以黃巖區(qū)應(yīng)急備用水源聯(lián)調(diào)為例[J].浙江水利科技，2022，50（5）：17-21.

[2]李五勤，南秋菊，李鑫.張坊供水系統(tǒng)與南水北調(diào)中線聯(lián)合調(diào)度方案分析[J].北京水務(wù)，2021（1）：12-16.

[3]儲德義，楊林海，王振龍，等.多水源聯(lián)合配置與供水安全保障綜合利用技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社：2017.

[4]陳香朋.淠史杭灌區(qū)多水源工程聯(lián)合調(diào)度方案優(yōu)選[J].江淮水利科技，2017（3）：15-17.

[5]陳紅光，李晨洋，李曉丹.基于風(fēng)險(xiǎn)分析的三江平原灌區(qū)多水源聯(lián)合調(diào)度方案優(yōu)化決策研究[J].水土保持研究，2013，20（4）：273-276，281.