都江堰毗河供水工程长藤结瓜式水利系统的水利计算

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(四川省水利水电勘测设计研究院，成都，610072)

1 毗河供水工程概况

四川省都江堰灌区毗河供水工程是都江堰水利工程的重要组成部分，其供水区位于四川盆地腹部，地处涪江、沱江两江之间的广大丘陵区，行政区划隶属于成都、资阳和遂宁三市。都江堰灌区由平原灌区、盆周丘陵灌区及毗河供水区组成，其中平原灌区及盆周丘陵灌区为已建成灌区，毗河供水区为规划的最后一片扩灌区。

毗河供水工程开发任务以城镇供水和灌溉为主，兼有农村人畜用水等综合利用。毗河供水工程由取水枢纽、输水总干渠、灌区囤蓄水库、灌溉渠系及提水工程五大部分组成。工程终期(2030年)规模为灌溉面积22.2万hm2，其中田9.53万hm2；供水人口433万人，其中城镇人口272万人。

2 工程总体布局

毗河供水区上游岷江紫坪铺水库是都江堰灌区的水源调节工程，通过紫坪铺水库的合理调度，保障都江堰灌区的综合利用要求。紫坪铺水库兴利库容77400万m3，多年平均入库水量136.3亿m3，在保证金马河环境基流、供都江堰已成灌区及环境用水后，余水通过宝瓶口进入内江，利用已成灌区输水渠道的输水能力，输水至毗河供水区取水口[1]。

毗河供水区服从都江堰管理局的水量计划与调配，只有通过上游紫坪铺水库的优化调度及水量调出区都江堰已成灌区的水资源合理配置，才有余水保障毗河供水区的需水要求[2]。为充分利用毗河来水，满足供水区的保证率要求，降低渠道设计规模，节省投资，提高工程效益，毗河供水工程采用长藤结瓜水利系统，由于毗河是利用已成灌区余水，来水主要集中在汛期，而需水高峰通常在枯期，来水和需水过程不匹配，必须设置囤蓄水库才能满足用水需求。在非灌溉季节，利用渠道(藤)充囤水库(瓜)，引入水库存蓄起来，供灌水高峰期使用，弥补引入水量的不足；在灌溉季节，尤其是用水紧张时，渠道水和囤蓄水库水同时灌田、供水，提高了灌溉、供水保证率。

毗河供水工程主要水源来自总干渠首毗河苟家滩，水库之间的调水均需通过总干渠输水充入各囤蓄水库才能解决本灌区的水源问题。为此灌区分片范围，立足于各分片灌区独立供水、局部优选的原则，确定全灌区的合理囤蓄水库布局方案。根据灌区水文、地形、囤蓄水库建设条件、干旱及种植习惯等特点，毗河供水区分8片，分别由踏水、赵家沟、新生、宝石、丹山、书房坝、朝阳和关刀桥等8个囤蓄水库充水调节供水。毗河供水工程布局见图1。

图1 毗河供水工程布局示意

3 毗河供水工程多目标规划模型(MOP)

长藤结瓜式水利系统。一般由三部分组成：一是渠首取水枢纽工程；二是输、配水渠道系统(称之为藤)；三是灌区内部的囤蓄水库(称之为瓜)[3]。

根据毗河供水工程的工程布局，踏水、赵家沟、新生、宝石、丹山、书房坝、朝阳等7个囤蓄水库从干渠直接取水，关刀桥通过朝阳干渠取水与朝阳水库串联。由此毗河供水工程的囤蓄水库与总干渠及取水枢纽构成一个长藤结瓜的大系统，全系统共分为8个供需平衡节点，即踏水(节点1)、赵家沟(节点2)、新生(节点3)、宝石(节点4)、书房坝(节点5)、丹山(节点6)、朝阳(节点7)、关刀桥(节点8)。

作为一个大型长藤结瓜式水利系统，其水利计算的基本思路为：在来水一定的情况下，通过干渠和各片囤蓄水库的合理调度，满足供水和灌溉的设计保证率要求，提高水资源的利用效率，减少工程规模和投资，实现囤蓄水库与渠道整体规模的最优。

由此可见，毗河供水工程水利计算属于多目标和多约束的优化模型(MOP，multi-objective promgramming)问题。根据毗河供水工程的实际情况，主要考虑供水保证率、工程总投资两个因子作为规划目标：

(1)供水保证率以满足于供水区各片的最低供水保证率为目标。根据规范，本工程灌溉保证率取70%，工业、生活保证率取90%；

(2)工程总投资以满足工程功能要求的最小投资为目标。工程投资按照取水枢纽、各段输水渠道和囤蓄水库的规模投资曲线确定。

取水枢纽、各段渠道和囤蓄水库的规模等指标作为约束变量。为了降低模型的复杂程度，提高计算效率，并使各计算结果符合工程要求。计算中根据工程的实际情况，设置各规模参数的上下限，并以适当的步长拟定参数。以取水枢纽规模为例，分别拟定了55m3/s、60m3/s、65m3/s、70m3/s、75m3/s、80m3/s、85m3/s等7个方案进行分析。而囤蓄水库的水位按照各节点水库最高充水高程作为正常水位上限，按照各水库的建设条件、供水区灌面高程分布及泥沙淤积的要求作为下限，设置适合步长，分别拟定各个囤蓄水库的规模方案。

对于整个毗河供水系统，增大囤蓄水库规模增加了水库的调蓄能力，相应的取水枢纽和渠道的规模将减小；反之增大取水枢纽和渠道规模可以减少对水库的调节库容的需求，相应的囤蓄水库的规模将减小。通过多目标规划模型可以优化取水枢纽、各段输水渠道和囤蓄水库规模之间的组合，求得总投资最省的方案。

4 毗河供水工程水利计算

根据规范，毗河供水工程的水利计算应采用长系列计算。毗河取水枢纽具有完整41年(1966年～2007年)的逐旬可引水量资料。各片囤蓄水库除少量自身拦截的天然来水外，主要来水依靠渠首分配，因此调节计算首先要对各片进行配水。各片区配水的比例直接影响各个片区的保证率和水资源的利用效率。如果分配不当，配水不足的片区会因为可供水量不足而破坏，配水过多的片区则可能产生弃水。

长系列调节计算过程中，不同时段渠首来水量，各片区需水以及各囤蓄水库的蓄水量情况均不同，因而不能采用单一的分配比例进行配水，必须根据不同时段来水和各囤蓄水库的运行实时情况进行动态分配。

为此，毗河供水工程的水利计算中还采用了动态规划模型(DP，dynamic-programming)，调节计算中对配水过程进行动态优化，发挥囤蓄水库的调节功能，充分利用水量，减少弃水，优化配水方案。

动态规划模型以最优的供水利用效率为目标，以各片区的配水比例为决策变量，构建动态规划的数学模型。计算过程中，按照各年逐旬划分阶段，动态分配各片区水量，通过系列过程计算，求得长系列中最优的配水过程。

按照以上方法，将动态规划模型和多目标规划模型进行耦合。把长系列计算的动态优化的配水过程带入多目标规划模型，通过模型求得最优的取水枢纽、各段输水渠道和囤蓄水库规模方案组合及对应的保证率和工程总投资。

利用41年长系列来水、用水资料进行计算，得出毗河供水工程最优方案为取水枢纽引水规模60m3/s，总囤蓄水库兴利库容3.6亿m3。

5 结论

(1)毗河供水工程作为长藤结瓜式水利系统，其水利计算较复杂。取水枢纽、渠道和囤蓄水库规模的选取相互关联，有多个目标需要优化，故采用多目标规划模型；

(2)长系列调节计算是一个动态过程，配水过程采用动态规划模型优化，以发挥囤蓄水库调节功能，充分利用来水，减少弃水，优化配水方案；

(3)为合理确定渠道和囤蓄水库规模，把动态规划模型和多目标规划模型进行耦合，从而计算出投资最省的方案组合。

参考文献

〔1〕肖志娟，李 霞.论调水工程中调水规模的合理性[J].四川水力发电，2013，32(1)：1-3.

〔2〕肖志娟，李 霞.跨区域调水工程水资源统一管理实践——以都江堰灌区毗河供水工程为例[J].中国水利，2003(10)：17-18.

〔3〕张京恩，刘冬梅，韩元元.水库群的长藤结瓜灌溉系统的水量平衡与调节[J].人民长江，2009(17)：11-13.