胶东调水工程水资源优化调度研究

杨静灵 王好芳 傅川 赵然杭 张锴慧 张烨 郑英

摘要：缺水问题严重制约了胶东地区的发展，水资源优化调度作为缓解用水危机的重要手段，依托胶东调水工程进行跨流域水资源调度研究具有重要意义。以潍坊、青岛、烟台和威海为研究区域、2014年为基准年、2020年和2025年为规划水平年，基于水资源优化配置，以区域总缺水量最小为调度目标，考虑输水能力、分水口设计能力、水量平衡、最小供水量等约束条件，应用MATLAB软件建立调度模型并求解，对所得方案进一步优化。结果表明：优化调度后不同规划水平年4地市总缺水率显著下降，50%、75%和95%保证率下，2020年分别下降了15.35%、15.75%和16.85%，2025年分别下降了13.27%、13.26%和14.19%。

关键词：水资源；优化调度；MATLAB软件；胶东调水工程

中图分类号：TV213.9 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.013

水资源优化调度是协调各类用水矛盾、实现水资源优化配置、促进社会经济可持续发展以及实行最严格水资源管理制度的重要手段[1]，跨流域水资源优化调度对促进区域社会、经济、环境可持续发展有着重要意义。胶东地区是山东省经济发展、对外开放的前沿阵地，政治、经济地位十分重要，但该地区水资源十分贫乏，人口基数大、需水量大，水资源供需矛盾已成为制约胶东地区发展的重要因素，因此对胶东地区进行水资源优化调度势在必行。山东省胶东调水工程是一项跨流域、远距离的大型调水工程，包括引黄济青工程和胶东地区引黄调水工程[2]，可有效缓解胶东乃至山东省的水资源紧缺局面。

国际上对于水资源的优化调度研究，最早源于20世纪40年代Masse提出的水库优化调度[3]，50年代中期在优化调度中得到广泛运用。我国对水资源调度的研究起步较晚，20世纪60年代，谭维炎等[4]将优化调度思想运用于水库调度。随着数学理论不断完善及计算机技术的不断发展，线性规划、非线性规划、多目标规划、大系统协调分解、遗传算法、动态规划、神经网络法等优化调度方法被广泛应用。王栋等[5]利用线性规划原理建立了淮河流域混联水库群防洪安全联合调度模型；O.I.Unver等[6]利用非线性规划原理，建立了实时调度优化模型；杨侃等[7]利用多目标规划原理和大系统协调分解方法，建立了基于多目标分析的库群系统分解协调宏观决策模型；卢华友等[8]根据大系组成部分，可以实现长江水、黄河水、当地水的优化配置及联合调度[2]。胶东调水工程自滨州市打渔张引黄闸引取黄河水，南水北调的长江水由滨州市博兴县小清河子槽汇入输水线路。引水经现有引黄济青工程输水至昌邑县宋庄镇，在该镇新建宋庄分水闸分水，并新辟输水明渠至龙口市黄水河泵站，再经压力管道、任家沟隧洞、村里隧洞及清洋河暗渠输水至烟台市门楼水库，在清洋河暗渠末端新建高瞳泵站分水，沿门楼水库北岸、烟台市南外环、烟威公路铺设压力输水管道，穿卧龙隧洞至威海市米山水库。输水线路总长482.0km，其中利用既有引黄济青段工程172.5km（含引黄济青输沙渠及沉沙池长度），新辟输水线路309.5km。在南水北调东线工程建成之前以黄河水为水源，现以黄河水、长江水为水源[12]。工程线路概况见图1。统分解协调原理解决了义乌市水库系统模拟调度问题；Proenca De Oliveira等[9]将遗传算法应用于并联的2个水库的调度上；李文家等[10]利用动态规划原理建立了3个水库联合调度防御黄河下游洪水模型；胡铁松等[11]利用神经网络法解决了3个并联水库的调度问题。

笔者根据胶东调水工程现状，利用线性规划法，以区域总缺水量最小为调度目标，在水资源优化配置的基础上，考虑各分水口供水量、渠道水量平衡、各分水口最小供水量等约束条件构建调度模型，以2014年为基准年，制定规划水平年2020年和2025年的水资源调度方案并进行优化。

1 工程概况

山东省胶东调水工程是南水北调东线工程的重要

本文以潍坊市、青岛市、烟台市及威海市4地市受水区进行供水调度研究，研究区域输水干线有20个分水口门，其中1～7号分水口为潍坊市供水，8号和9号分水口为青岛市供水，10～19号分水口为烟台市供水，20号分水口为威海市供水，调水系统概化见图2。

2 水资源优化调度

2.1 不同规划年的可调度水量

胶东调水工程主要引水水源为黄河水和长江水。本文选定2014年为基准年、2020年和2025年为规划水平年。首先对4地市受水区当地水源进行水资源供需平衡分析，结果见表1。

在水资源供需平衡分析的基础上，以4地市缺水量最小和工程效益最大为配置目标，综合黄河水、长江水的实际来水情况，以4地市需水量（缺水量）和供水指标（潍坊市、青岛市、烟台市、威海市的黄河水年供水指标分别为3.07亿、2.33亿、1.37亿、0.52亿m3，长江水年供水指标分别为1.000亿、1.300亿、0.965亿、0.500亿m3）为约束条件，对调黄河水、同时调黄河水和长江水两种情况进行优化配置，确定不同规划水平年不同保证率下的可调度水量，计算结果分别见表2、表3。

2.2 调度目标、任务及原则

调度是为了缓解4地市水资源短缺问题，因此调度目标为4地市总缺水量最小。调度任务为根据不同的来水情况和工程条件，在调度期内将不同规划水平年的调度水量调度到各分水口。

调度原则：①有效性，水資源调度应提高实际输水效率，减小输水损失，因此优先考虑输水距离短的分水口以设计流量进行水资源调度，最大限度利用工程的供水能力；②公平性，水资源开发利用涉及受水区4地市，调度分配时应以公平公正为原则，全面考虑、合理分配、平衡发展；③满足最小需水，最小需水量为居民生活基本用水量，调水时需优先满足。

2.3 调度模型构建

（1）确定调度期。基于胶东调水工程实际调度运营情况，调度期分为全年调度和非全年调度两种情况：全年调度期为当年10月到次年9月，调度时优先考虑非汛期调水；非全年调度期参照南水北调一期工程调度期，确定调度期为当年10月到次年6月。

（2）确定调度时段。综合渠首到各分水口输水历时以及历年调度运营情况，确定胶东调水工程的调度时段为月，用i表示（i=1，2，…，12）。

（3）确定决策变量。决策变量为4地市分水口每月的调度水量。设决策变量为qi，j，其中j为分水口编号（j=1，2，…，20），qi，j即第i时段为第j分水口的调度水量。

（4）确定目标函数。为了提高调度期内输水效率，确定调度目标函数为各分水口缺水量最小。目标函数为式中：f为调度期内各分水口总缺水量，亿m3；di，j为第i阶段第j分水口的需水量，亿m3。

（5）约束条件。①各地可调度水量约束。表达式为式中：si，j为从渠首给第i阶段第j分水口的调度水量，亿m3；Qt为第t个城市配置的可调度水量，亿m3（t=1、2、3、4，分别对应潍坊、青岛、烟台、威海）。

因为调度时存在输水损失，所以有：式中：βi，j为第i阶段从渠首到达第j分水口的输水效率。

②各分水口月需水量约束。表达式为

qi，j≤di，j（4）

③各分水口最小需水量约束。为满足需水要求，供水量应≥居民基本生活用水水量（其值等于最小需水量qmin）。

min qi，j≥qmin（5）

④渠道水量平衡约束。将渠道以分水口为节点进行分段，根据渠道水量平衡原理，可得：

wi，j+1=wi，jαi，j-qi，j（6）式中：wi，j、wi，j+1分別为第i阶段第j段、第j+1段渠道的输入水量，亿m3；αi，j为第i阶段第j段渠道的输水效率。

由图2可知，第7段渠道的初始水量加上第10段渠道的初始水量等于第6段渠道初始水量乘以渠段输水效率减去第6个分水口调度水量，即：

wi，7=（wi，6αi，6-qi，6）（1-k）（7）

wi，10=（wi，6αi，6-qi，6）k（8）式中：k为向烟台、威海分水系数，k取最大时即宋庄分水闸以设计流量22m3/s进行分水，同时上游渠段按最大流量29m3/s来水，所以k的取值范围为

2.4 调度方案确定

胶东调水工程调度目标函数和约束条件均为线性方程，因此以线性规划法进行调度模型计算，采用MATLAB软件，利用单纯形法编程求解4地市在不同引水水源、不同规划水平年、不同保证率和不同调度期的调度方案，共计24种。限于篇幅，只列举2020年调黄河水时非全年调度的调度方案（保证率为50%），见表4。

利用调度模型求解得到24种调度方案，各方案的最小需水量、调度水量、各分水口总供水量（扣除输水损失量）和缺水率见表5。

由表5可知，24种水资源调度方案对受水区的缺水情况均有不同程度缓解。

（1）调黄河水。2020年，50%保证率下非全年、全年调度缺水率分别降低了11.20%、11.08%，75%保证率下非全年、全年调度缺水率分别降低了11.39%，11.00%，95%保证率下非全年、全年调度缺水率分别降低了13.16%、10.96%。2025年，50%保证率下非全年、全年调度缺水率分别降低了9.43%、9.33%，75%保证率下非全年、全年调度缺水率分别降低了9.59%、9.27%，95%保证率下非全年、全年调度缺水率分别降低了11.08%、9.23%。说明在调黄河水情况下，各调度方案均能完成可调度水量，满足最小需水要求。

（2）黄河水和长江水同时调度。2020年，50%保证率下非全年、全年调度缺水率分别降低了13.17%、15.35%，75%保证率下非全年、全年调度缺水率分别降低了13.16%、15.75%，95%保证率下非全年、全年调度缺水率分别降低了13.32%、16.85%。2025年，50%保证率下非全年、全年调度缺水率分别降低了11.03%、13.27%，75%保证率下非全年、全年调度缺水率分别降低了11.08%、13.26%，95%保证率下非全年、全年调度缺水率分别降低了11.22%、14.19%。可以看出，除2020年50%保证率全年调度方案外，其他情况受工程输水能力所限，可调度水量未能全部调完。各方案均满足4地市最小需水要求。

2.5 调度方案优化

调度方案优化原则：①调度水量大，胶东调水工程调水目标为调度期内各地市总缺水量最小，调度水量越多则缺水量越小，调度方案越优；②充分利用性，为使有限的水资源能够物尽其用，所以配置水量全部调完的方案为优。

（1）规划水平年2020年。50%保证率下，黄河水和长江水同时调度比只调黄河水的调度水量平均多1.500亿m3，黄河水和长江水同时调度时将可调度水量全部调完，依照优化原则①和②优选黄河水和长江水同时调度的全年调度方案。75%和95%保证率下，黄河水和长江水同时调度比只调黄河水的调度水量分别多1.574亿、1.909亿m3，两种保证率下的黄河水和长江水同时调度全年调度水量均大，依照优化原则①，均应优选黄河水和长江水同时调度的全年调度方案。

（2）规划水平年2025年。50%、75%、95%保证率下，黄河水和长江水同时调度比只调黄河水的调度水量分别多1.592亿、1.574亿、1.909亿m3，3种保证率下的黄河水和长江水同时调度全年调度水量均大，依照优化原则①，均应优选黄河水和长江水同时调度的全年调度方案。

根据优化原则对不同规划水平年、不同保证率下的24种调度方案进行优化后，水资源优化调度方案见表6。

3 结语

（1）在充分考虑胶东调水工程现状的基础上，结合受水区4地市不同分水口的特点，提出满足区域最小需水量这一约束条件进行调度模型构建，对调度方案求解并进一步优化。水资源优化调度使4地市缺水率显著下降，能有效缓解胶东地区严重的水资源供需矛盾。

（2）在目前调水工程条件下，受工程输水能力的限制，优化调度方案只有2020年50%保证率下能完成可调度水量。为使调度水量最大，优化调度方案均应为全年调度，缺少必要的工程维护保养期。因此，建议提高工程渠道输水能力，以更好地进行水资源调度。

（3）按水资源优化调度方案进行调度，可以满足4地市最小需水要求，缓解胶东地区水资源短缺问题，但仍不能满足该区域总体需水要求。为彻底解决水资源短缺问题，需开源节流，开辟新的引水工程、进一步加强节水工作。

（4）目前为了满足胶东调水工程的实际调水需要，只考虑了现行供水指标进行调度研究，未考虑不同来水情况下供水指标的调度。下一步应综合考虑黄河水和长江水实际来水情况，按同比例豐增枯减原则，对不同供水指标深入开展优化调度研究。另外，受资料所限，本文采用的基本资料系列较短，优化调度精度有待提高。今后应补充完善资料，进一步优化调度方案。

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