基于多目標的葉爾羌河依干其水庫優化調度研究

阿依努爾·吐爾孫

（新疆維吾爾自治區塔里木河流域喀什管理局新疆莎車844700）

基于多目標的葉爾羌河依干其水庫優化調度研究

阿依努爾·吐爾孫

（新疆維吾爾自治區塔里木河流域喀什管理局新疆莎車844700）

文章介紹了水庫調度基本參數，建立了汛期多目標優化調度模型，并對其進行求解和分析。希望為今后水庫優化調度研究提供理論基礎。

多目標；水庫調度；優化研究；依干其水庫

引言

新疆地區水資源較為匱乏，興修水利雖然解決了用水難的問題，但是進行水庫調度優化十分必要。水庫調度研究始于上世紀20年代，最初是利用測量的水文數據對水庫進行調節，后來逐步發展形成了水庫調度圖[1-2]。其調度思路為：基于水庫預報，采取實時調度模式，并利用風險評估和智能算法，得出優化的調度模型[3-5]。依干其水庫位于新疆莎車境內，是一個防洪、灌溉、提供工業用水等多目標的水庫。依干其水庫是小型水庫，調度受到人為主觀因素影響較大，采用的調度方式往往并非最優解。基于水庫來水、泄水、蓄水、灌溉等因素，建立了汛期多目標優化調度模型，并對其進行求解和分析[5]。本文主要分析汛期優化調度情況，探索一種最優調度模式，使得高水位最低化和泄洪量最小化。

1 工程概況

依干其水庫工程于1956年開工建設，至1956年底完工蓄水，2007年5月至2008年10月進行除險加固工程。依干其水庫工程屬于三等工程，中型規模，主要建筑物包括：攔水大壩、進水閘樞紐、放水閘樞紐、壩后排水渠、管理配套設施、臨時建筑物等。

水庫位于葉爾羌河東岸的中游灌區，在傾斜平原的末端，地面高程1210m～1213m，水庫放水閘距莎車縣城約20km。依干其水庫主大壩總長度在8km左右，最大壩高處為6m，屬于土質壩，安全性能一般。整個庫區南北最大長度為8km，東西最大寬度為2.5km。水庫庫容4758×104m3，正常蓄水位1213.71m，可用庫容4308×104m3，死庫容450×104m3，死水位約為1210.1m，正常水位下的水庫面積約為17.6km2。依干其水庫從引水渠長4.6km，引水渠設計流量20m3/s。水庫只有一座放水閘，放水渠長度12km，設計流量12m3/s放水渠上共有分水閘、涵洞、橋梁、渡槽等渠系建筑物28座。

依干其水庫灌溉面積70.72萬畝，引葉爾羌河河水，為下游灌區提供灌溉用水，尤其是緩解灌區的春旱問題，同時兼顧水產養殖。依干其水庫是季節性調節水庫，年調節兩次，主要控制喀什地區莎車、麥蓋提兩縣的9個鄉鎮，灌溉面積為70.72萬畝。調度方式一般按比例進行，其麥蓋提縣占總供水量75%，莎車縣占總供水量25%。因喀什地區近年連續干旱，缺水嚴重，居民用水及其緊張，工程資金短缺。基于以上兩點原因，在保證輸水安全可靠的前提下，堅持技術先進、經濟合理的設計原則。具體線路選擇原則如下[3-4]：

（1）線路盡可能順直，線路最短，交叉工程最少；

（2）線路盡量選擇在地形比較平坦的地帶，選擇最佳的地形和地質條件；

（3）盡量少占耕地、良田，減少移民和拆遷；

（4）盡量靠近現有和規劃道路鋪設，為施工和運行維護提供方便；

（5）在滿足安全的前提下，盡量減少工程投資，縮短施工工期。

2 多目標優化調度研究

2.1 水資源聯合調度模型

由于本地區灌溉數據有限，通過查閱參考文獻，文獻[7]認為水資源可利用量和灌區的缺水程度可作為水資源調度的參考指標。因此本文研究的水資源聯合調度模型的目標函數為引水量。在灌區水資源循環方程和水資源調控平衡方程的基礎上，確定調控對象，選擇合理的目標函數進行求解。第一個目標函數為全年缺水量最小值：

其中：i為時間段；j為供水來源；m為水源數量；Di為第i時間段，需水量；xij為第i時間段j來源的供水分量。

第二個目標函數為全年相對缺水率最小值，其計算式為：

對兩個目標函數進行無量綱化處理，得出第p個目標無量綱化后的函數為：

其中：fp0為目標p的最差值；fp*目標p的最優值。

隨后構造輔助函數，將式（1）和式（2）兩個目標函數歸一化，隨后將水資源優化調度模型轉化成單目標函數：

其中：ωp為第p個目標的權重因子。

2.2 防洪調度

依干其水庫具有分滯葉爾羌河洪水，缺水季節向灌區供水的兩大功能。每年冬季、夏季兩次引蓄葉爾羌河來水。其中，夏季7月～8月份為主引水期，引入河流來水僅占年入庫總水量的72.8%；次年1月～2月為補充引水期，引入河流來水僅占年入庫總水量的27.2%。2014年水庫水量調節情況見表1。

研究表明，葉爾羌河洪水動態規律極為復雜。其根本原因在于葉爾羌河流域在受當地地形和氣候影響，共有四種類型的洪水，即：冰雪消融型洪水、冰川“潰壩型”洪水、暴雨型洪水和混合型洪水。依干其水庫在葉爾羌河的東側，該水庫在葉爾羌河上的引水龍口距離水庫有5km。

依干其水庫防洪調度原則是：在葉爾羌河汛期到來之前，必須增加水庫放水，并使水庫水位降到汛限水位之下；在汛期時，應盡量分蓄洪水，并堅決制止汛期蓄水現象，保證水位一直處于安全水位。當發生超標準洪水時，依干其水庫應首先控制引水閘口，加強引水工程的防洪保護，適時引洪，放水調峰，嚴禁超蓄。巡壩人員加強巡壩查險次數，并且搶險物資、施工設備、搶險人員到崗入位，及時觀測水情變化。

表12014 年水庫水量調節情況

表2 各種作物凈灌水定額

圖2 麥蓋提縣的供水調度情況

2.3 供水調度

灌區共有灌溉面積70.72萬畝，其中耕地52.56萬畝。灌區經濟基礎以農業為主，農作物主要以小麥、棉花、玉米為主，工業極不發達。年糧食播種面積23.46萬畝，占灌溉面積的33.17%；經濟作物播種面積31.97萬畝，占灌溉面積的45.19%；苜蓿1.56萬畝，占灌溉面積的2.21%。農、林、牧比例為1:0.2:0.33。水庫是灌區枯水季節主要灌溉水源，提高灌區灌溉用水保證率，農、林、牧業用水能適時適量供應，提高作物產量。當灌溉保證率P=75%，各種作物凈灌水定額情況見表2。

圖3 莎車縣的供水調度情況

按照水庫蓄水情況，每年兩次編制水庫供水計劃。第一次是灌區冬小麥播前水和冬麥冬灌供水計劃，此次計劃供水量占水庫當時庫容的30%；第二次是春季供水計劃，此次計劃首先扣除水庫損失和死庫容后，按照受益單位分水比例分配水量，供水時間為3月1日至6月10日。因此在6月10日以前，應將水位降至死水位。從7月1日起，葉爾羌河進入主汛期，水庫應根據當年的洪峰情況并結合水庫灌溉任務，合理進行引洪蓄水。依干其水庫主要控制喀什地區麥蓋提縣、莎車縣的鄉鎮。3月1日至6月10日，麥蓋提縣的供水調度情況見圖2；莎車縣的供水調度情況見圖3。

依干其水庫主要蓄水期在當年的汛期7、8月份，次年的枯水期進行下放。主要是調節依干其水庫灌區春季農業灌溉用水，該水庫放水系統流量規模以春季枯水期灌區農業灌溉需水強度來確定，通過灌溉延續時間對灌水率進行調整。干旱年份可以適當的調節死庫容，但是保證水庫的漁業生產。如下游灌區發生旱災時優先保證生活用水，然后考慮漁業生產。

3 結語

基于水庫來水、泄水、蓄水、灌溉等因素，建立了汛期多目標優化調度模型，并對其進行求解和分析。得出：在葉爾羌河汛期到來之前，必須增加水庫放水，并使水庫水位降到汛限水位之下；在汛期時，應盡量分蓄洪水，并堅決制止汛期蓄水現象，保證水位一直處于安全水位。在6月10日以前，應將水位降至死水位，水庫應根據當年的洪峰情況并結合水庫灌溉任務，合理進行引洪蓄水。陜西水利

[1]明波，黃強，王義民，等.基于改進布谷鳥算法的梯級水庫優化調度研究[J].水利學報，2015，03:341-349.

[2]向波，紀昌明，羅慶松.免疫粒子群算法及其在水庫優化調度中的應用[J].河海大學學報(自然科學版)，2008，02:198-202.

[3]王旭，雷曉輝，蔣云鐘，等.基于可行空間搜索遺傳算法的水庫調度圖優化[J].水利學報，2013，01:26-34.

[4]黃耀華，張嬌，袁朝，等.粒子群算法在水庫優化調度中的應用綜述[J].陜西水利，2011，06: 113-114.

[5]張雯怡.基于水資源優化配置的黑河金盆水庫調度運行方案研究[J].陜西水利，2013，03: 155-157.

[6]彭穗萍.基于下坂地水庫調度規則的葉爾羌河流域水資源配置模式研究[J].水利規劃與設計，2010，06:9-11.

[7]賈瑞紅.多目標風險模型在水庫防洪調度中的應用研究[J].水利技術監督，2014，01:36-38.

（責任編輯：唐紅云）

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