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都江堰毗河供水工程長藤結瓜式水利系統(tǒng)的水利計算

2018-05-15 12:07,,
四川水利 2018年2期
關鍵詞:保證率都江堰樞紐

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(四川省水利水電勘測設計研究院,成都,610072)

1 毗河供水工程概況

四川省都江堰灌區(qū)毗河供水工程是都江堰水利工程的重要組成部分,其供水區(qū)位于四川盆地腹部,地處涪江、沱江兩江之間的廣大丘陵區(qū),行政區(qū)劃隸屬于成都、資陽和遂寧三市。都江堰灌區(qū)由平原灌區(qū)、盆周丘陵灌區(qū)及毗河供水區(qū)組成,其中平原灌區(qū)及盆周丘陵灌區(qū)為已建成灌區(qū),毗河供水區(qū)為規(guī)劃的最后一片擴灌區(qū)。

毗河供水工程開發(fā)任務以城鎮(zhèn)供水和灌溉為主,兼有農村人畜用水等綜合利用。毗河供水工程由取水樞紐、輸水總干渠、灌區(qū)囤蓄水庫、灌溉渠系及提水工程五大部分組成。工程終期(2030年)規(guī)模為灌溉面積22.2萬hm2,其中田9.53萬hm2;供水人口433萬人,其中城鎮(zhèn)人口272萬人。

2 工程總體布局

毗河供水區(qū)上游岷江紫坪鋪水庫是都江堰灌區(qū)的水源調節(jié)工程,通過紫坪鋪水庫的合理調度,保障都江堰灌區(qū)的綜合利用要求。紫坪鋪水庫興利庫容77400萬m3,多年平均入庫水量136.3億m3,在保證金馬河環(huán)境基流、供都江堰已成灌區(qū)及環(huán)境用水后,余水通過寶瓶口進入內江,利用已成灌區(qū)輸水渠道的輸水能力,輸水至毗河供水區(qū)取水口[1]。

毗河供水區(qū)服從都江堰管理局的水量計劃與調配,只有通過上游紫坪鋪水庫的優(yōu)化調度及水量調出區(qū)都江堰已成灌區(qū)的水資源合理配置,才有余水保障毗河供水區(qū)的需水要求[2]。為充分利用毗河來水,滿足供水區(qū)的保證率要求,降低渠道設計規(guī)模,節(jié)省投資,提高工程效益,毗河供水工程采用長藤結瓜水利系統(tǒng),由于毗河是利用已成灌區(qū)余水,來水主要集中在汛期,而需水高峰通常在枯期,來水和需水過程不匹配,必須設置囤蓄水庫才能滿足用水需求。在非灌溉季節(jié),利用渠道(藤)充囤水庫(瓜),引入水庫存蓄起來,供灌水高峰期使用,彌補引入水量的不足;在灌溉季節(jié),尤其是用水緊張時,渠道水和囤蓄水庫水同時灌田、供水,提高了灌溉、供水保證率。

毗河供水工程主要水源來自總干渠首毗河茍家灘,水庫之間的調水均需通過總干渠輸水充入各囤蓄水庫才能解決本灌區(qū)的水源問題。為此灌區(qū)分片范圍,立足于各分片灌區(qū)獨立供水、局部優(yōu)選的原則,確定全灌區(qū)的合理囤蓄水庫布局方案。根據灌區(qū)水文、地形、囤蓄水庫建設條件、干旱及種植習慣等特點,毗河供水區(qū)分8片,分別由踏水、趙家溝、新生、寶石、丹山、書房壩、朝陽和關刀橋等8個囤蓄水庫充水調節(jié)供水。毗河供水工程布局見圖1。

圖1 毗河供水工程布局示意

3 毗河供水工程多目標規(guī)劃模型(MOP)

長藤結瓜式水利系統(tǒng)。一般由三部分組成:一是渠首取水樞紐工程;二是輸、配水渠道系統(tǒng)(稱之為藤);三是灌區(qū)內部的囤蓄水庫(稱之為瓜)[3]。

根據毗河供水工程的工程布局,踏水、趙家溝、新生、寶石、丹山、書房壩、朝陽等7個囤蓄水庫從干渠直接取水,關刀橋通過朝陽干渠取水與朝陽水庫串聯(lián)。由此毗河供水工程的囤蓄水庫與總干渠及取水樞紐構成一個長藤結瓜的大系統(tǒng),全系統(tǒng)共分為8個供需平衡節(jié)點,即踏水(節(jié)點1)、趙家溝(節(jié)點2)、新生(節(jié)點3)、寶石(節(jié)點4)、書房壩(節(jié)點5)、丹山(節(jié)點6)、朝陽(節(jié)點7)、關刀橋(節(jié)點8)。

作為一個大型長藤結瓜式水利系統(tǒng),其水利計算的基本思路為:在來水一定的情況下,通過干渠和各片囤蓄水庫的合理調度,滿足供水和灌溉的設計保證率要求,提高水資源的利用效率,減少工程規(guī)模和投資,實現囤蓄水庫與渠道整體規(guī)模的最優(yōu)。

由此可見,毗河供水工程水利計算屬于多目標和多約束的優(yōu)化模型(MOP,multi-objective promgramming)問題。根據毗河供水工程的實際情況,主要考慮供水保證率、工程總投資兩個因子作為規(guī)劃目標:

(1)供水保證率以滿足于供水區(qū)各片的最低供水保證率為目標。根據規(guī)范,本工程灌溉保證率取70%,工業(yè)、生活保證率取90%;

(2)工程總投資以滿足工程功能要求的最小投資為目標。工程投資按照取水樞紐、各段輸水渠道和囤蓄水庫的規(guī)模投資曲線確定。

取水樞紐、各段渠道和囤蓄水庫的規(guī)模等指標作為約束變量。為了降低模型的復雜程度,提高計算效率,并使各計算結果符合工程要求。計算中根據工程的實際情況,設置各規(guī)模參數的上下限,并以適當的步長擬定參數。以取水樞紐規(guī)模為例,分別擬定了55m3/s、60m3/s、65m3/s、70m3/s、75m3/s、80m3/s、85m3/s等7個方案進行分析。而囤蓄水庫的水位按照各節(jié)點水庫最高充水高程作為正常水位上限,按照各水庫的建設條件、供水區(qū)灌面高程分布及泥沙淤積的要求作為下限,設置適合步長,分別擬定各個囤蓄水庫的規(guī)模方案。

對于整個毗河供水系統(tǒng),增大囤蓄水庫規(guī)模增加了水庫的調蓄能力,相應的取水樞紐和渠道的規(guī)模將減?。环粗龃笕∷畼屑~和渠道規(guī)??梢詼p少對水庫的調節(jié)庫容的需求,相應的囤蓄水庫的規(guī)模將減小。通過多目標規(guī)劃模型可以優(yōu)化取水樞紐、各段輸水渠道和囤蓄水庫規(guī)模之間的組合,求得總投資最省的方案。

4 毗河供水工程水利計算

根據規(guī)范,毗河供水工程的水利計算應采用長系列計算。毗河取水樞紐具有完整41年(1966年~2007年)的逐旬可引水量資料。各片囤蓄水庫除少量自身攔截的天然來水外,主要來水依靠渠首分配,因此調節(jié)計算首先要對各片進行配水。各片區(qū)配水的比例直接影響各個片區(qū)的保證率和水資源的利用效率。如果分配不當,配水不足的片區(qū)會因為可供水量不足而破壞,配水過多的片區(qū)則可能產生棄水。

長系列調節(jié)計算過程中,不同時段渠首來水量,各片區(qū)需水以及各囤蓄水庫的蓄水量情況均不同,因而不能采用單一的分配比例進行配水,必須根據不同時段來水和各囤蓄水庫的運行實時情況進行動態(tài)分配。

為此,毗河供水工程的水利計算中還采用了動態(tài)規(guī)劃模型(DP,dynamic-programming),調節(jié)計算中對配水過程進行動態(tài)優(yōu)化,發(fā)揮囤蓄水庫的調節(jié)功能,充分利用水量,減少棄水,優(yōu)化配水方案。

動態(tài)規(guī)劃模型以最優(yōu)的供水利用效率為目標,以各片區(qū)的配水比例為決策變量,構建動態(tài)規(guī)劃的數學模型。計算過程中,按照各年逐旬劃分階段,動態(tài)分配各片區(qū)水量,通過系列過程計算,求得長系列中最優(yōu)的配水過程。

按照以上方法,將動態(tài)規(guī)劃模型和多目標規(guī)劃模型進行耦合。把長系列計算的動態(tài)優(yōu)化的配水過程帶入多目標規(guī)劃模型,通過模型求得最優(yōu)的取水樞紐、各段輸水渠道和囤蓄水庫規(guī)模方案組合及對應的保證率和工程總投資。

利用41年長系列來水、用水資料進行計算,得出毗河供水工程最優(yōu)方案為取水樞紐引水規(guī)模60m3/s,總囤蓄水庫興利庫容3.6億m3。

5 結論

(1)毗河供水工程作為長藤結瓜式水利系統(tǒng),其水利計算較復雜。取水樞紐、渠道和囤蓄水庫規(guī)模的選取相互關聯(lián),有多個目標需要優(yōu)化,故采用多目標規(guī)劃模型;

(2)長系列調節(jié)計算是一個動態(tài)過程,配水過程采用動態(tài)規(guī)劃模型優(yōu)化,以發(fā)揮囤蓄水庫調節(jié)功能,充分利用來水,減少棄水,優(yōu)化配水方案;

(3)為合理確定渠道和囤蓄水庫規(guī)模,把動態(tài)規(guī)劃模型和多目標規(guī)劃模型進行耦合,從而計算出投資最省的方案組合。

參考文獻

〔1〕肖志娟,李 霞.論調水工程中調水規(guī)模的合理性[J].四川水力發(fā)電,2013,32(1):1-3.

〔2〕肖志娟,李 霞.跨區(qū)域調水工程水資源統(tǒng)一管理實踐——以都江堰灌區(qū)毗河供水工程為例[J].中國水利,2003(10):17-18.

〔3〕張京恩,劉冬梅,韓元元.水庫群的長藤結瓜灌溉系統(tǒng)的水量平衡與調節(jié)[J].人民長江,2009(17):11-13.

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