北坑水庫與明溪水庫雙庫聯合調度初步研究

馬鴻龍

(深圳市北部水源工程管理處，廣東 深圳 518048)

深汕特別合作區地處珠三角經濟圈和海峽西岸經濟圈結合部，是粵港澳大灣區向粵東城鎮群拓展輻射的重要戰略節點，承擔著“區域協調、合作示范、自主創新”的重要使命。深汕特別合作區2019年末常住人口為9.34萬人，根據《深汕特別合作區總體規劃(2017—2035年)綱要》，至2035年末全區城鄉建設用地達到125km2，人口約為150萬人。隨著城市規模的不斷擴大，供需水矛盾日益突出，已成為制約當地經濟社會可持續發展的瓶頸，迫切需要建設新的骨干水源工程作支撐。

北坑水庫為流域綜合規劃確定的利用本地水資源新建的中型水庫；明溪水庫為大(2)型水庫，其來水主要由兩部分組成，10%為本地徑流，90%為白盆珠水庫引水。考慮到明溪水庫和北坑水庫兩庫庫容相差較大，來水徑流特性不一，通過聯合調度，可以有效增加水庫的聯合供水能力。文章以深汕特別合作區北坑水庫和明溪水庫為例，研究水庫間的聯合調度，以達到充分發揮水庫的調蓄能力、提高水資源利用的目的。

1 工程特點

擬建北坑水庫位于赤石河干流北坑水段，是一座以城鎮供水為主、兼顧灌溉的中型水利工程。水庫具有多年調節性能，水庫集水面積為26km2，大壩為面板堆石壩，最大壩高69.5m。水庫按100年一遇洪水設計，2000年一遇洪水校核，設計洪水位為98.13m，校核洪水位為98.80m，總庫容為2294萬m3。水庫正常蓄水位為98.00m，死水位為67.00m，興利庫容為1957萬m3。

擬建明溪水庫位于赤石河二級支流明溪河上，是一座以城鎮供水為主的大(2)型水庫。明溪水庫具有多年調節性能，水庫集水面積為28.3km2，明溪水庫主壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高84.3m。主壩按500年一遇洪水設計，5000年一遇洪水校核，設計洪水位為92.91m，校核洪水位為93.67m，總庫容為19702萬m3。水庫正常蓄水位為90.20m，死水位為35.00m，興利庫容為17437萬m3。

2 單庫調度

2.1 計算原則與方法

(1)首先來水滿足壩址下游河道生態基流[1- 2，12]；其次，多余水量滿足工農業生產生活用水，再有余水進行蓄庫；當河道來流量小于生態基流時，來多少，下泄多少，不影響河道天然生態基流。

(2)當水庫來水量大于城鄉供水和灌溉需水量時，按需水量供水，余水充蓄水庫，直至水庫水位上升到正常蓄水位，水庫水位達到正常蓄水位且仍有多余水量時，水庫棄水。

(3)供水次序：優先滿足城鄉需水，其次為農灌需水。

(4)需水過程：根據供需平衡成果，北坑水庫按照5.4萬m3/d均勻向中心水廠供城鎮需水，按照2800畝的灌溉需水過程進行農業供水；明溪水庫按45.4萬m3/d均勻向中心水廠供城鎮需水，進行單庫徑流調節計算；城鄉生活供水保證率按不小于97%控制，農灌供水保證率按不小于90%控制。

(5)采用時歷法進行水庫調節計算，根據設計入庫徑流與用水長系列過程逐旬進行計算。

2.2 計算成果

經單庫徑流調節計算，北坑水庫多年平均來水量為4160萬m3，多年平均向中心水廠供水量為1958萬m3，供水保證率為97.1%；灌溉可供水量為175萬m3，灌溉保證率為91.1%；蒸發滲漏損失184萬m3，棄水1250萬m3，生態下泄水量為593萬m3。

明溪水庫多年平均向中心水廠供水量為16571萬m3，供水保證率為97.1%，生態下泄水量為670萬m3，引調水量為13681萬m3。

2.3 存在問題

北坑水庫為深汕特別合作區本地水資源，單庫調節計算，多年平均棄水量為1250萬m3，棄水率為30%，棄水較大，現有調度方式未能充分利用本地水資源；兩大水庫共同為中心水廠供水，明溪水庫為大型水庫，北坑水庫為中型水庫，聯合調度，可有效提高水資源利用效率。目前水庫規劃未考慮兩庫聯合調度，未能充分利用水資源。

3 兩庫聯合調度

根據合作區水資源綜合規劃，明溪水庫建成后，北坑水庫與明溪水庫共同為中心水廠供水。兩庫聯合調度可提高區域水資源利用率，考慮到合作區以境外引水為主要水源，為充分利用本地水資源，減少北坑水庫棄水，在北坑水庫預留7～10d儲備庫容455萬m3的基礎上，優先利用北坑水庫給中心水廠供水，盡量減少引調水量。

3.1 聯合調度模型

3.1.1目標函數

北坑水庫來水為本流域來水，明溪水庫來水包含本流域來水和外流域輸水，具有城鎮供水、農業灌溉等多種功能，多個優化調度目標。目標函數包括中心水廠缺水量最小、北坑水庫灌區缺水量最小、北坑水庫棄水量最小、明溪水庫引調水量最小，目標函數式如下：

(1)城鎮供水

以中心水廠多年平均缺水量最小為優化準則，城鎮供水計算公式見式(1)：

(1)

式中，CZXS(t)—t時段中心水廠需水量，萬m3；CZGS(t)—t時段中心水廠缺水量，萬m3；t—整數，取值為1，2，3，…，N。

(2)農業用水

以北坑水庫灌區缺水量最小為優化準則，農業用水計算公式見式(2)：

(2)

式中，GGXS(t)—t時段灌溉需水量，萬m3；GGGS(t)—t時段灌溉缺水量，萬m3。

(3)本地水庫棄水量

以北坑水庫棄水量最小為優化準則，本地水庫棄水量計算公式見式(3)：

(3)

式中，QS(t)—t時段北坑水庫棄水量，萬m3。

(4)引調水量

以明溪水庫引調水量最小為優化準則，引調水量計算公式見式(4)：

(4)

式中，DS(t)—t時段明溪水庫引調水量，萬m3。

3.1.2約束條件

(1)建立了水量平衡約束公式

Vt+1=Vt+It-GSt-SZt-QSt-DSt

(5)

式中，Vt+1—t時段末蓄水量，萬m3；Vt—t時段初蓄水量，萬m3；It—t時段徑流量，萬m3；GSt—t時段供水量，萬m3；SZt—t時段蒸發滲漏損失量，萬m3；QSt—t時段棄水量，萬m3；DSt—t時段調水量，萬m3。

(2)建立了水庫蓄水能力上下限約束值計算公式

Vmin≤Vt≤Vmax

(6)

式中，Vmin，Vmax分別為水庫蓄水能力的上下限，萬m3。

(3)建立了明溪水庫引水工程可輸水量約束公式

0≤DS(t)≤DSmax

(7)

式中，DSmax—引水工程最大輸水能力，萬m3。

(4)水庫庫容-面積-水位特征曲線

Zi，t=f(Vi，t)，Vi，t=f(Si，t)

(8)

式中，f(Vi，t)—水位-庫容曲線函數；f(Si，t)—庫容-面積曲線函數。

(5)限制供水能力不超過允許破壞深度

城鎮供水的限制系數β1取0.7；農業供水限制系數β2取0.5。

3.1.3模型求解

(1)化多目標為單目標[3- 5]

兩庫聯合調度模型是一個多目標、多約束的函數。若直接用多目標動態規劃法求解，則狀態變量數太多，所需內存量和計算量大，存在維數災難[6- 8]。本次研究綜合采用權重法和約束法將部分目標轉化為決策約束和運行規則，只保留一個主要目標，從而將一個多目標問題轉化為單目標問題求解[9- 10]，具體如下：

此次有4個目標同時要求最小，故模型以城鎮生活缺水、灌溉缺水、本地棄水量、引調水量加權和最小為基本目標，其計算公式見式(9)：

minm5=a1m1+a2m2+a3m3+a4m4

(9)

供水次序:首先兩庫來水滿足壩址下游河道生態基流；其次，多余水量滿足工農業生產生活用水，再有余水進行蓄庫；當河道來流量小于生態基流時，來多少，下泄多少，不影響河道天然生態基流。當某時段有虧水時，優先保證城鎮供水，其次農業供水。

對北坑水庫棄水量最小的目標，主要通過分析單庫調節棄水、北坑水庫來水，建立規則達到。

根據北坑水庫單庫調節計算成果，北坑水庫多年平均棄水量為1250萬m3，約占多年平均來水量的30%。經分析，水庫棄水多集中在4—9月，多年平均棄水量為1182萬m3，占全年棄水量的95%。

根據壩址徑流分析，水庫汛期為4—9月來水占多年平均來水量的83.3%，枯期10月—次年3月來水占多年平均來水量的16.7%。汛期平均來水流量為2.19m3/s，枯期平均來水流量為0.44m3/s。

從單庫調節多年平均棄水以及壩址多年平均來水的角度講，汛期加大供水有利于水資源利用[11]。綜合考慮，確定汛期4—9月共6個月北坑水庫集中向中心水廠供水，供水流量為2.5m3/s，不足時由明溪水庫補充。枯期10月—次年3月共6個月，北坑水庫以蓄水為主，明溪水庫以供水為主。

這樣將多目標動態規劃模型轉化成單目標動態規劃模型求解。

(2)數據處理

徑流系列：徑流系列為1975年4月至2019年3月，共44年。每年劃分為36個旬，共1584個旬。

水庫蒸發滲漏：取旬平均庫容的0.3%。

初始條件：北坑水庫以死庫容+儲備庫容為調節計算的起點，明溪水庫以死水位為調節計算的起點，逐年逐旬進行計算，直至系列末，再以系列末的水庫蓄水量為系列初的水庫蓄水量繼續進行計算，直至系列初和系列末相銜接。

3.2 聯合調度成果

經聯合調度計算，北坑水庫壩址多年平均供水量為3372萬m3，其中城鎮供水3197萬m3，灌溉供水175萬m3，棄水量減少至67萬m3，北坑水庫水量利用率達到81.1%，棄水率1.6%，比單庫調節水量利用增加1239萬m3，水量利用率提高29.8%。

明溪水庫多年平均為中心水廠供水量為15295萬m3，引水量減少1315萬m3，中心水廠供水保證率大于97%。

4 結語

(1)為適應新時代的水資源管理[13- 15]、合理利用水資源，文章以北坑水庫、明溪水庫為深汕特別合作區中心水廠供水為例，提出了以供水、灌溉等為主的多目標優化函數，構建出兩大水庫聯合調度模型。實現聯合調度后，可有效減少外調水量，對類似工程的研究有一定的借鑒意義。

(2)北坑水庫與明溪水庫聯合調度的供水模型是一個多目標動態求解模型，文章采用權重法和約束法求解，簡化了計算，但簡化方法在適用范圍方面有所限制，應用推廣有待論證。