白石水库调度方案探析

朱彦刚（辽宁省清河水库管理局，辽宁铁岭112003）



白石水库调度方案探析

朱彦刚
（辽宁省清河水库管理局，辽宁铁岭112003）

［摘要］根据白石水库的实际特点，构建满足防洪、供水、减淤和改善水质4个目标要求的水沙联合调度多目标模型，以白石水库2000—2009年的水库水沙资料为基础，拟定3种水沙调度运作方式，采用遗传算法和多目标加权均衡排序相结合的方法进行多目标求解。计算结果表明：蓄水运用，汛期低水位相机排沙，兼顾改善水质方案为最佳水沙联合调度方案。

［关键词］水沙联合调度；多目标模型；方案；白石水库

0　引言

白石水库是大凌河干流上的控制性骨干工程，担负着防洪、灌溉、供水为主，兼顾发电等任务，为辽河三角洲的开发及下游城市提供可靠水源，保证其水资源及社会经济的可持续发展。白石水库经过多年运用后，其淤积、水生态恶化问题非常严重。因此，寻求合理的水沙调度方式，防沙减淤，改善生态环境，从而更好地实现白石水库的各个功能及效益，使白石水库为地区经济发展发挥更大的作用，具有非常重大的意义。研究通过了解和掌握水库防洪调度、生态调度等相关理论知识的基础上，进一步理解水库水沙联合调度的定义、内涵和研究方法，构建白石水库科学合理的水沙联合调度模型，在模型求解基础上，确定出防洪、供水、减淤和水质达到均衡最优的水库调度方案，为白石水库科学合理调度以及实现其可持续、健康、稳定运行提供可靠的依据。

1　水沙调度多目标模型的建立

综合考虑白石水库的水沙特性和功能要求，以水库综合效益最大化为总目标，以防洪、供水、减淤和改善水质为子目标，建立白石水库的水沙联合调度多目标规划模型。

1.1决策变量

水沙联合调度的多目标规划属于动态规划，而动态规划要求进行面临的时段决策时需满足无后效性，因而必须选用适当的决策变量来描述系统所面临的状态。研究选取水库时段末水位Ht+1为决策变量。

1.2目标函数

1.2.1总目标函数

选取防洪、供水、减淤和改善水质四个目标来实现白石水库的综合效益最大化，多目标计算模型的总目标函数如下：

式中：P为综合效益总目标；f1（X）为防洪子目标；f2（X）为供水子目标；f3（X）为减淤子目标；f4（X）为水质子目标。

1.2.2子目标函数

1）防洪子目标。水库自身的防洪安全，要求水库在一次洪水调度过程中，最高水位越低越好（即占用的防洪库容越少越好）；水库下游的防洪安全，要求在一次洪水调度过程中，水库最大下泄流量越少越好；不同场次洪水之间的衔接和兼顾兴利蓄水，则要求水库调洪末段时刻水位越接近理想水位越好。因此，防洪子目标函数为：

式中：Z（i），Z（n）分别为水库第时刻水位及末水位，m；Z为水库期望的末水位，m；q（i）为水库出库流量，m3/s。

2）供水子目标。白石水库供水主要包括阜新市和锦州市的大部分农业用水、工业用水、城市生活用水和下游河道环境用水。随着供水地区人口的增长和工农业的快速发展，供水地区用水已经较为紧张。因此，高效使用水资源，提高供水能力，迫在眉睫。供水的子目标函数是使供水量最大，即：

式中：W直供为水库直供生活和工业的供水量，万m3；W补水为下游补水供水量，万m3，包括凌海及凌海以下补水；W环境为下游河道环境供水量，万m3。

3）减淤子目标。水库在运用过程中，会有一部分泥沙随出库水流带出水库。一般而言，排出的泥沙越多，水库的排沙比越大，水库的剩余库容也越大，水库的淤积量就越小。水库减淤子目标函数是使水库的淤积量最小，即：

式中：jn为n时段中含泥沙淤积计算小时段的个数；Ti为i h段的天数，d；SEni为i h段内水库的冲淤量，万m3；SIi为i h水库上游进口断面输沙率，kg/s；SOi为i h水库上游出口断面输沙率，kg/s；为淤积物干容量，取1 300 kg/m3。

4）水质子目标。根据白石水库多年水质监测结果与GB3838—2002《地表水环境质量标准》对比分析得出，白石水库总磷总氮均有超标，水库长期运行会产生富营养化，可能引起藻类繁殖、滋生。因此，确保污染物排放入库量尽量小，对于保证水库的健康运行非常重要。水库水质子目标函数是使污染物排放负荷量最小，即：

式中：KSE（t）为年污水处理能力（处理率），%；BW1（t），BW2分别为年工业用水、城市生活用水污水产生系数；XWIND为年工业需水量，万m3；XWSD为年生活需水量，万m3。

1.3约束条件

1）水位约束。在水库的运行过程中，为了安全以及综合各个方面的考虑，需要对水库运行水位作出一定的约束。水位约束主要指死水位和最高水位约束，即：

式中：Zt表示时段末的水位，m，同时也是t+1时段初的水位；Zt.min表示水库时段末所允许的最低水位，m；Zt.max表示水库时段末所允许最高水位，m。本次研究中，白石水库最高蓄水位不超过校核洪水位限制的133.88 m，同时库水位不得低于死水位限制的108.00 m。

2）水库库容约束。水库的水位—库容关系是一项重要的约束条件，通过这一关系可以得知不同运用水位下水库蓄水量的大小。根据白石水库基本特性，其特征水位—库容关系如表1所示。

表1　特征水位—库容关系表

3）水库泄流量约束。水库水位—泄量关系决定了不同的运用水位下水库允许泄流量的大小。根据白石水库多年实测资料，其单底孔泄流曲线和单表孔泄流曲线见图1和图2。

图1　单底孔泄流曲线

同时，水库的泄流量受到泄水建筑物泄流能力的制约，必须大于或等于水库综合运用的最小用水流量，必须小于等于最大泄流量，即：

图2　单表孔泄流曲线

式中：qmin为水库最小泄流量，m3/s；qmax为水库最大泄流量，对于白石水库，qmin=0，qmax=20 613 m3/s。

4）水量平衡约束：

式中：Vi，Vt+1分别为时段初末水库的蓄水量，万m3；Qt为t时段水库的入库流量，m3/s；q泄，t为t时段水库的出库流量，m3/s，△t为计算时间，h。

5）供水保证率约束：

式中：WSO为各月目标供水量，万m3，WS为各月实际供水流量，万m3。满足破坏深度小于某一数值的月数n占总月数N的百分比为设计供水保证率，即在研究中，白石水库供水保证率约束为：

式中：f4（X）为污染物排放总量，万t；XA（t）为t年污染物最大允许排放量，万t。

7）非零约束。所有变量均大于等于零。

2　拟定计算方案

在确保白石水库大坝防洪安全的前提下，以充分利用来水资源、保证水库水质、最大限度地满足工业城市供水需求、尽量减少库区泥沙淤积为基本原则，同时考虑保持水库长期的有效库容，使水库长期持续发挥效益。以白石水库2000—2009年10年的水库水沙资料为基础，拟定白石水库的水沙联合调度运行方案。拟定方案过程中，考虑几方面因素：①合理设置排沙期，对入库水沙进行多年调节；②优选排沙流量和沙限，协调供水与排沙之间的矛盾；③尽量提高供水保证率；④改善水质。

根据以上原则和条件，拟定如下3种水库运用方式作为计算方案，分别进行水沙联合调度多目标模型的优化计算，通过各方案之间的比选确定科学合理的水库运行方式。

方案1：蓄水运用，相机排沙。

①排沙方式：7—8月为排沙期，排沙期内断面平均流量Q≥9.31 m3/s且断面平均含沙量S≥18.08 kg/m3时，敞泄排沙；特枯年份不排沙。②供水方式及要求：供水月保证率不小于95.65%。③水质处理方式：未增加改善水质措施，以现状情况发展。

方案2：蓄水运用，汛期低水位相机排沙。

①排沙方式：7—8月为排沙期，排沙期内库水位在119 m至123.5 m之间时，开6个底孔泄流排沙，库水位在123.5 m至124.3 m之间时，全开12个底孔泄流排沙，库水位在124.3 m至132.7 m时，底孔全部打开，表孔选择性打开泄流排沙，库水位达到132.7 m以上时，底孔和表孔全部打开。②供水方式及要求。同方案1。③水质处理方式。同方案1。

方案3：蓄水运用，汛期低水位相机排沙，兼顾改善水质。

①排沙方式：同方案2。②供水方式及要求：同方案1、2。③水质处理方式：提高水库上游的污水处理能力，改善污水处理方式，使污水处理率达到85%，对库区土地进行封育、禁止采砂，降低生活生产中面源污染的污水产生系数。

3　计算结果与分析

按照遗传算法求解步骤，使用MATLAB7.0中遗传算法工具箱编写遗传算法求解程序，并将多目标加权均衡排序方法编进程序当中，从而求得不同方案下的最优解。

拟定遗传算法运行参数：种群规模NIND=400、最大遗传代数MAXGEN=1 000、交叉概率Pc=0.6，变异概率Pm=0.01，惩罚因子ζi=1 010，Smax=100，Smin=1。对防洪、供水、减淤、改善水质4个目标进行无量纲化处理，目标权重值采用层级分析法确定为：λ1=0.302，λ2=0.222，λ3=0.290，λ4=0.186。

通过计算得到白石水库不同水沙联合调度方案结果，见表2。

表2　不同运行方案下白石水库水沙联合调度计算结果

由表2可以看出，在方案1的蓄水运用，相机排沙的调度方式下，水库淤积量为715万m3，供水月保证率为98.5%，多年平均供水量为3.98亿m3，污染物排放负荷量为7302.64万t/a；在方案2的蓄水运用，汛期低水位相机排沙的调度方式下，水库淤积量为448万m3，供水月保证率为96.85%，多年平均供水量为3.91亿m3，污染物排放负荷量为7254.28万t/a；在方案3的蓄水运用，汛期低水位相机排沙，兼顾改善水质的调度方式下，水库淤积量为526万m3，供水月保证率为95.9%，多年平均供水量为3.87 亿m3，污染物排放负荷量为5 607.25万t/a。

这3个调度方案下的水库冲淤情况、供水情况和水质情况均是在多目标模型中的约束条件的限制下计算得出的。因此，无论是在防洪、减淤、供水还是水质方面都满足水库正常运行的要求，但是从计算结果来看，不同调度方案运行下，水库所取得的效果（即“综合效益”）不尽相同。

方案1的运行方式较为简单，虽然操作上方便，但是水库淤积量和污染物排放负荷量均最大，不利于水库的健康运行，故该方案不可取。

方案2针对白石水库汛期来水量和含沙量大的特点，在汛期分根据水库水位的不同采取不同的水沙排泄方式，当水库水位达到132.7 m以上时，所有闸门开启，在防洪同时集中排沙，当水库水位未达到此水位之前，有选择性的开启闸门，排泄异重流泥沙或高浓度浑水。该方案在保证供水的前提下对水库起到了不小的排沙减淤的作用，与方案1相比，淤积量减少了37.34%，同时，水流的流速间歇性的变化也会对水库的水质有一定程度的改善。

方案3在方案2的水库调度方式的基础上，充分考虑了水库的水质因素，通过采取水质保护措施，将水质目标和约束在水沙调度的多目标模型中得以体现。该情况下的计算结果与方案1相比，淤积量减少26.43%，水质提高了23.22%，供水保证率有所降低，但仍可以满足供水要求。

因此，综合考虑白水水库防洪、供水、减淤和水质的要求和水库及所在河流和流域的健康可持续发展，推荐方案3，即蓄水运用，汛期低水位相机排沙，兼顾改善水质的调度方式。

4　结论与建议

1）针对白石水库含沙量大，水质恶化的现状，在传统水库水沙调度考虑防洪、供水、减淤目标的基础上，将水质目标纳入到水沙联合调度多目标模型中，拟定3个调度方案。将多目标加权均衡排序方法编进遗传算法程序当中，计算确定出蓄水运用，汛期低水位相机排沙，兼顾改善水质的减淤减污的最佳水沙联合调度方案。

2）水库调度是一个动态过程，对水库水沙联合调度的实时动态数学模型研究是未来的趋势，通过实时动态调节水库供水时段和水量，达到分水质供水的目的。在满足不同用水部门对水质（水中的泥沙限制含量）的需求的基础上，充分利用水资源，保证水库的健康运行。

［参考文献］

［1］杨芳丽，张小峰，谈广鸣.考虑生态调度的水库多目标调度模型初步研究［J］.武汉大学学报（工学版）,2010，43 （4）：433-437.

［2］叶碎高，温进化，王士武.多目标免疫遗传算法在阶梯水库优化调度中的应用研究［J］.南水北调与水利科技，2011，9（1）：64-67.

［3］陈秋莲，王成栋.基于Matlab遗传算法工具箱的优化计算实现［J］.软件技术，2007（2）：123-126.

［中图分类号］TV68

［文献标识码］A

［文章编号］1002－0624（2016）03－0036－04

[收稿日期]2015-04-24