周 芬，鐘名軍

(浙江省水利水電勘測設計院，浙江杭州 310002)

1 項目背景

余姚市位于浙江省東部寧紹平原，長江三角洲南翼，是著名的河姆渡文化發(fā)祥地.通過多年的建設，余姚市的供水事業(yè)已經(jīng)發(fā)展到了一定階段，滿足了全市居民生活和工業(yè)生產(chǎn)的用水需要，但姚東地區(qū)供水還存在著水庫水量不足、鄉(xiāng)鎮(zhèn)水廠水質(zhì)不穩(wěn)、區(qū)域輸水管網(wǎng)漏損率較高等問題.為解決姚東地區(qū)水資源供需矛盾，優(yōu)化姚東供水系統(tǒng)，提升姚東整體供水水平，余姚市規(guī)劃在整合現(xiàn)有水廠的基礎上新建姚東水廠.姚東水廠設計供水規(guī)模為8萬t/d，主要提供城鄉(xiāng)生活和工業(yè)用水等，水廠由寺前王、大池墩、相岙、車廄、雙溪口等5座水庫提供原水，因此，必須做好供水水庫的聯(lián)合調(diào)度以滿足姚東地區(qū)的水資源需求.

2 水庫群聯(lián)合供水模擬模型

存在水力或水利聯(lián)系的水庫群由于水庫水文特性、調(diào)節(jié)性能等方面的差別，在某一功能上為同一對象服務時，通過“水文補償”(即利用水庫水文條件的差別來進行的補償稱為水文補償)和“庫容補償”(即利用水庫調(diào)節(jié)性能的差異來進行的補償稱為庫容補償)可以更充分的利用水資源，提高水庫群的興利能力[1－2］.在有條件的姚東地區(qū)進行水庫群的聯(lián)合供水調(diào)度是緩解水資源供需矛盾的有效途徑.

2.1 模型框架

目標函數(shù):以水庫群供水量最大為系統(tǒng)目標.

約束條件:

單個水庫可供水量約束:

水庫水量平衡約束:

水庫庫容約束:Vmini，t≤Vi，t≤Vmaxi，t

水庫供水水量非負約束:xijt≥0

系統(tǒng)供水保證率約束:plife≥95%，pirr≥90%

其中，xijt—i水庫t時段向j用戶的供水量;

M—水庫個數(shù);N—用水戶個數(shù);

T—計算時段數(shù);

WGt—水庫群系統(tǒng)t時段的可供水量;

Wit—i水庫t時段的可供水量;

Djt—j用戶t時段的需水量;

Vi，t+1、Vi，t—i水庫t時段末和時段初的蓄水量;

Wini，t、Wouti，t、Wsi，t—i水庫t時段入庫水量、出庫水量和損失水量;

Vmini，t、Vmaxi，t—i水庫t時段允許的最小和最大蓄水量;

plife、pirr—確保供水和一般供水保證率.

2.2 模型求解

目前，有許多學者對多水庫聯(lián)合調(diào)度方法進行了研究，采用的方法大多為線性規(guī)劃法、動態(tài)規(guī)劃法、神經(jīng)網(wǎng)絡法、遺傳算法、大系統(tǒng)優(yōu)化法以及上述優(yōu)化方法的耦合法等.這些方法的優(yōu)點是考慮的因素多，有的可進行實時優(yōu)化，但存在的問題是求解麻煩，需要根據(jù)建立的模型編制專用程序，特別是當兩個以上水庫聯(lián)合調(diào)度運用動態(tài)規(guī)劃時，會出現(xiàn)“維數(shù)災”，使求解較為困難.模擬模型法是一種建模容易、求解方便、實用性強的求解方法[3－4］.本文采用基于規(guī)則的模擬模型法進行水庫群聯(lián)合供水調(diào)度求解，重點對水庫群聯(lián)合供水權重系數(shù)的計算方法進行了探討.

模擬模型根據(jù)對系統(tǒng)實際過程的深入分析，模仿實際系統(tǒng)的各種效應，對系統(tǒng)輸入給出預定規(guī)則下的響應過程.對于水庫群聯(lián)合調(diào)度，模擬模型的基本思路就是按照符合實際流程的邏輯推理對水資源存蓄、供給等進行定量分析和計算[5－6］.下面給出模擬模型求解過程必須遵循的基本規(guī)則:

時段劃分規(guī)則:以長系列模擬計算為基礎，按日劃分時段.本次水文系列選用1960－2009年共計50年資料.

安全運行規(guī)則:有防洪任務的水庫，供水時調(diào)度運行原則應與防洪調(diào)度運行原則相協(xié)調(diào)，在臺汛期、梅汛期和非汛期按不同的水位進行控制，超過限制水位則產(chǎn)生棄水.

用水戶設定及計算目標:公共水廠(主要供給城鄉(xiāng)居民生活及重要工業(yè)用水戶)取水保證率95%;農(nóng)田灌溉供水保證率85%.

用水戶優(yōu)先用水原則:有綜合利用任務的水庫，按照用水戶在社會經(jīng)濟中的地位，采用分級供水制度，即首先滿足公共水廠需水，然后滿足農(nóng)田灌溉需水.

水庫群供水規(guī)則:多個水庫同時向一個用水戶供水時，按各時段每個水庫供水權重系數(shù)進行供水.

2.3 供水權重系數(shù)

在進行水庫群聯(lián)合供水計算時，當出現(xiàn)多個水庫能同時滿足某一用水戶時需水時，從滿足水資源需求量的角度來說，無論哪個水庫供水至需水戶，只要總量滿足即可.但是，對于各水庫的運行結果，由于不同水庫調(diào)節(jié)性能、當前蓄水狀況及下時段的來水情況等不同，則存在哪個水庫優(yōu)先供水和時段供水多少的問題.為確定水庫供水優(yōu)先順序和時段供水量，給定供水權重系數(shù)λ，供水權重系數(shù)是指第i個水庫在第個t時段的供水量占該時段水庫群的總供水量的比例[4］.λ計算公式如下:

其中:Ri，t+1—第i個水庫t+1時段的來水量;

VKi，t—第i個水庫第t個時段的未蓄庫容;

n—水庫個數(shù).

供水權重系數(shù)根據(jù)水庫下一時段來水量和水庫當前時段的未蓄庫容確定，水庫供水權重系數(shù)與下一時段來水量成正比，與水庫當前時段未蓄庫容反比.供水權重系數(shù)考慮了水庫當前時段的蓄水量和水庫水文特性，可以通過水庫水文特性和調(diào)節(jié)性能差異充分進行水庫間的“水文補償”和“庫容補償”.

3 實例研究

3.1 水庫群特性

姚東水庫群位于甬江流域源頭之一的姚江中游支流上，水庫之間的布置為并聯(lián)形式.姚東水庫群中有中型水庫1座、小型水庫4座，上述水庫基本特性見表1，水庫群空間分布及聯(lián)合供水見圖1.

表1 姚東水庫群基本特性表

圖1 水庫群空間分布及聯(lián)合供水示意圖

寺前王水庫:寺前王水庫位于余姚市丈亭鎮(zhèn)寺前王村，是一座以供水為主，結合防洪、灌溉、養(yǎng)殖的小(1)型水庫.水庫除了向姚東水廠供水外，還需要滿足下游約13.33 ha農(nóng)田的灌溉需求.

大池墩水庫:大池墩水庫位于余姚市七市鎮(zhèn)大霖山，是一座以灌溉、供水為主，結合防洪、發(fā)電和養(yǎng)殖的小(1)型水庫.水庫除了向姚東水廠供水外，還需要滿足下游約66.67 ha農(nóng)田的灌溉需求.

相岙水庫:相岙水庫位于余姚市三七市鎮(zhèn)二六市村，是一座以灌溉、供水為主，結合防洪和養(yǎng)殖的小(1)型水庫.水庫除了向姚東水廠供水外，還需要滿足下游約80 ha農(nóng)田的灌溉需求.

車廄水庫:車廄水庫位于余姚市河姆渡鎮(zhèn)車廄村，是一座以防洪、灌溉、供水為主的小(1)型水庫.水庫除了向姚東水廠供水外，還需要滿足下游河姆渡水廠0.3萬t/d的取水要求和約125 ha農(nóng)田的灌溉需求.

雙溪口水庫:雙溪口水庫位于余姚市大隱鎮(zhèn)章山村，是一座以供水、防洪為主，結合灌溉等綜合利用的中型水庫.水庫除了向姚東水廠供水外，還需要滿足余姚城東水廠8萬t/d、下游大隱水廠0.5萬t/d的取水要求和約66.67 ha農(nóng)田的灌溉需求.

從水庫庫容特性上來看，中型水庫雙溪口水庫調(diào)節(jié)性能最好，其次是大池墩和相岙水庫，調(diào)節(jié)較差的是寺前王和車廄水庫;調(diào)節(jié)性能最強的水庫較調(diào)節(jié)性能最差的水庫庫容系數(shù)差距達到0.50.

從水庫水文特性上來看，5座水庫雖然均位于姚江流域，基本處于同一水文分區(qū)，但是，由于水庫所在的支流不同，水文特性仍有所差別.位于姚江干流以南支流的車廄和雙溪口水庫徑流深基本一致，明顯高于位于姚江干流以北支流的寺前王、大池墩和相岙水庫，姚江干流以北和以南地區(qū)的水庫在入庫徑流過程上分別具有一定的同步性.

從上述水庫的庫容特性和水文特性上來看，5座水庫組成的水庫群具備“庫容補償”和“水文補償”的條件.

3.2 成果比較

計算方案如下:

方案1:水庫單獨供水調(diào)度計算.本方案計算各水庫在滿足其灌區(qū)灌溉供水和既有公共水廠取水要求的前提下，各水庫單獨提供的城鎮(zhèn)供水量.

方案2:水庫群聯(lián)合供水調(diào)度計算.本方案姚東水庫群聯(lián)合調(diào)度計算時各水庫在滿足其灌區(qū)灌溉供水和既有公共水廠取水要求的前提下，通過模擬優(yōu)化計算水庫群聯(lián)合向姚東水廠的供水量.

上述方案計算成果匯總于表2.從計算成果中可以看出:水庫群聯(lián)合供水調(diào)度的供水能力較水庫單獨供水調(diào)度多出1萬m3/d，方案2系統(tǒng)供水量較方案1多出292萬m3，水庫群聯(lián)合調(diào)度較水庫單獨供水調(diào)度提高了14.3%的供水量.

研究表明，水庫群聯(lián)合調(diào)度較水庫單獨調(diào)度具有明顯的優(yōu)越性，采用考慮供水權重系數(shù)的水庫群聯(lián)合調(diào)度模型有利于提高水庫群的系統(tǒng)供水量.

表2 水庫群聯(lián)合供水調(diào)度計算成果表

4 結語

本文針對余姚市姚東地區(qū)建立了多水庫聯(lián)合運用情況的水庫聯(lián)合供水模擬模型，模型可以進行水庫之間的補償調(diào)節(jié)，并根據(jù)供水權重系數(shù)進行水庫日供水量分配，模型采用基于規(guī)則的模擬法求解.通過本次研究表明:

(1)姚東地區(qū)水庫群聯(lián)合供水調(diào)度的供水能力較水庫單獨供水調(diào)度多出1萬m3/d，系統(tǒng)供水量多出292萬m3，水庫群聯(lián)合調(diào)度較水庫單獨供水調(diào)度提高了14.3%的供水量.

(2)水庫群聯(lián)合調(diào)度較水庫單獨調(diào)度具有明顯的優(yōu)越性，采用考慮供水權重系數(shù)的水庫群聯(lián)合調(diào)度模型有利于提高水庫群的系統(tǒng)供水量.

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