劉任遠(yuǎn),黃 強(qiáng),金文婷

(西安理工大學(xué) 陜西省西北旱區(qū)生態(tài)水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710048)

我國對(duì)水庫群優(yōu)化調(diào)度的研究開始于20世紀(jì)80年代初，國內(nèi)眾多學(xué)者在此方面開展了很多研究，如張雙虎等[1]、黃強(qiáng)等[2]提出遞推計(jì)算方法，黃增川等[3-4]應(yīng)用多次動(dòng)態(tài)規(guī)劃法和空間分解法研究水庫群的優(yōu)化調(diào)度，黃強(qiáng)等[5]和李亮等[6]將大系統(tǒng)遞階控制理論引入到水庫群優(yōu)化調(diào)度中，趙基花等[7]和尹軼夙[8]提出水庫群調(diào)度的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等。隨著計(jì)算機(jī)與人工智能技術(shù)的發(fā)展，遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法、免疫算法等相繼被應(yīng)用到水電站水庫的優(yōu)化調(diào)度研究中[9-10]。進(jìn)入21世紀(jì)后，暢建霞等[11]針對(duì)遺傳算法中二進(jìn)制編碼的不足，提出基于十進(jìn)制整數(shù)編碼的改進(jìn)遺傳算法，實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明該方法簡(jiǎn)便、快捷，能夠避免“維數(shù)災(zāi)”；劉文亮[12]采用遺傳蟻群混合算法進(jìn)行水庫優(yōu)化調(diào)度研究；張雙虎等[13]用隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃結(jié)合遺傳算法求解2個(gè)并聯(lián)水庫的優(yōu)化調(diào)度問題。以上成果分別從不同角度、運(yùn)用不同方法對(duì)水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度問題進(jìn)行了研究，并運(yùn)用于實(shí)踐，使得水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度在水庫防洪、發(fā)電、灌溉供水、航運(yùn)等方面取得了長足發(fā)展。

然而，隨著經(jīng)濟(jì)、人口的高速增長，對(duì)于城市供水需求不斷增大而當(dāng)?shù)刈援a(chǎn)水又遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的地區(qū)，水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)不僅僅是防洪、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)，而應(yīng)更側(cè)重于儲(chǔ)備水源以應(yīng)對(duì)特枯年份或水污染等事件。目前國內(nèi)以儲(chǔ)備水源作為主要功能的水庫較少，針對(duì)儲(chǔ)備水庫的效益分析尚存在空白。深圳是一個(gè)嚴(yán)重缺水且供水來源主要為境外調(diào)水的城市，隨著深圳經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口的不斷增加，其供水需求亦日益增加，而一直以來東江引水是深圳市境外引水的唯一水源，一旦東江遭遇連續(xù)枯水年份或發(fā)生水污染等緊急事件，深圳市供水將面臨巨大威脅。位于深圳中西部城區(qū)的公明供水調(diào)蓄工程就是這樣一個(gè)承擔(dān)著儲(chǔ)備戰(zhàn)略水資源重要任務(wù)的民生工程。因此，公明供水調(diào)蓄工程的首要效益是使得公明水庫最大蓄水，以確保擁有應(yīng)對(duì)緊急缺水情況的能力。但如果水庫只是一味地蓄水，水長期不周轉(zhuǎn)將導(dǎo)致水質(zhì)惡化，進(jìn)而又面臨著交換水量最大化的生態(tài)效益問題，因此如何通過聯(lián)合調(diào)度使得公明水庫每年的交換水量達(dá)到最大，以保證水庫水質(zhì)安全成為該供水調(diào)蓄工程亟待解決的問題之一。為此，本研究通過常規(guī)和優(yōu)化調(diào)度的方法對(duì)深圳北線引水面臨的2種不同供水情景進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，對(duì)公明供水調(diào)蓄工程的效益進(jìn)行系統(tǒng)分析和科學(xué)評(píng)判，以期明確公明供水調(diào)蓄工程能否緩解深圳市中西部地區(qū)的供水壓力，進(jìn)而為該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中水資源的科學(xué)管理提供參考。

1 深圳公明供水調(diào)蓄工程概況

公明供水調(diào)蓄工程是一項(xiàng)集水庫、管網(wǎng)、引水為一體的綜合、復(fù)雜型工程，其工程包括了公明水庫擴(kuò)建工程，庫容擴(kuò)建為14 247萬m3；鵝頸水庫-公明水庫連通工程，長度為4 660 m；公明水庫至石巖水庫供水工程，長度為6 397 m。公明供水調(diào)蓄工程供水范圍是深圳市中西部片區(qū)，包含整個(gè)寶安區(qū)、南山區(qū)以及福田區(qū)的大部分城區(qū)(梅林水廠供水區(qū))，合計(jì)供水面積約950 km2。供水系統(tǒng)包括位于深圳西區(qū)的公明水庫、石巖水庫、鵝頸水庫和茜坑水庫，這4座水庫分別對(duì)應(yīng)不同規(guī)模的水廠，其供水系統(tǒng)見圖1。公明供水調(diào)蓄工程的任務(wù)是在保證向深圳市中西部供水保證率為97% 的基礎(chǔ)上，兼有儲(chǔ)備水源、供水調(diào)蓄、雨洪利用及防洪等作用[14-16]，其作用是為深圳市中西部城區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供供水保障，并兼具改善生態(tài)環(huán)境的任務(wù)。因此，公明供水調(diào)蓄工程可能產(chǎn)生的效益見圖2。由于資料限制，本研究在分析公明供水調(diào)蓄工程水庫群調(diào)度的基礎(chǔ)上，主要探討其儲(chǔ)備效益、生態(tài)效益和供水效益。

2 公明供水調(diào)蓄工程水庫群的優(yōu)化調(diào)度

2.1 調(diào)度情景設(shè)置

按水庫對(duì)應(yīng)的水廠，公明供水調(diào)蓄工程的水廠劃分為觀瀾茜坑水廠、龍華茜坑水廠、光明水廠、巖石湖水廠、公明甲子塘水廠等。根據(jù)深圳市實(shí)際情況，以保證城市基本用水為前提，兼顧對(duì)公明水庫水量、水質(zhì)的要求[17-20]，設(shè)置如下水庫群調(diào)度情景方案，水庫群總興利庫容為19 016萬m3，城市需水量為49 154～56 474萬m3/年，當(dāng)?shù)刈援a(chǎn)水量為5 896萬m3/年。

圖1 深圳市公明供水調(diào)蓄工程供水系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖

圖2 公明供水調(diào)蓄工程的綜合效益圖

情景1：以供定需，近期北線引水35 000萬m3/年不變，城市需水量為49 154～56 474萬m3/年，總可供水量為40 896萬m3/年。設(shè)置此情景的目的是在供水不足時(shí)推求缺水量；

情景2：以需定供，遠(yuǎn)期北線引水出現(xiàn)豐枯變化，城市需水總量為49 154～56 474萬m3/年。設(shè)置此情景的目的是按城市需水要求，推求最小的北線引水量。

為了保證公明水庫的水質(zhì)環(huán)境，建議當(dāng)水庫的庫容達(dá)到儲(chǔ)備庫容12 141萬m3時(shí)需給姜下水廠供水。所以深圳市中西部城區(qū)供水規(guī)模將有所增加，供水量增加至56 474萬m3/年。

2.2 優(yōu)化調(diào)度模型的建立

由于公明水庫的主要任務(wù)是儲(chǔ)備水源，兼顧供水調(diào)蓄等，為了保證水庫水質(zhì)環(huán)境安全，提高深圳市中西部城區(qū)供水量，選取公明水庫蓄水量最大及交換水量最大為目標(biāo)，將缺水量最小轉(zhuǎn)化為約束條件，另外有庫容約束、城市供水量約束、各水庫水量平衡約束以及各輸水線路過水能力約束，建立水庫的聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化模型，并采用決策動(dòng)態(tài)優(yōu)選的自適應(yīng)算法來求解模型。

目標(biāo)一：公明水庫蓄水量最大。有：

(1)

式中：Wgm(i)為公明水庫第i年總蓄水量，萬m3；i為年數(shù)，i=1，2，…，45；j為以年為計(jì)算周期的月時(shí)段數(shù)，j=1，2，…，12；Wgm(i,j)為公明水庫在第i年j月時(shí)段的蓄水量，萬m3。

目標(biāo)二：公明水庫交換水量最大。交換水量的定義為每年公明水庫總的蓄水量與供水量之和，單位為萬m3。有：

(2)

式中：Wjh(i,j)為公明水庫在第i年的交換水量，萬m3；Wgmg(i,j)為公明水庫在第i年j月時(shí)段的供水量，萬m3；其他符號(hào)意義同式(1)。

公明供水調(diào)蓄工程水庫群優(yōu)化調(diào)度所采用的方法為決策動(dòng)態(tài)優(yōu)選的自適應(yīng)算法，該算法根據(jù)水庫群供水系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種運(yùn)行工況，選擇主要調(diào)控參數(shù)，然后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行人機(jī)對(duì)話試驗(yàn)，最終得到滿意的水庫群調(diào)度方案。公明供水調(diào)蓄工程水庫群優(yōu)化調(diào)度模型的求解步驟如下。

Step 1：輸入基本資料，包括來水、需水、各水庫的水位庫容關(guān)系、最大庫容、死庫容等。

Step 2：通過循環(huán)茜坑、鵝頸、石巖水庫蓄水比例，使其能夠保證各水廠的供水要求。計(jì)算第i年j月時(shí)段下北線引水之后的剩余水量Wbxs(i,j)，當(dāng)Wbxs(i,j)≥0時(shí)，該時(shí)段的缺水量Wque(i,j)=0，Wbxs(i,j)和Wque(i,j)的單位均為萬m3。

Step 3：判斷各水庫是否滿足約束，“是”則進(jìn)入下一步；“否”則返回Step 2，重新制定各水庫蓄水比例。

Step 4：計(jì)算公明水庫入庫水量，當(dāng)Wbxs(i,j)<0時(shí)，Wque(i,j)>0，則Wgmg(i,j)=Wque(i,j)+Wjx，其中Wjx為姜下水廠的供水量，由公明水庫的時(shí)段庫容確定，單位為萬m3。

Step 5：判斷公明水庫在第i年j月時(shí)段的時(shí)段末庫容Vgm(i,j)，單位為萬m3。

Step 6：進(jìn)行長序列計(jì)算，循環(huán)i=1，2，…，45，j=1，2，…，12。

Step 7：判斷各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足要求，“是”則統(tǒng)計(jì)公明水庫蓄滿率、交換水量、供水保證率；“否”則返回Step 2，重新制定各水庫蓄水比例。

Step 8：輸出優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。

為了體現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度較常規(guī)調(diào)度的優(yōu)越性，更全面地分析公明供水調(diào)蓄工程的作用和影響，本研究同時(shí)采用水量平衡中的等流量常規(guī)調(diào)度方法對(duì)公明供水調(diào)蓄工程水庫群進(jìn)行調(diào)度，以與優(yōu)化調(diào)度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。常規(guī)調(diào)度按照水量平衡原則，在北線引水2種情形下，首先根據(jù)各水庫初庫容與公明水庫儲(chǔ)備庫容的關(guān)系，考慮蓄供水的優(yōu)先次序，并在滿足各水庫水量平衡方程、庫容約束、城市供水量約束及各輸水線路過水能力的前提下,進(jìn)行水庫群調(diào)節(jié)計(jì)算。

3 公明供水調(diào)蓄工程的綜合效益分析

采用1960-04-2005-03共45年的長序列月徑流資料，通過求解公明水庫的聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化模型[21-22]，得出公明水庫的聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化結(jié)果如表1所示。然后通過對(duì)水庫蓄水量、供水量和生態(tài)水量等的分析，探討公明供水調(diào)蓄工程的綜合效益。

表1 不同供水情景下深圳公明供水調(diào)蓄工程對(duì)公明水庫水量的影響

3.1 公明水庫的儲(chǔ)備效益分析

公明水庫的蓄水量主要由2部分組成，其一是水庫自產(chǎn)水，多年平均蓄水量約5 896萬m3；其二是北線剩余水量。公明水庫在2種情景下的多年調(diào)節(jié)蓄水量的變化如圖3所示。由圖3可知，情景1供水條件下，公明水庫常規(guī)調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度的多年平均蓄水量分別為10 439和10 715萬m3，優(yōu)化調(diào)度的蓄水量比常規(guī)調(diào)度增加了276萬m3，提高了2.64%；情景2供水條件下，公明水庫常規(guī)調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度的多年平均蓄水量分別為12 490和12 545萬m3，優(yōu)化調(diào)度的蓄水量比常規(guī)調(diào)度多55萬m3，增加了0.5%；優(yōu)化調(diào)度下情景2的多年平均蓄水量比情景1多1 830萬m3。情景2供水條件下，公明水庫的蓄水量已經(jīng)基本接近于正常庫容，調(diào)度中對(duì)入庫水量有所控制，所以優(yōu)化調(diào)度的多年平均蓄水量較常規(guī)調(diào)度增幅不大。因此，優(yōu)化調(diào)度可充分發(fā)揮水庫儲(chǔ)備水源，以備連續(xù)缺水年或突發(fā)性情況的發(fā)生。

圖3 2種供水情景下公明水庫多年蓄水量的變化

2種供水情景下，優(yōu)化調(diào)度與常規(guī)調(diào)度多年平均蓄水量相差不大，均以優(yōu)化調(diào)度的蓄水量稍大。在情景1下，公明水庫蓄水量未達(dá)到儲(chǔ)備庫容，不能完全實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)備水源目標(biāo)；而在情景2下，公明水庫蓄水量大于儲(chǔ)備庫容，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)備水源的戰(zhàn)略目標(biāo)和正常調(diào)蓄目標(biāo)。

3.2 公明水庫的供水效益分析

公明水庫的供水原則是在特枯年份及發(fā)生供水突發(fā)事件情況下供水，最大供水規(guī)模136.5萬m3/d。公明水庫供水分為2類：一類是1-9月給姜下水廠供水，另一類是每年12月在北線引水工程檢修期間給茜坑、鵝頸、石巖3個(gè)水庫供水。公明水庫在2種供水情景下歷年的供水量變化如圖4和圖5所示。

圖4 情景1供水條件下公明水庫歷年供水量的變化

圖5 情景2供水條件下公明水庫歷年供水量的變化

從圖4及圖5可知，情景1下常規(guī)與優(yōu)化調(diào)度得到的供水量有所差異，優(yōu)化調(diào)度的多年平均供水量較常規(guī)調(diào)度增加了247.92萬m3/年，增幅為9.7%；情景2下常規(guī)調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度的供水量差別不大，優(yōu)化調(diào)度的供水量較常規(guī)調(diào)度略有增加，平均增加40.66萬m3/年，增幅為0.6%。在情景2供水模式下該地區(qū)不缺水，公明水庫每年只需擔(dān)負(fù)給姜下水廠供水以及在12月份給另外3個(gè)水庫供水的任務(wù)，而這些供水量每年基本相同，因此從多年情況看優(yōu)化調(diào)度比常規(guī)調(diào)度的提升程度不會(huì)太大。

3.3 公明水庫的生態(tài)效益分析

公明水庫為復(fù)合型、生態(tài)型供水水庫，多方位、多角度的體現(xiàn)生態(tài)性原則[13]，地方政府將公明水庫塑造成層疊地形，打造成生態(tài)農(nóng)林觀光區(qū)；在壩下入口區(qū)域營造了生態(tài)休閑區(qū)，是市民郊游踏青的好地方；另外還可以營造人工濕地，在恢復(fù)生態(tài)的同時(shí)起到凈化水源涵養(yǎng)地與美化岸線的作用，打造出群山之中自然湖泊的景觀效果。

根據(jù)公明供水調(diào)蓄工程的功能和特點(diǎn)，水庫生態(tài)調(diào)度的目標(biāo)為：在公明水庫發(fā)揮自身作用的同時(shí)，使水體充分發(fā)生交換，保證水庫水質(zhì)、環(huán)境，即保證水庫有足夠的交換水量。由于公明水庫沒有棄水，所以交換水量基本等于公明水庫的出庫水量。

由表1可知，情景1下常規(guī)調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度得到的公明水庫交換水量有一定差異，優(yōu)化調(diào)度的交換水量為2 812.29萬m3/年，較常規(guī)調(diào)度(2 564.37萬m3/年)增加247.9萬m3/年，提高了9.7%。但在此情景下，公明水庫只起到儲(chǔ)備水源、向城市供水的作用，并未起到生態(tài)供水的作用。情景2下，因北線來水出現(xiàn)豐枯變化，以供定需，因此2種調(diào)度的交換水量差異不大，優(yōu)化調(diào)度的交換水量為7 230.33萬m3/年，較常規(guī)調(diào)度(7 189.67萬m3/年)多40.7萬m3/年，提高了0.6%。由此可以看出，情景2下公明水庫交換水量總體較情景1下大。優(yōu)化調(diào)度時(shí)，情景2較情景1每年多交換水量4 418.04萬m3；常規(guī)調(diào)度時(shí)，情景2較情景1每年多交換水量4 625.3萬m3。因此情景2下的交換水量足以保證公明水庫的水質(zhì)環(huán)境安全。

4 公明供水調(diào)蓄工程對(duì)深圳中西部城區(qū)的供水效益分析

公明供水調(diào)蓄工程的目標(biāo)是在實(shí)現(xiàn)城市供水保證率為97.00%的前提下，盡可能多、快地讓公明水庫蓄水，并保證水質(zhì)滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。從供水保證率入手，分析公明供水調(diào)蓄工程對(duì)深圳市中西部城區(qū)的供水效益，按月統(tǒng)計(jì)其供水保證率，結(jié)果見表2。 由表2可知，在情景1下，常規(guī)調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度深圳市中西部城區(qū)供水保證率分別為0.70%和6.70%，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的97.00%，不能滿足該地區(qū)供水要求；情景2下，常規(guī)、優(yōu)化調(diào)度深圳市中西部城區(qū)供水保證率均為98.00%，超過設(shè)計(jì)要求的97.00%，實(shí)現(xiàn)了該地區(qū)供水目標(biāo)。由于情景2下每年都不缺水，所以不進(jìn)一步進(jìn)行缺水分析。在此條件下，公明水庫水資源時(shí)空分布發(fā)生了較大變化，可將豐水年的多余來水儲(chǔ)存起來，用于補(bǔ)充枯水年城市供水需求，使得城市供水更加均勻平穩(wěn)，提高了供水保證率，緩解了缺水壓力，保證了公明水庫水質(zhì)環(huán)境的安全，實(shí)現(xiàn)了公明水庫儲(chǔ)備水源的設(shè)計(jì)意義。

表2 基于公明供水調(diào)蓄工程的深圳中西部城市供水情況的對(duì)比

5 結(jié) 論

通過對(duì)深圳公明供水調(diào)蓄工程水庫群優(yōu)化調(diào)度計(jì)算結(jié)果與常規(guī)調(diào)度結(jié)果的對(duì)比分析，得到：

1)2種北線引水情景下，公明水庫的多年平均蓄水量有很大差異，由情景1的10 439萬m3/年增加到情景2的12 545萬m3/年，蓄水量平均增加2 106 萬m3/年，情景2下的蓄水量已經(jīng)超過了12 141 萬m3的儲(chǔ)備庫容，能夠?qū)崿F(xiàn)公明水庫儲(chǔ)備水源的設(shè)計(jì)意義。

2)公明供水調(diào)蓄工程的城市供水保證率由情景1下的0.70%～6.70%提高到情景2下的98.00%，最大連續(xù)缺水破壞時(shí)間由情景1下的45年銳減到情景2下的0年，實(shí)現(xiàn)了該地區(qū)的城市供水要求。

綜上所述，通過水庫群聯(lián)合調(diào)度，公明供水調(diào)蓄工程能夠?qū)崿F(xiàn)向深圳市中西部城區(qū)供水和儲(chǔ)備水源等目標(biāo)，并能發(fā)揮其生態(tài)效益，可為深圳市中西部地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

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