耦合中期徑流預報的跨流域引水受水水庫引水調度圖研究

曲壽飛，閻 林，盧 迪

(1.遼寧省大連市金州水利管理服務中心，遼寧 大連 116000;2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

由于我國某些流域的地域水文特點，僅靠挖掘本流域內水資源潛力無法完全解決當地水資源短缺的問題，大規模的跨流域調水已成為我國重新分配水資源、緩解缺水地區供需矛盾的重要途徑。據不完全統計，國內已建重點調水工程20余項，總調水量約200多億m3?？缌饔蛞こ淌墙鉀Q水資源空間分布不均的最有效工程措施之一。水庫天然徑流的隨機性是跨流域引水工程受水水庫優化調度的難點［1］。

跨流域引水受水水庫研究成果多集中于供水任務分配、多目標協同競爭等優化問題［2-3］。文獻［1］進行水庫引水、供水聯合優化調度，對受水水庫優化調圖進行了研究，提高了跨流域引水的有效性，增加了受水水庫的綜合效益。文獻［4］對引水、供水調度圖分層優化，確定了水庫聯合調度規則。對跨流域引水工程受水水庫優化調度，以上研究均未進行預報調度方式的研究。跨流域引水工程建立后，現有調水方式不考慮預報信息，未能充分體現徑流變化對引水決策的影響。應用徑流預報信息，可為調度決策提供重要參考，從而提高跨流域調水的有效性。文獻［5-6］在跨流域引水工程調度運行時，應用旬徑流預報信息，提高了引水的有效性，但并未研究耦合旬徑流預報的引水調度圖。因此，需利用中長期預報信息，建立耦合預報信息的跨流域引水受水水庫調度方案，增強天然來水年內、年際變化與引水量的互補性，提高水資源的利用率。本文以碧流河水庫為研究對象，耦合中期徑流預報，對其引水調度圖進行研究，以期提高跨流域引水的有效性。

1 工程背景

大伙房水庫輸水應急入連工程是為解決大連市工業與生活用水供需矛盾，并改善大連地區水環境而修建的一項跨流域引水工程，建設規模為年引水3.0億m3，工程管線規模為90萬m3/d。碧流河水庫作為該引水工程的受水水庫，是大連市最大的水源地，是一座以城市供水為主，并兼有防洪、農業灌溉、水力發電、養魚、旅游等綜合效益的大型水利樞紐工程。水庫控制流域面積2 814 km2，總庫容9.34億m3，興利庫容6.44億m3，多年平均徑流量5.57億m3。

輸入調度模型的徑流數據時間尺度為旬，資料由設計院整理并提供，并已對碧流河水庫上游玉石水庫的蓄水進行了還原處理，保證徑流系列的一致性。模擬資料選擇2001年～2011年資料。水庫工業與城市生活用水5.2億m3，農業用水0.37億m3，環境用水0.16億m3。

2 調度模型建立

本文應用多目標優化算法進行調度圖優化，通過多次長系列模擬，直到滿足算法設定的模型模擬次數為止，即可得到不同調度方案的調度圖。

2.1 目標函數及約束條件

根據整個供水系統中給定的需水量，通過系統內引水量調配和發揮水庫群間的補償調節作用，使工業與生活用水保證率最大，農業用水保證率最大，缺水量最小，引水量最小。調度目標函數可表示為式中，f1為工業與生活用水保證率目標;f2為農業用水保證率目標;f3為缺水目標;f4為引水目標;Pind為工業與生活供水保證率;Pagr為農業供水保證率;R(t)為水庫供水量;D(t)為時段總需水量;I'i，t為i年t時段的引水量;m為年數。

約束條件為

式中，S(t)為t時段水庫末庫容;I'(t)為時段t的引水量;I(t)為時段t水庫入流量;Sp(t)為由于汛限水位限制產生的棄水;I'max為時段引水上限;E(t)為水庫蒸發滲漏損失;Sdead為水庫死庫容;Smax(t)為時段的水庫庫容上限。

2.2 調度圖及規則

2.2.1 不考慮預報信息的調度圖形式

不考慮預報信息的調度圖形式見圖1。根據引水與供水決策要求，調度圖中有兩類調度線，即引水線和供水限制線，具體調度規則如下:

(1)供水規則。根據時段初庫容處于調度圖的位置制定供水決策。當庫容在農業限制線以上時，工業、農業均正常供水;當庫容在農業限制線以下，工業限制線以上時，農業限制供水，工業正常供水;當庫容在工業限制線以下時，工業、農業均限制供水。其中，工業與生活或農業限制供水系數分別為0.9和 0.7。

(2)引水規則。根據時段初庫容處于調度圖的位置制定引水決策。庫容在引水線以上時，按最小引水限制引水，即不引水;庫容在引水線以下時，按最大引水能力引水，即滿引。

圖1 不考慮預報信息調度圖基本形式

2.2.2 應用中期預報調度圖形式

本文選擇應用旬徑流預報信息?？紤]旬徑流預報信息時，供水調度控制線與不考慮預報信息控制線相同，而引水線控制線由時段初水庫庫容處于調度圖的位置制定引水決策，變為根據“時段初庫容+當前時段徑流預報”處于調度圖的位置制定引水決策。該決策方式原理即在決策時增加預報信息為判別條件，進而改進調度決策。

引水控制線設置單引水調度線和雙引水調度線2種方案。單引水調度線方案引水規則與不考慮預報信息相同，僅決策變量不同;雙引水調度線方案引水規則為:當“庫容+預報入流”在兩條引水線之間時，引水量根據庫容大小在不引水與滿引水量間進行線性內插;“庫容+預報入流”在引水線1以上時，按最小引水限制引水，即不引水;“庫容+預報入流”在引水線2以下，按最大引水能力引水，即滿引。耦合旬預報信息的雙引水調度線預報調度圖基本形式見圖2。通過多目標優化得出碧流河水庫雙引水線預報調度圖(見圖3)。

圖2 雙引水線預報調度圖基本形式

圖3 雙引水線預報調度

3 模擬結果

應用2002年～2013年旬預報信息，模擬生成預報調度結果，比較各方案時段平均缺水量、引水量。調度模擬結果見表1。從表1中可知，相比不考慮預報信息的調度方案，在不缺水的條件下，應用單引水線與雙引水線預報調度圖年分別減少引水0.11億m3和0.24億m3，約為4%和9%。

表1 調度模擬結果 108m3/年

進一步結合各方案年內引水與入流的變化(見圖4)，分析引水決策的合理性。從圖4可知，在6月上旬開始引水，不考慮預報信息方案大于考慮預報信息方案;而7月下旬入流量雖然較大，不考慮預報信息方案引水并未出現減少。單引水線引水量位于不考慮預報方案與雙引水線調度方案之間，即其引水線決定其不可部分引水，只能滿引或不引。綜上可見，雙引水線預報調度方案為最優。

4 結論

圖4 各方案年內引水與入流變化

跨流域引水受水水庫耦合旬徑流預報的調度形式可提高引水效率，保證不缺水的條件下，減少受水水庫長距離引水量，對水庫運行有重要的參考價值。相比不考慮預報信息的調度方案，本文建立的雙引水線預報調度圖減少引水9%，提高了水資源的利用率。相比單預報調度圖形式，雙引水線預報調度圖形式雖增加了調度圖的復雜性，但多年平均減少引水5%，為決策者提供了重要的參考信息。

［1］周惠成，劉莎，程愛民，等.跨流域引水期間受水水庫引水與供水聯合調度研究［J］.水利學報，2013，44(8):883-891.

［2］劉攀，郭生練，郭富強，等.清江梯級水庫群聯合優化調度圖研究［J］.華中科技大學學報:自然科學版，2008，36(7):63-66.

［3］李昱，彭勇，初京剛，等.復雜水庫群共同供水任務分配問題研究［J］.水利學報，2015，46(1):83-90.

［4］ GUO X N， HU T S，ZHANG T， et al.Bilevel model for multi-reservoir operating policy in inter-basin water transfer-supply project［J］.Journal of Hydrology，2012，424(4):252-263.

［5］習樹峰，彭勇，梁國華，等.基于決策樹方法的水庫跨流域引水調度規則研究［J］.大連理工大學學報，2012，52(1):74-78.

［6］董霞，王本德，梁國華.基于旬徑流預報信息的跨流域引水興利調度方式的研究［J］.東北水利水電，2014，32(3):1-4.