引江濟淮工程年水量調度模型研究

雷曉輝 張利娜 紀毅 孫嘉輝 沈登樂 王超

摘要：引江濟淮工程以城鄉供水為主，兼顧灌溉補水和改善巢湖生態，是跨流域、跨省重大戰略性水資源配置工程。采用模擬模型和優化技術相結合的方式，依據水量平衡原理建立引江濟淮工程年水量調度模型，利用遺傳學算法優化引江濟巢段的雙線引江比例。從來水條件和用水規劃兩個方面分析年調度模型可能的情景，構建典型年調度情景集合，具體包括：枯水年、平水年和豐水年的近期規劃和遠期規劃;針對全部調度情景，采用年調度模型進行模擬獲取不同情景下的年調度方案，并對各方案的引供水結果、分區段調度結果、湖泊調蓄情況進行對比分析。研究成果可以為工程調度運行和調度系統建設提供一定的基礎和參考價值。

關 鍵 詞：

引江濟淮工程; 水資源調度; 調度情景; 正反模擬模型; 遺傳算法

中圖法分類號： TV213.9

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.001

0 引 言

水資源短缺、時間和空間分布不均以及水資源利用率較低等問題已成為制約我國社會經濟持續發展的重要因素[1]。水資源配置的研究對于緩解水資源供需矛盾、促進區域社會經濟發展有重要意義[2-4]。淮河水資源時空分布極不均衡，歷史旱災頻繁，但由于沿淮淮北地區缺少新建大型水庫的地理條件，因此跨流域調水是解決淮河區域水資源問題的根本措施。引江濟淮工程是跨流域、跨省的重大戰略性水資源配置和綜合利用工程。水資源在跨流域調度時既不能破壞長江下游的生態環境[5]以及用水需求，又要兼顧跨流域的供水要求[6]，引水過程中由于調蓄湖泊水位限制等因素出現不同程度的棄水，如何配置調度過程使得棄水率最小，是跨流域水資源調度需要解決的問題[7]。國內學者針對跨流域調水的調度規則和方法做了很多研究。林鵬飛等[8]針對并聯水庫的聯合供水特征，采用引水限制調度線控制引水水庫可引水量，構建并聯水庫優化調度模型，通過優化引水調度線提出了改進并聯水庫系統的調度規則和調度方法。郭旭寧等[9]為了有效描述和求解跨流域水庫群最優調供水過程，建立了基于0-1規劃方法的水庫群最優化調度模型，確定跨流域水庫群調水規則和供水規則。游進軍等[10]以南水北調東線為例，建立從配置到調度的耦合模擬模型，通過外調水與本地水補償配置調度耦合算法對可行的水量配置進行優化，提出了區域工程調度方案。楊柳等[11]以引漢濟渭調水工程與黑河引水工程為例，構建了調水工程與本地水工程聯合調度的水資源系統網絡，分析了本地水和外調水不同優先供水順序下的優化調度方案。萬芳等[12]融合調水、引水和供水關系構建跨流域水庫群優化調度規則，對調水工程和本地地表水的整體配置調度體系進行優化計算。彭少明等[13]針對跨流域調水工程的復雜水資源系統，提出多維尺度模擬和優化方法，建立了3層結構的泛流域水資源時空優化調配模型系統，并采用大系統協調技術和嵌套遺傳算法動態調節機制求解，得出水資源優化分配方案。現有研究多以設計引水控制線或引水能力控制作為引江水量進行輸水和配水優化，但缺乏考慮不同水平年的當地來水和需水情況，基于“節水優先”的理念，需同時兼顧“以需定供”和“以供定需”雙向約束。此外，由于引江濟淮工程計劃實施雙線引江，此過程中受菜子湖和巢湖的水位約束以及渠道和閘泵的輸水能力等約束，不同時間段或同一時段兩條線路的不同的輸水過程，呈現不同的棄水量。如何優化這一輸水過程使得引水的總棄水量最小，是引江濟淮工程實際調度時需要考慮的問題。

本文采取模擬模型和優化技術相結合的方式[14]，依據水量平衡原理建立引江濟淮工程年水量調度模型。根據各單元需水預測過程，同時考慮區間來水過程、滲漏損失等反向模擬得到引江濟巢段的預測輸水過程。采用遺傳學算法優化引江濟巢段的雙線輸水過程的引江比例分配，正向模擬計算得到引江濟淮工程近、遠期規劃年的豐、平、枯水年的輸水過程，為后續考慮湖泊調蓄能力的水資源優化調度研究提供基礎。

1 水量調度模型

1.1 水量調度范圍及調度期

引江濟淮水量調度范圍為整個工程受水區域。項目區涉及皖、豫兩省，行政區劃包括安徽省安慶、銅陵、蕪湖、馬鞍山、合肥、六安、滁州、淮南、蚌埠、淮北、宿州、阜陽、亳州以及河南省周口、商丘15個市55個縣（市、區），受水區總面積7.06萬km2。水源是長江引水、淮河上游來水、三大湖泊前期蓄水及來水量。用水對象為工程沿線各口門需引水量、三大湖泊的生態需求，以及淮河當地水供水對象。按照水量調度建模分析需要，以長江引水點、淮河蚌埠閘以及三大湖泊為主要控制點。重要的閘泵控制點依據相對位置關系進行概化，全線概化為10個取水口（見圖1），其中江水北送段的4條線路概化為一個取水口。

本研究基于調度范圍內的水文站1956～2010年長系列徑流數據，選取25%，50%，95%的來水頻率條件下汛末10月至次年9月為調度期，步長為旬。按照現狀水平年2010年，基于各行

業用水定額核算的25%，50%，95%來水頻率的需水方案，對2030年近期規劃水平年和2040年遠期規劃水平年的豐、平、枯水年情景進行水資源調度取水過程模擬優化。

1.2 模型約束條件

1.2.1 湖泊水量平衡及約束

湖泊包括菜子湖、巢湖、瓦埠湖以及淮河蚌埠閘概化的湖泊。

1.3 正反模擬模型及引江水量優化調度

年水量調度模擬模型遵循水量平衡方程和約束條件，采用規則調度[15]和遺傳算法[16]進行求解，得到水量調度方案成果。模型的已知變量主要包括不同水平年的湖泊初始蓄水量、區間來水過程以及需水過程。本文的引江過程是基于整個受水區的需水過程、區間來水過程進行模擬，同時考慮滲漏損失和棄水。

1.3.1 正反向模擬模型原理

正反模擬模型中的反向模擬是從工程末端樞紐（蚌埠閘樞紐）開始演算倒推至工程起點樞紐（鳳凰頸樞紐和樅陽樞紐）的反方向模擬過程，該過程主要考慮各取水用戶的逐旬需水量，從而倒推出工程全段所需的逐旬需水量過程。將倒推所得的逐旬需水量過程與設計引江供水能力約束進行對比，取兩者的較小值，從而實現“以需定供”的理念。模擬模型中的正向模擬是從工程起點樞紐（鳳凰頸樞紐和樅陽樞紐）開始演算至工程終點（蚌埠閘樞紐）樞紐的正方向模擬過程，該過程主要考慮湖泊的區間來水量以及湖泊蓄水能力約束以及各工程的引水能力約束，最終模擬出各工程段的逐旬供水過程，以及湖泊的水

位庫容逐旬變化過程，從而實現“以供定需”的理念。引江濟淮工程采用雙線供水設計，為此反向演算的末端需要考慮雙線水量如何分配的問題。兩條引江河段均有湖泊（巢湖、菜子湖）參與引供水過程，為充分利用湖泊的調蓄能力，盡可能多地減少湖泊棄水量，本文采用遺傳算法進

行雙線水量比例分配過程優化，使得引江過程中湖泊的總棄水量最少，以實現“盡可能多地利用本地水而減少引江水量”的理念。圖2為正反演算原理流程圖，計算步驟如下。

2 典型年調度情景分析

利用不同保證率典型年水量日過程分析規劃水平年大通站水文站的水量。引江濟淮工程涉及范圍廣，跨長江淮河兩大流域，兩大流域水文特性不同，因此水源區和受水區典型年頻率存在不一致，故不同保證率的典型年需綜合考慮長江流域（水源區）和淮河流域（受水區）進行選取。本文分別根據長江流域和淮河流域水文頻率，選取5%～95%共12個典型年進行規劃水平年水量分析，并最終選取1978年（枯水年），1981年（平水年），1993年（豐水年）作為水量調度計算的典型年。按照現狀水平年為2010年，2030年為近期規劃水平年，2040年為遠期規劃水平年分別設置典型情景。

3 輸出結果及分析

模型主要輸出取水口各個供水單元的需水過程、供水過程、缺水過程、引江水過程、閘泵和湖泊的調水過程、最終的供需平衡結果，以及輸出各類水平衡項的詳細過程，如湖泊的引江入湖流量、湖泊區間入流、湖泊水利用、湖泊出湖流量、棄水量等。

3.1 湖泊調蓄過程分析

以2030年規劃水平年為例，針對年調度模型結果進行湖泊調蓄過程分析。圖3是2030年規劃水平年菜子湖和巢湖的逐旬引江調度過程。從圖3（a） 中可以看出，近期枯水年，菜子湖除了2月下旬至6月中旬以外，其他時段均為出入湖相等的調度狀態，即供水由引江水提供;2月下旬至6月中旬出湖量大于入湖量，表明引江水在通過湖泊調蓄的時候，可利用湖泊的棄水（湖泊的區間來水因受水位限制而被迫排出的水）使得水資源能夠得到高效利用。在整個引江輸水過程中，菜子湖和巢湖的棄水極少。從圖3（b） 中可以看出：在近期枯水年，巢湖4月下旬和5月下旬出湖量大于入湖量，表明引江水在通過湖泊調蓄的時候可利用湖泊的棄水;6月上旬至11月下旬入湖量大于出湖量，由于5～11月的區間來水（實際入流-當地水配置）為負值，為了保證湖泊水位不低于生態最低水位，實施引江水補給湖泊生態水。

在近期平水年，菜子湖的棄水量為19.64億m3，調度期結束時較調度起點庫容增加0.79億m3，調蓄過程詳見圖3（c）;菜子湖遠期平水年的棄水量較近期減少0.58億m3。近期平水年，巢湖棄水量為15.29億m3，調度期結束時較調度起點巢湖庫容增加2.3億m3，調蓄過程詳見圖3（d）;巢湖遠期平水年的棄水量較近期減少2.48億m3。遠近期平水年中，菜子湖棄水量是巢湖棄水量的1.5倍。

在近期豐水年，菜子湖棄水量為11.67億m3，菜子湖遠期豐水年棄水量較近期減少0.5億m3。近期豐水年，巢湖棄水量為23.21億m3，巢湖遠期豐水年的棄水量較近期減少2.88億m3。近期豐水年中，巢湖棄水量是菜子湖棄水量的2倍。

3.2 工程全線引供結果分析

3.2.1 2030年規劃水平年工程引供分析

圖4是2030年規劃水平年枯、平、豐水年的生活工業、農業的供缺水統計示意圖。由圖4可知：枯水年呈現較明顯的缺水現象，其中，生活工業缺水率為9.08%，農業缺水率為15.78%。近期規劃枯水年總需水量為83.91億m3，設計的引水量為69.17億m3，模型計算的引水量為57.91億m3，較設計方案減少11.26億m3;總供水量為74.85億m3，其中樅陽引水量為27.31億m3，鳳凰頸引水量為30.61億m3。

近期規劃平水年總需水量38.01億m3，設計的引水量為39.51億m3，模型計算的引水量為15.01億m3，較設計方案減少了24.5億m3，表明該模型在平水年計算中充分利用了湖泊水，進而減少了引江水的使用量，其中巢湖利用量為0億m3，菜子湖利用量為2.13億m3，瓦埠湖利用量為7.37億m3，淮河利用量為24.29億m3。總供水量為38.01億m3，其中，樅陽引水5.02億m3，鳳凰頸引水10億m3。

近期規劃豐水年總需水量18.22億m3，設計的引水量為11.41億m3，模型計算的引水量與設計規劃持平;總供水量為18.2億m3，其中樅陽引水6.56億m3，鳳凰頸引水4.85億m3。近期規劃的豐、平、枯水年的逐旬引江流量過程如圖5所示。

3.2.2 2040年規劃水平年工程引供分析

2040年規劃水平年的各典型年供缺水比例與2030規劃水平年相近;枯水年呈現較明顯的缺水現象，其中，生活工業缺水率較近期規劃增加24%，農業缺水率增加12%;隨著農業水利用技術的不斷發展，水資源利用率提高，農業缺水率的增長與生活和工業相比較緩。

遠期規劃枯水年總需水量92.90億m3，設計的引水量為88.72億m3。模型計算的引水量為62.7億m3，較設計方案減少了26.02億m3，其中巢湖利用量為0.62億m3，菜子湖利用量為1.3億m3，瓦埠湖利用量為1.26億m3，淮河利用量為25.71億m3。

遠期規劃平水年需水總量47.44億m3，設計的引水量為49.61億m3。模型計算的引水量為20.44億m3，較設計方案減少了29.17億m3，其中，巢湖利用量為0.33億m3，菜子湖利用量為2.56億m3，瓦埠湖利用量為7.4億m3，淮河利用量為28.06億m3。

遠期規劃豐水年需水總量22.84億m3，設計的引水量為14.77億m3。模型計算的引水量為4.52億m3，較設計方案減少了10.25億m3，其中，巢湖利用量為0.46億m3，菜子湖利用量為0.82億m3，瓦埠湖利用量為9.57億m3，淮河利用量為19.86億m3。

3.3 工程區段統計分析

引江濟淮工程供水過程中，經過菜子湖、巢湖、瓦埠湖三大湖泊和淮河的調蓄，在輸送過程中湖泊的水量與引江水共同作為供水源供水。針對調度后的結果，統計遠、近期規劃下不同典型年三大區段的供水量、缺水量、湖泊水利用量、棄水量，詳見表2。工程的缺水情況主要發生在江水北送段，枯水年較為嚴重;而棄水主要來自菜子湖和巢湖，因此后續的工作將主要致力于三個湖泊的全局協同優化，使棄水充分利用，降低棄水率。從表2中也可以發現：江水北送段是工程供水的主要對象，該段枯水年供給量占總量的57%，平水年供給量超過總量的75%，豐水年供給量超過總量的97%。從工程全段來看，近、遠期規劃下枯水年的供水量最大，平水年的湖泊利用量最大，豐水年的棄水率最大。現定義湖泊水利用率等于湖泊水利用量與供水量的比值。近期規劃湖泊水利用率為：枯水年為36.6%，平水年為89%，豐水年為146.5%。遠期規劃湖泊水利用率為：枯水年為35%，平水年為81%，豐水年為134%。由此可以看出，近、遠期規劃的湖泊水利用率隨著缺水程度的減少不斷增加。

4 結論與展望

本文采用模擬模型和優化技術相結合的方式，依據水量平衡原理建立了引江濟淮工程年水量調度正反模擬模型。構建遠、近期規劃年的豐、平、枯水年的不同情景，對全部典型情景進行模擬獲取了不同情境下的年調度方案。模擬結果表明：平水年和豐水年在近期規劃水平年（2030年）和遠期規劃水平年（2040年）的缺水量基本為0，枯水年在遠、近期規劃水平年均存在較大缺水，以農業缺水為主;與設計規劃相比，由于本文模型充分考慮了湖泊的調蓄能力，減少了部分汛前的引水，充分利用了調蓄湖泊的洪水資源，從而使得調度方案中各典型年的引水總量較設計規劃的明顯減少。遠、近期規劃的枯水年棄水較少，豐水年和平水年棄水量相對較多，平水年兩湖棄水量相近，而豐水年棄水量主要發生在巢湖。江水北送段是引江濟淮工程供水的主要對象，該段枯水年供給量占總量的57%左右，平水年供給量超過總量的75%，豐水年供給量超過總量的97%。從工程全段來看，近、遠期規劃下枯水年的供水量最大，平水年的湖泊利用量最大，豐水年的棄水率最大。

本文僅從水量平衡模擬的角度開展了探究，至于如何優化上下游湖泊之間的協同調度以及取用水調配規則，進行全流域統籌調度及決策，則是在跨流域水資源調度工作中需要進一步深入研究的內容。

參考文獻：

[1] 王浩.我國水資源合理配置的現狀和未來[J].水利水電技術，2006，37（2）：7-14.

[2] 王順久，侯 玉，張欣莉，等.中國水資源優化配置研究的進展與展望[J].水利發展研究，2002，2（9）：9-11.

[3] GUPTA R A.River basin management：a case study of Narmada Valley development with special reference to the Sardar Project in Gujarat，India[J].Water Resources Development，2001，17（1）：55-78.

[4] 王浩，游進軍.水資源合理配置研究歷程與進展[J].水利學報，2008，39（10）：1168-1175.

[5] 朱建榮，白鳳朋.引江濟淮工程對長江口咸潮入侵的影響研究[J].三峽生態環境監測，2018，3（3）：60-65，81.

[6] 張虎，陳一明.引江濟淮工程水源區論證分析[J].人民長江，2017，48（19）：57-40.

[7] 沈佩君，邵東國，郭元裕.南水北調東線工程優化規劃混合模擬模型研究[J].武漢水利電力學院學報，1991（4）：395-402.

[8] 彭少明，王浩，王煜，等.泛流域水資源系統優化研究[J].水利學報，2013（1）：10-17.

[9] 林鵬飛，游進軍，付敏，等.基于引水限制調度線的并聯水庫系統供水優化算法及應用[J].水利水電技術，2018，49（2）：8-14.

[10] 郭旭寧，雷曉輝，李云玲，等.跨流域水庫群最優調供水過程耦合研究[J].水利學報，2016，47（7）：949-958.

[11] 游進軍，林鵬飛，王靜，等.跨流域調水工程水量配置與調度耦合方法研究[J].水利水電技術，2018，49（1）：16-22.

[12] 楊柳，汪妮，解建倉，等.跨流域調水與受水區多水源聯合供水模擬研究[J].水力發電學報，2015，34（6）：49-56，212.

[13] 萬芳，周進，原文林.大規模跨流域水庫群供水優化調度規則[J].水科學進展，2016，27（3）：448-457.

[14] 張建云，陳潔云.南水北調東線工程優化調度研究[J].水科學進展，1995，6（3）：198-204.

[15] 郭旭寧.水量調度規則的建模理論與求解方法[D].武漢：武漢大學，2013.

[16] 閆春程，王國利.遺傳算法在跨流域引水工程優化調度中的應用[J].東北水利水電，2006（9）：3-5，71.

[17] 黃淑娟，張天琦，陳域.基于遺傳算法的九鄉河雙扉閘門優化設計方法及應用[J].江蘇水利，2018（12）：35-38.

[18] 黃曼麗，張健，丁大發，等.基于遺傳算法的區域水資源優化配置研究[J].人民長江，2008，39（6）：29-32.

（編輯：鄭 毅）