碧流河水庫與英那河水庫聯(lián)合優(yōu)化調度研究

李智慧

(遼寧省水利水電勘測設計研究院 沈陽 110006)

張 茹 王金偉

(大連市供水有限公司 116021)

1 研究意義

一直以來，英那河、碧流河水庫承擔著大連市的防洪、供水、改善生態(tài)環(huán)境等多項綜合利用任務，對大連市水資源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。但是英那河、碧流河水庫原有的運用方式和調度圖不能滿足大伙房輸水應急入連工程實施后的調度需要。主要原因如下:

a.隨著大伙房輸水應急入連工程的規(guī)劃實施，碧流河水庫作為這一跨流域調水工程的中轉水庫承接大伙房水庫的調水，將與英那河水庫一同負責對大連市日益增長的城市供水。

b.水庫設計過程中沒有考慮下游生態(tài)用水的適當補給，造成下游生態(tài)用水的緊缺。

c.碧流河水庫和英那河水庫原有運行方式是單庫運行，現(xiàn)在需要考慮兩個水庫和大伙房輸水工程的聯(lián)合運用問題。

英那河與碧流河水庫運行方式是否合理不僅對大連市社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響，而且將是決定流域間水資源能否得到優(yōu)化配置的關鍵因素之一。調度圖是指導水庫科學、合理運行的重要工具，因此研究并提出英那河、碧流河水庫合理運行方式并繪制兩水庫調度圖對大連市的社會經(jīng)濟發(fā)展，對大伙房輸水應急入連工程效益的發(fā)揮均有重要意義。

2 碧流河、英那河水庫聯(lián)合優(yōu)化調度方案

2.1 碧流河水庫概況

碧流河水庫是大連市最大的水源地，位于碧流河干流上。碧流河發(fā)源于蓋州市臥龍泉鎮(zhèn)的新開嶺，于普蘭店市城子坦鎮(zhèn)謝家屯流入黃海，碧流河總長156km，流域面積2814km2，壩址以上控制流域面積2085 km2，占全流域的74.1%。，總庫容9.34億m3。壩址以上多年平均徑流量6.14億m3。碧流河水庫是一座以城市供水為主，兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)魚、灌溉、旅游等綜合效益的多年調節(jié)大(2)型水利樞紐工程。水庫主要負責大連城市直供工業(yè)的部分供水、下游工業(yè)供水，并保證下游河道有一定的基本流量作為生態(tài)環(huán)境用水。

2.2 英那河水庫概況

英那河水庫主要負責大連城市直供工業(yè)的部分供水與英那河水庫下游的農(nóng)業(yè)供水，并保證下游河道有一定的基本流量作為生態(tài)環(huán)境用水。當水庫發(fā)生棄水時，生態(tài)環(huán)境用水可由棄水補充，不足部分由水庫另行支出。

2.3 碧流河與英那河水庫聯(lián)合調度方案

碧流河、英那河水庫并聯(lián)共同完成對大連城市直供需水的供給。通過構建碧—英虛擬聚合水庫，編制聯(lián)合調度圖，確定每個調度時段對大連城市的直供供水量，之后通過補償調節(jié)的調度規(guī)則分配每個水庫各自對大連城市直供需水的供水任務。因為英那河水庫興利庫容比碧流河水庫小得多，因此將碧流河水庫確定為補償調節(jié)水庫，在英那河水庫不足以完成直供供水任務的情況下，碧流河水庫通過補償調節(jié)與英那河水庫共同完成該任務。在英那河水庫有能力獨立完成直供供水任務的情況下，碧流河水庫不再參與此項任務。

所構建的虛擬聚合水庫除了不具備一定的物理形態(tài)，即沒有一定的面積特性和容積特性外，其他方面無異于一般現(xiàn)實水庫。聚合水庫蓄水上、下限水位對應蓄水量等于混聯(lián)水庫群各成員水庫蓄水上、下限水位對應蓄水量之和，聚合水庫各時段蓄水量等于相應時段的各成員水庫蓄水量之和。在聯(lián)合調度過程中，聚合水庫遵循如下的水量平衡方程:

以構建的虛擬聚合水庫為基礎，編制聯(lián)合調度圖。采用粒子群算法(PSO)，以調度線位置為決策變量，依據(jù)水庫模擬調度結果優(yōu)劣，優(yōu)化確定聯(lián)合調度圖。

3 碧流河、英那河水庫聯(lián)合優(yōu)化調度規(guī)則

因為碧—英聚合水庫僅由大連直供供水確定，因此聯(lián)合調度圖由4 條線(死水位線、大連城市直供限制供水線、大連城市直供加大供水線、正常或防洪限制線)、5個調度區(qū)［死水位線以下(Ⅰ區(qū))、大連城市直供限制供水區(qū)(Ⅱ區(qū))、正常供水區(qū)(Ⅲ區(qū))、大連城市直供加大供水區(qū)(Ⅳ區(qū))、正常或防洪限制線以上(Ⅴ區(qū))］構成。當水庫狀態(tài)處于Ⅴ區(qū)時，水庫棄水并給城市直供加大供水;當水庫狀態(tài)處于Ⅳ區(qū)時，水庫給城市直供加大供水;當水庫狀態(tài)處于Ⅲ區(qū)時，水庫給城市直供工業(yè)正常供水;當水庫狀態(tài)處于Ⅱ區(qū)時，水庫給城市直供工業(yè)限制供水;水庫狀態(tài)不能跌破死水位，當水庫狀態(tài)處于Ⅰ區(qū)時該調度規(guī)則失敗。大連城市直供加大供水系數(shù)均采用1.02，限制供水系數(shù)為0.90，供水要求保證率為95%以上。

本研究采用補償調節(jié)的調度規(guī)則分配兩個水庫各自對大連城市直供需水的供水任務。因為英那河水庫興利庫容比碧流河水庫小得多，因此將碧流河水庫確定為補償調節(jié)水庫，在英那河水庫不足以完成直供供水任務的情況下，碧流河水庫通過補償調節(jié)與英那河水庫共同完成該任務。在英那河水庫有能力獨立完成直供供水任務的情況下，碧流河水庫不再參與此項任務。

基于英那河水庫的下游直供農(nóng)業(yè)供水調度圖由4條線(死水位線、英那河直供農(nóng)業(yè)限制供水線、英那河直供農(nóng)業(yè)加大供水線、正常或防洪限制線)、5個調度區(qū)［死水位線以下(Ⅰ區(qū))、英那河直供農(nóng)業(yè)限制供水區(qū)(Ⅱ區(qū))、正常供水區(qū)(Ⅲ區(qū))、英那河直供農(nóng)業(yè)加大供水區(qū)(Ⅳ區(qū))、正常或防洪限制線以上(Ⅴ區(qū))］構成。當水庫狀態(tài)處于Ⅴ區(qū)時，水庫棄水并給英那河直供農(nóng)業(yè)加大供水;當水庫狀態(tài)處于Ⅳ區(qū)時，水庫給英那河直供農(nóng)業(yè)加大供水;當水庫狀態(tài)處于Ⅲ區(qū)時，水庫給英那河直供農(nóng)業(yè)正常供水;當水庫狀態(tài)處于Ⅱ區(qū)時，水庫給英那河直供農(nóng)業(yè)限制供水;水庫狀態(tài)不能跌破死水位，當水庫狀態(tài)處于Ⅰ區(qū)時該調度規(guī)則失敗。英那河直供農(nóng)業(yè)加大供水系數(shù)均采用1.02，限制供水系數(shù)為0.70，供水要求保證率為75%以上。

碧流河調水規(guī)則如下:當碧流河水庫蓄水量高于限制供水線時，則不需要調水;如果碧流河水庫蓄水量低于限制供水線，則這個時段需要從大伙房水庫調一部分水入碧流河水庫。

4 碧流河、英那河水庫聯(lián)合優(yōu)化調度模型

4.1 目標函數(shù)

在大連市城市直供、生活用水與英那河水庫農(nóng)業(yè)直供供水保證率接近要求保證率(工業(yè)生活供水要求保證率為95%，農(nóng)業(yè)供水保證率為75%)的條件下，大連城市直供水量多年平均值最大。即

式中 Rdomestic——大連城市直供供水保證率;

Ragricu1tra1——直供農(nóng)業(yè)供水保證率;

D——大連市城市直供多年平均供水量;

DS——碧流河水庫調水量;

1imitup——大連市城市直供多年平均供水量上限值;

ratio1、ratio2、ratio3、ratio4——權重系數(shù)。

4.2 決策變量

碧流河、英那河水庫聯(lián)合優(yōu)化調度模型決策變量包括聚合水庫聯(lián)合調度圖調度線位置、英那河水庫農(nóng)業(yè)供水調度圖調度線位置和碧流河水庫調水限制線位置。

4.3 約束條件

a.時段水量平衡方程:

b.水庫上、下限約束:

c.棄水、缺水約束:

缺水量約束

d.最小破環(huán)深度約束:

e.水庫水位Z 與蓄水量S 關系及水位Z 與水庫水面面積A 關系約束:

f.調水量約束:

以上式中 t——時段序列號，t=1，…，N;

St、St+1——t 時段初、末水庫蓄水量，萬m3;

It——t 時段的入庫徑流量，萬m3;

IWVt、AWVt——t 時段的直供水量、農(nóng)業(yè)需水量，萬m3;

Dt——水庫供水量(包括大連城市直供供水和農(nóng)業(yè)供水);

ECt、Et——t 時段的環(huán)境生態(tài)用水量、水庫損失，萬m3;

SUt、DEt——t 時段的棄水量、缺水量，萬m3;

DSt——t 時段的調水量;

DSmax——最大允許調水量;

α1、α2——直供工業(yè)與農(nóng)業(yè)供水破環(huán)深度，一般取10%、30%;

V0——死水位對應的庫容，萬m3;

Vc、Vn——汛期、非汛期的上限水位對應的庫容，萬m3。

5 碧流河、英那河水庫聯(lián)合優(yōu)化調度計算結果

5.1 聯(lián)合調度中碧流河水庫計算結果

在碧—英水庫聯(lián)合調度中，碧流河水庫對大連市的城市生活與工業(yè)多年平均供水量為45120.95萬m3，日供水量為123.62萬t，保證率為95.07%;對庫下工業(yè)供水多年平均供水量為9.3萬m3，保證率為100%;碧流河水庫汛期棄水20939.31萬m3，非汛期棄水162.68萬m3，對下游生態(tài)環(huán)境年均補給水量為2049.70萬m3。碧流河水庫在1951～2003年，有33年汛期達到汛限水位，發(fā)生棄水;1951年水庫運行水位最低，接近死水位。碧流河水庫調度圖見圖1。

圖1 碧流河水庫調水控制線

5.2 聯(lián)合調度中英那河水庫計算結果

在碧—英水庫聯(lián)合調度中，英那河水庫對大連市的城市生活與工業(yè)多年平均供水量為21071.35萬m3，日供水量為57.73萬t，保證率為95.07%;庫下農(nóng)業(yè)多年平均供水量為1765.89萬m3，保證率為75.93%;英那河水庫汛期棄水7645.13萬m3，非汛期棄水498.59萬m3，對下游生態(tài)環(huán)境年均補給水量為376.97萬m3。英那河水庫在1951～2003年，有29年汛期水位達到汛限水位發(fā)生棄水。英那河水庫調度圖見圖2。

圖2 英那河水庫調度圖