北疆長距離供水渠系工程調度模型研究

李海濤

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局 烏魯木齊 830000)

江 浩 謝小燕

(南京南瑞集團公司水利水電技術分公司 南京 211106)

1 概述

北疆供水渠系工程系國家級重點工程，渠線長510多km，設計流量75m3/s，沿線布置有渡槽、涵洞、大型倒虹吸、節制閘、退水閘、分水閘等眾多建筑物，該工程從“635”水庫取水，主要解決受水區城市生活和工業用水緊張問題，同時兼顧工程沿線農業和生態環境用水。從調度技術上講，這種長距離、大流量、建筑物眾多的渠系工程在運行過程中，將受到各種因素的影響，如水文氣象、水力控制、受水區多方利益協調等，其調度過程十分復雜，國內外可以借鑒的經驗極為有限。

2 調度特點分析

2.1 可供水量難以掌控

由于受當前現有水文預報技術的制約，目前尚無法對入庫水量作長時間準確的預測，因此在實際調度中“635”水庫全年可供水量必須根據上游水文站的實測值進行實時的調整，并且由于總干渠上沒有可調節的水庫，整個渠系供水完全依賴水庫的調蓄能力，這使供水調度的難度大大增加。如何利用現有條件，確保供水調度的科學性，保證有限水資源的合理分配和管理，是供水調度模型必須解決的問題。

2.2 需水量的不確定性

北疆渠系供水工程的需水量是一個不確定的隨機量。主要原因包括:供水距離長，工程沿線共設有12個分水口，用水戶眾多，需求各不相同;各用戶的需水量受水文氣象因素的影響很大，而工程跨越戈壁、沙漠、草原和耕地，受水區的水文氣象極其復雜;各用戶的需水量還受到國家和地方政策、供水價格、調度體制和經濟發展狀況等諸多因素的影響，供水計劃的編制難度較大。

2.3 渠道運行的特殊性

由于北疆供水工程渠系線路長，沿線布置有分水閘、節制閘、大型倒虹吸、渡槽等渠系建筑物，其渠系運行的安全尤為重要。如果渠道的水位驟升，水頭的流速過大，將對渠道造成沖刷破壞。如果渠道水位驟降，滲入膜后及渠堤內的水不能隨渠道水位的降低而及時逸出，必然會產生揚壓力，將對渠道襯砌板塊產生頂托破壞，對于膨脹性泥巖較為集中、地質條件較差的渠段甚至會造成渠道邊坡失穩，產生大面積滑塌。因此，在渠系運行過程中必須保證流量和水位的穩定性，流量的增加或減小、水位的抬高或降低必須緩慢進行，避免水位的驟升、驟降，使渠水按照近似明渠均勻流的方式運行。

基于上述特點對供水調度進行研究，以分水口權重的最大經濟效益為目標函數，建立數學模型，用相應算法求解最佳配置。

3 建立調度模型

北疆供水工程的調度目標是使運行期內供水收益最大。結合北疆供水工程特點，其調度目標可以表述如為

式中 E——所有供水對象的總收益;

Δt——時段數;

Qwsi，t——t時段 i分水口所需流量;

Pi——i分水口的供水價格;

wi——i分水口的權重系數。

根據北疆供水工程的調度特點，可以確定如下約束目標。

a.進水口最大可供流量約束;

式中 Qwsi，t(t－ τ)——t時段、i分水口的需水流量;

τ——i分水口的水流傳播時間;

Qinfmax——進水口最大可供流量;

σi——分水口的渠道水利用系數。

b.渠道水位變幅:

式中 Zi，t——i分水口 t時段的水位;

Zi，t－1——i分水口 t－1 時段的水位;

ΔZi——i分水口的水位變幅。

c.節制分水閘運行要求:

式中 Qinf，t——t時段進水口的進水流量;

Qlimi——i分水口節制運行所需最小流量。

d.分水口分水流量變幅:

式中 Qi，t——i供水口t時段的水位;

Qi，t－1——i供水口 t時段的水位;

ΔQi——i供水的水位變幅。

e.分水口最大分水流量約束:

式中 Qmaxi——i供水口最大供水流量。

f.倒虹吸運行條件:

式中 Qinv，t——t時段倒虹吸的進水流量;

Qmin，inv——倒虹吸的最小進水流量;

Qmax，inv——倒虹吸的最大進水流量。

g.供水水量約束:

式中 Wi——i分水口的分水量;

Wi，need——i分水口的需水量。

以上模型計算的邊界條件為供水工程各個水位站的初始水位和各個閘門的初始開度。

4 模型求解

結合北疆渠系供水工程的調度特點建立供水調度模型后，其調度模型的求解采用目標規劃法［2］。

4.1 目標規劃模型

對于L個約束目標、K個優先等級(K≤L)的一般目標規劃問題，對于同一個優先級別的不同目標，它們的正負偏差變量的重要程度還可以有差別。如對于第k(k=1，2，…，K)級目標的正負偏差變量分別賦予不同的權系數和(l=1，2，…，L)，則目標規劃問題的一般數學模型可表述為

4.2 建立模型的步驟

a.針對北疆供水工程提出的各個目標與條件確定目標值，首先列出目標約束與絕對約束。

b.根據供水單位決策層的需要將某些或全部絕對約束轉化為目標約束，這時需要給絕對約束加上負偏差變量和減去正偏差變量。

c.給已確定的每個目標賦予相應的優先因子Pk(k=1，2，…，K)。

d.對同一優先等級中的各偏差變量，根據需要可按其重要程度不同，賦予相應的權系數和(l=1，2，…，L)。

4.3 優先因子與權系數

北疆供水工程的調度是一個多目標決策的問題，要找出使所有目標都達到最優的解是很不容易的。在有些情況下，這樣的解根本不存在(當這些目標互相矛盾時)。因此實際的做法是:根據北疆供水工程的調度特點，將所有約束目標分出主次，或根據這些目標輕重緩急的不同，區別對待，也就是說，將這些目標按其重要程度排序，并用優先因子Pk(k=1，2，…，K)來標記，即要求第一位達到的目標賦予優先因子P1，要求第二位達到的目標賦予優先因子P2，…，要求第K位達到的目標賦予優先因子PK。規定

其中，符號“?”表示“遠大于”;PK?PK+1表示PK與PK+1不是同一級別的量，即PK比PK+1有更大的優先權。這些目標優先等級因子也可以理解為一種特殊的系數，可以量化，但必須滿足

其中，M ＞0是一個充分大的數。

在同一優先級別中，可能包含兩個或多個目標，它們的正負偏差變量的重要程度還可以有差別，這時還可以給處于同一優先級別的目標賦予不同的權系數wj，這些都由供水單位決策層按具體情況而定。

5 調度流程

調度流程可以概括為制定用水協議、編制年調度預案和滾動計劃三步。

a.制定用水計劃。根據相關資料，制定各用水單位當年用水計劃，與需水預測模型預測結果進行比較分析并作協調處理，最后由供水單位與各用水單位簽訂用水協議，保證全年用水不超過協議中規定的用水限額。

b.編制年度調度預案。根據運行供水調度模型和各用水單位提出的需水計劃，制定下一年度的年度供水調度預案，保證各用戶年用水總量不超過需水計劃。

c.滾動計劃。在實際調度運行中，根據來水信息變化和各用水單位實際用水信息，運用調度模型滾動修正年度調度預案。

6 實例

以2009年度北疆供水調度過程為例，根據沿線各需水用戶的需水要求和“635”水庫的可供水量，運用調度模型進行供水調度演算，以期收益最大，并將演算結果(年度調度預案)與該年度供水單位實際調度情況進行對比(見下圖)。

2009年供水調度方案總干進水流量對比圖

從兩條曲線的吻合程度可以看出，由調度模型進行供水調度演算后輸出的供水調度預案與供水單位實際調度的過程基本一致。這就證明調度模型在以供水收益最大為調度目標，并對各種約束目標進行演算后輸出的調度預案是成功的。

7 結語

在充分考慮北疆供水調度特點基礎上提出的供水調度模型針對性強、實用性強，在此基礎上開發的供水調度模型軟件已經嵌入北疆供水調度決策支持系統，目前通過試運行，已取得良好的效果。模型能很好地協調好水量供需之間、用水戶水量分配之間的矛盾，借助系統理論、數據庫技術以及數據采集傳輸等現代化手段，能夠提出科學的供水調度預案，從而為實現精確的供水目標奠定了扎實的基礎。

1 水利部水利水電規劃設計總院.北疆供水工程總干渠輸水安全鑒定報告.2000.7.

2 馮尚有.多目標決策理論方法與應用.武漢:華中理工大學出版社，1990.