鄂北地區水資源配置工程水資源配置模型研究及調度方案比選

何永煜 馮小慶 王賢斌

摘要：為了對鄂北地區水資源配置工程受水區（唐東地區、隨州府澴河北區和大悟澴水區）和唐西引丹灌區的當地水資源與外引水進行聯合調度，構建了鄂北工程水資源配置模型。分別擬定了以系統缺水量最小、系統總棄水和總缺水加權最小及系統總棄水最小為目標函數的3種計算方案。方案計算成果對比分析表明，方案2供水保證率、引水利用率適中，確定作為推薦方案。在初設批復的水量下，方案2可滿足生活、工業及農業灌溉的需求，且供水保證率可達到設計要求。

關鍵詞：水資源配置;配置模型;優化配置;供水保證率;聯合調度;鄂北地區水資源配置工程

中圖法分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2020. 10.005

1 工程背景

鄂北地區水資源配置工程（以下簡稱“鄂北工程”）自丹江口水庫清泉溝隧洞引水，輸水線路全長269.672 km，多年平均引水量7.70億m3，渠首設計引水流量為38m3/s。干渠穿越襄陽市的老河口市、襄州區、棗陽市，隨州市的隨縣、曾都區、廣水市以及孝感市的大悟縣[1]。

2 研究目的及范圍

本文通過建立鄂北工程水資源優化配置模型，對該工程受水區和唐西地區的本地水資源與外引水進行聯合調度，在使鄂北工程受水區和唐西地區缺水量最小、供水保證率達到最高的目標下，提出鄂北工程水資源配置方案。

研究范圍為受水區（唐東地區、隨州府澴河北區和大晤澴水區）和唐西引丹灌區。研究范圍見圖1。

3 技術方案

3.1 建立水資源優化配置模型

（1）水資源系統供需分析網絡。以行政區劃為主、水系為輔，對受水區進行分片。將鄂北工程受水區劃分為27個計算單元;唐西引丹灌區僅作為一個分水口門，概化為一個計算單元。

（2）優化配置目標。構建合適的目標函數，既能反映決策者的意愿，又能使多目標函數模型具有總體最佳解。

3.2 方案比選

根據不同的優化目標，提出配置方案并進行分析比較，以確定最優配置方案。

4 水資源優化配置研究

4.1 優化配置原則

將鄂北工程當地的地表水、地下水與工程外引入水量聯合運用，實現豐枯互補，以滿足唐西地區和鄂北工程受水區的用水要求，主要原則包括：①水量調度服從防洪調度，保證防洪安全;②充分利用引入水量及當地水資源量;③供水順序為生活、河道內生態基流、工業、農業等用水，富余水量用于充蓄受水區內的水庫;④盡量減少棄水，提高鄂北工程引水利用率。

4.2邊界條件

4.2.1 渠首可引水過程

鄂北工程可引水過程采用初步設計批復的鄂北工程受水區和唐西地區的引水過程，總水量為16.78億m3。

4.2.2計算系列

計算系列與南水北調中線工程規劃一致，采用1956年5月至1998年4月，共42 a。

4.2.3輸水損失系數

（1）總干渠輸水損失系數?？偢汕斔畵p失系數參考南水北調等工程，分段取值，其中渠首至夾河套輸水損失系數采用0.985;夾河套至華陽采用0.975;華陽河至封江口采用0.980;封江口水庫至王家沖采用0.980。唐西總干渠輸水有效利用系數采用0.940。

（2）用水戶損失系數。用戶損失系數采用分層取值調算，生活工業用水損失系數取0.90，農業灌溉用水損失系數考慮田間及渠系后綜合取0.64。

4.2.4徑流與需水系列

徑流系列與需水系列均為1956年5月至1998年4月。需水系列分為城鎮居民、農村居民、第三產業、大小牲畜、河道外生態用水，河道內生態需水、灌溉需水。

4.3 拓撲關系建模

將整個水資源系統分成供水、需水和輸水等子系統。對供水子系統和需水子系統可進一步分層（如圖2所示）。

水資源系統由用水戶、水源、節點、河流、計算單元組成（便于水量平衡）。這些對象之間存在著復雜的水力聯系，如節點與節點的源匯關系、水源與用戶的供需關系等。

4.4優化配置模型

4.4.1 目標函數

以提高鄂北工程外引水及本地水資源利用效率為目標函數，充分利用本地水資源，減少系統總缺水量和棄水量[2]。為此，建立以總棄水量和系統總缺水量最小為目標的優化模型：水的重視程度。λ =0時，表示模型主要考慮降低缺水，此時調水量較多;λ越大表示模型對調水的經濟成本考慮越重要，此時調水量逐漸減少，一般可依據決策者對用戶缺水以及水源棄水之間的決策偏好影響設定λ的取值。

用戶權重系數aj反映用戶的重要性，由區間權重系數和用戶間的權重系數組成。分區間的權重系數可結合分區的經濟水平、人口總量、政治影響等因素綜合確定，用戶間的權重系數主要依據生活、生產、生態等不同用戶優先供水的次序級別進行設定。一般情況下，模型將自動依據系數差異實施依次差額分配水量。目前，考慮到公平性原則，不同分區間的同一用戶權重系數設置為一致;同一分區的不同用戶間設置規則如下：用戶供水優先級別為生活用水>生態用水>工業用水>農業用水，對應權重系數分別為0.4，0.3，0.2，0.1。

4.4.2 約束條件

以上所有變量均為非負。

4.4.3 模型求解

影響目標函數值的是第j用水戶第t時段的缺水量STj.t缺水量又取決于用戶接收的供水量Sj.t它是由水庫的出庫水量決定的，所以模型的決策變量為出庫水量。采用Lingo （Linear Interactive and Cen-eral Optimizer）非線性規劃模型求解，其全稱為交互式的線性和通用優化求解器，是一套用來快速、方便和有效構建并求解線性、非線性及整數最優化模型的功能全面的工具，包括功能強大的建模語言，建立和編輯問題的全功能環境，讀取、寫入Excel和數據庫的功能。

4.5 水資源優化配置成果

根據建立的鄂北工程受水區及唐西地區聯合水資源優化配置模型，在外引水與本地水聯合調度時，外引水與本地水資源利用效率與用戶供水保證率是相互影響的。一般來說，用戶保證率高，系統缺水量小，但此時由于工程需要多引水可能會導致棄水增加，不利于提高工程水資源利用效率。因此，為提高鄂北工程，外引水及本地水資源利用效率，分別擬定以下方案，并進行比選。

（1）方案1。系統缺水量最小，提高用戶供水保證率，此時不考慮水庫棄水量影響。

（2）方案2。總棄水量與總缺水量加權和最小，此時同時考慮供水保證率和水資源利用效率影響。

（3）方案3?？倵壦孔钚。岣咄庖c本地水水資源利用效率。

本文以設計水平年為例，對擬定方案進行比較，結果見表1。

由表1可知，方案1供水保證率最高，但引水水量偏大，棄水量增多，主要是由于充蓄水量增多所致。方案3總的引水量較小，引水利用率較高，但農業供水保證率較低。方案2供水保證率、引水利用率適中，故推薦方案2。方案2多年平均引水總量12.98億m3，其中，唐西地區多年平均引水量5.36億m3，鄂北工程受水區多年平均引水量7.62億m3;生活、工業供水保證率均在99%以上，農業灌溉保證率均在70%以上。

從初設批復水量下的調度成果（表2）來看，推薦方案在初設批復水量有所節余的情況下，可保障生活、工業及農業灌溉方面的需求，保證率均達到設計保證率要求，特枯年份缺水率減少。

5 結語

本文對鄂北工程研究區域進行了拓撲概化，構建了水資源配置模型;對系統缺水量最小、總棄水與總缺水加權最小、總棄水最小3個方案進行了比選，推薦方案2。在初設批復的水量下，推薦方案可滿足生活、工業及農業灌溉的需求，保證率均達到設計保證率要求，特枯年份缺水率減少。

參考文獻：

[1] 湖北省水利水電規劃勘測設計院.湖北省鄂北地區水資源配置工程初步設計報告[R].武漢：湖北省水利水電規劃勘測設計院，2015.

[2]崔遠來，王建鵬，張自寬，等.基于動態規劃和自優化模擬混合模型的水資源優化配置[J-水電能源科學，2007（3）：1-5.

（編輯：李慧）

作者簡介：何永煜，男，正高級工程師，主要從事水利工程建設管理工作。E-mail： 184083807@qq.com