鄧海燕，張立國，袁堂龍

(1.山東省水利勘測設(shè)計院有限公司，山東 濟(jì)南 250013；2.濟(jì)南市排水服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250013)

某些流域由于地域的水文特點，僅靠挖掘本流域內(nèi)水資源潛力無法完全解決當(dāng)?shù)厮Y源短缺問題，跨流域引水工程已成為重新分配水資源、緩解缺水地區(qū)供需矛盾的重要途徑[1]，如南水北調(diào)工程連接了我國四大江河，構(gòu)成以“三橫四縱”為主體的中國水資源網(wǎng)絡(luò)布局，整體上提升了我國北方地區(qū)的水資源承載能力[2]。隨著河庫水系連通的興建，引調(diào)水聯(lián)合興利調(diào)度的復(fù)雜性逐漸顯現(xiàn)。很多學(xué)者針對優(yōu)化調(diào)度的問題進(jìn)行了相關(guān)研究，如胡曉松[3]將APSO-BP算法用于水庫生態(tài)優(yōu)化調(diào)度研究，生態(tài)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果明顯好于傳統(tǒng)粒子群優(yōu)化算法；馬雅麗[4]使用POA算法對漢江流域的梯級水庫群進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，并取得了較好的成果；官云飛[5]將基于權(quán)重的投影尋蹤模型對非劣方案集進(jìn)行多屬性決策應(yīng)用于汀江流域棉花灘-青溪梯級水庫；吳萌[6]采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的方式對流域內(nèi)規(guī)劃山區(qū)水庫與已建平原水庫之間的優(yōu)化調(diào)度方案進(jìn)行綜合比選以實現(xiàn)水資源的高效利用；肖美艷[7]構(gòu)建了梯級水庫多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度MDIP-VIKOR模型，能夠在提高梯級水庫綜合效益和不降低防洪標(biāo)準(zhǔn)的條件下優(yōu)選出最佳的調(diào)度方案。

對于受水水庫，在調(diào)度過程中既要充分滿足目標(biāo)用水戶需求，又要考慮引調(diào)水成本及減少水資源浪費，這就需要進(jìn)行優(yōu)化興利調(diào)度研究，其中受水水庫的優(yōu)化調(diào)水水位則是優(yōu)化聯(lián)合興利調(diào)度中的關(guān)鍵，在復(fù)雜的水文條件下，何時調(diào)水，調(diào)多少水等都影響著河庫連通工程聯(lián)合運行成本以及用水戶用水需求滿足程度。本文以山東省威海市河庫水系連通工程(黃壘河地下水庫—母豬河地下水庫—米山水庫連通)為例，通過對連通工程聯(lián)合興利調(diào)算，在滿足目標(biāo)用水戶需求情況下，對受水水庫最優(yōu)調(diào)水水位進(jìn)行了分析。

1 工程概況

威海市河庫水系連通工程(黃壘河地下水庫—母豬河地下水庫—米山水庫連通)是通過泵站和管道工程將黃壘河地下水庫和母豬河地下水庫的水調(diào)入米山水庫，增加水資源利用量。工程調(diào)出區(qū)為威海市文登區(qū)、南海新區(qū)，調(diào)入?yún)^(qū)及受益區(qū)為威海市區(qū)、南海新區(qū)及文登區(qū)[8]。其中米山水庫水源還有長江和黃河水。

2 河庫連通工程聯(lián)合興利調(diào)度分析

2.1 聯(lián)合興利調(diào)度方式

根據(jù)大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)原理[9]，將威海市河庫連通工程水資源系統(tǒng)分解為調(diào)出區(qū)黃壘河、母豬河流域以及調(diào)入?yún)^(qū)米山水庫流域。水庫群聯(lián)合興利調(diào)度的原則為：調(diào)入?yún)^(qū)米山水庫在調(diào)蓄本流域來水后無棄水，調(diào)出區(qū)流域在滿足自身流域用水戶用水要求后仍有余水，二者同時滿足的情況下實施跨流域調(diào)水，具體調(diào)度方式如下。

(1)調(diào)出區(qū)流域

為保證調(diào)出區(qū)流域下游河道基本生態(tài)及其他用戶的用水要求，黃壘河地下水庫及母豬河地下水庫滿足下游河道生態(tài)及其他用戶用水后仍有富余水，方可進(jìn)行調(diào)水，否則不調(diào)水。若某調(diào)算時段有水可調(diào)出，但是米山水庫不需要或不能完全調(diào)蓄該水量時，則不調(diào)水。

(2)米山水庫

米山水庫在調(diào)蓄本流域來水后無棄水，且黃壘河及母豬河流域有水可調(diào)出時，則實施跨流域調(diào)水。

(3)供水源調(diào)度次序

首先調(diào)用母豬河地下水庫富余水，其次調(diào)用黃壘河地下水庫水，不足時再由長江水及黃河水適時補給。

2.2 聯(lián)合興利調(diào)度分析方法及參數(shù)

2.2.1調(diào)算方法

根據(jù)調(diào)出水源、米山水庫自身流域來水，采用長系列變動時歷法進(jìn)行調(diào)算，在滿足米山水庫用戶規(guī)劃用水量的前提下，最終確定最優(yōu)調(diào)水水位。調(diào)算時，水庫初始起調(diào)水位為死水位19.7m，死庫容507萬m3，調(diào)算后用最后一年的年末庫容替代起調(diào)庫容再進(jìn)行調(diào)算，直到起調(diào)庫容與最后年末庫容一致。調(diào)算中最高水位采用興利水位控制，超過該水位則棄水。米山水庫增容工程實施后，興利水位為30.0m，興利庫容為14390萬m3。

2.2.2徑流量

(1)地下水庫及米山水庫入庫徑流

黃壘河地下水庫、母豬河地下水庫及米山水庫—母豬河地下水庫區(qū)間多年平均入庫徑流量分別為15102萬、9700萬、6326萬m3。米山水庫現(xiàn)狀工程條件下自身流域多年平均來水量為10981萬m3。其中除7—9月份外其余月份均調(diào)用地下水，根據(jù)設(shè)計報告，黃壘河及母豬河地下水庫可利用地下水水量分別為1893萬、745萬m3[10-11]。

(2)外調(diào)長江、黃河水

根據(jù)南水北調(diào)一期工程及膠東調(diào)水工程等相關(guān)工程，引黃、引江可利用量分別為4160萬(此數(shù)為入米山水庫量，指標(biāo)為5200萬m3)、5000萬m3，調(diào)水時間為253天。

2.2.3調(diào)出區(qū)流域及受水水庫用戶

黃壘河地下水庫及母豬河地下水庫除需滿足下游河道基本生態(tài)需水量外無其它用水戶，實施跨流域調(diào)水工程，首先必須保證調(diào)出區(qū)流域下游河道基本生態(tài)需水要求。

米山水庫用戶為城市供水及生態(tài)。2019年米山水庫向威海市區(qū)及文登區(qū)供水量已達(dá)到9970萬m3(合28萬m3/d)，隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展及南海新區(qū)建設(shè)，威海市區(qū)、南海新區(qū)及文登區(qū)水資源供需矛盾突出，根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，并根據(jù)上述項目區(qū)城市需水預(yù)測成果，設(shè)計水平年城市需水量為19815萬m3，除米山水庫及其外調(diào)水源外，其它城市水源地可供水量為3510萬m3，則需米山水庫(含外調(diào)水源)供水16305萬m3(約合45萬m3/d)。

3 優(yōu)化聯(lián)合調(diào)度受水區(qū)調(diào)水水位研究

對米山水庫來說，調(diào)入水量多，則城市供水能力大，但是水庫棄水量也多；調(diào)入水量少，水庫棄水量少，但是城市供水能力也小。尤其在汛前及汛期，米山水庫水位太高，則會造成汛期調(diào)水不能充分調(diào)蓄，導(dǎo)致棄水；米山水庫水位太低，若后期不來水，水庫用戶需水量就不能充分保證，因此有必要合理分析米山水庫優(yōu)化調(diào)水水位，即當(dāng)米山水庫庫水位低于該水位時則實施調(diào)水；當(dāng)庫水位高于該水位時則不調(diào)，以達(dá)到優(yōu)化調(diào)度減少浪費的目的。

3.1 優(yōu)化調(diào)水水位分析

以95%典型年來分析米山水庫優(yōu)化調(diào)水水位。即假定年底達(dá)到死庫容，在滿足規(guī)劃用戶需水量的前提下，根據(jù)來水情況，以典型年法按水量平衡原理逆時序逐月進(jìn)行調(diào)節(jié)計算，得到米山水庫每月所需要的水位及庫容。按只有自身流域來水和所有水源全部調(diào)入米山水庫兩種情況來分析。

選取1991—1992年為米山水庫95%徑流逐月分配的典型年，黃壘河地下水庫及母豬河地下水庫入米山水庫徑流量按當(dāng)年實際來水考慮。計算過程見表1—2。

表1 米山水庫95%典型年興利調(diào)算成果表(考慮所有水源) 單位：萬m3

據(jù)上述典型年興利調(diào)算分析，在95%頻率來水量情況下，考慮所有水源，米山水庫為滿足規(guī)劃需水量，汛初庫容需達(dá)到2531萬m3(相應(yīng)庫水位為22.97m)，米山水庫可以低水位運行；當(dāng)只有自身流域來水時，假定年底達(dá)到死庫容，在滿足規(guī)劃用戶需水量的前提下，逆時序逐月進(jìn)行調(diào)節(jié)計算汛初水位已超過興利水位，當(dāng)汛初庫水位為興利水位時，年末用水被破壞，為滿足需水量要求，必須發(fā)揮水庫的多年調(diào)節(jié)功能。在不同水源條件下，米山水庫所需運行水位如圖1所示。

經(jīng)計算分析，兩種不同水源條件下，米山水庫汛期庫水位平均值為26.1m，根據(jù)長系列調(diào)算復(fù)核，按此調(diào)水限制水位實施調(diào)水后，不能滿足用水需求及設(shè)計保證率。經(jīng)過試算，當(dāng)調(diào)水限制水位取26.5m時，可滿足用水需求及設(shè)計保證率要求。另外根據(jù)米山水庫徑流分析成果可知該區(qū)域具有明顯的多年連枯連豐特性，據(jù)調(diào)查，米山水庫實際運行過程中已多年沒有過棄水，且米山水庫作為威海市區(qū)、南海新區(qū)及文登區(qū)的主要供水水源，其對威海市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有至關(guān)重要的作用，綜上所述，為保障供水安全且方便調(diào)度，優(yōu)化調(diào)水水位擬定為26.5m，相應(yīng)限制庫容為7300萬m3，即當(dāng)米山水庫水位低于26.5m且有水可調(diào)時則實施調(diào)水；米山水庫水位高于26.5m時，不調(diào)水。

3.2 結(jié)論分析

為論證上述優(yōu)化調(diào)水水位合理性，亦計算了調(diào)水水位為30m的調(diào)水量，即方案一為米山水庫興利水位(汛限水位)30m，方案二為上述初步分析的優(yōu)化調(diào)度水位26.5m。根據(jù)上述調(diào)度方式，針對不同調(diào)水限制水位對米山水庫進(jìn)行長系列興利調(diào)算，得出各水源年調(diào)水量成果及米山水庫棄水量，見表3。

表2 米山水庫95%典型年興利調(diào)算成果表(自身流域來水) 單位：萬m3

根據(jù)表3，在滿足米山水庫規(guī)劃需水量的前提下，當(dāng)米山水庫調(diào)水限制水位為30m時，外調(diào)水源總量為11951萬m3，其中黃壘河及母豬河地下水庫調(diào)水量為3211萬m3，米山水庫棄水量為3034萬m3；

表3 不同水位各水源年調(diào)水量及米山水庫棄水成果表 單位：萬m3

圖1 不同水源條件下米山水庫95%典型年興利調(diào)算庫水位曲線

當(dāng)米山水庫調(diào)水限制水位26.5m時，外調(diào)水源總量為8489萬m3，其中黃壘河及母豬河地下水庫調(diào)水量為2815萬m3，米山水庫棄水量為218萬m3。綜上所述，在達(dá)到同樣的供水目標(biāo)下，調(diào)水量多，則棄水量多；調(diào)水量少，則棄水量少，考慮調(diào)水成本及發(fā)揮效益等因素，經(jīng)綜合分析，確定了米山水庫優(yōu)化調(diào)水水位為26.5m的調(diào)度方案。

4 結(jié)語

水系連通工程可實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)水資源統(tǒng)一調(diào)配，可有效緩解水資源供需矛盾，保證供水安全。通過分析受水水庫優(yōu)化調(diào)水水位，可充分保證目標(biāo)用水戶的用水需求，又可避免其它流域水資源被調(diào)入米山水庫后遇到豐水年份時被棄掉、造成水資源浪費，節(jié)省調(diào)水成本，實現(xiàn)河庫連通工程經(jīng)濟(jì)效益最大化，為工程優(yōu)化興利調(diào)度研究提供技術(shù)支撐。下一步需重點研究實施調(diào)度階段考慮降雨預(yù)報信息的跨流域水庫群聯(lián)合優(yōu)化興利調(diào)度問題。