引江济淮工程年水量调度模型研究

雷晓辉 张利娜 纪毅 孙嘉辉 沈登乐 王超

摘要：引江济淮工程以城乡供水为主，兼顾灌溉补水和改善巢湖生态，是跨流域、跨省重大战略性水资源配置工程。采用模拟模型和优化技术相结合的方式，依据水量平衡原理建立引江济淮工程年水量调度模型，利用遗传学算法优化引江济巢段的双线引江比例。从来水条件和用水规划两个方面分析年调度模型可能的情景，构建典型年调度情景集合，具体包括：枯水年、平水年和丰水年的近期规划和远期规划;针对全部调度情景，采用年调度模型进行模拟获取不同情景下的年调度方案，并对各方案的引供水结果、分区段调度结果、湖泊调蓄情况进行对比分析。研究成果可以为工程调度运行和调度系统建设提供一定的基础和参考价值。

关 键 词：

引江济淮工程; 水资源调度; 调度情景; 正反模拟模型; 遗传算法

中图法分类号： TV213.9

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.001

0 引 言

水资源短缺、时间和空间分布不均以及水资源利用率较低等问题已成为制约我国社会经济持续发展的重要因素[1]。水资源配置的研究对于缓解水资源供需矛盾、促进区域社会经济发展有重要意义[2-4]。淮河水资源时空分布极不均衡，历史旱灾频繁，但由于沿淮淮北地区缺少新建大型水库的地理条件，因此跨流域调水是解决淮河区域水资源问题的根本措施。引江济淮工程是跨流域、跨省的重大战略性水资源配置和综合利用工程。水资源在跨流域调度时既不能破坏长江下游的生态环境[5]以及用水需求，又要兼顾跨流域的供水要求[6]，引水过程中由于调蓄湖泊水位限制等因素出现不同程度的弃水，如何配置调度过程使得弃水率最小，是跨流域水资源调度需要解决的问题[7]。国内学者针对跨流域调水的调度规则和方法做了很多研究。林鹏飞等[8]针对并联水库的联合供水特征，采用引水限制调度线控制引水水库可引水量，构建并联水库优化调度模型，通过优化引水调度线提出了改进并联水库系统的调度规则和调度方法。郭旭宁等[9]为了有效描述和求解跨流域水库群最优调供水过程，建立了基于0-1规划方法的水库群最优化调度模型，确定跨流域水库群调水规则和供水规则。游进军等[10]以南水北调东线为例，建立从配置到调度的耦合模拟模型，通过外调水与本地水补偿配置调度耦合算法对可行的水量配置进行优化，提出了区域工程调度方案。杨柳等[11]以引汉济渭调水工程与黑河引水工程为例，构建了调水工程与本地水工程联合调度的水资源系统网络，分析了本地水和外调水不同优先供水顺序下的优化调度方案。万芳等[12]融合调水、引水和供水关系构建跨流域水库群优化调度规则，对调水工程和本地地表水的整体配置调度体系进行优化计算。彭少明等[13]针对跨流域调水工程的复杂水资源系统，提出多维尺度模拟和优化方法，建立了3层结构的泛流域水资源时空优化调配模型系统，并采用大系统协调技术和嵌套遗传算法动态调节机制求解，得出水资源优化分配方案。现有研究多以设计引水控制线或引水能力控制作为引江水量进行输水和配水优化，但缺乏考虑不同水平年的当地来水和需水情况，基于“节水优先”的理念，需同时兼顾“以需定供”和“以供定需”双向约束。此外，由于引江济淮工程计划实施双线引江，此过程中受菜子湖和巢湖的水位约束以及渠道和闸泵的输水能力等约束，不同时间段或同一时段两条线路的不同的输水过程，呈现不同的弃水量。如何优化这一输水过程使得引水的总弃水量最小，是引江济淮工程实际调度时需要考虑的问题。

本文采取模拟模型和优化技术相结合的方式[14]，依据水量平衡原理建立引江济淮工程年水量调度模型。根据各单元需水预测过程，同时考虑区间来水过程、渗漏损失等反向模拟得到引江济巢段的预测输水过程。采用遗传学算法优化引江济巢段的双线输水过程的引江比例分配，正向模拟计算得到引江济淮工程近、远期规划年的丰、平、枯水年的输水过程，为后续考虑湖泊调蓄能力的水资源优化调度研究提供基础。

1 水量调度模型

1.1 水量调度范围及调度期

引江济淮水量调度范围为整个工程受水区域。项目区涉及皖、豫两省，行政区划包括安徽省安庆、铜陵、芜湖、马鞍山、合肥、六安、滁州、淮南、蚌埠、淮北、宿州、阜阳、亳州以及河南省周口、商丘15个市55个县（市、区），受水区总面积7.06万km2。水源是长江引水、淮河上游来水、三大湖泊前期蓄水及来水量。用水对象为工程沿线各口门需引水量、三大湖泊的生态需求，以及淮河当地水供水对象。按照水量调度建模分析需要，以长江引水点、淮河蚌埠闸以及三大湖泊为主要控制点。重要的闸泵控制点依据相对位置关系进行概化，全线概化为10个取水口（见图1），其中江水北送段的4条线路概化为一个取水口。

本研究基于调度范围内的水文站1956～2010年长系列径流数据，选取25%，50%，95%的来水频率条件下汛末10月至次年9月为调度期，步长为旬。按照现状水平年2010年，基于各行

业用水定额核算的25%，50%，95%来水频率的需水方案，对2030年近期规划水平年和2040年远期规划水平年的丰、平、枯水年情景进行水资源调度取水过程模拟优化。

1.2 模型约束条件

1.2.1 湖泊水量平衡及约束

湖泊包括菜子湖、巢湖、瓦埠湖以及淮河蚌埠闸概化的湖泊。

1.3 正反模擬模型及引江水量优化调度

年水量调度模拟模型遵循水量平衡方程和约束条件，采用规则调度[15]和遗传算法[16]进行求解，得到水量调度方案成果。模型的已知变量主要包括不同水平年的湖泊初始蓄水量、区间来水过程以及需水过程。本文的引江过程是基于整个受水区的需水过程、区间来水过程进行模拟，同时考虑渗漏损失和弃水。

1.3.1 正反向模拟模型原理

正反模拟模型中的反向模拟是从工程末端枢纽（蚌埠闸枢纽）开始演算倒推至工程起点枢纽（凤凰颈枢纽和枞阳枢纽）的反方向模拟过程，该过程主要考虑各取水用户的逐旬需水量，从而倒推出工程全段所需的逐旬需水量过程。将倒推所得的逐旬需水量过程与设计引江供水能力约束进行对比，取两者的较小值，从而实现“以需定供”的理念。模拟模型中的正向模拟是从工程起点枢纽（凤凰颈枢纽和枞阳枢纽）开始演算至工程终点（蚌埠闸枢纽）枢纽的正方向模拟过程，该过程主要考虑湖泊的区间来水量以及湖泊蓄水能力约束以及各工程的引水能力约束，最终模拟出各工程段的逐旬供水过程，以及湖泊的水

位库容逐旬变化过程，从而实现“以供定需”的理念。引江济淮工程采用双线供水设计，为此反向演算的末端需要考慮双线水量如何分配的问题。两条引江河段均有湖泊（巢湖、菜子湖）参与引供水过程，为充分利用湖泊的调蓄能力，尽可能多地减少湖泊弃水量，本文采用遗传算法进

行双线水量比例分配过程优化，使得引江过程中湖泊的总弃水量最少，以实现“尽可能多地利用本地水而减少引江水量”的理念。图2为正反演算原理流程图，计算步骤如下。

2 典型年调度情景分析

利用不同保证率典型年水量日过程分析规划水平年大通站水文站的水量。引江济淮工程涉及范围广，跨长江淮河两大流域，两大流域水文特性不同，因此水源区和受水区典型年频率存在不一致，故不同保证率的典型年需综合考虑长江流域（水源区）和淮河流域（受水区）进行选取。本文分别根据长江流域和淮河流域水文频率，选取5%～95%共12个典型年进行规划水平年水量分析，并最终选取1978年（枯水年），1981年（平水年），1993年（丰水年）作为水量调度计算的典型年。按照现状水平年为2010年，2030年为近期规划水平年，2040年为远期规划水平年分别设置典型情景。

3 输出结果及分析

模型主要输出取水口各个供水单元的需水过程、供水过程、缺水过程、引江水过程、闸泵和湖泊的调水过程、最终的供需平衡结果，以及输出各类水平衡项的详细过程，如湖泊的引江入湖流量、湖泊区间入流、湖泊水利用、湖泊出湖流量、弃水量等。

3.1 湖泊调蓄过程分析

以2030年规划水平年为例，针对年调度模型结果进行湖泊调蓄过程分析。图3是2030年规划水平年菜子湖和巢湖的逐旬引江调度过程。从图3（a） 中可以看出，近期枯水年，菜子湖除了2月下旬至6月中旬以外，其他时段均为出入湖相等的调度状态，即供水由引江水提供;2月下旬至6月中旬出湖量大于入湖量，表明引江水在通过湖泊调蓄的时候，可利用湖泊的弃水（湖泊的区间来水因受水位限制而被迫排出的水）使得水资源能够得到高效利用。在整个引江输水过程中，菜子湖和巢湖的弃水极少。从图3（b） 中可以看出：在近期枯水年，巢湖4月下旬和5月下旬出湖量大于入湖量，表明引江水在通过湖泊调蓄的时候可利用湖泊的弃水;6月上旬至11月下旬入湖量大于出湖量，由于5～11月的区间来水（实际入流-当地水配置）为负值，为了保证湖泊水位不低于生态最低水位，实施引江水补给湖泊生态水。

在近期平水年，菜子湖的弃水量为19.64亿m3，调度期结束时较调度起点库容增加0.79亿m3，调蓄过程详见图3（c）;菜子湖远期平水年的弃水量较近期减少0.58亿m3。近期平水年，巢湖弃水量为15.29亿m3，调度期结束时较调度起点巢湖库容增加2.3亿m3，调蓄过程详见图3（d）;巢湖远期平水年的弃水量较近期减少2.48亿m3。远近期平水年中，菜子湖弃水量是巢湖弃水量的1.5倍。

在近期丰水年，菜子湖弃水量为11.67亿m3，菜子湖远期丰水年弃水量较近期减少0.5亿m3。近期丰水年，巢湖弃水量为23.21亿m3，巢湖远期丰水年的弃水量较近期减少2.88亿m3。近期丰水年中，巢湖弃水量是菜子湖弃水量的2倍。

3.2 工程全线引供结果分析

3.2.1 2030年规划水平年工程引供分析

图4是2030年规划水平年枯、平、丰水年的生活工业、农业的供缺水统计示意图。由图4可知：枯水年呈现较明显的缺水现象，其中，生活工业缺水率为9.08%，农业缺水率为15.78%。近期规划枯水年总需水量为83.91亿m3，设计的引水量为69.17亿m3，模型计算的引水量为57.91亿m3，较设计方案减少11.26亿m3;总供水量为74.85亿m3，其中枞阳引水量为27.31亿m3，凤凰颈引水量为30.61亿m3。

近期规划平水年总需水量38.01亿m3，设计的引水量为39.51亿m3，模型计算的引水量为15.01亿m3，较设计方案减少了24.5亿m3，表明该模型在平水年计算中充分利用了湖泊水，进而减少了引江水的使用量，其中巢湖利用量为0亿m3，菜子湖利用量为2.13亿m3，瓦埠湖利用量为7.37亿m3，淮河利用量为24.29亿m3。总供水量为38.01亿m3，其中，枞阳引水5.02亿m3，凤凰颈引水10亿m3。

近期规划丰水年总需水量18.22亿m3，设计的引水量为11.41亿m3，模型计算的引水量与设计规划持平;总供水量为18.2亿m3，其中枞阳引水6.56亿m3，凤凰颈引水4.85亿m3。近期规划的丰、平、枯水年的逐旬引江流量过程如图5所示。

3.2.2 2040年规划水平年工程引供分析

2040年规划水平年的各典型年供缺水比例与2030规划水平年相近;枯水年呈现较明显的缺水现象，其中，生活工业缺水率较近期规划增加24%，农业缺水率增加12%;随着农业水利用技术的不断发展，水资源利用率提高，农业缺水率的增长与生活和工业相比较缓。

远期规划枯水年总需水量92.90亿m3，设计的引水量为88.72亿m3。模型计算的引水量为62.7亿m3，较设计方案减少了26.02亿m3，其中巢湖利用量为0.62亿m3，菜子湖利用量为1.3亿m3，瓦埠湖利用量为1.26亿m3，淮河利用量为25.71亿m3。

远期规划平水年需水总量47.44亿m3，设计的引水量为49.61亿m3。模型计算的引水量为20.44亿m3，较设计方案减少了29.17亿m3，其中，巢湖利用量为0.33亿m3，菜子湖利用量为2.56亿m3，瓦埠湖利用量为7.4亿m3，淮河利用量为28.06亿m3。

远期规划丰水年需水总量22.84亿m3，设计的引水量为14.77亿m3。模型计算的引水量为4.52亿m3，较设计方案减少了10.25亿m3，其中，巢湖利用量为0.46亿m3，菜子湖利用量为0.82亿m3，瓦埠湖利用量为9.57亿m3，淮河利用量为19.86亿m3。

3.3 工程区段统计分析

引江济淮工程供水过程中，经过菜子湖、巢湖、瓦埠湖三大湖泊和淮河的调蓄，在输送过程中湖泊的水量与引江水共同作为供水源供水。针对调度后的结果，统计远、近期规划下不同典型年三大区段的供水量、缺水量、湖泊水利用量、弃水量，详见表2。工程的缺水情况主要发生在江水北送段，枯水年较为严重;而弃水主要来自菜子湖和巢湖，因此后续的工作将主要致力于三个湖泊的全局协同优化，使弃水充分利用，降低弃水率。从表2中也可以发现：江水北送段是工程供水的主要对象，该段枯水年供给量占总量的57%，平水年供给量超过总量的75%，丰水年供给量超过总量的97%。从工程全段来看，近、远期规划下枯水年的供水量最大，平水年的湖泊利用量最大，丰水年的弃水率最大。现定义湖泊水利用率等于湖泊水利用量与供水量的比值。近期规划湖泊水利用率为：枯水年为36.6%，平水年为89%，丰水年为146.5%。远期规划湖泊水利用率为：枯水年为35%，平水年为81%，丰水年为134%。由此可以看出，近、远期规划的湖泊水利用率随着缺水程度的减少不断增加。

4 结论与展望

本文采用模拟模型和优化技术相结合的方式，依据水量平衡原理建立了引江济淮工程年水量调度正反模拟模型。构建远、近期规划年的丰、平、枯水年的不同情景，对全部典型情景进行模拟获取了不同情境下的年调度方案。模拟结果表明：平水年和丰水年在近期规划水平年（2030年）和远期规划水平年（2040年）的缺水量基本为0，枯水年在远、近期规划水平年均存在较大缺水，以农业缺水为主;与设计规划相比，由于本文模型充分考虑了湖泊的调蓄能力，减少了部分汛前的引水，充分利用了调蓄湖泊的洪水资源，从而使得调度方案中各典型年的引水总量较设计规划的明显减少。远、近期规划的枯水年弃水较少，丰水年和平水年弃水量相对较多，平水年两湖弃水量相近，而丰水年弃水量主要发生在巢湖。江水北送段是引江济淮工程供水的主要对象，该段枯水年供给量占总量的57%左右，平水年供给量超过总量的75%，丰水年供给量超过总量的97%。从工程全段来看，近、远期规划下枯水年的供水量最大，平水年的湖泊利用量最大，豐水年的弃水率最大。

本文仅从水量平衡模拟的角度开展了探究，至于如何优化上下游湖泊之间的协同调度以及取用水调配规则，进行全流域统筹调度及决策，则是在跨流域水资源调度工作中需要进一步深入研究的内容。

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（编辑：郑 毅）