彭安幫 牛凱杰 胡慶芳 王銀堂 張蕊 蔣文航

摘要：針對(duì)流域水資源系統(tǒng)中以“面”為主的多水源配置和以“線-點(diǎn)”為主的水庫群調(diào)度耦合問題，提出多水源配置與水庫群優(yōu)化調(diào)度相耦合的二層結(jié)構(gòu)方法。以永定河流域?yàn)檠芯繉?shí)例，提出包括供水規(guī)則、引水規(guī)則、多水源供水策略以及共同供水任務(wù)分配策略的多水源配置與調(diào)度規(guī)則，以此建立多水源配置與水庫群優(yōu)化調(diào)度模型，分析多水源供水和不同需水情景下的調(diào)度方案，以及最優(yōu)方案下的供水效益。結(jié)果表明：永定河流域考慮本地水、引黃水、南水北調(diào)水和再生水的多水源供水與節(jié)水相結(jié)合的情景方案為最優(yōu)方案，生活用水保證率均大于99%，工業(yè)用水保證率均大于97%，灌溉分區(qū)供水保證率為76.7%～90.2%（除桑干河上游外），三家店斷面生態(tài)供水保證率為96.3%;通過多水源供水和節(jié)水策略，可以極大地改善用水戶的供水效益和保障三家店斷面生態(tài)水量需求。本文方法可為流域多水源配置與水庫群優(yōu)化調(diào)度研究提供借鑒。

關(guān)鍵字：多水源配置;水庫群優(yōu)化調(diào)度;二層結(jié)構(gòu)方法;供水效益;永定河流域

中圖分類號(hào)：TV213.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-6791（2023）03-0418-13

收稿日期：2023-02-15;

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023-05-31

網(wǎng)絡(luò)出版地址：https：∥kns.cnki.net/kcms2/detail/32.1309.P.20230530.1507.002.html

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52279019）;北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目（課題）（Z191100006919002）

作者簡介：彭安幫（1985—），男，湖北十堰人，高級(jí)工程師，博士，主要從事流域水資源配置與調(diào)度研究。

E-mail：pengfei110ab@126.com

通信作者：牛凱杰，E-mail：nkj3596@163.com

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的日益重視，生活、生產(chǎn)、生態(tài)等水資源開發(fā)利用的需求不斷增加，水資源供需矛盾逐漸加?。?］。水資源調(diào)控是實(shí)現(xiàn)水資源合理利用、緩解水資源短缺矛盾的重要手段，一般包括水資源配置和水利工程調(diào)度2個(gè)階段。從1980年以來，水資源配置研究在理念上經(jīng)歷了以需定供、與宏觀經(jīng)濟(jì)結(jié)合、面向生態(tài)、量質(zhì)一體化等階段［2］，屬于宏觀層面決策;而水利工程是水資源系統(tǒng)中的微觀載體，具有更細(xì)的工程條件、運(yùn)行規(guī)則等限制，在工程運(yùn)行層面進(jìn)行合理調(diào)度，可以反映水資源配置方案的可行性和可操作性，實(shí)現(xiàn)水資源精細(xì)化調(diào)配［3］。同時(shí)，由于將再生水等非常規(guī)水源納入常規(guī)水統(tǒng)一配置，進(jìn)一步加劇了存在本地水、外調(diào)水等多種水源情形下流域水資源配置的復(fù)雜性。因此，迫切需要將流域水資源配置與河道水利工程調(diào)度耦合起來，統(tǒng)一協(xié)調(diào)流域內(nèi)不同水源在不同用水戶之間合理時(shí)空分配，有效降低水資源短缺風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)流域水資源的精細(xì)化調(diào)控［4-5］。

目前，在流域水資源配置方面，所構(gòu)建的模型大多旨在滿足流域生態(tài)需水的前提下實(shí)現(xiàn)水資源利用的公平性和效益最大化。如侯效靈等［6］基于WEAP模型，構(gòu)建考慮南水北調(diào)水下雄安新區(qū)多水源聯(lián)合配置模型，評(píng)估不同方案下的雄安新區(qū)缺水率;李茉等［7］建立了基于水循環(huán)過程的灌區(qū)多水源高效配置多目標(biāo)模型，并獲得灌區(qū)高效配水方案對(duì)徑流-降水聯(lián)合不確定性的響應(yīng)特征;王煜等［8］將南水北調(diào)西線調(diào)入水量與黃河流域水資源統(tǒng)一配置，構(gòu)建了流域用水分級(jí)配置方法和基于流域水資源均衡調(diào)配的西線調(diào)入水量配置模式，保障了黃河河道內(nèi)基本生態(tài)環(huán)境用水，均衡了河道外經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水的公平和效率。在水庫群優(yōu)化調(diào)度方面，模型構(gòu)建中較常采用的為“聚合-分配”方法［9-10］，即將水庫聚合為虛擬水庫，在求解虛擬水庫調(diào)度圖的基礎(chǔ)上，將供水任務(wù)分配到各成員水庫;模型求解中常采用模擬-優(yōu)化相結(jié)合技術(shù)，可以對(duì)水資源系統(tǒng)運(yùn)行過程和不確定性進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果反饋給優(yōu)化模型，給出當(dāng)時(shí)狀況下的最優(yōu)運(yùn)行策略，如此反復(fù)進(jìn)行，直到系統(tǒng)性能最優(yōu)［11-12］。如何中政等［13］以溪洛渡、向家壩、三峽組成的梯級(jí)水庫群為實(shí)例研究對(duì)象，建立了水庫群供水-發(fā)電-環(huán)境聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，分析了多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度各子目標(biāo)的相互作用和影響;李昱等［14］針對(duì)共同供水任務(wù)水量分配問題，使用分水比例法和補(bǔ)償調(diào)節(jié)法2種方法進(jìn)行探討;吳恒卿等［10］建立深圳市聚合水庫的聯(lián)合引水與供水調(diào)度圖，并采用動(dòng)態(tài)分配系數(shù)將境外引水量分配至各成員水庫;Peng等［15］以遼西北北線工程為例，建立了跨流域調(diào)水下的水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，采用模擬-優(yōu)化方法獲得水庫群聯(lián)合調(diào)度規(guī)則;王宗志等［16］引入外調(diào)水和再生水等水源，建立了考慮外調(diào)水供水效率最大的水庫優(yōu)化調(diào)度模型。綜上，在流域多水源配置與水庫群優(yōu)化調(diào)度方面分別取得了不少研究成果，但對(duì)于流域具有地表水、外調(diào)水、地下水、再生水等多水源耦合供水的復(fù)雜水資源系統(tǒng)，很少將以“面”為主的多水源配置和以“線-點(diǎn)”為主的水庫調(diào)度耦合起來統(tǒng)一考慮，難以滿足流域水資源從“宏觀”到“微觀”的精細(xì)化調(diào)配需求。

基于以上分析，本文提出基于二層結(jié)構(gòu)的多水源配置與水庫群優(yōu)化調(diào)度方法，以永定河流域開展實(shí)例研究，制定多水源的調(diào)度規(guī)則，建立流域多水源配置與水庫群優(yōu)化調(diào)度模型，分析多種水源供水和不同需水情景下的調(diào)度方案，以驗(yàn)證模型方法的有效性與實(shí)用性。

1?多水源配置與水庫群優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)建

1.1?二層結(jié)構(gòu)方法

從水資源系統(tǒng)水量平衡關(guān)系來看，水資源系統(tǒng)存在“點(diǎn)、線、面”形式的水平衡關(guān)系?！包c(diǎn)”用來表征系統(tǒng)中各種水源和用水戶的實(shí)體元素，包括水利工程節(jié)點(diǎn)、用水戶節(jié)點(diǎn)、控制斷面和匯水節(jié)點(diǎn)的水平衡關(guān)系;“線”主要為系統(tǒng)中各類輸水線路的水平衡關(guān)系，如流域主河道及其支流、輸水管道、渠道、跨流域調(diào)水線路、再生水補(bǔ)水線路等;“面”用來表征系統(tǒng)中行政分區(qū)或流域分區(qū)上的水平衡關(guān)系。針對(duì)流域復(fù)雜水資源系統(tǒng)，構(gòu)建基于“面”尺度和“線-點(diǎn)”尺度的供水水源及其供用水關(guān)系，通過二層結(jié)構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)水資源的合理調(diào)配。即在“面”尺度上先將不同水源在各用水戶上進(jìn)行合理分配，再在“線-點(diǎn)”尺度上通過水利工程的優(yōu)化調(diào)度實(shí)現(xiàn)河道沿線用水戶和河道內(nèi)生態(tài)用水的精細(xì)化調(diào)度。具體描述如下：

第一層結(jié)構(gòu)為流域多水源配置模型，旨在從“面”尺度上研究多水源與用水戶的供需關(guān)系，重點(diǎn)解決區(qū)域水資源總量分配目標(biāo)和約束條件的制約。水資源總量分配目標(biāo)是指具有權(quán)威性或達(dá)成協(xié)議的區(qū)域水量分配指標(biāo)，如地下水、再生水、外調(diào)水在水資源三級(jí)區(qū)套地級(jí)市規(guī)劃年分配指標(biāo);約束條件受工程條件、水源特性或供用水協(xié)議等限制，以及必須由指定水源滿足特定用戶的配置關(guān)系。第一層結(jié)構(gòu)對(duì)地下水、再生水等非河道內(nèi)用水在“面”尺度上進(jìn)行配置，一般優(yōu)先使用再生水，再生水直接供給流域工業(yè)和河道外生態(tài)用水，地下水供給流域生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)需水;僅余下涉及河道以“線-點(diǎn)”為傳遞關(guān)系的天然來水和外調(diào)水，為水庫群優(yōu)化調(diào)度模型提供邊界入流條件和需水上限。第二層結(jié)構(gòu)為水庫群優(yōu)化調(diào)度模型，旨在解決河道內(nèi)水庫對(duì)不同水源供水的時(shí)空關(guān)系進(jìn)行精細(xì)化調(diào)控的問題，需要明確河道水利工程、不同水源和用水戶之間的拓?fù)潢P(guān)系，合理制定多水源調(diào)度規(guī)則，包括供水規(guī)則、引水規(guī)則、多水源供水策略以及共同供水任務(wù)分配策略等，構(gòu)建水庫群優(yōu)化調(diào)度模型，并采用模擬-優(yōu)化方法求解。流域多水源配置與水庫群優(yōu)化調(diào)度相耦合的二層結(jié)構(gòu)關(guān)系見圖1。

1.2?多水源配置與調(diào)度規(guī)則

1.2.1?多水源供水策略

流域復(fù)雜水資源系統(tǒng)主要有河道天然來水、地下水、再生水、外調(diào)水等多種水源，供給生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)多類用水戶。根據(jù)上述二層結(jié)構(gòu)方法，在第一層結(jié)構(gòu)中，重點(diǎn)考慮以“面”為主的多水源配置，即在“面”尺度上（如水資源三級(jí)區(qū)套地級(jí)市）對(duì)地下水、再生水在不同用水戶間進(jìn)行配置，為第二層結(jié)構(gòu)提供邊界入流條件和需水上限;第二層結(jié)構(gòu)為水庫群優(yōu)化調(diào)度模型，主要供水水源為河道天然來水、再生水和外調(diào)水，通過設(shè)置供水調(diào)度圖、外調(diào)水引水規(guī)則、共同供水任務(wù)分配策略等調(diào)度規(guī)則，實(shí)現(xiàn)整個(gè)水資源系統(tǒng)缺水量最小、成本最低、生態(tài)補(bǔ)償費(fèi)用最少的水資源精細(xì)化調(diào)配目標(biāo)。

1.2.2?水庫供水規(guī)則

針對(duì)水庫存在自身和下游供水任務(wù)，采用供水調(diào)度圖來制定供水決策。供水調(diào)度圖通過供水限制線將水庫分為不同供水區(qū)間，圖2為具有生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)3個(gè)供水任務(wù)的水庫供水調(diào)度圖預(yù)定義形式，其供水限制線將水庫庫容分別劃分為A、B、C、D 4個(gè)供水調(diào)度區(qū)，依次為供水限制區(qū)、生活供水保證區(qū)、工業(yè)供水保證區(qū)以及供水保證區(qū)。在調(diào)度圖使用過程中，根據(jù)水庫時(shí)段初蓄水狀態(tài)處于供水調(diào)度區(qū)的位置進(jìn)行用水戶的供水決策［17-18］。

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1.2.3?外調(diào)水引水規(guī)則

為充分考慮年內(nèi)不同調(diào)度時(shí)段來水與需水特征，采取年內(nèi)不同調(diào)度時(shí)段設(shè)置不同的引水比例系數(shù)來確定外調(diào)水源的調(diào)水決策，即αt（t=1，2，…，L），0≤αt≤1，其中L為年內(nèi)調(diào)度時(shí)段數(shù)，反映補(bǔ)水時(shí)段特征。引水比例系數(shù)（即引水規(guī)則）由模型優(yōu)化計(jì)算獲得［19］。在實(shí)時(shí)引水模擬中，直接采用優(yōu)化引水比例系數(shù)進(jìn)行外調(diào)水時(shí)段引水規(guī)模計(jì)算。

1.2.4?共同供水任務(wù)分配策略

具有水力聯(lián)系的水庫對(duì)共同供水任務(wù)的供水分配有2種情形，其一為同一支流內(nèi)部多個(gè)水庫的水量分配，其二為不同支流上不同水庫的水量分配，由此衍生出3種具有共同供水任務(wù)的水庫群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，即串聯(lián)水庫、并聯(lián)水庫和串并聯(lián)耦合的混聯(lián)水庫，如圖3所示。

1.3.3?模型求解

水庫群調(diào)度參數(shù)主要包括水庫供水調(diào)度線和外調(diào)水引水比例系數(shù)，采用模擬-優(yōu)化方法求解獲得［12］。具體計(jì)算步驟為：① 模擬模塊，根據(jù)水庫調(diào)度規(guī)則，進(jìn)行水庫調(diào)度模擬計(jì)算，獲得各目標(biāo)函數(shù)值;② 優(yōu)化模塊，優(yōu)化算法采用εNSGA-Ⅱ算法，依據(jù)模擬模塊反饋的目標(biāo)函數(shù)值，優(yōu)化調(diào)整調(diào)度參數(shù)，將新生成的調(diào)度參數(shù)反饋給模擬模塊;③ 重復(fù)步驟①—②，直到獲得滿意的調(diào)度參數(shù)和調(diào)度方案。

2?研究實(shí)例與資料分析

2.1?多水源供水系統(tǒng)概化

永定河位于海河流域西北部，包含桑干河和洋河兩大支流，并于張家口市三官屯合并后稱為永定河，流經(jīng)山西省、河北省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、北京市和天津市，全長747 km，流域面積約為4.7萬km2。永定河三家店以上流域?qū)儆谏絽^(qū)，集水面積為4.51萬km2，是流域主要產(chǎn)流區(qū)。通過“點(diǎn)、線、面”關(guān)系對(duì)永定河流域多水源調(diào)配系統(tǒng)中工程節(jié)點(diǎn)、灌區(qū)用水節(jié)點(diǎn)、區(qū)域供用水、斷面生態(tài)水量等拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行概化，見圖4。

流域水資源系統(tǒng)中主要水庫需要滿足水庫灌區(qū)以及朔州市、大同市、烏蘭察布市、張家口市城區(qū)用水;河道灌區(qū)主要通過河道天然來水以及外調(diào)水進(jìn)行供水。流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水除了通過具有水力聯(lián)系的永定河河道供給外，也需要通過對(duì)應(yīng)區(qū)域的地下水、再生水進(jìn)行供給補(bǔ)充。

永定河流域用水戶類型包括生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生態(tài)用水，根據(jù)模型的二層結(jié)構(gòu)衍生出不同用水戶與不同水源供水關(guān)系的雙層結(jié)構(gòu)形式，如圖5所示。對(duì)不同水源而言，非常規(guī)水直接供給流域工業(yè)和河道外生態(tài)用水;地下水供給流域生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和河道外生態(tài)用水;天然來水和引黃水需要通過水庫（群）調(diào)節(jié)來滿足流域河道沿線城鎮(zhèn)生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水;南水北調(diào)水和小紅門再生水對(duì)河道內(nèi)生態(tài)補(bǔ)水起著關(guān)鍵作用。

2.2?配置與調(diào)度資料分析

（1） 流域需水量預(yù)測。根據(jù)流域各行政區(qū)的統(tǒng)計(jì)年鑒、用水定額等資料，對(duì)2035年永定河流域水資源三級(jí)區(qū)套地級(jí)市的生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和河道外生態(tài)需水進(jìn)行預(yù)測，其中農(nóng)業(yè)需水是在滿足P=50%保證率下的需水量?；鶞?zhǔn)方案和節(jié)水方案下流域水資源三級(jí)區(qū)套地級(jí)市2035年需水預(yù)測見表1。

（2） 流域供水量預(yù)測。根據(jù)永定河流域二層結(jié)構(gòu)供水關(guān)系，第一層基于“面”尺度對(duì)區(qū)域內(nèi)的地下水和再生水進(jìn)行配置，2035年水資源三級(jí)區(qū)套地級(jí)市的地下水和再生水可供水量分別依據(jù)政策文件明確的控制指標(biāo)和“海河流域水資源規(guī)劃”資料進(jìn)行預(yù)測，見表1;第二層基于“線-點(diǎn)”尺度對(duì)流域不同分區(qū)的天然來水、小紅門再生水和外調(diào)水優(yōu)化調(diào)配，其中永定河流域不同分區(qū)的天然來水系列（1956—2016年）數(shù)據(jù)通過結(jié)合分布式流域水文模型（GBHM）與深度學(xué)習(xí)模型（CNN-LSTM）的耦合模型模擬獲得，結(jié)果見圖6。

（3） 水庫特征參數(shù)分析。永定河流域主要有大中型水庫5座，其中，東榆林水庫和冊(cè)田水庫為桑干河流域的骨干串聯(lián)水庫，友誼水庫和響水堡水庫為洋河流域的骨干串聯(lián)水庫，官廳水庫為全流域的控制性水庫，與上游各水庫組成混聯(lián)水庫群。在建模過程中，將東榆林和冊(cè)田水庫聚合成“東冊(cè)”水庫，將友誼與響水堡水庫聚合成“友響”水庫。各水庫的主要參數(shù)如表2所示。

（4） 河道水源供水能力分析。河道水源主要包括小紅門再生水工程、萬家寨引黃水工程、南水北調(diào)工程等。其中，小紅門再生水工程位于三家店河道附近，主要用來補(bǔ)充三家店斷面河道內(nèi)生態(tài)需水，補(bǔ)水量為20 m3/d；萬家寨引黃水工程最大補(bǔ)水量為5.6億m3/a，一部分供給山西的朔州、大同等社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水，另一部分通過官廳水庫調(diào)節(jié)以補(bǔ)充下游生態(tài)需水;南水北調(diào)工程補(bǔ)給三家店斷面河道生態(tài)水，最大補(bǔ)水量為1.0億m3/a。

3?結(jié)果與討論

3.1?調(diào)度參數(shù)與方案設(shè)置

3.1.1?調(diào)度參數(shù)分析

永定河流域水庫群優(yōu)化調(diào)度模型的決策變量為時(shí)段“東冊(cè)”、“友響”和官廳水庫供水量，再生水利用量，引黃水與南水北調(diào)中線調(diào)水量。決策時(shí)段以月為單元（即每年有12個(gè)），優(yōu)化變量（即調(diào)度參數(shù)）主要包括：① 調(diào)度圖：“東冊(cè)”水庫生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)3條供水限制線，“友響”水庫農(nóng)業(yè)1條供水限制線和官廳水庫河道外生態(tài)和生態(tài)補(bǔ)水線2條供水限制線，共計(jì)72個(gè);② 引水比例系數(shù)：有引黃水和南水北調(diào)水2種外調(diào)水源，共計(jì)24個(gè);③ 供水分配系數(shù)：分配“東冊(cè)”與“友響”兩側(cè)支以及“東冊(cè)”與“友響”內(nèi)部的共同供水任務(wù)，共計(jì)6個(gè)。可知，模型共有102個(gè)優(yōu)化變量。水庫調(diào)度圖的預(yù)設(shè)控制線見表3。

3.1.2?調(diào)度方案設(shè)置

根據(jù)不同供用水方案組合，共設(shè)置6種調(diào)度方案（表4）。其中，A1—A3和A4—A6分別為在基準(zhǔn)需水和節(jié)水情景下的不同供水組合，A1和A4僅考慮本地水（即天然來水、地下水和非常規(guī)水），A2和A5考慮本地水和50%的引黃水能力，A3和A6綜合考慮本地水、引黃水、南水北調(diào)水和小紅門再生水。

3.2?不同方案的調(diào)度結(jié)果分析

通過模擬-優(yōu)化方法求得不同方案下的Pareto前沿解，再采用層次分析法挑選最優(yōu)解，進(jìn)而模擬獲得不同情景下的調(diào)度方案（表4）。通過對(duì)比基準(zhǔn)方案（即A1—A3）和節(jié)水方案（即A4—A6）的調(diào)度方案發(fā)現(xiàn)，在相同需水條件下，隨著供水水源的類型及供水量的增加，流域缺水量降低，而外調(diào)水供水成本增加;通過對(duì)比A1與A4、A2與A5、A3與A6方案發(fā)現(xiàn)，在相同供水條件下，節(jié)水方案較基準(zhǔn)方案的缺水量小，而供水成本變化較小。因此，實(shí)施“開源節(jié)流”措施可有效降低流域缺水量，但供水成本與引黃水和引南水北調(diào)水等外調(diào)水有關(guān)，隨著外調(diào)水的供水增加，供水成本也相應(yīng)地增大。綜上，A6情景下缺水量最小，且供水成本和生態(tài)補(bǔ)償費(fèi)用較為合理，選為最優(yōu)方案。

表5為不同方案下用水戶的供水保證率結(jié)果。可見，對(duì)于A1—A3基礎(chǔ)方案，隨著供水水源和供水量的增加，供水保證率不斷提高，但即使考慮了引黃水、小紅門再生水、南水北調(diào)水等全部水源的A3方案，“東冊(cè)”工業(yè)、農(nóng)業(yè)和“友響”農(nóng)業(yè)的供水保證率也遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)供水保證率。對(duì)于A4—A6節(jié)水方案，在相同供水條件下流域供水保證率均有較大幅度的提高。只有A6方案可以同時(shí)滿足“東冊(cè)”生活和工業(yè)保證率分別高于95%和90%，“東冊(cè)”和“友響”農(nóng)業(yè)保證率高于75%，河道外生態(tài)和三家店斷面生態(tài)保證率分別高于75%和95%的設(shè)計(jì)供水保證率要求。因此，同樣印證了A6方案最優(yōu)，也反映出在加大節(jié)水力度的同時(shí)提高非常規(guī)水和外調(diào)水水源的利用方式，可以有效地提高供水保證率。

進(jìn)一步分析A6方案下外調(diào)水的實(shí)際引水比例（圖7），發(fā)現(xiàn)引黃水引水比例全年均較大，大部分月份均已達(dá)到或接近滿引狀態(tài)。其中，南水北調(diào)引水量與三家店斷面生態(tài)需水趨勢(shì)變化有關(guān)，在1—6月引水比例相對(duì)較低，在汛期7—9月引水比例相對(duì)較高，在汛期后引水比例系數(shù)下降。

3.3?最優(yōu)方案下供水效益分析

表6為A6最優(yōu)方案下永定河水資源三級(jí)區(qū)套地級(jí)市的供水效益指標(biāo)?？梢?，冊(cè)田水庫以上三級(jí)區(qū)中各行政區(qū)生活缺水率為0～2.1%，工業(yè)缺水率為0～2.6%，河道外生態(tài)缺水率為0～1.5%，供水保證率均大于95%。冊(cè)田水庫至三家店三級(jí)區(qū)中，烏蘭察布、大同和張家口市的生活、工業(yè)和河道外生態(tài)需水依靠再生水及地下水供給，再生水及地下水供水水量穩(wěn)定且完全滿足各用戶需水要求，可認(rèn)為缺水率為0，供水保證率為100%;北京市河道外生態(tài)缺水率為9.2%，保證率為81.7%。因此，在多水源充分利用和實(shí)施節(jié)水條件下，可以滿足流域生活、工業(yè)和河道外生態(tài)供水保證率要求。

圖8為最優(yōu)方案下流域灌溉分區(qū)和河道內(nèi)生態(tài)供水效益指標(biāo)的空間分布?？芍?，各灌溉分區(qū)平均缺水率為2.67%～17.6%，除分區(qū)I缺水率高達(dá)17.6%以外，其他灌溉分區(qū)的缺水率均在5%以下，三家店斷面的生態(tài)缺水率僅為0.7%;供水保證率方面，除灌溉分區(qū)I保證率為51.7%外，其他分區(qū)保證率為75%～90.2%，而三家店斷面生態(tài)保證率為96.3%。因此，在多水源充分利用和實(shí)施節(jié)水條件下，可以滿足灌溉分區(qū)（灌溉分區(qū)Ⅰ除外）和河道內(nèi)生態(tài)供水保證率要求。

綜上分析，引黃水可以改善桑干河流域各用水戶的供水效益，南水北調(diào)水和小紅門再生水也顯著提高了三家店斷面生態(tài)水量的保障程度，考慮節(jié)水措施可以極大地提高全流域的供水效益。

4?結(jié)?論

針對(duì)流域以“面”為主的多水源配置和以“線-點(diǎn)”為主的水利工程調(diào)度相耦合問題，提出了多水源配置與水庫群優(yōu)化調(diào)度二層結(jié)構(gòu)方法，構(gòu)建了多水源配置與水庫群優(yōu)化調(diào)度規(guī)則和模型，以永定河為研究實(shí)例驗(yàn)證了模型與方法的實(shí)用性，主要結(jié)論如下：

（1） 提出了多水源配置與水庫群優(yōu)化調(diào)度的二層結(jié)構(gòu)方法。其中，第一層結(jié)構(gòu)為基于水資源系統(tǒng)的多水源配置模型，第二層結(jié)構(gòu)為水庫群優(yōu)化調(diào)度模型。該方法在流域水資源合理配置的基礎(chǔ)上，通過水庫（群）聯(lián)合調(diào)度對(duì)多水源的精細(xì)化再分配，從而實(shí)現(xiàn)水資源配置與水庫（群）調(diào)度相耦合，具有一定的通用性，為多水源配置與水庫群調(diào)度耦合研究提供新思路。

（2） 制定了多水源配置與水庫群優(yōu)化調(diào)度規(guī)則。復(fù)雜的水資源系統(tǒng)制定合理的調(diào)配規(guī)則是基礎(chǔ)也是難點(diǎn)，涉及到多水源如何利用、用水戶如何供水、外調(diào)水如何引水以及共同供水任務(wù)如何分配等問題，針對(duì)這些環(huán)節(jié)構(gòu)建了相應(yīng)的規(guī)則和模型，也具有一定的參考性。由于調(diào)度規(guī)則的形式多樣，如外調(diào)水引水可以采用固定比例、動(dòng)態(tài)比例、引水調(diào)度線等多種形式，因此，未來可以進(jìn)一步研究分析不同規(guī)則的實(shí)用性。

（3） 永定河流域采用多水源供水與節(jié)水相結(jié)合的情景方案最優(yōu)，該方案下永定河流域缺水量為0.23億m3，外調(diào)水供水成本為11.0億元，生態(tài)補(bǔ)償費(fèi)用為21.0億元，生活用水保證率均大于99%，工業(yè)用水保證率均大于97%，灌溉分區(qū)供水保證率為76.7%～90.2%（除桑干河上游外），三家店斷面生態(tài)供水保證率為96.3%，保障了永定河流域供水效益和三家店下游生態(tài)水量。

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Abstract：In this paper，a two-tier structure method is proposed for the coupling of multiple water sources allocation at the “plane” level with the optimal operation of the reservoir group at the “l(fā)ine-point” level for the river basins.Taking Yongding River basin for example，the rules of multi-sources-based water allocation and operation，including the rules for water supply and water diversion，multi-source water supply strategy and common water supply task allocation strategy are formulated，the model for multiple water sources allocation and optimal operation of reservoir group is established，and the operation schemes under the various scenarios of multi-source water supply and water demand in the basin as well as the water supply benefits from the optimal scheme are analyzed.The results show that：① In the Yongding River basin，the scenario of combining multi-source water supply system consisting of the local water，water diverted from Yellow River，water from the South-to-North Water Diversion Project and the reclaimed water，with the water conservation is the optimal scheme.② The guarantee rate of domestic water supply，industrial water supply and ecological water in Sanjiadian Section is greater than 99%，97% and 96% respectively，with the guarantee rate of water supply in irrigation zones ranging between 76.7%—90.2% （except the upper reaches of Sanggan River）.③ The adoption of multi-source water supply and water conservation strategy can lead to significant improvement of the water supply efficiency for water users and abundance of the ecological water volume of Sanjiadian Section.The method described herein can serve as references for the study on the allocation of multiple water sources and the optimal operation of reservoir groups in a given river basin.

Key words：allocation of multiple water sources;optimal operation of reservoir group;two-tier structure method;water supply benefits;Yongding River basin