楊 云, 王 文(河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098)
隨著對(duì)水資源需求量的不斷增加,不同水源的聯(lián)合利用逐漸引起重視。很多計(jì)算結(jié)果表明地表水與地下水聯(lián)合運(yùn)用、多水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用可以提供穩(wěn)定的可供水量或產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益。比如,杜文堂模擬了寧波剡江流域地下水與地表水聯(lián)合調(diào)度效果,結(jié)果表明聯(lián)合調(diào)度比分別開(kāi)發(fā)在特枯年份可增加供水量430多萬(wàn)m3[1];彭慧等建立了山東省沭河流域各水庫(kù)的聯(lián)合供水調(diào)度模型,計(jì)算結(jié)果表明水庫(kù)群聯(lián)合供水較各水庫(kù)單獨(dú)供水可增加利用沭河水量939萬(wàn)m3[2]。
目前,水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用主要采用系統(tǒng)分析理論方法,包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、多目標(biāo)優(yōu)化分析、模擬模型、大系統(tǒng)分解-協(xié)調(diào)等方法[3,4]。其中,對(duì)比其他優(yōu)化模型,動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的變量個(gè)數(shù)較少,約束條件也相對(duì)簡(jiǎn)單,計(jì)算時(shí)通過(guò)在每個(gè)小范圍內(nèi)用逐次逼近的方法尋優(yōu),可以節(jié)省大量的時(shí)間[5]。李想等通過(guò)建立多維動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型,研究經(jīng)典四水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題,得出該方法可有效縮短計(jì)算時(shí)間[6];艾學(xué)山等分別利用可行搜索——離散微分動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法和梯級(jí)調(diào)度圖法,研究黃河上游梯級(jí)水庫(kù)發(fā)電效益,得出通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)劃計(jì)算,發(fā)電量可提高10%[7];莫崇勛等以多年平均發(fā)電量最優(yōu)為準(zhǔn)則,建立水庫(kù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型,應(yīng)用于廣西澄碧河水庫(kù)水電站,結(jié)果多年平均年發(fā)電量比原來(lái)增加了8.5%[8];鮑衛(wèi)鋒等建立多目標(biāo)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型,對(duì)以灌溉為主的多水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行研究,結(jié)果表明該方法較常規(guī)運(yùn)行有26%的效益提高[9]。
多水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用的研究一般都是以多年調(diào)節(jié)的水庫(kù)為研究對(duì)象,而對(duì)于平原地區(qū)的年調(diào)節(jié)水庫(kù)和地下水庫(kù)聯(lián)合供水的研究則很少。本文將以江蘇省贛榆縣平原水庫(kù)和擬建地下水庫(kù)為例,采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法進(jìn)行多水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄供水的研究,旨在為贛榆縣柘汪片區(qū)遠(yuǎn)期用水規(guī)劃提供參考依據(jù)。
水庫(kù)調(diào)度可以概述為一個(gè)以年為周期的多階段決策過(guò)程,根據(jù)每個(gè)時(shí)段初水庫(kù)的狀態(tài)做出相應(yīng)的決策。動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法應(yīng)用于水庫(kù)調(diào)度的原理可簡(jiǎn)單概括為:水庫(kù)在任何時(shí)段內(nèi)的最優(yōu)供水方案與之前的狀態(tài)和決策無(wú)關(guān),各時(shí)段內(nèi)的最優(yōu)決策只依賴于時(shí)段初的水庫(kù)狀態(tài),每個(gè)狀態(tài)下有很多的決策組合,最優(yōu)決策的選擇應(yīng)使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)。水庫(kù)聯(lián)合供水動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型是在建立目標(biāo)函數(shù)、階段變量、狀態(tài)變量與決策變量、狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程及約束條件的基礎(chǔ)上,根據(jù)調(diào)度期內(nèi)各階段水庫(kù)取、供水方案的選擇,依次計(jì)算階段目標(biāo),然后通過(guò)階段目標(biāo)累積,使水庫(kù)聯(lián)合供水方案達(dá)到總體最優(yōu)。
本文假定兩水庫(kù)聯(lián)合向城市供水,以月為時(shí)段單位,討論水庫(kù)聯(lián)合供水動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型的構(gòu)建。假定兩水庫(kù)分別有t1、t2個(gè)補(bǔ)給水源,水庫(kù)供水方案有Tn個(gè)(n取1, 2或3),T1、T2表示水庫(kù)1、2單獨(dú)向城市供水,T3表示兩水庫(kù)聯(lián)合向城市供水。兩水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄取、供水示意圖如圖1。
圖1 兩水庫(kù)聯(lián)合調(diào)蓄取、供水示意圖Fig.1 Illustration of the joint use of two reservoirs
(1)目標(biāo)函數(shù)。在調(diào)度期內(nèi),根據(jù)水庫(kù)起始蓄水量、期末蓄水量和水庫(kù)取水水源流量過(guò)程,通過(guò)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度,使調(diào)度期內(nèi)水庫(kù)取水水源成本最低。模型運(yùn)算中,首先計(jì)算各階段i水庫(kù)取水水源成本,使其最小,然后通過(guò)階段成本累積,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)最優(yōu),目標(biāo)函數(shù)為:
(1)
式中:fi表示單階段最低水源成本,計(jì)算過(guò)程如下:
(2)
式中:Qqi,j與Pqi,j決策變量,分別表示第i階段水源q向j水庫(kù)(j=1,2)的補(bǔ)給水量和單方水源成本;m表示調(diào)度期所劃分的階段;t表示不同水庫(kù)的水源補(bǔ)給項(xiàng)(水庫(kù)1、2的補(bǔ)給項(xiàng)分別為t1、t2)。
(2)階段變量。根據(jù)徑流資料及水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用方法,把計(jì)算周期分為m個(gè)階段(本文中以月為計(jì)算時(shí)段,分12個(gè)階段),選取某一階段作為模型初始狀態(tài),按順序遞推法,依次對(duì)各階段進(jìn)行最優(yōu)決策計(jì)算。
(3)狀態(tài)變量與決策變量。狀態(tài)變量為水庫(kù)各階段的初始可供水量Vi,j(i=1,…,12;j=1,2),決策變量為各階段水庫(kù)向城市的供水量Xi,j及水庫(kù)不同取水水源的補(bǔ)給量Qqi,j。
各階段兩水庫(kù)向城市的供水量Xi,1、Xi,2由城市需水量Li(只考慮工業(yè)用水,各月為定值)及水庫(kù)供水方案推算而來(lái)。在各個(gè)階段根據(jù)不同供水方案,可得出水庫(kù)不同供水量,計(jì)算公式如下:
Xi,1+Xi,2=Li
(3)
水庫(kù)各階段取水水源補(bǔ)給量Qqi,j是在選定取水方案的基礎(chǔ)上,根據(jù)水庫(kù)缺水量、損失量及向城市供水量推算而來(lái)。水庫(kù)取水方案定義為Ux,y(x=1,…,t1;y=1, …,t2),表示兩水庫(kù)分別選取水源x、水源y對(duì)水庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)給。x、y的不同取值代表不同的供水方案,繼而根據(jù)不同方案,分別推算水源補(bǔ)給量。由于水源對(duì)水庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)給時(shí),存在輸水損耗,因此計(jì)算時(shí)需考慮折算系數(shù)。水庫(kù)j不同取水水源補(bǔ)給量計(jì)算方法如下:
(4)
式中:Wj表示j水庫(kù)興利庫(kù)容;Si,j表示第i階段j水庫(kù)損失水量;aqj表示水源q向水庫(kù)j補(bǔ)給時(shí)的輸水損耗。
模型運(yùn)算時(shí),對(duì)各階段逐個(gè)計(jì)算不同取水方案Ux,y與供水方案Tn組合下的約束變量與供水成本,從計(jì)算結(jié)果中選擇符合下述各約束條件、成本最低的方案組合。
(4)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程。水庫(kù)各階段初的可供水量Vi,j代表階段初始狀態(tài),其值為上一階段末水庫(kù)可供水量,由四部分推算而來(lái):①水庫(kù)上月初可供水量;②水庫(kù)上月凈來(lái)水量;③水庫(kù)上月?lián)p失量;④水庫(kù)上月向城市供水量。依據(jù)水量平衡,狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程可表示為:
(5)
(5)約束條件。
①狀態(tài)約束。水庫(kù)各階段初可供水量Vi,j不大于水庫(kù)興利庫(kù)容Wj,即:
Wj≥Vi,j≥0
②可供水量約束。水庫(kù)實(shí)際供水總量Xi,j不大于該階段可供水量,即:
③水庫(kù)來(lái)水水源約束。水庫(kù)各階段不同水源來(lái)水量Qqi,j不大于來(lái)水能力Rqi,即:
Rqj≥Qqi,j≥0
式中,Rqi表示取水水源q在階段i對(duì)水庫(kù)j的可補(bǔ)給水量。
④取水水源優(yōu)先約束。根據(jù)水源成本最低原則,在選擇取水方案時(shí),應(yīng)充分考慮水源成本及輸水成本。
模型運(yùn)算為一個(gè)逐階段(從i=1到i=m)循環(huán)計(jì)算過(guò)程,運(yùn)算流程圖如圖2。
圖2 模型運(yùn)算流程Fig.2 The process of model computation
江蘇省贛榆縣柘汪鎮(zhèn)及柘汪臨港工業(yè)園區(qū)是連云港市“一體兩翼”產(chǎn)業(yè)布局的北翼地區(qū)(見(jiàn)圖3)。據(jù)推算,2020年柘汪臨港工業(yè)園區(qū)基本建成后,總用水量約14.73萬(wàn)m3/d。為滿足園區(qū)的水資源需求,目前正在建設(shè)東溫莊水庫(kù)。東溫莊水庫(kù)面積2.8 km2,其興利庫(kù)容699萬(wàn)m3,來(lái)水水源包括水庫(kù)庫(kù)區(qū)集水、龍王河石埝漫水閘引水以及大溫莊抽水站調(diào)水。其中,庫(kù)區(qū)集水為降雨直接入庫(kù)水量;龍王河石埝漫水閘引水是經(jīng)過(guò)漫水閘東側(cè)龍北干渠渠首進(jìn)水閘引水至東溫莊水庫(kù),水質(zhì)一般為Ⅴ類,豐水期為III類,因此只在7-9月,待水質(zhì)提高后,才通過(guò)引水向東溫莊水庫(kù)補(bǔ)給;大溫莊抽水站調(diào)水,是經(jīng)通榆河調(diào)用江淮水,通過(guò)大溫莊抽水站抽水補(bǔ)給東溫莊水庫(kù),由于調(diào)水水源成本高,因此該方案僅在缺水時(shí)啟用。
圖3 江蘇省贛榆縣東溫莊水庫(kù)和龍王河地下水庫(kù)分布圖Fig.3 Locations of Dongwenzhuang reservoir and Longwanghe underground reservoir in Ganyu
為保障柘汪片區(qū)建成后的水源供給,設(shè)計(jì)在龍王河石埝漫水閘上游修建龍王河地下水庫(kù),與東溫莊水庫(kù)共同向柘汪片區(qū)供水。擬建龍王河地下水庫(kù),庫(kù)區(qū)面積約10 km2,庫(kù)底基巖埋深5~25 m,興利庫(kù)容800萬(wàn)m3,在豐水期通過(guò)人工回灌和自然入滲對(duì)水庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)給,待枯水期使用。龍王河地表徑流為龍王河地下水庫(kù)補(bǔ)給水源,其多年平均徑流量為6 510萬(wàn)m3,徑流集中分布在6-9月,約占全年徑流量的85%,其他各月平均徑流量約為120萬(wàn)m3。根據(jù)水庫(kù)設(shè)計(jì),通過(guò)在龍王河上布置4個(gè)攔河閘、500個(gè)人工滲井和80個(gè)機(jī)械滲井(其單井入滲量分別為75和400 m3/d),在豐水期,地下水庫(kù)人工補(bǔ)給量約200萬(wàn)m3/月;在枯水期,通過(guò)攔河閘調(diào)蓄河水,地下水庫(kù)經(jīng)滲井回灌及河道入滲的補(bǔ)給量約50萬(wàn)m3/月。由于庫(kù)區(qū)地下水不僅供柘汪片區(qū)使用,還需保障當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉用水,其中農(nóng)業(yè)用水集中在3-8月,為使農(nóng)業(yè)用水高峰期地下水量充足,地下水庫(kù)可在9月至次年1月向柘汪片區(qū)供水,其余月份蓄水供農(nóng)業(yè)灌溉使用。由于地下水庫(kù)庫(kù)容較小,供水期一般為3個(gè)月,其向柘汪片區(qū)供水時(shí),通過(guò)抽取水庫(kù)中的地下水,經(jīng)過(guò)經(jīng)專用引水管道供水。
綜合考慮水量、水質(zhì)與輸水成本,東溫莊水庫(kù)和龍王河地下水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用時(shí),兩水庫(kù)向柘汪片區(qū)供水的優(yōu)先順序?yàn)椋孩賰?yōu)先利用區(qū)間產(chǎn)流及來(lái)自石埝漫水閘的龍王河徑流補(bǔ)給東溫莊水庫(kù),向柘汪片區(qū)供水;②東溫莊水庫(kù)水量不足時(shí),利用龍王河地下水庫(kù)向柘汪片區(qū)供水;③龍王河無(wú)徑流且地下水庫(kù)供水不足時(shí),經(jīng)大溫莊抽水站抽取外調(diào)水補(bǔ)給東溫莊水庫(kù),向柘汪片區(qū)供水。
本文分別選取了20%、50%、75%、95%不同頻率降雨作為豐水年、平水年、枯水年和特枯年的降雨,對(duì)研究區(qū)進(jìn)行實(shí)例計(jì)算。
(1)水庫(kù)來(lái)水量。東溫莊水庫(kù)來(lái)水水源包括庫(kù)區(qū)集水、石埝漫水閘引水及大溫莊抽水站調(diào)水。其中,庫(kù)區(qū)集水為降雨扣除蒸發(fā)、滲漏損失,然后乘以區(qū)域面積推算而來(lái);石埝漫水閘引水水源來(lái)自于閘上河道徑流,根據(jù)江蘇省水文水資源勘測(cè)局編制的《贛榆縣東溫莊水庫(kù)工程水資源論證報(bào)告書(shū)》,豐、平、枯、特枯年型徑流總量分別為10 359、6 510、5 357、2 022萬(wàn)m3,徑流主要分布在6-9月,約占多年平均徑流總量的85%,但由于6月洪水初期水質(zhì)較差,因此,規(guī)劃每年在7-9月引水;大溫莊抽水站外流域調(diào)水根據(jù)枯水期水庫(kù)缺水情況,抽水補(bǔ)給東溫莊水庫(kù)。
(2)來(lái)水能力。龍北干渠渠首進(jìn)水閘在一般年份7-9月現(xiàn)狀可引水流量約3 m3/s,考慮到遠(yuǎn)期將對(duì)龍北干渠進(jìn)行清淤,本次計(jì)算引水流量按4 m3/s進(jìn)行計(jì)算,則當(dāng)石埝漫水閘月徑流量充足時(shí),月最大引水量達(dá)1 036萬(wàn)m3。經(jīng)計(jì)算,在豐、平、枯年份7-9月,石埝漫水閘徑流量均大于1 036萬(wàn)m3,因此,可按最大值計(jì)算;特枯年(95%),7、8、9月徑流量分別為648.8、545.0、254.2萬(wàn)m3,小于龍北干渠的月最大引水量,因此,特枯年7、8、9月的實(shí)際可供引水量等于各月的徑流量。大溫莊抽水站設(shè)計(jì)月最大抽水量為1 500萬(wàn)m3,遠(yuǎn)大于柘汪片區(qū)用水需求,因此月抽水量可根據(jù)各月缺水量,在0~1 500萬(wàn)m3之間取值。龍王河地下水庫(kù)興利庫(kù)容800萬(wàn)m3,但在供水期(3個(gè)月),仍有50萬(wàn)m3/月的補(bǔ)給量,因此,地下水庫(kù)年可供水量為950萬(wàn)m3。
(3)水源成本。石埝漫水閘為自流引水,其單方水源成本為0;龍王河地下水庫(kù)向柘汪片區(qū)供水時(shí),其抽水動(dòng)力費(fèi)為0.193元/m3[10];大溫莊抽水站外流域調(diào)水成本為0.52元/m3[11]。
(4)輸水損耗。根據(jù)《贛榆縣東溫莊水庫(kù)工程項(xiàng)目建議書(shū)》,龍北干渠全程11.9 km,輸水損耗約為30%,即為石埝漫水閘引水輸水損耗;大溫莊抽水站調(diào)水輸水損耗約占15%;龍王河地下水庫(kù)向柘汪片區(qū)供水,其輸水損耗約占5%。
模型計(jì)算時(shí),根據(jù)取水水源優(yōu)先約束條件,東溫莊水庫(kù)水源補(bǔ)給優(yōu)先順序?yàn)椋孩贃|溫莊水庫(kù)庫(kù)區(qū)集水;②石埝漫水閘引水;③大溫莊抽水站調(diào)水。龍王河地下水庫(kù)水源補(bǔ)給方式為龍王河地表徑流人工回灌及自然入滲補(bǔ)給。
模型采用7月作為計(jì)算的初始時(shí)段,至次年6月作為計(jì)算周期。東溫庒水庫(kù)在豐水期之前,水庫(kù)基本達(dá)到死水位,可供水量為0,且在豐水期7-9月經(jīng)石埝漫水閘引水蓄水,枯水期10月至次年6月通過(guò)庫(kù)區(qū)集水和大溫莊抽水站抽水補(bǔ)給。因此選7月作為模型計(jì)算的初始時(shí)段,可使東溫莊水庫(kù)在模型運(yùn)算時(shí)具有一致的初始條件,并保證豐、枯水期時(shí)段的連續(xù)性。對(duì)于龍王河地下水庫(kù),由于其在9月蓄滿,參與模型計(jì)算時(shí)段在9月至次年1月(其他月份水庫(kù)蓄水,不進(jìn)行模型運(yùn)算),選取7月作為初始時(shí)段,不會(huì)對(duì)計(jì)算周期內(nèi)水庫(kù)運(yùn)用計(jì)算產(chǎn)生影響,也能保證在地下水水庫(kù)參與聯(lián)合運(yùn)用計(jì)算的初期(9月)具有一致的初始條件。
本研究選用了豐、平、枯、特枯4個(gè)代表年份,分別對(duì)東溫莊水庫(kù)和龍王河地下水庫(kù)聯(lián)合向柘汪片區(qū)供水進(jìn)行了模型運(yùn)算。經(jīng)計(jì)算,東溫莊水庫(kù)全年都向柘汪片區(qū)供水,而龍王河地下水庫(kù)供水集中在10月至次年1月(特枯年在9-11月),年可供水總量950萬(wàn)m3。各代表年龍王河地下水庫(kù)供水分配如表1所示。
根據(jù)東溫莊水庫(kù)來(lái)水計(jì)算成果(如表2),在豐、平、枯3個(gè)年份,7-9月經(jīng)石埝漫水閘引水可將水庫(kù)蓄滿,引水約占水庫(kù)全年來(lái)水的47%;10-12月,東溫莊水庫(kù)無(wú)引、調(diào)水,主要依靠東溫莊水庫(kù)蓄水結(jié)合龍王河地下水庫(kù)聯(lián)合向柘汪片區(qū)供水;次年1月,龍王河地下水庫(kù)供水無(wú)法滿足用水需求,需經(jīng)大溫莊抽水站抽取外調(diào)水;2-6月,主要由大溫莊抽水站抽取外調(diào)水,各月抽水量約500萬(wàn)m3,總抽水量約占全年來(lái)水量的48%。在特枯年(95%),柘汪片區(qū)用水主要依靠外調(diào)水,約占來(lái)水量的70%。由于石埝漫水閘7-9月份可供引水量小,無(wú)法將東溫莊水庫(kù)蓄滿,因此地下水庫(kù)需在9-11月供水,且大溫莊抽水需提前至11月。
表2 各代表年?yáng)|溫莊水庫(kù)不同水源補(bǔ)給量計(jì)算成果表 萬(wàn)m3Tab.3 Dongwenzhuang reservoir's coming water calculations in the different period
根據(jù)所得結(jié)果,擬建龍王河地下水庫(kù)與東溫莊水庫(kù)聯(lián)合向柘汪片區(qū)供水時(shí),可很大程度上緩解枯水期的供水壓力,每年可供水量950萬(wàn)m3,約占片區(qū)全年需水量的14.5%。此外,對(duì)比分析在沒(méi)有龍王河地下水庫(kù),僅東溫莊水庫(kù)向柘汪片區(qū)供水時(shí),每年外調(diào)水源約占需水總量的56%,特枯年占73%,其水源成本每年高出約370萬(wàn)元(其結(jié)果見(jiàn)表3)。
表3 水庫(kù)來(lái)水總量分配比例表Tab.3 The table of each reservoirs' coming water distribution
針對(duì)江蘇省贛榆縣柘汪片區(qū)中長(zhǎng)期用水規(guī)劃,對(duì)東溫莊水庫(kù)和龍王河地下水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用進(jìn)行研究,建立了以供水成本最低為目標(biāo)的水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用模型,并應(yīng)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法對(duì)該模型進(jìn)行求解。
(1)采用東溫莊水庫(kù)和龍王河地下水庫(kù)向柘汪片區(qū)聯(lián)合供水時(shí),應(yīng)首選東溫莊水庫(kù)供水,待枯水期水量不足或水質(zhì)較差時(shí),啟動(dòng)龍王河地下水庫(kù)供水。地下水庫(kù)在不同年型的供水月份有所差異,特枯年在9-11月,其他年份集中在11月至次年1月。
(2)擬建龍王河地下水庫(kù)每年可向柘汪片區(qū)供水950萬(wàn)m3,約占片區(qū)全年需水量的14.5%,可很大程度上緩解枯水期的供水壓力。
(3)水庫(kù)聯(lián)合供水與原規(guī)劃的單一由東溫莊水庫(kù)向柘汪片區(qū)供水相比,在各代表年內(nèi),每年可節(jié)約供水成本約370萬(wàn)元,降幅約18%,經(jīng)濟(jì)效益顯著。
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