雙水源聯合調度方案水頭壓力安全性分析

摘 要：本文以雙水源聯合調度方案的水頭壓力安全性分析為主題，通過構建評價指標體系、權重確定、模糊綜合評價和結果分析對雙水源聯合調度方案的水頭壓力安全性進行全面評估。研究結果表明，調度過程中的最大水頭壓力和地下水源水頭壓力穩定性是影響水頭壓力安全性的關鍵因素。在評價中，方案2表現較突出，具有較高的安全性。通過研究，可以為實際工程提供有效的決策支持，確保水利設施的安全運行和地下水資源的可持續利用。

關鍵詞：雙水源聯合調度；水頭壓力安全性；模糊綜合評價；安全性分析

中圖分類號：TV 213 文獻標志碼：A

水資源的高效利用和優化配置成為當前水資源管理的重要研究課題[1]。在此背景下，雙水源聯合調度作為一種提高水資源利用效率的有效手段，在水資源管理中發揮越來越重要的作用。然而，雙水源聯合調度過程中，水頭壓力的安全性成為制約調度效果的關鍵因素[2]。因此，研究雙水源聯合調度方案的水頭壓力安全性，對保障水利工程的安全運行具有重要意義。

學者們從不同角度對水源聯合調度方案安全性分析進行深入研究和探索。儲德義等[3]提出多水源、多用戶、多控制要素下的動態蓄引技術和不同組合條件下的聯合配置方案。陳香朋[4]提出各水源工程的聯合優化調度方案，便于在灌區建設與管理運行中參考，使灌區水資源得到合理優化配置。陳紅光等[5]以開采地下水量最小為目標建立多水源聯合調度模型，確定滿足不同約束條件的灌區多水源聯合調度方案。

本文旨在結合工程實際，運用模型評價等理論方法，對雙水源聯合調度方案的水頭壓力安全性進行分析，揭示雙水源聯合調度過程中水頭壓力的變化規律，為制定合理的水源調度方案提供依據。

1 水源調度方案

針對赤壁市雙水源聯合調度進行設計，提出以下雙水源聯合調度方案。

方案一：基于長江水源和陸水水源的互補特性，確保城區供水安全與穩定。長江水源地位于城區北部，設計日供水量為10萬t，陸水水源地位于城區南部，設計日供水量為14萬t。當現狀總需水量為12萬t時，長江水源承擔城區1/3的供水任務，即日供水量為4萬t，陸水水源則提供剩余的2/3，即日供水量為8萬t。供水分界線為老國道——金雞山路沿線，以北為長江水，以南為陸水水。長江水水壓43m，陸水水壓21m，最不利點距高鐵站24m。

方案二：當現狀總需水量為12萬t時，長江水擴大供水范圍，盡可能供新區大范圍用戶。通過加大長江水供水壓力來實現。供水量保持不變，長江水日供水量為4萬t，陸水水源供水量為8萬t。此時，供水分界線為河北大道——銀輪大道沿線，以北為長江水供水，長江水供水范圍擴大。長江水水壓47m，陸水水壓21m，最不利點距高鐵站26m。

2 雙水源聯合調度方案水頭壓力安全性評價體系構建

當構建雙水源聯合調度方案水頭壓力安全性評價體系時，遵循構建原則：確保指標的系統性，即指標應全面覆蓋影響水頭壓力安全性的各個因素；強調指標的可操作性，確保所選指標能夠通過實際數據或專業評估進行量化；注重指標的科學性，指標應基于《水資源調度管理辦法》等相關規范和專業知識；保證指標的獨立性，避免指標間的相互重疊，確保評價結果的準確性。為進一步優化評價指標，邀請行業內的資深專家進行訪談，對初步指標進行了篩選和調整，最終確定評價指標。1）地表水源來水保證率。反映地表水源的可靠性和穩定性，對保障雙水源聯合調度方案的水頭壓力安全性具有重要意義。2）地下水源可持續開采率。衡量地下水源的開采潛力，對評估地下水源的長期供應能力至關重要。3）地表水源水頭壓力波動范圍。體現地表水源水頭壓力的變化情況，波動范圍越小，表明水頭壓力越穩定，安全性越高。4）地下水源水頭壓力穩定性。反映地下水源水頭壓力的穩定程度，穩定性越高，水頭壓力安全性越好。5）調度過程中的最大水頭壓力。關注調度過程中可能出現的最大水頭壓力，對預防因水頭壓力過大導致的工程風險具有指導意義。

3 模型配置

3.1 CRITIC法確定權重

為客觀確定評價指標的權重，引入CRITIC法對雙水源聯合調度方案的水頭壓力安全性指標進行權重確定，根據水源調度方案中提出的2種調度方案，收集相關的數據，包括地表水源來水保證率、地下水源可持續開采率、地表水源水頭壓力波動范圍、地下水源水頭壓力穩定性以及調度過程中的最大水頭壓力等。CRITIC法是一種基于指標對比和指標間相關性的權重確定方法。它考慮指標變異性（標準差）和指標間的沖突性（相關系數），從而為每個指標賦予合理的權重。具體計算步驟如下。

3.1.1 對各指標進行標準化處理

由于水源調度方案中提到的指標涉及不同的單位和量級，因此需要消除不同指標量綱的影響。標準化公式如公式（1）所示。

（1）

式中：x' ij為標準化后的指標值；i為實際值；j為樣本值；xij為第j個樣本的第i個指標的實際值；min（xij）和max（xij）分別為第j個樣本的第i個指標的的最小值和最大值。

3.1.2 計算標準差

計算每個指標的標準差，反映水源調度方案中不同水源的特性，以衡量指標的變異性，如公式（2）所示。

（2）

式中：σj為第i個指標的標準差；n為樣本數量；x\" i為第i個指標的標準化平均值；x' ij為標準化后的指標值。

3.1.3 計算相關系數矩陣

構建相關系數矩陣（公式（3）），以衡量指標間的沖突性，有助于理解水源調度方案中不同水源間的相互作用。

（3）

式中：rij為第i個指標的第j個相關系數；σi為第i個指標的標準差；σj為j個指標的標準差；n為樣本數量；x\" i為第i個指標的標準化平均值；xj\"為第j個指標的標準化平均值。

3.1.4 計算指標的沖突性

每個指標的沖突性可以通過其與其他指標相關系數的乘積來衡量，如公式（4）所示。

（4）

式中：Ci為第i個指標的沖突性；rij為第i個指標與第j個指標的相關系數；m為指標的總數。

3.1.5 計算權重

根據標準差和沖突性計算每個指標的權重（公式（5）），這些權重將直接應用于2個水源調度方案中，以評估它們的水頭壓力安全性。

（5）

式中：wi為第i個指標的權重；σi為第i個指標的標準差；Ci為第i個指標的沖突性；m為指標的總數。

3.2 模糊綜合評價法確定方案得分

為處理評價過程中的不確定性和模糊性，采用模糊綜合評價法對雙水源聯合調度方案的水頭壓力安全性指標進行打分。模糊綜合評價法是一種基于模糊集合理論的評價方法，它通過構建模糊評價矩陣和模糊算子，將定性評價轉化為定量評價，從而對多指標系統進行綜合評價。具體計算步驟如下。

3.2.1 建立評價指標集

確定評價指標集U，它包括所有影響水頭壓力安全性的指標。評價指標集U如公式（6）所示。

U={U1，U2，...，Um} （6）

式中：Ui為第i個評價指標，i=1，2，…，m。

3.2.2 確定評價等級

評價等級如公式（7）所示。

V={V1，V2，...，Vn} （7）

式中：Vj為第j個評價等級，j=1，2，…，n。

3.2.3 構建模糊評價矩陣

通過專家評分或其他方法構建模糊評價矩陣R，如公式（8）所示。

（8）

式中：rmn為第m個評價指標對應第n個評價等級的隸屬度。

3.2.4 模糊合成運算

將CRITIC法確定的權重W應用于模糊評價矩陣R，從而得到每個方案的綜合評價值S。這一步驟將水源調度方案與雙水源聯合調度方案水頭壓力安全性評價體系構建中的定性評價轉化為定量評價，為決策提供依據，如公式（9）所示。

S=max（W×R） （9）

式中：S為最終評價值；W為CRITIC法確定的權重；R為模糊評價矩陣。

4 數據分析

4.1 權重計算

根據公式（1）～公式（5）確定方案的權重，具體計算步驟如下。

4.1.1 數據標準化

數據標準化如公式（10）所示。

（10）

重復計算步驟可以得到整體標準化數據，見表1。

4.1.2 計算標準差

根據表1以及公式（2）計算標準差，如公式（11）所示。

（11）

4.1.3 計算相關系數矩陣

根據公式（3）計算相關系數矩陣，如公式（12）所示。

（12）

所得最終結果見表2。

4.1.4 計算指標沖突性

根據公式（4）以及表2計算指標沖突性，如公式（13）所示。

（13）

4.1.5 計算權重

根據公式（5）計算權重，如公式（14）所示。

（14）

最終，匯總各個指標權重，見表3。

4.2 評價計算

根據公式（6）～公式（9）計算2種方案的最終評價得分。其中，根據公式（6）～公式（7）構建模糊評價矩陣。

根據公式（8），邀請專家構建模糊評價矩陣，如公式（15）所示。

（15）

根據公式（9）計算最終評價得分，見表4。

以方案1為例：

B1=W×R={0.36×0.15…0.46×0.29}=0.21，B2=0.28

S1=max{b1}=0.24，S2=max{b2}=0.28

4.3 結果分析

從權重結果可以看出，調度過程中的最大水頭壓力的安全性評價權重系數最高，為0.29，而地下水源水頭壓力穩定性次之，權重系數為0.24。調度過程中的最大水頭壓力在評價中占據較高權重，這主要是因為水頭壓力過大可能導致水利設施損壞、地下水位下降等安全問題?？梢酝ㄟ^優化調度策略、合理配置水源比例、加強設備維護和監控等方式，確保水頭壓力始終處于可控范圍內。地下水源水頭壓力穩定性權重系數較高，這表明地下水源的水頭壓力穩定性對雙水源聯合調度方案的安全性具有重要影響。穩定的地下水源水頭壓力有利于維持地下水資源的可持續利用，降低地下水位下降的風險?？梢约訌姷叵滤吹谋O測和預警系統，及時發現并處理地下水位異常變化；合理規劃地下水源的開發利用，避免過度開采導致地下水位下降；采取措施提高地下水源的補給能力，例如實施人工增雨、水源涵養等。

評價結果顯示，方案2的評價得分最高，達到0.28。這表明在各個評價指標上，方案2表現較突出，具有較高的安全性，為實際工程中選擇合適的調度方案提供有力依據。然而，為確保供水安全，還需要對方案2進行進一步的優化和調整，例如提高地下水源的穩定性、降低調度過程中的最大水頭壓力等。

通過對方案2的細化綜合分析，可以發現以下5個方面的優勢。1）地表水源來水保證率。方案2的地表水源來水保證率為0.75，這意味在供水過程中，地表水源能夠穩定提供一定比例的水量，從而保證供水系統的穩定運行。這對控制水頭壓力至關重要，穩定的水源供應有助于保持水頭壓力的穩定，避免因水源供應不足導致壓力波動。2）地下水源可持續開采率。方案2的地下水源可持續開采率為0.85，表明地下水源具有較大的開采潛力。這意味在供水過程中，地下水源可以提供相對穩定的水源，有利于地下水資源的合理利用。同時，較高的可持續開采率也有助于降低地下水位下降的風險，從而保障地下水資源的可持續利用。3）地表水源水頭壓力波動范圍。方案2的地表水源水頭壓力波動范圍較小，為0.45m。這有助于減少水頭壓力的波動，提高水頭壓力的穩定性。穩定的水頭壓力有利于保障供水系統的安全運行，降低因壓力波動導致的供水設施損壞風險。4）地下水源水頭壓力穩定性。方案2的地下水源水頭壓力穩定性較高，為0.65m。這有利于維持地下水資源的可持續利用，降低地下水位下降的風險。穩定的地下水源水頭壓力有助于保障地下水資源的穩定供應，滿足供水需求。5）調度過程中的最大水頭壓力。方案2在調度過程中的最大水頭壓力為0.65m，處于安全范圍內。這有利于保證水利設施的安全運行，避免因壓力過大而導致設施損壞。同時，安全范圍內的最大水頭壓力也有助于保證供水系統的穩定運行，提高供水安全性。

5 結語

本文采用模糊綜合評價法對雙水源聯合調度方案的水頭壓力安全性進行分析，得出以下結論。1）構建的評價指標體系涵蓋影響水頭壓力安全性的關鍵因素，能夠全面反映雙水源聯合調度方案的安全性。2）對評價指標進行篩選和優化，確保了評價體系與實際工程需求緊密對接。同時，采用模糊綜合評價法能夠處理評價過程中的不確定性和模糊性，使評價結果更具實際意義。3）評價結果與實際方案的選擇一致表明該評價方法進行評價所得的結果與實際相符，在后續相似方案的決策上可作為參考。

參考文獻

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[5]陳紅光，李晨洋，李曉丹.基于風險分析的三江平原灌區多水源聯合調度方案優化決策研究[J].水土保持研究，2013，20（4）：273-276，281.