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(天津大學(xué) a.建筑工程學(xué)院; b.水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津　300072)

1　研究背景

為應(yīng)對(duì)遼寧中部地區(qū)2030年的用水需求，遼寧省發(fā)展和改革委員會(huì)批準(zhǔn)建設(shè)大伙房水庫輸水工程，引取渾江水源至大伙房水庫存放并分配運(yùn)用。引水原則是在豐水期(6—9月份)引取渾江流域的多余水量，利用渾江桓仁水庫下游電站作為調(diào)節(jié)池，經(jīng)輸水隧洞自流引水至蘇子河，然后匯入渾河流域的大伙房水庫調(diào)蓄運(yùn)用，工程設(shè)計(jì)輸水規(guī)模17.88億m3/a，渾江流域天然徑流總量為73.97億 m3，平均年際引水量占渾江流域豐水期流量約17%。經(jīng)過設(shè)計(jì)論證，該工程對(duì)渾江下游流量影響較小。

在大伙房水庫輸水工程運(yùn)行規(guī)程中，規(guī)劃了經(jīng)85.31 km輸水隧洞輸水至蘇子河后入大伙房水庫，工程設(shè)計(jì)輸水流量70 m3/s，以及豐枯水期的旬引水量，且就引水對(duì)流域的徑流量影響進(jìn)行分析，該引水規(guī)則可以滿足2030年的生產(chǎn)生活需求，也將滿足生態(tài)環(huán)境用水需求；本研究針對(duì)大型引水工程改變了河流自然流態(tài)、受水城區(qū)生產(chǎn)生活用水與生態(tài)環(huán)境用水矛盾突出等問題，以大伙房輸水工程引水量為參考標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)將渾江流域下游與渾河流域大伙房水庫下游的生態(tài)環(huán)境需水量加以考慮，設(shè)計(jì)引取渾江流域水量的各旬比例，將引水時(shí)間分散在一年四季，避免在豐水期大伙房水庫無法提供足夠庫容時(shí)依然容納渾江水源的情形，各時(shí)間段不同引水量滿足供水調(diào)度的高標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)讓河流生態(tài)水量趨近自然水平[1]。

本研究將大伙房引水與供水工程聯(lián)合調(diào)度，根據(jù)渾江流域不同時(shí)期設(shè)計(jì)相應(yīng)取水比例，引至大伙房水庫存放并提供調(diào)度使用，以期達(dá)到最佳取水量，能滿足兩流域的生產(chǎn)生活需水要求，同時(shí)滿足河流生態(tài)環(huán)境需水要求。

2　研究方法

2.1　河流自然流態(tài)與環(huán)境流態(tài)因子

人類為了合理利用水資源及防范洪水災(zāi)害，在河道上興建堤防大壩等水利防洪樞紐工程，雖然滿足了城區(qū)生產(chǎn)生活上的用水需求，但也改變了河流自然形態(tài)。隨著豐枯水期的更替變換，河川流量在量、頻率、延時(shí)、時(shí)間上發(fā)生變化[2-4]，形成不同流態(tài)的5個(gè)元素：量、頻率、時(shí)滯、時(shí)間、變化率，會(huì)直接或間接通過水質(zhì)、能量來源、物理?xiàng)⒌嘏c生物交互作用等因素影響生態(tài)完整性。流域自然流態(tài)表明河川流量自然變化的特性與河流健康指標(biāo)高度相關(guān)，人為水利工程改變了原有的變化特性進(jìn)而嚴(yán)重破壞河流生態(tài)系統(tǒng)，因此恢復(fù)河流自然流態(tài)是河流生態(tài)流量管理的重要目標(biāo)[5-7]。

保護(hù)生態(tài)多樣性是生態(tài)系統(tǒng)管理的目標(biāo)之一，流域管理部門面對(duì)復(fù)雜的自然生態(tài)系統(tǒng)，需要對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及變化有清晰理解。有關(guān)學(xué)者開發(fā)了水文改變指標(biāo)方法，利用水文參數(shù)提供生態(tài)信息，對(duì)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。并提出計(jì)算河流變化幅度的方法，評(píng)估自然河流與人類擾動(dòng)后河流的水文變化差異程度[8-9]。由于水文改變指標(biāo)在使用上不容易被流域機(jī)構(gòu)管理及分析人員應(yīng)用，在整合水文改變指標(biāo)的特性后又提出了環(huán)境流態(tài)因子，即將流量由小到大排序后分為5個(gè)等級(jí)，共計(jì)N個(gè)流量值，將最小的流量值作為第1個(gè)流量值。其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以流量的中間值(第50%N個(gè)流量值)作為區(qū)別高低流量的值，再取第5%N個(gè)流量值定為極端低流量值，另外將第75%N個(gè)流量值視為高流量級(jí)的上限，即第50%N—第75%N個(gè)流量值定為高流量，最后分別找出2～10 a與10 a一遇洪水事件對(duì)應(yīng)的流量定義為小洪水和大洪水級(jí)別。各分級(jí)中涵蓋了量、頻率、延時(shí)、時(shí)間及變化率5個(gè)流態(tài)特性的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)量，應(yīng)用方法與水文改變指標(biāo)相同[10-11]。

2.2　改進(jìn)遺傳算法

遺傳算法是一種人工智能算法，最早于1975年由美國密歇根大學(xué)的Holland提出，是模擬自然界生物遺傳演化方式而建立的一套優(yōu)化方法，發(fā)展至今已被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域[12-13]。使用遺傳算法需要的假設(shè)條件較少，不用依賴函數(shù)的數(shù)學(xué)特性，因此具有更廣泛的應(yīng)用性。

水庫長期運(yùn)行的規(guī)劃問題變量數(shù)量多且限制較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的線性規(guī)劃不易求得最佳解，過去已有許多應(yīng)用遺傳算法求解水庫運(yùn)行管理問題的研究。如以遺傳算法求解一個(gè)聚合水庫群系統(tǒng)，此系統(tǒng)是由2個(gè)水庫串聯(lián)后和另一水庫并聯(lián)，再合流進(jìn)入下游的一個(gè)水庫，其目標(biāo)為在考慮水庫蓄放水條件的限制下，求得水庫發(fā)電效益與供水灌溉的最大利益，研究結(jié)果說明了遺傳算法于水資源系統(tǒng)分析領(lǐng)域的重要發(fā)展?jié)摿?，且證明了遺傳算法的計(jì)算技巧優(yōu)于動(dòng)態(tài)規(guī)劃法[14-15]；還有學(xué)者也考慮自然流態(tài)的變化特性，將自然流態(tài)變化特性引進(jìn)水資源管理的重要應(yīng)用研究[16-17]。

使用遺傳算法求解優(yōu)化問題時(shí)，必須先確定模型的目標(biāo)函數(shù)、限制條件、決策變量及搜尋空間。將仿生物學(xué)中的染色體決策變量轉(zhuǎn)換成以0和1表示的二元字符串形式，字符串中各個(gè)位元即相當(dāng)于基因，再根據(jù)目標(biāo)函數(shù)決定此染色體的基因排列狀況的適合度，經(jīng)由遺傳算法的3個(gè)主要運(yùn)算單元(選擇、交配、突變)來推動(dòng)機(jī)制，不斷繁衍出具有更高適合度的子代，此法被稱為簡單遺傳算法，演化步驟如下：

(1)初始化。建立初始解群體。

(2)評(píng)價(jià)。評(píng)估群體的每個(gè)個(gè)體，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的評(píng)估條件即終止運(yùn)算。

(3)選擇。保留適合度較高的個(gè)體。

(4)遺傳推演。通過交配與突變產(chǎn)生新個(gè)體加入群體，得到子代族群。

(5)迭代。重復(fù)步驟(2)到步驟(4)，直到滿足設(shè)定的條件。

3　研究區(qū)域與方法

3.1　區(qū)域分析

大伙房水庫屬于渾河流域，位于遼寧中部地區(qū)的渾河的中上游，坐落在撫順市東郊，水庫控制集水面積5 437 km2，占渾河全流域面積的47.4%。總庫容22.68億 m3，興利庫容12.96億 m3，校核洪水位139.31 m，設(shè)計(jì)洪水位136.62 m，防洪限制水位126.40 m，歷史最高洪水位136.46 m。大伙房水庫是一座以防洪、城市供水、灌溉為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的大型水利樞紐工程。

以大伙房輸水工程和大伙房水庫等骨干蓄水水庫為核心的遼寧水資源工程體系，主要任務(wù)是解決遼寧中部地區(qū)城市群的生活、生產(chǎn)和生態(tài)需水要求。

大伙房水庫輸水工程是一項(xiàng)大型跨流域引水工程，自遼寧省桓仁縣的渾江桓仁水庫壩下鳳鳴電站庫區(qū)自流引水，經(jīng)過85.3 km的輸水隧洞，將水引至新賓縣蘇子河的穆家電站下游，經(jīng)蘇子河匯入大伙房水庫，并經(jīng)其反調(diào)節(jié)再向渾河地區(qū)的撫順、沈陽等多座城市供水。該工程包括水源調(diào)蓄的鳳鳴水庫、反調(diào)節(jié)的大伙房水庫、輸水隧洞及進(jìn)、出口工程，整個(gè)引水工程跨桓仁、新賓兩縣。整體工程位置如圖1所示。

圖1　大伙房引水與供水工程體系Fig.1　System of water diversion and water supply ofDahuofang reservoir

遼寧省大伙房水庫輸水工程調(diào)出區(qū)范圍為整個(gè)渾江流域。渾江位于吉林省的東南部、遼寧省的東部,西與遼河中下游的太子河、渾河流域相鄰,全長435 km，流域集水面積15 414 km2，天然年徑流量73.97億 m3，人均水資源占有量為4 187 m3，是水資源較為豐富的流域。

大伙房水庫輸水工程對(duì)于渾江流域徑流量的影響，就長期而言，年均實(shí)際引水量約占渾江徑流量的17%。引水運(yùn)行期間原則為：豐水期將渾江水量引至渾河流域蘇子河放流，以供下游大伙房水庫蓄存利用，當(dāng)流量>200 m3/s時(shí)，考慮原水渾濁度過高，不滿足供水條件；當(dāng)流量小于下游水量、生態(tài)基流量與河道滲漏保留量三者的總和時(shí)，也不滿足供水條件；蘇子河流量若大于上述的保留量時(shí)，將引取剩余的河流水量或引水隧洞的輸水容量兩者中較小的水量。

大伙房水庫的興利調(diào)度依據(jù)水庫運(yùn)行規(guī)線執(zhí)行，如圖2所示。

圖2　大伙房水庫運(yùn)行規(guī)線Fig.2　Curves of operation rule of Dahuofang reservoir

運(yùn)行說明如下：

(1)蓄水量超過上限時(shí)，根據(jù)各目標(biāo)需要，泄洪使其降至上限水平為止。

(2)蓄水量在上限與下限之間時(shí)，按各目標(biāo)基準(zhǔn)供水量供應(yīng)。

(3)蓄水量在下限與限制水位之間時(shí)，家用及公共服務(wù)用水按照基準(zhǔn)供水量供應(yīng)，農(nóng)業(yè)與工業(yè)用水水量則按基準(zhǔn)供水量的75%供應(yīng)。

(4)蓄水量在限制水位以下時(shí)，家用及公共服務(wù)用水按基準(zhǔn)供水量的80%供應(yīng)，農(nóng)業(yè)與工業(yè)用水水量則按基準(zhǔn)供水量的50%供應(yīng)。

本研究中大伙房水庫各目標(biāo)水量是依據(jù)2011年的水權(quán)分配量推估2030年的生產(chǎn)生活生態(tài)、需水量作為模型演算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。按照大伙房輸水工程目標(biāo)，在滿足2030年的用水需求條件下，需要每日增加50萬 m3的可用水量，因此，推估方法是以2011年的水權(quán)量加上跨界輸水工程的年取水量作為2030年的用水總量，再根據(jù)各旬水量所占的比例進(jìn)行分配，其公式為：

D30=D11+50×365,

(1)

(2)

式中：D30為2030年的年水權(quán)量；D11為2011年的年水權(quán)量；D30i為2030年的第i旬年水權(quán)量；D11i為2011年的第i旬年水權(quán)量，i=1,2,…,36。

本研究結(jié)合渾江流域與大伙房水庫數(shù)據(jù)，取1990—2012年共24 a的旬流量作為優(yōu)化模型操作的流量數(shù)據(jù)。

3.2　模型建立

建立優(yōu)化模型時(shí)先要確定目標(biāo)函數(shù)，本研究的優(yōu)化目標(biāo)有：

(1)生產(chǎn)生活需求子目標(biāo)。滿足渾江下游與大伙房水庫地區(qū)各用水目標(biāo)需水量。

(2)生態(tài)需求子目標(biāo)渾江桓仁水庫下游與大伙房水庫下游環(huán)境流態(tài)因子落在閾值標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的年數(shù)接近50%。

優(yōu)化模型運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3　優(yōu)化模型推演流程Fig.3　Flow chart of optimization model

首先采集分析渾江流域與大伙房水庫的流量數(shù)據(jù)，由大伙房水庫出入庫流量數(shù)據(jù)推估水庫南岸取水口流量，原渾江水量經(jīng)過跨流域引水后，部分水量引到大伙房水庫，其余水量就可以計(jì)算渾江流域的人類缺水目標(biāo)與環(huán)境流態(tài)因子；大伙房水庫除了原有入庫流量以外，再加入渾江流域引水量，從水庫南岸取水部分計(jì)算生產(chǎn)生活缺水目標(biāo)，進(jìn)入渾河下游的部分流量計(jì)算環(huán)境流態(tài)因子。

本研究以遺傳算法尋找優(yōu)化模型的最佳解，其各參數(shù)的設(shè)定值如表1所示。

表1　遺傳算法參數(shù)設(shè)定Table 1　Parameters for genetic algorithm

4　優(yōu)化結(jié)果分析

4.1　目標(biāo)設(shè)定與權(quán)重分配

本研究優(yōu)化模型的目標(biāo)包括渾江流域和大伙房水庫計(jì)算缺水量目標(biāo)、連續(xù)缺水旬?dāng)?shù)目標(biāo)與環(huán)境流態(tài)因子目標(biāo)各2組，共6個(gè)子目標(biāo)，運(yùn)行期間為1990—2012年，數(shù)據(jù)的時(shí)間單位為旬；通過對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行分析與討論，比較優(yōu)化模型與原跨流域輸水工程實(shí)施的取水量、優(yōu)化水庫蓄水規(guī)線與水庫運(yùn)行調(diào)度規(guī)線，然后再分配6個(gè)子目標(biāo)不同權(quán)重進(jìn)行定量分析。

模型中6個(gè)子目標(biāo)初始權(quán)重分配如表2所列，生產(chǎn)生活與生態(tài)需水比例為6∶4，在生產(chǎn)生活需水方面，由于2030年需水量在渾江流域?yàn)?42 670萬 m3，在大伙房水庫為431 500萬 m3，大伙房水庫地區(qū)需水量約為渾江流域調(diào)水區(qū)的3倍，因此給予大伙房水庫3倍于渾江的權(quán)重值，而生產(chǎn)生活需水目標(biāo)包含缺水量與連續(xù)缺水旬?dāng)?shù)2個(gè)目標(biāo)，考慮到某一時(shí)期的高缺水量遠(yuǎn)比長時(shí)間低缺水量對(duì)區(qū)域生產(chǎn)生活的影響更為嚴(yán)重，因此再給定這2個(gè)目標(biāo)的權(quán)重比例為9∶1；生態(tài)需水方面，考慮到目前的運(yùn)行規(guī)程中，排放到大伙房水庫下游河流的水量并沒有遵循自然流態(tài)規(guī)律，即提供有變化的流量，而渾江流域則還是較為自然的河流，因此模型中給予渾江流域較大的權(quán)重。整體分析，渾江與大伙房水庫所占比重為0.45∶0.55。通常權(quán)重的設(shè)定是在同時(shí)考慮不同因子時(shí)遇到的主要技術(shù)瓶頸，權(quán)重可依據(jù)管理部門運(yùn)行目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)定目標(biāo)則應(yīng)整合利益相關(guān)人的考慮，從而得到最佳權(quán)重分配。

表2　優(yōu)化模型權(quán)重分配Table 2　Weights allocation for optimization model

本研究在環(huán)境流態(tài)因子選擇上配合水庫運(yùn)行以旬作為單位，以每年豐枯2期作為分區(qū)，本優(yōu)化模型結(jié)果的引水比例：每旬0～2 000萬m3(低流量)時(shí)為河川流量的5%，2 000萬～10 000萬 m3(中流量)時(shí)為38%，10 000萬～20 000萬 m3(高流量)時(shí)為40%，運(yùn)行期間24 a的平均年引水量為17 242萬 m3，較原規(guī)程量減少638萬 m3。

本研究中水庫運(yùn)行的36個(gè)旬蓄水量構(gòu)成水庫運(yùn)行規(guī)線，當(dāng)水庫蓄水量大于此規(guī)線時(shí)需放水至規(guī)線位置，小于此規(guī)線時(shí)依照水庫運(yùn)行規(guī)線操作。因大于規(guī)線時(shí)，就表示有降水過程造成足夠水量儲(chǔ)存，多余水量放給下游，讓下游河流生態(tài)環(huán)境具備流量變化多元性。根據(jù)規(guī)則運(yùn)行，在1990—2012年期間，最大滿足生態(tài)環(huán)境與生產(chǎn)生活需水目標(biāo)的水庫運(yùn)行規(guī)線，保證此規(guī)線在未知的水文條件下，依然能夠滿足大伙房水庫運(yùn)行條件。優(yōu)化結(jié)果的水庫運(yùn)行規(guī)線如圖4所示。

圖4　大伙房水庫優(yōu)化模型蓄水規(guī)線Fig.4　Rule curves of water storage foroptimization model

圖5　不同條件下渾江缺水量和最大連續(xù)缺水旬?dāng)?shù)比較Fig.5　Comparison of water deficiencies in Hunjiangriver basin and maximum consecutive 10-dayperiod of water shortage among different conditions

4.2　渾江流域生產(chǎn)生活需水目標(biāo)分析

在渾江流域生產(chǎn)生活需水目標(biāo)的部分，將本研究的優(yōu)化模型取水結(jié)果與不取水、原規(guī)程輸水量結(jié)果比較，圖5(a)為缺水量比較，結(jié)果為不取水表現(xiàn)最好，其次為優(yōu)化模型，原規(guī)程輸水量表現(xiàn)最差，并且與前兩者有顯著差距。其中原規(guī)程輸水量的平均缺水量為36 858萬 m3，優(yōu)化模型的缺水量為21 365萬 m3，相差15 493萬 m3；圖5(b)為最大連續(xù)缺水旬?dāng)?shù)比較，原規(guī)程輸水量與其他兩者的最大連續(xù)缺水旬?dāng)?shù)相比，有9個(gè)年度表現(xiàn)較差，1個(gè)年度表現(xiàn)較好，整體而言仍是不取水表現(xiàn)最好，其次為優(yōu)化模型，原規(guī)程輸水量最差。由此比較結(jié)合上述年平均引水量計(jì)算得知，優(yōu)化模型的取水結(jié)果可使渾江流域的生產(chǎn)生活用水條件寬松，較不易發(fā)生缺水情況，其年總引水量僅比原計(jì)劃取水多保留了638萬 m3，但卻減少了15 493萬 m3的缺水總量。

4.3　大伙房水庫生產(chǎn)生活需水目標(biāo)分析

在大伙房水庫生產(chǎn)生活需水目標(biāo)的部分，將本研究的優(yōu)化模型結(jié)果與水庫運(yùn)行規(guī)線、原規(guī)程2種情況缺水量進(jìn)行比較，如圖6(a)所示。從圖6(a)可看出,水庫運(yùn)行規(guī)線表現(xiàn)明顯優(yōu)于其他2種情況，而原計(jì)劃量的平均缺水量為18 453萬 m3，優(yōu)化模型的缺水量為20 576萬 m3，優(yōu)化模型比原規(guī)程輸水量約少了2 123萬 m3，若扣除優(yōu)化模型的平均引水量較原規(guī)程輸水量少638萬 m3的因素后，仍有1 485萬 m3水量的差距，因此在大伙房水庫缺水量這項(xiàng)目標(biāo)，優(yōu)化模型的結(jié)果是較差的。

圖6(b)為最大連續(xù)缺水旬?dāng)?shù)的比較。最大連續(xù)缺水旬?dāng)?shù)分析中，水庫運(yùn)行規(guī)線的表現(xiàn)最差，原規(guī)程輸水量除了2個(gè)年度表現(xiàn)優(yōu)于優(yōu)化模型外，整體表現(xiàn)是優(yōu)化模型最好。原規(guī)程輸水量與優(yōu)化模型2個(gè)方案的差異在于取水時(shí)間與取水量差異，優(yōu)化模型在枯水期也會(huì)取水，減少了大伙房水庫枯水期間缺水的情況，因此在最大連續(xù)缺水旬?dāng)?shù)的結(jié)果比較好，但也因此造成枯水期間取水后，水庫蓄水量高于優(yōu)化蓄水規(guī)線的量較多，結(jié)果必須排放這些水量，導(dǎo)致優(yōu)化模型有較多缺水量。因?yàn)槊磕昕菟诘乃畮焖颗c入庫流量情形都不一樣，在進(jìn)行遺傳算法推演時(shí)，是以同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每年的情形進(jìn)行評(píng)估，而得到平均結(jié)果。從圖6(b)中也可以看出，整體而言，優(yōu)化模型的缺水量較原規(guī)程輸水量方案多，但并不明顯，甚至有些年的缺水量依然比原規(guī)程量方案少，因此認(rèn)為此優(yōu)化蓄水規(guī)線是可以被接受的。

4.4　渾江與大伙房流域環(huán)境流態(tài)因子目標(biāo)分析

在環(huán)境流態(tài)因子目標(biāo)部分，以50%的發(fā)生年數(shù)在閾值范圍內(nèi)，為最佳狀況(分?jǐn)?shù)為1)。表3中，渾江依照原計(jì)劃引水后的環(huán)境流態(tài)因子于1990—2012年結(jié)果的平均值為0.69，采取優(yōu)化模型方案引水后的環(huán)境流態(tài)因子增加為0.77；大伙房水庫部分，依照原設(shè)計(jì)引水量進(jìn)行優(yōu)化蓄水規(guī)線操作得到的環(huán)境因子為0.21，采取優(yōu)化模型引水量進(jìn)行優(yōu)化蓄水規(guī)線操作得到的環(huán)境流態(tài)因子為0.60。

圖6　不同條件下大伙房水庫缺水量和最大連續(xù)缺水旬?dāng)?shù)比較Fig.6　Comparison of water deficiencies in Dahuofangreservoir and maximum consecutive 10-dayperiod of water shortage among different conditions

區(qū)域環(huán)境流態(tài)因子原規(guī)程輸水量優(yōu)化模型渾江流域0．690．77大伙房水庫0．210．60

表4將渾江細(xì)分為5個(gè)組別進(jìn)行比較，其中小洪水表現(xiàn)變差，高流量持平，其余3組則是趨好，其原因可能是規(guī)程輸水量為限制在豐水期取水，但豐水期間有可能有流量較小的情況發(fā)生。如果該旬的流量是屬于極端低流量或每月低流量，就會(huì)造成取水后這2組數(shù)據(jù)有較大幅度降低。而優(yōu)化模型的取水是流量大小發(fā)生變化，流量小的時(shí)候取水少，影響不大；流量大時(shí)取水多，就會(huì)對(duì)小洪水與大洪水有較大的影響。

表4　渾江原規(guī)程量與優(yōu)化模型各組環(huán)境流態(tài)因子比較

表5為大伙房水庫5個(gè)組別環(huán)境流態(tài)因子的比較，其中極端低流量和低流量的優(yōu)勢(shì)不大，但所有組別均有提升，這是因?yàn)槟Ｐ椭锌紤]了生態(tài)環(huán)境用水量，且豐水期間大伙房水庫入庫流量本來就多，再加上從渾江流域引來的水量也較多，因此高流量和小洪水組別的改善程度特別大。

表5　大伙房水庫原規(guī)程與優(yōu)化模型各組環(huán)境流態(tài)因子比較

綜上，優(yōu)化模型在渾江流域生產(chǎn)生活缺水指標(biāo)、渾江流域環(huán)境流態(tài)因子與大伙房水庫流態(tài)因子3方面均有較好的表現(xiàn)，在大伙房水庫生產(chǎn)生活缺水指標(biāo)方面，最大連續(xù)缺水旬?dāng)?shù)仍表現(xiàn)較好，但缺水量的部分，優(yōu)化模型比原計(jì)劃方案多了約2 123萬 m3的缺水量，這是整個(gè)優(yōu)化模型結(jié)果唯一與原計(jì)劃方案相比欠缺的地方，但若整合渾江流域減少15 493萬 m3缺水量后，優(yōu)化模型的整體缺水量還是比原計(jì)劃方案少了13 370萬 m3；因此，就兩流域整體來看，本研究所提的優(yōu)化模型具有比原計(jì)劃方案更好的運(yùn)行結(jié)果，將取水時(shí)間分散到全年相比集中在豐水期取水效果更好。

5　討　論

由于優(yōu)化蓄水規(guī)線是在原有的水庫運(yùn)行規(guī)線調(diào)度規(guī)則的基礎(chǔ)上增加的一條調(diào)度規(guī)則，約束條件愈多將造成缺水量相應(yīng)增加，但缺水量增加幅度過大則會(huì)降低該優(yōu)化蓄水規(guī)線的運(yùn)行效果。為了分析該優(yōu)化蓄水規(guī)線運(yùn)行的缺水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水庫運(yùn)行規(guī)線調(diào)度規(guī)程的原因，本研究對(duì)歷史水文數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，依據(jù)各年的旬流量數(shù)據(jù)對(duì)24 a平均的旬流量數(shù)據(jù)的均方根誤差判別其數(shù)據(jù)變異程度，由此變異程度選擇3組歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化模型計(jì)算。3組歷史數(shù)據(jù)分別為①10 a：24 a流量資料中變異程度最小的10 a數(shù)據(jù)；②18 a：從24 a流量資料中淘汰變異程度最大的6 a；③24 a：24 a流量數(shù)據(jù)全部采用。同時(shí)為了減少其他可能干擾因子，調(diào)整模型中各子目標(biāo)權(quán)重如表6，模型結(jié)果列于表7，第③組的取水量略高于第①、第②組;對(duì)于缺水量的部分來說，水庫運(yùn)行規(guī)線運(yùn)行下的第③組略低于第①、第②組;但優(yōu)化蓄水規(guī)線運(yùn)行操作的情況則是隨著采用數(shù)據(jù)年數(shù)的增加而增加，顯示當(dāng)數(shù)據(jù)變異程度增加時(shí)，缺水情況將更加嚴(yán)重。此外，分別比較3組算法中優(yōu)化蓄水規(guī)線與水庫運(yùn)行規(guī)線的缺水率的差異，第①組相差0.05，第②組相差0.08，第③組相差0.11?？梢姰?dāng)歷史采集水文數(shù)據(jù)變異程度縮小后，優(yōu)化蓄水規(guī)線運(yùn)行的缺水結(jié)果和水庫規(guī)線運(yùn)行結(jié)果愈接近；另外，水庫運(yùn)行規(guī)線的調(diào)度彈性較優(yōu)化蓄水規(guī)線大，在水庫調(diào)度規(guī)線運(yùn)行中可容許一些旬蓄水量陡增的情況，但同樣的情況在優(yōu)化蓄水規(guī)線的運(yùn)行中，則可能無法容納某一旬時(shí)間內(nèi)如此大的蓄水增加量，因此判定優(yōu)化模型在大伙房水庫缺水表現(xiàn)較差的原因與水文情勢(shì)擾動(dòng)過大相關(guān)。

表6大伙房水庫缺水原因分析中的權(quán)重分配
Table6WeightvaluedistributioninwatershortageanalysisforDahuofangreservoir

區(qū)域子目標(biāo)權(quán)重缺水量連續(xù)缺水旬?dāng)?shù)環(huán)境流態(tài)因子合計(jì)渾江流域0．450．0500．5大伙房水庫0．450．0500．5

表7大伙房水庫缺水原因分析中取水量、缺水量、缺水率比較
Table7Comparisonofwaterintake,waterdeficiency,andwatershortagerateforDahuofangreservoir

周期/a運(yùn)行規(guī)則取水量/(萬m3)水庫缺水量/(萬m3)水庫缺水率101824優(yōu)化模型1078591663200．70水庫運(yùn)行規(guī)程1078591107050．75優(yōu)化模型1071421823600．67水庫運(yùn)行規(guī)程1071421093640．75優(yōu)化模型1124371905260．66水庫運(yùn)行規(guī)程1124371004600．77

在連續(xù)缺水旬?dāng)?shù)上，水庫運(yùn)行規(guī)線的調(diào)度中當(dāng)水庫蓄水量低于規(guī)線下限時(shí)，運(yùn)行操作會(huì)進(jìn)行限量供水，而枯水期間水庫進(jìn)水量比供水量小，以致水庫蓄水量持續(xù)低于規(guī)線下限，因此造成連續(xù)缺水旬?dāng)?shù)增加；但在優(yōu)化模型的計(jì)算中，因?yàn)榭紤]了連續(xù)缺水旬?dāng)?shù)等指標(biāo)，當(dāng)連續(xù)缺水旬?dāng)?shù)過大，模型就可能選擇某一旬充分供水以中斷連續(xù)缺水旬?dāng)?shù)的累加，因此優(yōu)化模型的連續(xù)缺水旬?dāng)?shù)表現(xiàn)較好，連鎖影響到缺水指標(biāo)的表現(xiàn)。

綜合此分析結(jié)果，水庫運(yùn)行管理部門可以依其對(duì)不同區(qū)域生態(tài)或生產(chǎn)生活用水重視程度調(diào)整本優(yōu)化模型的權(quán)重分配，而獲得滿足供水調(diào)度用戶使用較為滿意的取水比例與水庫蓄水規(guī)線；適當(dāng)?shù)臋?quán)重分配，將有助于達(dá)到生產(chǎn)生活與生態(tài)用水的平衡。在水資源管理決策上，本優(yōu)化模型提供了對(duì)決策者具有參考價(jià)值的結(jié)果。

6　結(jié)　論

本研究采用遺傳算法模擬跨流域引水與供水水庫聯(lián)合調(diào)度過程，重點(diǎn)考慮兩流域生態(tài)需水要求，建立水庫運(yùn)行優(yōu)化模型，與目前傳統(tǒng)傾向于供給側(cè)的供水模型形成明顯對(duì)比，即以需求側(cè)為主導(dǎo)，解決我國北方城市群水資源短缺、生產(chǎn)生活用水與生態(tài)環(huán)境用水矛盾突出的問題。得出如下結(jié)論：

(1) 本研究的優(yōu)化模型結(jié)果在渾江流域生產(chǎn)生活需水目標(biāo)分析中，原計(jì)劃平均缺水量36 858萬 m3，優(yōu)化模型的缺水量為21 365萬 m3，缺水量相差15 493萬 m3；在大伙房水庫生產(chǎn)生活用水量目標(biāo)表現(xiàn)略差，原計(jì)劃量的平均缺水量為18 453萬 m3；優(yōu)化模型的缺水量為20 576萬 m3，優(yōu)化模型比原規(guī)程輸水量約少了2 123萬 m3的缺水量。在大伙房水庫與渾江流域環(huán)境流態(tài)因子分析方面，優(yōu)化模型的環(huán)境流態(tài)因子平均值為0.77和0.60，而原設(shè)計(jì)輸水的環(huán)境流態(tài)因子平均值分別為0.69與0.21。整體而言，本優(yōu)化模型在遼寧中部地區(qū)水利工程聯(lián)合調(diào)度過程中具有可操作性，本研究可為今后水資源可持續(xù)利用與管理決策提供重要參考。

(2) 依據(jù)整體生產(chǎn)生活缺水與整體環(huán)境流態(tài)因子的權(quán)重，設(shè)定了20種模型子目標(biāo)的權(quán)重分配組合，模型能夠恰當(dāng)?shù)胤从橙彼颗c環(huán)境流態(tài)因子兩者間的相關(guān)性，水庫調(diào)度運(yùn)行與管理者可以依需要調(diào)整權(quán)重，獲得滿足需水條件的引水比例與水庫蓄水規(guī)線。

(3) 采用遺傳算法搜尋引水比例與水庫蓄水量最佳解，同時(shí)運(yùn)算渾江引水比例與大伙房水庫蓄水規(guī)線等決策變量，結(jié)果證明遺傳算法可以較好地解決多組不相關(guān)決策變量優(yōu)化建模問題。

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