考慮水流演進(jìn)規(guī)律的引大濟(jì)湟工程水量調(diào)度研究

王宏元 王渤權(quán)

摘要：

針對(duì)引大濟(jì)湟工程供水調(diào)度范圍廣、水利設(shè)施多樣以及工程調(diào)度目標(biāo)復(fù)雜等難點(diǎn)，提出考慮水流演進(jìn)過(guò)程的大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)技術(shù)，構(gòu)建引大濟(jì)湟工程水量調(diào)度模型。該模型基于大系統(tǒng)協(xié)調(diào)分解理論將引大濟(jì)湟工程劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，利用子系統(tǒng)間的水力聯(lián)系構(gòu)建協(xié)同機(jī)制，獲取各項(xiàng)水利設(shè)施調(diào)度方案信息，并結(jié)合一維水動(dòng)力模型獲取各個(gè)節(jié)點(diǎn)斷面的水位、流量關(guān)鍵信息。結(jié)果表明：相比于僅通過(guò)水量分配模型獲取的調(diào)度方案，采用該模型得到的方案不僅可滿(mǎn)足供水需求，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)供水過(guò)程的動(dòng)態(tài)跟蹤、模擬仿真，為用戶(hù)提供更為精準(zhǔn)、科學(xué)的供水調(diào)度方案編制手段，進(jìn)一步確保沿線(xiàn)供水安全。

關(guān) 鍵 詞：

水量調(diào)度； 水流演進(jìn)； 大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)技術(shù)； 引大濟(jì)湟工程

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV697

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.019

0 引 言

隨著全球人口數(shù)量不斷地增加，對(duì)水資源的需求也在不斷增加。中國(guó)水資源存在時(shí)空分布不均、供需矛盾突出、調(diào)度粗獷等特點(diǎn)，是制約中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素［1-3］。由于中國(guó)南北地區(qū)水資源量相差較大，一系列長(zhǎng)距離引供水工程應(yīng)運(yùn)而生，旨在通過(guò)引水工程改變水資源分布格局，保障全國(guó)用水需求。因此，水資源跨流域配置調(diào)度成為眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)。馬立亞等［4］針對(duì)漢江流域引調(diào)水工程和水庫(kù)調(diào)度任務(wù)及特點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一建模，綜合考慮了用水總量控制及調(diào)度規(guī)則等多項(xiàng)約束指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了不同河段、區(qū)域的水資源配置目標(biāo)；楊柳等［5］建立了引漢濟(jì)渭與黑河引水工程聯(lián)合供水調(diào)度模型，通過(guò)設(shè)定多種調(diào)度場(chǎng)景，顯著提升了區(qū)域供水保證率；雷曉輝等［6］對(duì)引江濟(jì)淮工程水量調(diào)度進(jìn)行了研究，通過(guò)水量平衡原理基于遺傳算法構(gòu)建水資源優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)了不同水平年下的調(diào)度方案編制；聞昕等［7］針對(duì)南水北調(diào)東線(xiàn)工程主要水源中長(zhǎng)期來(lái)水預(yù)報(bào)精度不高的情況，提出了兩階段隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度方法，克服了來(lái)水不確定對(duì)調(diào)度決策的影響，有效降低了調(diào)水成本；郭玉雪等［8-9］針對(duì)南水北調(diào)江蘇段供水調(diào)度需求，構(gòu)建了多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，并提出了一種改進(jìn)蛙跳算法，獲取不同來(lái)水情況下的調(diào)度方案。此外，高仕春［10］、游進(jìn)軍［11］、朱彩琳［12］、Peng［13］等也對(duì)水量分配調(diào)度進(jìn)行了相關(guān)的研究工作。

上述專(zhuān)家學(xué)者均對(duì)水資源分配研究做出了貢獻(xiàn)。對(duì)于大型引供水工程來(lái)說(shuō)，輸水距離較長(zhǎng)，在沿途過(guò)程中需要通過(guò)閘泵進(jìn)行水量控制，以滿(mǎn)足沿線(xiàn)供水要求。但水流在長(zhǎng)距離的演進(jìn)過(guò)程中并不是剛性平移的，其流量會(huì)出現(xiàn)滯時(shí)、坦化等現(xiàn)象，且由于不同水利設(shè)施之間（隧洞、渡槽、渠道等）的銜接，導(dǎo)致到達(dá)分水口的水量與水量平衡算出的水量存在一定差異，影響供水保證以及沿線(xiàn)供水安全。因此，在編制大型引水工程供水調(diào)度方案時(shí)，不僅需要考慮水量分配需求，同時(shí)還需對(duì)關(guān)鍵斷面水流演進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行捕捉，從而更加全面地獲取到每一時(shí)刻分水口供水狀態(tài)以及斷面情況，對(duì)方案執(zhí)行全過(guò)程進(jìn)行模擬，確保沿線(xiàn)水利設(shè)施運(yùn)行安全。為此，本文以引大濟(jì)湟工程為研究對(duì)象，構(gòu)建考慮水流演進(jìn)規(guī)律的水量分配模型，將大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)技術(shù)與一維水動(dòng)力模型相耦合，獲取不同需水場(chǎng)景下的供水調(diào)度方案，提高方案編制質(zhì)量，為引大濟(jì)湟工程水量調(diào)度提供技術(shù)支撐。

1 工程概況及調(diào)度任務(wù)

1.1 工程概況

引大濟(jì)湟工程位于青海省東部，是青海省內(nèi)一項(xiàng)大型跨流域調(diào)水工程。該工程從湟水河一級(jí)支流大通河上游石頭峽建庫(kù)引水，將大通河水經(jīng)調(diào)水干渠調(diào)入湟水河一級(jí)支流北川河上游的寶庫(kù)河，以解決湟水干流水資源緊缺、供需矛盾日益突出的難題［14-15］。該工程主要由調(diào)水總干渠、黑泉水庫(kù)、北干渠一期、北干渠二期和西干渠組成。調(diào)水總干渠是引大濟(jì)湟的骨干工程，由引水樞紐、引水隧洞、出口明渠三部分組成，其中引水隧洞全長(zhǎng)24.17 km，洞徑5 m，設(shè)計(jì)流量35 m3/s，設(shè)計(jì)年調(diào)水7.5億m3，主要任務(wù)是從大通河調(diào)取水量供給黑泉水庫(kù)。黑泉水庫(kù)是引大濟(jì)湟工程的反調(diào)節(jié)水庫(kù)，是一座以灌溉和城市供水為主，兼有防洪、發(fā)電、環(huán)保等綜合效益的大Ⅱ型水利樞紐工程，總庫(kù)容1.82億m3。北干渠一期工程位于湟水流域北岸的淺山地帶，西起黑泉水庫(kù)灌溉發(fā)電洞，途徑互助縣，止于樂(lè)都縣麻業(yè)磨溝，其中明渠及建筑物長(zhǎng)22.72 km，隧洞總長(zhǎng)92.11 km，每年供水量1.12億m3，工程可擴(kuò)大農(nóng)業(yè)灌溉面積1.33萬(wàn)hm2，擴(kuò)大林草灌溉面積0.67萬(wàn)hm2。北干渠二期工程由2條分干、18條支渠、7條干斗、松多水庫(kù)及田間工程組成，每年供水量為0.85億m3，工程任務(wù)以城鎮(zhèn)生活、農(nóng)業(yè)灌溉為主，總灌溉面積2.67萬(wàn)hm2。西干渠工程干渠總長(zhǎng)123.27 km，每年供水1.84億m3，主要任務(wù)是供水和灌溉，控制灌溉面積2.00萬(wàn)hm2，其中農(nóng)田灌溉面積1.67萬(wàn)hm2，林地灌溉面積0.33 hm2。

引大濟(jì)湟工程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 調(diào)度任務(wù)難點(diǎn)分析

引大濟(jì)湟工程通過(guò)黑泉水庫(kù)調(diào)節(jié)總干渠和寶庫(kù)河來(lái)水，結(jié)合當(dāng)前水源狀態(tài)、水利設(shè)施邊界等相關(guān)信息，由寶庫(kù)河、北干渠工程和西干渠工程向受水區(qū)供水，以滿(mǎn)足受水區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的用水需求。該工程包含的水利設(shè)施對(duì)象主要有渠道、隧洞、渡槽、倒虹、節(jié)制閘、退水閘等，通過(guò)不同設(shè)施的組合銜接，實(shí)現(xiàn)沿線(xiàn)的輸水供水需求。

供水調(diào)度方案的編制主要根據(jù)受水區(qū)需水計(jì)劃，獲取黑泉水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行方式，即從調(diào)度總干渠取水量、期末水庫(kù)蓄水量以及向各條供水線(xiàn)路的供水過(guò)程。由于工程沿線(xiàn)水利設(shè)施眾多，且根據(jù)地形地貌特征存在多種組合方式，而每個(gè)設(shè)施均存在各自的運(yùn)行要求以及基礎(chǔ)特性，因此，通過(guò)黑泉水庫(kù)進(jìn)行水量分配，確保水體在長(zhǎng)距離運(yùn)輸過(guò)程中滿(mǎn)足各項(xiàng)實(shí)際運(yùn)行工況是本文研究的重點(diǎn)。

2 考慮水流演進(jìn)的水量分配模型構(gòu)建及求解

2.1 水量分配模型構(gòu)建

由于引大濟(jì)湟工程在引供水過(guò)程中，不僅要保證沿線(xiàn)供水需求，同時(shí)要兼顧工程安全、生態(tài)水量等多項(xiàng)目標(biāo)需求，結(jié)合工程項(xiàng)目背景，考慮到各項(xiàng)目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)較為鮮明，分別為防洪＞生態(tài)＞供水＞其他，同時(shí)又由于防洪和生態(tài)目標(biāo)為硬性指標(biāo)，可將其轉(zhuǎn)換為硬約束來(lái)進(jìn)行控制。因此，本文以保障供水為主要目標(biāo)，將其他相關(guān)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為約束條件限制進(jìn)行模型構(gòu)建，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)供水精細(xì)化調(diào)度策略的獲取。

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

對(duì)于引大濟(jì)湟工程供水調(diào)度目標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)為在滿(mǎn)足供水保障天數(shù)的情況下，使得供水網(wǎng)絡(luò)供水破壞深度最小，如式（1）所示：

2.2 考慮水體演進(jìn)的模型求解方法

大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)方法能夠較好地解決大規(guī)模多維非線(xiàn)性數(shù)學(xué)優(yōu)化問(wèn)題［16-17］，對(duì)于一個(gè)調(diào)度方案而言，不僅關(guān)注水量分配的準(zhǔn)確性，還關(guān)注供水方案執(zhí)行的安全性，因此方案可行與否需要關(guān)注多維度的指標(biāo)。對(duì)于引大濟(jì)湟工程而言，涉及的目標(biāo)主要有供水目標(biāo)、水位指標(biāo)以及流量指標(biāo)等，因此，以供水為主要目標(biāo)，將水位目標(biāo)和流量目標(biāo)轉(zhuǎn)換為約束進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)提出考慮水流演進(jìn)的大系統(tǒng)協(xié)調(diào)分解技術(shù)模型求解方法，基于大系統(tǒng)協(xié)調(diào)分解技術(shù)對(duì)引水工程進(jìn)行系統(tǒng)分解，逐級(jí)求解供水策略，并以此為邊界結(jié)合一維水動(dòng)力模型獲取工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)斷面的水位、流量過(guò)程，再以此過(guò)程進(jìn)行約束判斷，反饋調(diào)整黑泉水庫(kù)供水策略，最終獲取滿(mǎn)足供水安全及運(yùn)行要求的供水方案。具體步驟如下：

（1） 將引大濟(jì)湟工程大系統(tǒng)根據(jù)分水口位置以及用水區(qū)域劃分為n個(gè)子系統(tǒng)，設(shè)第i個(gè)分水口分水量為Qi，流量攝動(dòng)步長(zhǎng)為Δq，利用大系統(tǒng)協(xié)調(diào)分解思想逐級(jí)求解，子系統(tǒng)求解示意如圖2所示。

3 實(shí)例應(yīng)用

由于北干渠二期工程以及西干渠工程尚未完全建成運(yùn)行，因此本文選取引大濟(jì)湟工程北干渠一期工程為例進(jìn)行沿線(xiàn)供水調(diào)度方案編制，北干渠一期工程沿線(xiàn)共有分水口31個(gè)，節(jié)制閘35個(gè)，76管線(xiàn)（渠道、隧洞、渡槽、倒虹吸等）共225段，用水單位4個(gè)。

從長(zhǎng)時(shí)間尺度來(lái)看各分水口供水量會(huì)呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)，即達(dá)到供需平衡，而本文方法主要針對(duì)供水邊界發(fā)生改變到呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)期間的場(chǎng)景。獲取此期間水庫(kù)運(yùn)行方式，選取2021年4月26日08：00至次日08：00為例進(jìn)行方案計(jì)算，方案輸出時(shí)段尺度為15 min，以用水單位涉及區(qū)域?qū)?yīng)的分水口劃分子系統(tǒng)，模型邊界參數(shù)設(shè)置如表1所列。

為說(shuō)明所提方法的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)以下兩種方案：方案1為只通過(guò)水量分配計(jì)算出來(lái)的調(diào)度方案；方案2為本文所提模型方法計(jì)算出來(lái)的方案。兩種方案對(duì)應(yīng)的黑泉水庫(kù)供水方案以及子系統(tǒng)水量分配方案如表2～3所列。

由表2可知，兩個(gè)方案下黑泉水庫(kù)水量調(diào)度方案均能夠滿(mǎn)足期末水位控制要求，當(dāng)日天然入庫(kù)流量93.39萬(wàn)m3，方案1總供水量為47.52萬(wàn)m3，為了滿(mǎn)足供水需求，需從調(diào)水總干渠調(diào)水43.13萬(wàn)m3。方案2總供水量為48.60萬(wàn)m3，需從調(diào)水總干渠調(diào)水44.21萬(wàn)m3

從表3水量分配信息可知，兩個(gè)方案劃分的4個(gè)子系統(tǒng)均可以滿(mǎn)足供水需求，干渠根據(jù)各子系統(tǒng)需水量進(jìn)行供水，分別為8.21萬(wàn)，14.86萬(wàn)，9.41萬(wàn)，7.86萬(wàn)m3，供水保證率均達(dá)100%。

如果單從水量分配方案來(lái)看，兩個(gè)方案均可保證水量調(diào)度需求，然而，供水計(jì)劃編制過(guò)程中還要確保沿線(xiàn)運(yùn)行安全，因此需要進(jìn)一步獲取供水過(guò)程中的水流狀態(tài)信息，為方案執(zhí)行可行性提供依據(jù)。為便于對(duì)比，分別以方案1水量分配結(jié)果為邊界，基于一維水動(dòng)力模型進(jìn)行求解，獲取水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并與方案2模型計(jì)算得到的水位過(guò)程進(jìn)行對(duì)比。

對(duì)比斷面分別選取4個(gè)子系統(tǒng)的渡槽斷面（斷面1、斷面2、斷面3、斷面4），斷面最大流量為11.1 m3/s，最高水位為1.96 m，最低水位為0.70 m，兩個(gè)方案4個(gè)關(guān)鍵斷面的水位和流量過(guò)程如表4和圖4所示。

從圖4可以看出，兩個(gè)方案斷面流量過(guò)程和水位過(guò)程變化趨勢(shì)大體相似。從方案1中斷面流量過(guò)程來(lái)看，4個(gè)斷面均滿(mǎn)足最大容許流量11.1 m3/s的要求，但從水位來(lái)看，斷面4在第58時(shí)刻突破最低水位0.70 m 的運(yùn)行要求，說(shuō)明方案1盡管滿(mǎn)足水量分配需求，但不滿(mǎn)足沿線(xiàn)水位要求。而對(duì)于方案2，從圖4可以看出，流量和水位過(guò)程均滿(mǎn)足斷面運(yùn)行要求。由此可見(jiàn)，基于模型算出來(lái)的方案（方案2）不僅滿(mǎn)足沿線(xiàn)水量需求，同時(shí)各斷面滿(mǎn)足沿線(xiàn)工程運(yùn)行要求。綜上，相比于只對(duì)水量進(jìn)行分配的調(diào)度方式而言，本文提出的調(diào)度方法更加科學(xué)合理，可確保引大濟(jì)湟工程供水調(diào)度方案有效執(zhí)行。

4 結(jié) 論

針對(duì)引大濟(jì)湟工程供水調(diào)度范圍廣、設(shè)施多、約束多樣等難點(diǎn)，本文構(gòu)建了引大濟(jì)湟工程水量調(diào)度模型，并提出了考慮水流演進(jìn)的大系統(tǒng)協(xié)調(diào)分解技術(shù)模型求解方法。結(jié)論如下：

（1） 通過(guò)大系統(tǒng)協(xié)調(diào)分解技術(shù)將引水工程大系統(tǒng)劃分為4個(gè)子系統(tǒng)，并結(jié)合每個(gè)子系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、水力聯(lián)系進(jìn)行水量分配，獲取不同時(shí)段不同水利設(shè)施的流量過(guò)程序列，得到的水量分配方案滿(mǎn)足各個(gè)用水單位用水需求；

（2） 對(duì)水量分配方案進(jìn)行模擬仿真，捕捉各個(gè)時(shí)刻關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)斷面的水體狀態(tài)，通過(guò)對(duì)工程4個(gè)關(guān)鍵斷面的水位過(guò)程、流量過(guò)程對(duì)比可知，所有斷面水體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均滿(mǎn)足斷面節(jié)點(diǎn)約束要求，說(shuō)明該模型計(jì)算得到的水量分配方案結(jié)果可行、合理。

本文所構(gòu)建的模型可在滿(mǎn)足供水需求的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)引大濟(jì)湟工程供水過(guò)程動(dòng)態(tài)跟蹤、模擬仿真，可有效保障供水目標(biāo)、設(shè)施安全等多項(xiàng)調(diào)度目標(biāo)，使得方案更貼近實(shí)際，可為供水調(diào)度計(jì)劃編制提供新的技術(shù)思路。

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（編輯：謝玲嫻）

Abstract：

Aiming at the difficulties such as wide range of water supply operation，diversified water conservancy facilities and complex engineering operation objectives of Datong-to-Huangshui River Water Diversion Project，a decomposition and coordination technology of large-scale system considering the flow routing process was proposed，and a water quantity operation model for this project was constructed.Based on the coordination decomposition theory of large-scale system，the whole system of Datong-to-Huangshui River Water Diversion Project was divided into multiple subsystems，and a coordination mechanism was constructed by the hydraulic connection between the subsystems to obtain the operation scheme information of various water conservancy facilities.Combined with the one-dimensional hydrodynamic model，the key information of water level and flow of each node and section was captured.The results show that compared with the operation scheme obtained by the water allocation model，the scheme obtained by this model can not only meet the water supply demand，but also realize the dynamic tracking and simulation of the water supply process.The model can provide users with more accurate and scientific methods for preparing the water supply operation plans，and further ensure the safety of water supply along the line.

Key words：

water quantity operation；flow routing；decomposition and coordination technology of large-scale system；Datong-to-Huangshui River Water Diversion Project