膠東調水工程年度水量調度方案研究

金鵬宇 王超 孫嘉輝 雷曉輝

摘要：

隨著跨流域調水工程的規模逐漸增加，其內部各個組件之間的協調性降低，工程年度水量運行調度的難度和復雜性也隨之增加。膠東調水工程年度水量調度方法根據膠東調水工程的工程特性，對沿線的樞紐工程進行概化并構建空間拓撲結構圖，綜合考慮匯水區水量補償調節作用及分水口門的反調節作用，構建水量模擬調度模型。通過解構分水口門取用水過程，降低優化問題維度，構建決策空間，耦合水量模擬調度模型，構建膠東調水工程年度水量調度模型，應用混合優化算法（HOA）求解模型，進而編制工程年度水量調度方案。結果表明：膠東調水工程年度水量調度模型通過解構需水側取用水過程降低優化問題維度，能夠克服工程供、需水側的非過程控制總量邊界條件與其年度水量調度方案編制步長、時間尺度不匹配等問題，實現優化問題快速求解，避免分水口門出現極端缺水情況，最大限度滿足其用水需求。

關 鍵 詞：

跨流域調水工程； 年度水量調度模型； 混合優化算法

中圖法分類號： TV213.9

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.018

0 引 言

膠東調水工程橫跨黃河、海河流域，是實現優化水資源供需平衡配置，緩解水資源短缺局面，促進水源區與受水區的水資源相互調配，使整個調水系統實現對資源的充分利用，顯著提高調水效率，避免發生險情，改善當地水環境現狀的重要水利基礎設施［1-2］。如何對工程調度進行科學、高效決策，是實現工程安全、高效運行，調水量優化配置的核心驅動力。

近年來，隨著跨流域調水工程的規模逐漸增加，其內部各個組件之間的協調性降低，工程年度水量運行調度的難度和復雜性也隨之增加。目前針對跨流域調水工程的年度水量運行調度，國內很多學者做了大量的研究工作。萬芳等［3］通過提取水源區、受水區的供水調度規則，構建并求解跨流域水庫群供水調度的3層規劃模型，完善了跨流域水庫群供水調度理論體系。馬永勝等［4］針對多水源區聯合調度供給同一受水區的復雜跨流域聯合調度，基于大系統分解協調理論，建立了聯合調度最優決策制定模式。郭旭寧等［5］基于逐步優化思想，改進傳統粒子群算法，提出了逐步優化粒子群算法并對大型跨流域水庫群優化調度模型進行求解。彭安幫等［6］根據聚合水庫用水戶供水限制線的基本形式，確定調度圖概化降維方法，并構建基于概化調度圖的模擬-優化求解模型。李瑛［7］通過分析嘉陵江與漢江的徑流豐枯遭遇規律，建立并求解引嘉濟漢-引漢濟渭跨流域調水工程初期、正常運行期的泵站-水庫-電站協同模擬、優化調度模型，探討了徑流不確定性對調度結果的影響。曹明霖等［8］基于現有模擬優化技術，建立并求解跨區域多水源水庫群聯合優化調度模型，探索出一條多水源高效利用的時空協調策略。曾祥等［9］構建了跨流域調水啟動標準優選的水庫群聯合調度模型，使用粒子群算法（PMSE-PSO）進行優化求解，提出了一種新的調水啟動標準。

總體而言，上述研究成果多數在供水側引水計劃或需水側用水計劃已知的前提下，以多水源高效利用、復雜調度問題解耦、工程樞紐高效運行為問題導向，構建多水源水庫群聯合優化調度模型，采用優化算法進行模型求解，以整體規劃和配置為主要目的。膠東調水工程年度水量調度問題的工程供水側、需水側邊界均為總量控制，不具有詳細供、需水計劃。編制工程年度水量調度方案時，根據膠東調水局編制年水量調度方案的實際工程需求，為制定各個分水口門的詳細用水計劃建議，提高輸配水精度減少水量損失，要求方案編制調度步長為日，且工程沿線分水口門數量較多，各控制節點具有復雜約束要素，因此工程調度過程、外調水源引水過程及分水口門供水過程的求解難度大，優化問題維度高。本文綜合考慮膠東調水工程沿線的各種調度對象與拓撲關系構建工程沿線空間拓撲結構圖，通過解構分水口門取用水過程降低問題維度，綜合考慮工程沿線復雜約束要素，構建膠東調水工程年度水量調度模型，應用混合優化算法（HOA）進行模型求解，以期為膠東調水工程年度水量調度方案編制提供一種思路。

1 研究區域概況

1.1 研究區域及意義

膠東調水工程由引黃濟青工程和膠東地區引黃調水工程組成，從山東省濱州市打魚張引黃閘［10］，引黃河水輸送至威海市米山水庫及青島市棘洪灘水庫。膠東調水工程年度水量調度方案編制要求日步長，且工程需水側、供水側均為總量控制，不具有詳細的外調水源供水計劃及分水口門需水計劃。此外，沿線分水口門數量多，工程約束條件多，導致最優工程調度過程、分水口門取用水過程、外調水源引水過程求解難度大，形成了高緯度、

多變量的復雜調度問題。傳統優化模式是在供水或需水側邊界條件已知的前提下，構建優化調度模型，應用優化算法求解，而顯然膠東調水工程的調度問題難以用傳統優化模式解決。因此，迫切需要一種能夠精確高效求解上述復雜調度問題的優化模式，為編制膠東調水工程年度水量調度方案提供技術、數據支撐。

1.2 網絡拓撲圖概化

膠東調水工程沿線主要包括：渠道、輸水隧洞、輸水管道、泵站、閘站、分水口門及外調水源［11］，其工程結構十分復雜，沿線輸水線路之間存在串、并聯復雜關系［12］。沿線泵站和閘站過流不僅需要考慮匯水區的水量補償調節，也需要考慮沿線分水口的反調節作用。基于膠東調水工程結構復雜性和沿線樞紐類型多樣性，需要對工程沿線的空間拓撲結構進行概化［13］，以便更好地解決工程年度水量調度問題。通過綜合分析膠東調水工程沿線包含的各個組成部分的水力聯系，將沿線渠道、輸水管道、輸水隧洞和分水口概化成線，將沿線泵站、閘站概化為點，將沿線的匯水區概化為面，從而組成一個完整的空間拓撲結構，如圖1所示。

2 膠東調水工程年度水量調度模型構建

膠東調水工程年度水量調度模型主要是根據外調水源引水指標，分水口門需水量等工程邊界條件，綜合考慮工程沿線過流能力，外調水源引水能力及分水口門取水能力等約束條件，以分水口門取用水過程為決策變量構建決策空間，優化取用水過程，提高分水口門供水保證率。

2.1 水量模擬調度模型構建

水量模擬調度模型的構建是本次研究的重點，模型采用以需定供的反向模擬計算模式，通過需水側取用水過程反向推求供水側引水過程。以沿線各分水口門需水量為工程邊界條件，綜合考慮沿線過流能力約束、分水口門取水能力約束、匯水區產流過程，根據工程沿線空間拓撲結構將工程沿線劃分為若干渠段，以沿線閘門、泵站、湖泊和水庫為水量演進節點，同時以管渠水量平衡條件為驅動進行渠段內徑流反向演進，以空間拓撲關系銜接上、下游渠池過流過程，進而模擬得到沿線各分水口門的取用水過程、各水量演進節點的過流過程及外調水源引水過程。

2.3 水量優化調度模型求解方法

本文采用混合優化算法（Hybrid optimization algorithm，HOA），對水量優化調度模型進行求解。HOA算法集成了差分進化算法（DE）、遺傳算法（GA）及逐步優化算法（POA），在DE算法與GA算法并行計算［17］的基礎上，采取移民策略［18］定期對兩算法種群進行外部個體的植入，打亂群體結構，增加其全局搜索能力。在兩算法優化結果的基礎上，將其中最優個體引入POA算法種群進行迭代計算，以期得到全局最優解。具體算法計算流程如圖2所示。

3 實例計算

3.1 調度方案情景

膠東調水工程年度水量調度方案的編制是根據調度開始前膠東調水局相關通知，膠東調水工程沿線各地市填報分水口門和需水量。根據沿線各地市的填報情況，結合調度期內外調水源的引水指標，由膠東調水局制定年度水量調度方案，進而明確調度期內膠東調水工程沿線各分水口的供水過程及外調水源的引水過程。膠東調水工程年度水量調度模型以工程邊界條件作為模型輸入，在反向模擬的基礎上進行優化計算［19］，進而編制中長期水量調度方案［20］。因此，工程邊界條件顯得尤為重要。以膠東調水工程2020～2021年度調水方案為例，整理得到工程邊界條件為

（1） 沿線受水區用水計劃如圖3所示。

（2） 外調水源引水指標。

膠東調水工程具有3個外調水源，2020～2021年度黃水東調引水指標22 982.4 萬m3，引黃濟青引水指標42 145.92萬m3，南水北調東線引水指標22 801萬m3。

（3） 輸水開始、截止時間。

2020～2021年度膠東調水工程輸水開始時間為2020年12月10日，輸水截止時間為2021年6月30日。

3.2 調度結果分析

3.2.1 供需關系分析

膠東調水工程歷史供需關系分析結果如表1所列，分析結果表明2019～2020、2020～2021年度計劃供水無法滿足沿線分水口門的用水需求，通過對工程最大供水能力進行分析計算，按照最上級臨時泵站設計流量（36 m3/s）及黃水東調（14.5 m3/s）引水，在不考慮冰期引水約束及沿線過流能力約束的前提下，以歷史數據統計年水量損失率（18.43%）計算水量損失，得出2019～2020年度調度期時長為240 d，最大供水量9.58億m3。2020～2021年度調度期時長為202 d，最大供水量7.54億m3。以上計算結果表明，工程最大供水量無法完全滿足年度用水需求，膠東調水工程供水受限于工程引水能力與調度期時長。

3.2.2 調度方案對比

對膠東調水工程年度水量調度模型進行求解，針對模型求解結果及膠東調水工程2020～2021年度水量調度方案中的各分水口門供水情況、外調水源引水情況等方面做對比分析，分析結果如表2～3所列。同時針對外調水源引水指標利用情況，水量調度方案與水量分配方案的協調性及各分水口門供水保障程度等方面［21］進行對比分析，分析結果如表4～6及圖4所示。

根據表2，3可知，模型計算結果中各行政區供水保證率整體在70%以上，且供水保證率分布均勻，膠東調水工程供水保證率為76.85%，用水保障程度高。模型計算結果中外調水源引水量較之原方案減少1 060.8萬m3，沿線最低分水口門供水保證率為67%，整體供水保證率76.85%，能夠以較少引調水量最大程度保障工程沿線各行政區用水需求，計算結果具有相對優勢。

根據表4的對比分析結果可知，在工程供水受限于引水能力的前提下，模型求解的年度水量調度方案外調水源引水指標利用率為98.13%，能夠充分利用外調水源引水指標。由表5統計結果及圖4可知，方案中各分水口門供水保證率數據集離散程度低且分布均勻，整體在65%以上，各分水口門用水保障程度高。

通過對各行政區水量分配指標［22］，模型求解水量調度方案及膠東調水工程2020～2021年度水量調度方案中各現地市的供水量進行對比分析，具體結果如表6所示。發現模型求解水量調度方案中濰坊市供水8 132.29萬m3、2020～2021年度濰坊市用水計劃8 140萬m3、時段配水量1.39億m3。上述結果表明，模型求解的水量調度方案能夠以滿足行政區用水計劃為調度目標，以水量分配指標約束各行政區供水量，最大限度保障了各行政區的用水需求。

3.2.3 算法性能對比

分別用DE算法、POA算法、GA算法和HOA算法求解膠東調水工程年度水量調度模型，初始種群個數為100，算法迭代次數1 000，對兩層優化目標有效迭代次數的優化效果、算法收斂迭代次數、最優解適應度值等方面進行對比分析，其分析結果如表7及圖5所示。

對比分析結果表明，HOA算法的初始種群可行解數量較多，算法收斂速度快，相同迭代次數下具有較好的優化效果，較之其他算法具有優勢。

4 結 語

膠東調水工程年度水量調度方法根據膠東調水工程的工程特性，對工程沿線的不同組件進行概化并構建空間拓撲結構圖。以徑流演進為驅動，綜合考慮匯水區水量補償調節作用及分水口門的反調節作用，構建水量模擬調度模型。針對工程供、需水側的非強約束總量控制邊界條件與年度水量調度方案編制步長、時間尺度不匹配等問題，解構分水口門取用水過程，降低優化問題維度，構建決策空間，耦合水量模擬調度模型進而構建膠東調水工程年度水量調度模型，并應用HOA算法進行模型求解，得到工程調度過程、分水口門取用水過程及外調水源引水過程，進而編制工程年度水量調度方案。本文采用HOA算法求解膠東調水工程年度水量調度模型，算法收斂速度快，相同迭代次數下優化效果較好，且模型求解水量調度方案中，外調水源引水指標利用率為98.13%，各分水口門供水保證率在65%以上且工程總體供水保證率為76.85%。較之原方案，總供水缺額減少、分水口門供水保證率分布均勻，外調水源引水指標利用率高，具有相對優勢，能夠為膠東調水工程年度水量調度方案的編制提供一種新的思路。

同時，膠東調水工程水量優化調度應編制年、月、旬水量調度方案，以年、月水量調度方案指導工程沿線外調水的宏觀水量配置，以旬水量調度方案［23］指導實際工程調度決策，同時應考慮實際調度過程中的復雜擾動，對旬水量調度方案進行滾動更新，以提高水量調度方案模擬精度，為工程調度決策提供技術支撐。

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（編輯：黃文晉）

Abstract：

With the increasing number of inter-basin water diversion projects gradually，the coordination among its internal components decreases，and the difficulty and complexity of the annual water flow scheduling of projects also increase.According to the engineering characteristics of Jiaodong Water Diversion Project in east Shandong Province，the hub projects along the route are generalized and a spatial topological structure diagram is constructed.By deconstructing the water intake process，a decision space is constructed by reducing the dimension of the optimization problem，and the annual water dispatching model of the Jiaodong Water Diversion Project is constructed by coupling the water simulation dispatching model.The Hybrid Optimization Algorithm （HOA） is used to solve the model，and then the annual water dispatching scheme of the project is compiled.The results show that the annual water dispatching model reduces the dimension of optimization problem by deconstructing the water intake process，and can overcome the problems of mismatch between the boundary conditions of non-process control on the supply and demand sides and the time scale of annual water dispatching scheme，so as to realize the rapid solution of optimization problem，avoid the extreme water shortage at the water inlet，and meet the water demand to the greatest extent.

Key words：

inter-basin water diversion project；annual water scheduling model；hybrid optimization algorithm