北疆长距离供水渠系工程调度模型研究

李海涛

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局 乌鲁木齐 830000)

江 浩 谢小燕

(南京南瑞集团公司水利水电技术分公司 南京 211106)

1 概述

北疆供水渠系工程系国家级重点工程，渠线长510多km，设计流量75m3/s，沿线布置有渡槽、涵洞、大型倒虹吸、节制闸、退水闸、分水闸等众多建筑物，该工程从“635”水库取水，主要解决受水区城市生活和工业用水紧张问题，同时兼顾工程沿线农业和生态环境用水。从调度技术上讲，这种长距离、大流量、建筑物众多的渠系工程在运行过程中，将受到各种因素的影响，如水文气象、水力控制、受水区多方利益协调等，其调度过程十分复杂，国内外可以借鉴的经验极为有限。

2 调度特点分析

2.1 可供水量难以掌控

由于受当前现有水文预报技术的制约，目前尚无法对入库水量作长时间准确的预测，因此在实际调度中“635”水库全年可供水量必须根据上游水文站的实测值进行实时的调整，并且由于总干渠上没有可调节的水库，整个渠系供水完全依赖水库的调蓄能力，这使供水调度的难度大大增加。如何利用现有条件，确保供水调度的科学性，保证有限水资源的合理分配和管理，是供水调度模型必须解决的问题。

2.2 需水量的不确定性

北疆渠系供水工程的需水量是一个不确定的随机量。主要原因包括:供水距离长，工程沿线共设有12个分水口，用水户众多，需求各不相同;各用户的需水量受水文气象因素的影响很大，而工程跨越戈壁、沙漠、草原和耕地，受水区的水文气象极其复杂;各用户的需水量还受到国家和地方政策、供水价格、调度体制和经济发展状况等诸多因素的影响，供水计划的编制难度较大。

2.3 渠道运行的特殊性

由于北疆供水工程渠系线路长，沿线布置有分水闸、节制闸、大型倒虹吸、渡槽等渠系建筑物，其渠系运行的安全尤为重要。如果渠道的水位骤升，水头的流速过大，将对渠道造成冲刷破坏。如果渠道水位骤降，渗入膜后及渠堤内的水不能随渠道水位的降低而及时逸出，必然会产生扬压力，将对渠道衬砌板块产生顶托破坏，对于膨胀性泥岩较为集中、地质条件较差的渠段甚至会造成渠道边坡失稳，产生大面积滑塌。因此，在渠系运行过程中必须保证流量和水位的稳定性，流量的增加或减小、水位的抬高或降低必须缓慢进行，避免水位的骤升、骤降，使渠水按照近似明渠均匀流的方式运行。

基于上述特点对供水调度进行研究，以分水口权重的最大经济效益为目标函数，建立数学模型，用相应算法求解最佳配置。

3 建立调度模型

北疆供水工程的调度目标是使运行期内供水收益最大。结合北疆供水工程特点，其调度目标可以表述如为

式中 E——所有供水对象的总收益;

Δt——时段数;

Qwsi，t——t时段 i分水口所需流量;

Pi——i分水口的供水价格;

wi——i分水口的权重系数。

根据北疆供水工程的调度特点，可以确定如下约束目标。

a.进水口最大可供流量约束;

式中 Qwsi，t(t－ τ)——t时段、i分水口的需水流量;

τ——i分水口的水流传播时间;

Qinfmax——进水口最大可供流量;

σi——分水口的渠道水利用系数。

b.渠道水位变幅:

式中 Zi，t——i分水口 t时段的水位;

Zi，t－1——i分水口 t－1 时段的水位;

ΔZi——i分水口的水位变幅。

c.节制分水闸运行要求:

式中 Qinf，t——t时段进水口的进水流量;

Qlimi——i分水口节制运行所需最小流量。

d.分水口分水流量变幅:

式中 Qi，t——i供水口t时段的水位;

Qi，t－1——i供水口 t时段的水位;

ΔQi——i供水的水位变幅。

e.分水口最大分水流量约束:

式中 Qmaxi——i供水口最大供水流量。

f.倒虹吸运行条件:

式中 Qinv，t——t时段倒虹吸的进水流量;

Qmin，inv——倒虹吸的最小进水流量;

Qmax，inv——倒虹吸的最大进水流量。

g.供水水量约束:

式中 Wi——i分水口的分水量;

Wi，need——i分水口的需水量。

以上模型计算的边界条件为供水工程各个水位站的初始水位和各个闸门的初始开度。

4 模型求解

结合北疆渠系供水工程的调度特点建立供水调度模型后，其调度模型的求解采用目标规划法［2］。

4.1 目标规划模型

对于L个约束目标、K个优先等级(K≤L)的一般目标规划问题，对于同一个优先级别的不同目标，它们的正负偏差变量的重要程度还可以有差别。如对于第k(k=1，2，…，K)级目标的正负偏差变量分别赋予不同的权系数和(l=1，2，…，L)，则目标规划问题的一般数学模型可表述为

4.2 建立模型的步骤

a.针对北疆供水工程提出的各个目标与条件确定目标值，首先列出目标约束与绝对约束。

b.根据供水单位决策层的需要将某些或全部绝对约束转化为目标约束，这时需要给绝对约束加上负偏差变量和减去正偏差变量。

c.给已确定的每个目标赋予相应的优先因子Pk(k=1，2，…，K)。

d.对同一优先等级中的各偏差变量，根据需要可按其重要程度不同，赋予相应的权系数和(l=1，2，…，L)。

4.3 优先因子与权系数

北疆供水工程的调度是一个多目标决策的问题，要找出使所有目标都达到最优的解是很不容易的。在有些情况下，这样的解根本不存在(当这些目标互相矛盾时)。因此实际的做法是:根据北疆供水工程的调度特点，将所有约束目标分出主次，或根据这些目标轻重缓急的不同，区别对待，也就是说，将这些目标按其重要程度排序，并用优先因子Pk(k=1，2，…，K)来标记，即要求第一位达到的目标赋予优先因子P1，要求第二位达到的目标赋予优先因子P2，…，要求第K位达到的目标赋予优先因子PK。规定

其中，符号“≫”表示“远大于”;PK≫PK+1表示PK与PK+1不是同一级别的量，即PK比PK+1有更大的优先权。这些目标优先等级因子也可以理解为一种特殊的系数，可以量化，但必须满足

其中，M ＞0是一个充分大的数。

在同一优先级别中，可能包含两个或多个目标，它们的正负偏差变量的重要程度还可以有差别，这时还可以给处于同一优先级别的目标赋予不同的权系数wj，这些都由供水单位决策层按具体情况而定。

5 调度流程

调度流程可以概括为制定用水协议、编制年调度预案和滚动计划三步。

a.制定用水计划。根据相关资料，制定各用水单位当年用水计划，与需水预测模型预测结果进行比较分析并作协调处理，最后由供水单位与各用水单位签订用水协议，保证全年用水不超过协议中规定的用水限额。

b.编制年度调度预案。根据运行供水调度模型和各用水单位提出的需水计划，制定下一年度的年度供水调度预案，保证各用户年用水总量不超过需水计划。

c.滚动计划。在实际调度运行中，根据来水信息变化和各用水单位实际用水信息，运用调度模型滚动修正年度调度预案。

6 实例

以2009年度北疆供水调度过程为例，根据沿线各需水用户的需水要求和“635”水库的可供水量，运用调度模型进行供水调度演算，以期收益最大，并将演算结果(年度调度预案)与该年度供水单位实际调度情况进行对比(见下图)。

2009年供水调度方案总干进水流量对比图

从两条曲线的吻合程度可以看出，由调度模型进行供水调度演算后输出的供水调度预案与供水单位实际调度的过程基本一致。这就证明调度模型在以供水收益最大为调度目标，并对各种约束目标进行演算后输出的调度预案是成功的。

7 结语

在充分考虑北疆供水调度特点基础上提出的供水调度模型针对性强、实用性强，在此基础上开发的供水调度模型软件已经嵌入北疆供水调度决策支持系统，目前通过试运行，已取得良好的效果。模型能很好地协调好水量供需之间、用水户水量分配之间的矛盾，借助系统理论、数据库技术以及数据采集传输等现代化手段，能够提出科学的供水调度预案，从而为实现精确的供水目标奠定了扎实的基础。

1 水利部水利水电规划设计总院.北疆供水工程总干渠输水安全鉴定报告.2000.7.

2 冯尚有.多目标决策理论方法与应用.武汉:华中理工大学出版社，1990.