基于多目標(biāo)的葉爾羌河依干其水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度研究

阿依努爾·吐爾孫

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域喀什管理局新疆莎車844700）

基于多目標(biāo)的葉爾羌河依干其水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度研究

阿依努爾·吐爾孫

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域喀什管理局新疆莎車844700）

文章介紹了水庫(kù)調(diào)度基本參數(shù)，建立了汛期多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，并對(duì)其進(jìn)行求解和分析。希望為今后水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度研究提供理論基礎(chǔ)。

多目標(biāo)；水庫(kù)調(diào)度；優(yōu)化研究；依干其水庫(kù)

引言

新疆地區(qū)水資源較為匱乏，興修水利雖然解決了用水難的問(wèn)題，但是進(jìn)行水庫(kù)調(diào)度優(yōu)化十分必要。水庫(kù)調(diào)度研究始于上世紀(jì)20年代，最初是利用測(cè)量的水文數(shù)據(jù)對(duì)水庫(kù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，后來(lái)逐步發(fā)展形成了水庫(kù)調(diào)度圖[1-2]。其調(diào)度思路為：基于水庫(kù)預(yù)報(bào)，采取實(shí)時(shí)調(diào)度模式，并利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和智能算法，得出優(yōu)化的調(diào)度模型[3-5]。依干其水庫(kù)位于新疆莎車境內(nèi)，是一個(gè)防洪、灌溉、提供工業(yè)用水等多目標(biāo)的水庫(kù)。依干其水庫(kù)是小型水庫(kù)，調(diào)度受到人為主觀因素影響較大，采用的調(diào)度方式往往并非最優(yōu)解。基于水庫(kù)來(lái)水、泄水、蓄水、灌溉等因素，建立了汛期多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，并對(duì)其進(jìn)行求解和分析[5]。本文主要分析汛期優(yōu)化調(diào)度情況，探索一種最優(yōu)調(diào)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(kù)工程于1956年開工建設(shè)，至1956年底完工蓄水，2007年5月至2008年10月進(jìn)行除險(xiǎn)加固工程。依干其水庫(kù)工程屬于三等工程，中型規(guī)模，主要建筑物包括：攔水大壩、進(jìn)水閘樞紐、放水閘樞紐、壩后排水渠、管理配套設(shè)施、臨時(shí)建筑物等。

水庫(kù)位于葉爾羌河?xùn)|岸的中游灌區(qū)，在傾斜平原的末端，地面高程1210m～1213m，水庫(kù)放水閘距莎車縣城約20km。依干其水庫(kù)主大壩總長(zhǎng)度在8km左右，最大壩高處為6m，屬于土質(zhì)壩，安全性能一般。整個(gè)庫(kù)區(qū)南北最大長(zhǎng)度為8km，東西最大寬度為2.5km。水庫(kù)庫(kù)容4758×104m3，正常蓄水位1213.71m，可用庫(kù)容4308×104m3，死庫(kù)容450×104m3，死水位約為1210.1m，正常水位下的水庫(kù)面積約為17.6km2。依干其水庫(kù)從引水渠長(zhǎng)4.6km，引水渠設(shè)計(jì)流量20m3/s。水庫(kù)只有一座放水閘，放水渠長(zhǎng)度12km，設(shè)計(jì)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(kù)灌溉面積70.72萬(wàn)畝，引葉爾羌河河水，為下游灌區(qū)提供灌溉用水，尤其是緩解灌區(qū)的春旱問(wèn)題，同時(shí)兼顧水產(chǎn)養(yǎng)殖。依干其水庫(kù)是季節(jié)性調(diào)節(jié)水庫(kù)，年調(diào)節(jié)兩次，主要控制喀什地區(qū)莎車、麥蓋提兩縣的9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，灌溉面積為70.72萬(wàn)畝。調(diào)度方式一般按比例進(jìn)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(qū)近年連續(xù)干旱，缺水嚴(yán)重，居民用水及其緊張，工程資金短缺。基于以上兩點(diǎn)原因，在保證輸水安全可靠的前提下，堅(jiān)持技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)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(zhì)條件；

（3）盡量少占耕地、良田，減少移民和拆遷；

（4）盡量靠近現(xiàn)有和規(guī)劃道路鋪設(shè)，為施工和運(yùn)行維護(hù)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(biāo)優(yōu)化調(diào)度研究

2.1 水資源聯(lián)合調(diào)度模型

由于本地區(qū)灌溉數(shù)據(jù)有限，通過(guò)查閱參考文獻(xiàn)，文獻(xiàn)[7]認(rèn)為水資源可利用量和灌區(qū)的缺水程度可作為水資源調(diào)度的參考指標(biāo)。因此本文研究的水資源聯(lián)合調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)為引水量。在灌區(qū)水資源循環(huán)方程和水資源調(diào)控平衡方程的基礎(chǔ)上，確定調(diào)控對(duì)象，選擇合理的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。第一個(gè)目標(biāo)函數(shù)為全年缺水量最小值：

其中：i為時(shí)間段；j為供水來(lái)源；m為水源數(shù)量；Di為第i時(shí)間段，需水量；xij為第i時(shí)間段j來(lái)源的供水分量。

第二個(gè)目標(biāo)函數(shù)為全年相對(duì)缺水率最小值，其計(jì)算式為：

對(duì)兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，得出第p個(gè)目標(biāo)無(wú)量綱化后的函數(shù)為：

其中：fp0為目標(biāo)p的最差值；fp*目標(biāo)p的最優(yōu)值。

隨后構(gòu)造輔助函數(shù)，將式（1）和式（2）兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)歸一化，隨后將水資源優(yōu)化調(diào)度模型轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)函數(shù)：

其中：ωp為第p個(gè)目標(biāo)的權(quán)重因子。

2.2 防洪調(diào)度

依干其水庫(kù)具有分滯葉爾羌河洪水，缺水季節(jié)向灌區(qū)供水的兩大功能。每年冬季、夏季兩次引蓄葉爾羌河來(lái)水。其中，夏季7月～8月份為主引水期，引入河流來(lái)水僅占年入庫(kù)總水量的72.8%；次年1月～2月為補(bǔ)充引水期，引入河流來(lái)水僅占年入庫(kù)總水量的27.2%。2014年水庫(kù)水量調(diào)節(jié)情況見(jiàn)表1。

研究表明，葉爾羌河洪水動(dòng)態(tài)規(guī)律極為復(fù)雜。其根本原因在于葉爾羌河流域在受當(dāng)?shù)氐匦魏蜌夂蛴绊懀灿兴姆N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(kù)在葉爾羌河的東側(cè)，該水庫(kù)在葉爾羌河上的引水龍口距離水庫(kù)有5km。

依干其水庫(kù)防洪調(diào)度原則是：在葉爾羌河汛期到來(lái)之前，必須增加水庫(kù)放水，并使水庫(kù)水位降到汛限水位之下；在汛期時(shí)，應(yīng)盡量分蓄洪水，并堅(jiān)決制止汛期蓄水現(xiàn)象，保證水位一直處于安全水位。當(dāng)發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，依干其水庫(kù)應(yīng)首先控制引水閘口，加強(qiáng)引水工程的防洪保護(hù)，適時(shí)引洪，放水調(diào)峰，嚴(yán)禁超蓄。巡壩人員加強(qiáng)巡壩查險(xiǎn)次數(shù)，并且搶險(xiǎn)物資、施工設(shè)備、搶險(xiǎn)人員到崗入位，及時(shí)觀測(cè)水情變化。

表12014 年水庫(kù)水量調(diào)節(jié)情況

表2 各種作物凈灌水定額

圖2 麥蓋提縣的供水調(diào)度情況

2.3 供水調(diào)度

灌區(qū)共有灌溉面積70.72萬(wàn)畝，其中耕地52.56萬(wàn)畝。灌區(qū)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)以農(nóng)業(yè)為主，農(nóng)作物主要以小麥、棉花、玉米為主，工業(yè)極不發(fā)達(dá)。年糧食播種面積23.46萬(wàn)畝，占灌溉面積的33.17%；經(jīng)濟(jì)作物播種面積31.97萬(wàn)畝，占灌溉面積的45.19%；苜蓿1.56萬(wàn)畝，占灌溉面積的2.21%。農(nóng)、林、牧比例為1:0.2:0.33。水庫(kù)是灌區(qū)枯水季節(jié)主要灌溉水源，提高灌區(qū)灌溉用水保證率，農(nóng)、林、牧業(yè)用水能適時(shí)適量供應(yīng)，提高作物產(chǎn)量。當(dāng)灌溉保證率P=75%，各種作物凈灌水定額情況見(jiàn)表2。

圖3 莎車縣的供水調(diào)度情況

按照水庫(kù)蓄水情況，每年兩次編制水庫(kù)供水計(jì)劃。第一次是灌區(qū)冬小麥播前水和冬麥冬灌供水計(jì)劃，此次計(jì)劃供水量占水庫(kù)當(dāng)時(shí)庫(kù)容的30%；第二次是春季供水計(jì)劃，此次計(jì)劃首先扣除水庫(kù)損失和死庫(kù)容后，按照受益單位分水比例分配水量，供水時(shí)間為3月1日至6月10日。因此在6月10日以前，應(yīng)將水位降至死水位。從7月1日起，葉爾羌河進(jìn)入主汛期，水庫(kù)應(yīng)根據(jù)當(dāng)年的洪峰情況并結(jié)合水庫(kù)灌溉任務(wù)，合理進(jìn)行引洪蓄水。依干其水庫(kù)主要控制喀什地區(qū)麥蓋提縣、莎車縣的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。3月1日至6月10日，麥蓋提縣的供水調(diào)度情況見(jiàn)圖2；莎車縣的供水調(diào)度情況見(jiàn)圖3。

依干其水庫(kù)主要蓄水期在當(dāng)年的汛期7、8月份，次年的枯水期進(jìn)行下放。主要是調(diào)節(jié)依干其水庫(kù)灌區(qū)春季農(nóng)業(yè)灌溉用水，該水庫(kù)放水系統(tǒng)流量規(guī)模以春季枯水期灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉需水強(qiáng)度來(lái)確定，通過(guò)灌溉延續(xù)時(shí)間對(duì)灌水率進(jìn)行調(diào)整。干旱年份可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)死庫(kù)容，但是保證水庫(kù)的漁業(yè)生產(chǎn)。如下游灌區(qū)發(fā)生旱災(zāi)時(shí)優(yōu)先保證生活用水，然后考慮漁業(yè)生產(chǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

基于水庫(kù)來(lái)水、泄水、蓄水、灌溉等因素，建立了汛期多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，并對(duì)其進(jìn)行求解和分析。得出：在葉爾羌河汛期到來(lái)之前，必須增加水庫(kù)放水，并使水庫(kù)水位降到汛限水位之下；在汛期時(shí)，應(yīng)盡量分蓄洪水，并堅(jiān)決制止汛期蓄水現(xiàn)象，保證水位一直處于安全水位。在6月10日以前，應(yīng)將水位降至死水位，水庫(kù)應(yīng)根據(jù)當(dāng)年的洪峰情況并結(jié)合水庫(kù)灌溉任務(wù)，合理進(jìn)行引洪蓄水。陜西水利

[1]明波，黃強(qiáng)，王義民，等.基于改進(jìn)布谷鳥算法的梯級(jí)水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度研究[J].水利學(xué)報(bào)，2015，03:341-349.

[2]向波，紀(jì)昌明，羅慶松.免疫粒子群算法及其在水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(kù)調(diào)度圖優(yōu)化[J].水利學(xué)報(bào)，2013，01:26-34.

[4]黃耀華，張嬌，袁朝，等.粒子群算法在水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用綜述[J].陜西水利，2011，06: 113-114.

[5]張?chǎng)┾?基于水資源優(yōu)化配置的黑河金盆水庫(kù)調(diào)度運(yùn)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(kù)調(diào)度規(guī)則的葉爾羌河流域水資源配置模式研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2010，06:9-11.

[7]賈瑞紅.多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)模型在水庫(kù)防洪調(diào)度中的應(yīng)用研究[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2014，01:36-38.

（責(zé)任編輯：唐紅云）

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