基于HHO的跨流域調水工程受水區水資源優化配置研究

關鍵詞： 黃水東調工程；引黃濟青工程；膠東調水工程；水資源優化配置；哈里斯鷹優化算法

中圖法分類號： TV213.9 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-2324（2024）02-0270-09

山東省黃水東調工程、引黃濟青工程和膠東調水工程構成膠東地區骨干調水工程，實現了將黃河水和長江水等客水資源調引至膠東地區的濰坊市、青島市、煙臺市和威海市。膠東地區水資源稟賦條件欠佳，人均水資源量少，時空分布不均，水資源量與社會經濟發展不相匹配，是山東省水資源供需矛盾最為突出的地區［1］，調水工程的實施顯著緩解了該地區水資源緊缺的局面。為實現調水工程效益最大化，保障受水區調水量供給，調水工程從水源的調引總水量及各分水口門的供水量是關鍵，而這是與受水區缺水量、泵站抽水能力、渠道和管道輸水能力及分水口設計流量等相關的復雜水資源配置問題。因此，為提高三個調水工程調水效率和效益，降低受水區缺水量，亟需開展膠東地區跨流域調水工程水資源優化配置研究。

目前，國內外學者已就此問題開展了大量研究。例如，Matete 等［2］在構建跨流域調水工程分析框架的基礎上，評估了萊索托高原調水工程對萊索托及南非的影響。Nikoo 等［3］提出了一種基于區間優化和博弈論的跨流域調水系統優化調度新方法。游進軍等［4］以南水北調東線工程為例，建立了從配置到調度的耦合模擬模型。劉殷竹［5］針對復雜的河渠湖庫調水網絡，建立了模擬與優化相結合的水量水質聯合調控模型，將調度模型與實時水情、水質信息相結合，實現科學化水資源調控。馬永勝［6］以陜西省引漢濟渭與引嘉入漢調水工程為研究對象，通過構建跨流域水資源閉合管理模型，確定了調-供-配一體化運行模式。針對山東省膠東地區調水工程水資源配置，楊靜靈等［1］和王興菊等［7］以膠東調水工程受水區缺水量最小為調度目標構建了水資源優化調度模型；邱婷［8］建立了引黃濟青工程水動力模型分析輸水效率，以此為基礎利用RiverWare 軟件計算出不同輸水效率下的渠道輸配水優化方案；王好芳等［9］探討了供水優先和供水均衡兩種模式下的水資源調度方案。

目前，對山東省調水工程水資源配置的已有研究，僅限于引黃濟青工程和膠東調水工程，欠缺考慮黃水東調工程，且均是針對單一工程的考慮，而兼顧考慮三個調水工程的水資源配置研究是發揮調水工程綜合效率和效益的關鍵。本文以膠東受水區四市綜合缺水率最小和調水工程經濟效益最大為目標，構建了三個調水工程月尺度水資源優化配置模型，采用哈里斯鷹優化算法求解出現狀和規劃水平年50%、75%和95%頻率下各分水口門黃河水和長江水的供水量，為山東省膠東地區調水工程的調度決策提供理論基礎和技術支撐。

1 工程概況及數據資料

1.1 工程概況

引黃濟青工程自濱州市博興縣打漁張閘引黃河水，沿途經四級泵站提水入青島市棘洪灘水庫調蓄。2015年改擴建，與膠東調水工程共同實現引江和引黃雙水源向膠東四市調水。設計引黃時間為11月11 日～次年1月20日，引江時間為1月21日～5月31日和10月1日～11月10日。膠東調水工程作為南水北調東線工程的一部分，設計水源是長江水，工程利用現有引黃濟青工程輸水至濰坊市宋莊鎮，經宋莊分水閘分水至青島、煙臺及威海市。黃水東調工程2019 年通水，自東營市曹店、麻灣引黃泵站提引黃河水至廣南水庫，經由濰北第二平原水庫調蓄后輸水至宋莊分水閘，之后由膠東調水工程及新建的宋莊東延工程（宋莊出口敷設管道與青島市供水管網相連）供水，設計引水時間為1～5月和10～12月。該工程從引黃閘的設計引水量為4.52×108 m³，由于輸水渠道和廣南水庫調蓄的水量損失，自廣南水庫設計出水量為3.15×108 m³。三個調水工程路線及沿途主要的16個分水口門見圖1，可見濰坊市、青島市、煙臺市和威海市分別有6、2、7 和1 個分水口門。

1.2 數據資料

調水工程各渠道和管道輸水能力、泵站抽水能力及各分水口設計流量等數據參考調水工程的設計報告等。調水工程供給各市縣分水口門的運行費和計量水價參考《關于明確膠東調水和黃水東調工程調引黃河水長江水價格的通知》（魯發改價格〔2020〕1426 號）。根據《山東省用水總量控制管理辦法》和《山東省水資源綜合利用中長期規劃》等，膠東四市近期和遠期調水指標見表1。

2 多工程多水源多區域多目標水資源配置模型的構建及求解

④計算E，若|E|gt;1，采用探索階段更新種群，否則采用開發階段更新種群。由式（10）～式（12）計算每個個體的適應度并與獵物的適應度比較，若前者優于后者，則以前者作為新的獵物位置。

⑤令k=k+1，若迭代次數k≤Num，則進入第④步繼續迭代計算，否則結束迭代，輸出最優解個體。

3 水資源優化配置結果分析

3.1 膠東四市水資源供需平衡分析

現狀水平年宜選取最近年份，并考慮水文情勢及社會經濟等的資料條件，2021年具有完整的實際供用水及社會經濟資料，故以此作為現狀水平年。參考《山東省水資源綜合利用中長期規劃》及《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》，選擇2025 和2035 年為規劃水平年。通過供、需水預測計算出不考慮外調水情況下四市在50%、75%和95%頻率時的水資源供需平衡結果，見表3。由表3 可見，同一城市同一頻率，隨著水平年的增大，需水量和當地可供水量均呈增大趨勢；同一水平年同一城市，隨著頻率的增大，缺水量呈增大趨勢；現狀和規劃水平年四市均缺水，青島市缺水量最大，威海市缺水量最小。

3.2 受水區供水優先級別的計算

統計四市2021 年供水優先級別指標數值見表4。在采用多目標模糊優選模型求解供水優先級別時，為減少人為因素影響，設置9個指標為等權重，計算出濰坊市、青島市、煙臺市和威海市的供水優先級別分別為0.173、0.418、0.292和0.118。

3.3 調水方案對比分析

參考文獻［12-13］及工程實際情況，確定HHO 的初始參數D=3×16×12，即調水工程個數3 個×分水口門個數16 個×月份數12 個月，N=100，Num=10⁴。為給決策者提供不同目標側重情景的調水方案，設置了3 種不同目標協調機制，即在式（12）中，θ₁=0.2 和θ₂=0.8（以調水工程經濟效益最大為主導），θ₁=θ₂=0.5（兩個目標均衡），θ₁=0.8 和θ₂=0.2（以各市綜合缺水率最小為主導），采用HHO計算水資源優化配置方案，結果見表5～7，表中①、②、③分別對應θ₁=0.2、θ₂=0.8，θ₁=θ₂=0.5及θ₁=0.8、θ₂=0.2。

根據表5～7及各情景下的調水方案可知：

（1）當各調水工程供水量小于調水量上限時，經濟效益目標越大，具有較高計量水價分水口的供水量就越大，這也是在其他情況相同時，隨著經濟效益目標權重增大，經濟效益逐漸增大的原因。

（2）同一水平年同一頻率下，3 種目標協調機制下三個調水工程的供水量和總供水量相同，但是向四市分配的水量有差異。由于青島市和煙臺市的供水優先級別位于前兩位，故兩市的供水量在3 個不同目標權重時是相同的。濰坊市和威海市的供水量在3 個不同目標權重時不同，在均缺水的情況下，隨經濟效益目標權重的減小，濰坊市供水量增大，威海市供水量減小。這是由于威海市分水口具有較高的計量水價，為實現經濟效益最大化，威海市供水量就會增大。

（3）以實際供水量與最大供水量之比作為調水工程利用程度，由此分析調水工程的利用效率。在2021 年各頻率和2025 年75%和95%頻率時，由于各市缺水量大于調水量上限，因此三個調水工程供水量均達到調水指標。2025 年50%頻率時，由于濰坊市和威海市缺水量小于調水量上限，兩市不缺水，青島市和煙臺市缺水量大于調水量上限，兩市缺水。黃水東調工程調水量達到調水指標，引黃濟青工程和膠東調水工程調水量均小于調水指標，工程利用程度分別為61.0%和87.2%，前者小于后者。2035 年50%和75%頻率時，各市缺水量均小于調水上限，均不缺水，50%頻率時三個工程的利用程度分別為54.7%、45.8% 和37.5%，75% 頻率時分別為100%、100%和94.0%。2035 年95%頻率時，除青島市外，其他城市均缺水，三個工程的利用程度分別為100%、100%和95.7%。可見，黃水東調工程利用程度最高。

（4）濰坊市、青島市、煙臺市和威海市的缺水量分別比不考慮外調水時減小了0.91×10⁸～5.00×10⁸ m³、2.63×10⁸～9.13×108 m³、0.62×10⁸～3.43×10⁸ m³和0.46×10⁸～1.48×10⁸ m³。由此可見，四市缺水量均大幅減小。

4討論

山東省膠東地區跨流域調水工程水資源配置的已有研究中，楊靜靈等［1］和王興菊等［7］的研究早于黃水東調工程建成通水，構建的水資源優化配置模型僅以受水區缺水量最小為目標，與本文相比，未考慮黃水東調與膠東調水工程的聯合調配，同時忽略了調水工程經濟效益對調水方案的影響。王好芳等［9］以膠東四市缺水量最小為目標，重點計算了供水優先和供水均衡兩種模式下枯水年和特枯年情景下膠東調水工程的水資源優化配置方案，與本文相比，欠缺考慮平水年情形下的調水方案且難以實現調水工程經濟效益最大化。邱婷［8］在分析引黃濟青工程輸水效率的基礎上，以降低受水區缺水率和減少輸水損失量為目標，計算了不同輸水效率下的渠道輸配水優化方案，與本文相比增加考慮了輸水損失。綜上，已有研究多針對單一調水工程，主要以受水區缺水量最小為目標，而目前在黃水東調、引黃濟青和膠東調水工程聯合調水的形勢下，本文從受水區缺水量最小和調水工程經濟效益最大化兩個角度出發，提出考慮三個調水工程的水資源優化配置模型，為多調水工程受水區水資源優化配置提供了一定的參考和依據。

5結論

本文構建了跨流域調水工程受水區水資源優化配置模型，采用HHO求解出不同水平年不同頻率下膠東地區16 個分水口門的調水方案，得出如下結論：

（1）通過調引外調水，受水區四市的缺水量大幅度減小，有效緩解了受水區水資源緊缺問題。

（2）在3 種不同目標協調機制下，各調水工程向分水口門的調水量存在差異，當調水工程經濟效益目標權重越大時，高計量水價分水口門的供水量就越多。

（3）從三個調水工程利用情況來看，黃水東調工程2035 年50% 頻率時工程利用程度為54.7%，引黃濟青工程2025 年50% 頻率時為61.0%、2035 年50%頻率時為45.8%，膠東調水工程2025 年50%頻率時為87.2%、2035 年為37.5%（50%頻率）、94.0%（75%頻率）、95.7%（95%頻率），其他情況均為100%。綜上，黃水東調工程利用程度最高，其次是引黃濟青工程和膠東調水工程。

（4）通過對調水方案的分析可知，HHO計算的結果是合理可行的。后續應與其他優化算法計算的調度方案對比分析，以進一步驗證HHO的適用性。