金鵬宇 王超 孫嘉輝 雷曉輝

摘要：

隨著跨流域調(diào)水工程的規(guī)模逐漸增加，其內(nèi)部各個組件之間的協(xié)調(diào)性降低，工程年度水量運(yùn)行調(diào)度的難度和復(fù)雜性也隨之增加。膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度方法根據(jù)膠東調(diào)水工程的工程特性，對沿線的樞紐工程進(jìn)行概化并構(gòu)建空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，綜合考慮匯水區(qū)水量補(bǔ)償調(diào)節(jié)作用及分水口門的反調(diào)節(jié)作用，構(gòu)建水量模擬調(diào)度模型。通過解構(gòu)分水口門取用水過程，降低優(yōu)化問題維度，構(gòu)建決策空間，耦合水量模擬調(diào)度模型，構(gòu)建膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型，應(yīng)用混合優(yōu)化算法（HOA）求解模型，進(jìn)而編制工程年度水量調(diào)度方案。結(jié)果表明：膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型通過解構(gòu)需水側(cè)取用水過程降低優(yōu)化問題維度，能夠克服工程供、需水側(cè)的非過程控制總量邊界條件與其年度水量調(diào)度方案編制步長、時間尺度不匹配等問題，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化問題快速求解，避免分水口門出現(xiàn)極端缺水情況，最大限度滿足其用水需求。

關(guān) 鍵 詞：

跨流域調(diào)水工程； 年度水量調(diào)度模型； 混合優(yōu)化算法

中圖法分類號： TV213.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.018

0 引 言

膠東調(diào)水工程橫跨黃河、海河流域，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化水資源供需平衡配置，緩解水資源短缺局面，促進(jìn)水源區(qū)與受水區(qū)的水資源相互調(diào)配，使整個調(diào)水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對資源的充分利用，顯著提高調(diào)水效率，避免發(fā)生險(xiǎn)情，改善當(dāng)?shù)厮h(huán)境現(xiàn)狀的重要水利基礎(chǔ)設(shè)施［1-2］。如何對工程調(diào)度進(jìn)行科學(xué)、高效決策，是實(shí)現(xiàn)工程安全、高效運(yùn)行，調(diào)水量優(yōu)化配置的核心驅(qū)動力。

近年來，隨著跨流域調(diào)水工程的規(guī)模逐漸增加，其內(nèi)部各個組件之間的協(xié)調(diào)性降低，工程年度水量運(yùn)行調(diào)度的難度和復(fù)雜性也隨之增加。目前針對跨流域調(diào)水工程的年度水量運(yùn)行調(diào)度，國內(nèi)很多學(xué)者做了大量的研究工作。萬芳等［3］通過提取水源區(qū)、受水區(qū)的供水調(diào)度規(guī)則，構(gòu)建并求解跨流域水庫群供水調(diào)度的3層規(guī)劃模型，完善了跨流域水庫群供水調(diào)度理論體系。馬永勝等［4］針對多水源區(qū)聯(lián)合調(diào)度供給同一受水區(qū)的復(fù)雜跨流域聯(lián)合調(diào)度，基于大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)理論，建立了聯(lián)合調(diào)度最優(yōu)決策制定模式。郭旭寧等［5］基于逐步優(yōu)化思想，改進(jìn)傳統(tǒng)粒子群算法，提出了逐步優(yōu)化粒子群算法并對大型跨流域水庫群優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行求解。彭安幫等［6］根據(jù)聚合水庫用水戶供水限制線的基本形式，確定調(diào)度圖概化降維方法，并構(gòu)建基于概化調(diào)度圖的模擬-優(yōu)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(guī)律，建立并求解引嘉濟(jì)漢-引漢濟(jì)渭跨流域調(diào)水工程初期、正常運(yùn)行期的泵站-水庫-電站協(xié)同模擬、優(yōu)化調(diào)度模型，探討了徑流不確定性對調(diào)度結(jié)果的影響。曹明霖等［8］基于現(xiàn)有模擬優(yōu)化技術(shù)，建立并求解跨區(qū)域多水源水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，探索出一條多水源高效利用的時空協(xié)調(diào)策略。曾祥等［9］構(gòu)建了跨流域調(diào)水啟動標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)選的水庫群聯(lián)合調(diào)度模型，使用粒子群算法（PMSE-PSO）進(jìn)行優(yōu)化求解，提出了一種新的調(diào)水啟動標(biāo)準(zhǔn)。

總體而言，上述研究成果多數(shù)在供水側(cè)引水計(jì)劃或需水側(cè)用水計(jì)劃已知的前提下，以多水源高效利用、復(fù)雜調(diào)度問題解耦、工程樞紐高效運(yùn)行為問題導(dǎo)向，構(gòu)建多水源水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，采用優(yōu)化算法進(jìn)行模型求解，以整體規(guī)劃和配置為主要目的。膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度問題的工程供水側(cè)、需水側(cè)邊界均為總量控制，不具有詳細(xì)供、需水計(jì)劃。編制工程年度水量調(diào)度方案時，根據(jù)膠東調(diào)水局編制年水量調(diào)度方案的實(shí)際工程需求，為制定各個分水口門的詳細(xì)用水計(jì)劃建議，提高輸配水精度減少水量損失，要求方案編制調(diào)度步長為日，且工程沿線分水口門數(shù)量較多，各控制節(jié)點(diǎn)具有復(fù)雜約束要素，因此工程調(diào)度過程、外調(diào)水源引水過程及分水口門供水過程的求解難度大，優(yōu)化問題維度高。本文綜合考慮膠東調(diào)水工程沿線的各種調(diào)度對象與拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建工程沿線空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，通過解構(gòu)分水口門取用水過程降低問題維度，綜合考慮工程沿線復(fù)雜約束要素，構(gòu)建膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型，應(yīng)用混合優(yōu)化算法（HOA）進(jìn)行模型求解，以期為膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度方案編制提供一種思路。

1 研究區(qū)域概況

1.1 研究區(qū)域及意義

膠東調(diào)水工程由引黃濟(jì)青工程和膠東地區(qū)引黃調(diào)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(diào)水工程年度水量調(diào)度方案編制要求日步長，且工程需水側(cè)、供水側(cè)均為總量控制，不具有詳細(xì)的外調(diào)水源供水計(jì)劃及分水口門需水計(jì)劃。此外，沿線分水口門數(shù)量多，工程約束條件多，導(dǎo)致最優(yōu)工程調(diào)度過程、分水口門取用水過程、外調(diào)水源引水過程求解難度大，形成了高緯度、

多變量的復(fù)雜調(diào)度問題。傳統(tǒng)優(yōu)化模式是在供水或需水側(cè)邊界條件已知的前提下，構(gòu)建優(yōu)化調(diào)度模型，應(yīng)用優(yōu)化算法求解，而顯然膠東調(diào)水工程的調(diào)度問題難以用傳統(tǒng)優(yōu)化模式解決。因此，迫切需要一種能夠精確高效求解上述復(fù)雜調(diào)度問題的優(yōu)化模式，為編制膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度方案提供技術(shù)、數(shù)據(jù)支撐。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D概化

膠東調(diào)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(diào)水源［11］，其工程結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，沿線輸水線路之間存在串、并聯(lián)復(fù)雜關(guān)系［12］。沿線泵站和閘站過流不僅需要考慮匯水區(qū)的水量補(bǔ)償調(diào)節(jié)，也需要考慮沿線分水口的反調(diào)節(jié)作用。基于膠東調(diào)水工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和沿線樞紐類型多樣性，需要對工程沿線的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行概化［13］，以便更好地解決工程年度水量調(diào)度問題。通過綜合分析膠東調(diào)水工程沿線包含的各個組成部分的水力聯(lián)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(diǎn)，將沿線的匯水區(qū)概化為面，從而組成一個完整的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2 膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型構(gòu)建

膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型主要是根據(jù)外調(diào)水源引水指標(biāo)，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(diào)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(gòu)建決策空間，優(yōu)化取用水過程，提高分水口門供水保證率。

2.1 水量模擬調(diào)度模型構(gòu)建

水量模擬調(diào)度模型的構(gòu)建是本次研究的重點(diǎn)，模型采用以需定供的反向模擬計(jì)算模式，通過需水側(cè)取用水過程反向推求供水側(cè)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(qū)產(chǎn)流過程，根據(jù)工程沿線空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jìn)節(jié)點(diǎn)，同時以管渠水量平衡條件為驅(qū)動進(jìn)行渠段內(nèi)徑流反向演進(jìn)，以空間拓?fù)潢P(guān)系銜接上、下游渠池過流過程，進(jìn)而模擬得到沿線各分水口門的取用水過程、各水量演進(jìn)節(jié)點(diǎn)的過流過程及外調(diào)水源引水過程。

2.3 水量優(yōu)化調(diào)度模型求解方法

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

3 實(shí)例計(jì)算

3.1 調(diào)度方案情景

膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度方案的編制是根據(jù)調(diào)度開始前膠東調(diào)水局相關(guān)通知，膠東調(diào)水工程沿線各地市填報(bào)分水口門和需水量。根據(jù)沿線各地市的填報(bào)情況，結(jié)合調(diào)度期內(nèi)外調(diào)水源的引水指標(biāo)，由膠東調(diào)水局制定年度水量調(diào)度方案，進(jìn)而明確調(diào)度期內(nèi)膠東調(diào)水工程沿線各分水口的供水過程及外調(diào)水源的引水過程。膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型以工程邊界條件作為模型輸入，在反向模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算［19］，進(jìn)而編制中長期水量調(diào)度方案［20］。因此，工程邊界條件顯得尤為重要。以膠東調(diào)水工程2020～2021年度調(diào)水方案為例，整理得到工程邊界條件為

（1） 沿線受水區(qū)用水計(jì)劃如圖3所示。

（2） 外調(diào)水源引水指標(biāo)。

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

（3） 輸水開始、截止時間。

2020～2021年度膠東調(diào)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(diào)度結(jié)果分析

3.2.1 供需關(guān)系分析

膠東調(diào)水工程歷史供需關(guān)系分析結(jié)果如表1所列，分析結(jié)果表明2019～2020、2020～2021年度計(jì)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(jìn)行分析計(jì)算，按照最上級臨時泵站設(shè)計(jì)流量（36 m3/s）及黃水東調(diào)（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(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)年水量損失率（18.43%）計(jì)算水量損失，得出2019～2020年度調(diào)度期時長為240 d，最大供水量9.58億m3。2020～2021年度調(diào)度期時長為202 d，最大供水量7.54億m3。以上計(jì)算結(jié)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(diào)水工程供水受限于工程引水能力與調(diào)度期時長。

3.2.2 調(diào)度方案對比

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

根據(jù)表2，3可知，模型計(jì)算結(jié)果中各行政區(qū)供水保證率整體在70%以上，且供水保證率分布均勻，膠東調(diào)水工程供水保證率為76.85%，用水保障程度高。模型計(jì)算結(jié)果中外調(diào)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(diào)水量最大程度保障工程沿線各行政區(qū)用水需求，計(jì)算結(jié)果具有相對優(yōu)勢。

根據(jù)表4的對比分析結(jié)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(diào)度方案外調(diào)水源引水指標(biāo)利用率為98.13%，能夠充分利用外調(diào)水源引水指標(biāo)。由表5統(tǒng)計(jì)結(jié)果及圖4可知，方案中各分水口門供水保證率數(shù)據(jù)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(qū)水量分配指標(biāo)［22］，模型求解水量調(diào)度方案及膠東調(diào)水工程2020～2021年度水量調(diào)度方案中各現(xiàn)地市的供水量進(jìn)行對比分析，具體結(jié)果如表6所示。發(fā)現(xiàn)模型求解水量調(diào)度方案中濰坊市供水8 132.29萬m3、2020～2021年度濰坊市用水計(jì)劃8 140萬m3、時段配水量1.39億m3。上述結(jié)果表明，模型求解的水量調(diào)度方案能夠以滿足行政區(qū)用水計(jì)劃為調(diào)度目標(biāo)，以水量分配指標(biāo)約束各行政區(qū)供水量，最大限度保障了各行政區(qū)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(diào)水工程年度水量調(diào)度模型，初始種群個數(shù)為100，算法迭代次數(shù)1 000，對兩層優(yōu)化目標(biāo)有效迭代次數(shù)的優(yōu)化效果、算法收斂迭代次數(shù)、最優(yōu)解適應(yīng)度值等方面進(jìn)行對比分析，其分析結(jié)果如表7及圖5所示。

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

4 結(jié) 語

膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度方法根據(jù)膠東調(diào)水工程的工程特性，對工程沿線的不同組件進(jìn)行概化并構(gòu)建空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。以徑流演進(jìn)為驅(qū)動，綜合考慮匯水區(qū)水量補(bǔ)償調(diào)節(jié)作用及分水口門的反調(diào)節(jié)作用，構(gòu)建水量模擬調(diào)度模型。針對工程供、需水側(cè)的非強(qiáng)約束總量控制邊界條件與年度水量調(diào)度方案編制步長、時間尺度不匹配等問題，解構(gòu)分水口門取用水過程，降低優(yōu)化問題維度，構(gòu)建決策空間，耦合水量模擬調(diào)度模型進(jìn)而構(gòu)建膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型，并應(yīng)用HOA算法進(jìn)行模型求解，得到工程調(diào)度過程、分水口門取用水過程及外調(diào)水源引水過程，進(jìn)而編制工程年度水量調(diào)度方案。本文采用HOA算法求解膠東調(diào)水工程年度水量調(diào)度模型，算法收斂速度快，相同迭代次數(shù)下優(yōu)化效果較好，且模型求解水量調(diào)度方案中，外調(diào)水源引水指標(biāo)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(diào)水源引水指標(biāo)利用率高，具有相對優(yōu)勢，能夠?yàn)槟z東調(diào)水工程年度水量調(diào)度方案的編制提供一種新的思路。

同時，膠東調(diào)水工程水量優(yōu)化調(diào)度應(yīng)編制年、月、旬水量調(diào)度方案，以年、月水量調(diào)度方案指導(dǎo)工程沿線外調(diào)水的宏觀水量配置，以旬水量調(diào)度方案［23］指導(dǎo)實(shí)際工程調(diào)度決策，同時應(yīng)考慮實(shí)際調(diào)度過程中的復(fù)雜擾動，對旬水量調(diào)度方案進(jìn)行滾動更新，以提高水量調(diào)度方案模擬精度，為工程調(diào)度決策提供技術(shù)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