基于水量联合调度的“十四运”水景观运行研究

马永胜， 董旭荣

(陕西省水利电力勘测设计研究院， 陕西 西安 710001)

1 研究背景

从20世纪50、60年代橡胶坝诞生至今，作为一种薄壁柔性结构的新型水工建筑物，由于其构造简单、宜于施工、便于使用等特点，已广泛应用于世界各地，用以构建水景观长廊、打造河流连续水生态格局、美化城市宜居环境等[1-3]。目前，有关橡胶坝的研究多偏重于防洪度汛方案设计方面[4-6]，如刘杨等[7]分别选用了一维与二维水动力学模型，模拟计算了某城市河道遭遇洪水时，橡胶坝群立坝蓄水运行状态下洪水演进随洪水过程线变化的状况；张庆华等[8]建立了橡胶坝塌坝仿真计算模型，采用遭遇洪水时连续塌坝过程线计算方法，研究了不同情境下的梯级橡胶坝塌坝泄流过程；杨菊香[9]假定了不同等级洪水的波传播速度、各坝体塌坝时间及其最大泄水流量等运行条件，研究了橡胶坝群的不同塌坝顺序-坝群塌坝时间相关关系。实际上，橡胶坝也是一种蓄水建筑物，能够存蓄天然河道来水，同时通过溢流或排水方式泄水，具有一定的调蓄能力，但是鉴于其较为特殊的坝体结构难以实现精准蓄泄运行，导致梯级橡胶坝群联合运用操控难度较大[10-12]。然而，随着城市人居环境的不断提升，人们对于以橡胶坝为构建主体的城市河段滨水环境需求愈发迫切[13-14]。因此，有必要系统地研究以构建城市亲水环境，实现秀美水景观为主要目的的梯级橡胶坝群的水量联通调控，特别是涉及与坝群所在流域水库群之间的联合调度。

浐河和灞河(下称浐灞河)是渭河主要支流[15]，自古以来也是构成“八水绕长安”盛景的主要河流[16]，二者是距离西安主城区最近的较大河流[17]。近年来，浐灞河流域相继建造了30余座橡胶坝[18]，近期又在橡胶坝群末端修建了“全运湖”橡胶坝，初步形成了自上而下水面衔接的梯级橡胶坝群，极大地提高了浐灞河流域的水景观布局[18]。2021年“中华人民共和国第十四届运动会”(以下简称“十四运”)在陕西省西安市举办，作为“十四运”水域项目及开、闭幕式主场馆所在地，对浐灞河流域水景观，特别是开、闭幕式阶段的效果，提出了更高要求[19-20]。本文通过流域水量联合调度打造“全运湖”水景观效果，构建浐灞河流域水量联合调度模型，判定浐、灞河橡胶坝群以及水库群补水功能，分析“全运湖”在不同阶段水景观流量与补水时长关系，制定“十四运”水景观运行方案。

2 浐灞河流域及库坝群概况

2.1 浐灞河流域概况

浐灞河流域位于陕西省西安市东南部，东经109°00′～109°47′，北纬33°50′～34°27′，南依秦岭山地，北连渭河平原[21]。浐灞河流域多年平均径流量约为5.86×108m3，其中浐、灞河天然径流量分别为1.12×108、4.74×108m3。本流域径流量时程分配不均，天然径流量的55%左右集中于汛期(7-10月)，且汛期往往易发较大洪水，河流含沙量虽变化较大，但基本呈现大水大沙，小水小沙的趋势[22]。

2.2 “十四运”期间水文情势分析

“十四运”定于2021年9月15日-9月27日召开，该时段为浐灞河流域主汛末期。考虑到设计工况下橡胶坝在汛期应塌坝运行，而为了在“十四运”期间实现“全运湖”水景观效果，对梯级橡胶坝群采取非常规操控，即在汛期择机立坝运行。然而，为确保河道行洪及上下游度汛安全，须严格遵守流域防洪预案中既定的橡胶坝度汛要求，当预警洪水流量达到100 m3/s时，橡胶坝群立即塌坝运行。此外，参照模型实验数据，可形成“全运湖”水景观的适宜流量范围为18～40 m3/s。统计2010-2019年“十四运”同期“全运湖”水景观运行的特征流量分布情况，结果见表1。

表1 2010-2019年“十四运”同期浐灞河流域特征流量分布表

2010-2019年“十四运”同期浐灞河流域平均流量及特征值统计见表2。由表2可见，该期间“全运湖”平均天然流量为57 m3/s，考虑橡胶坝安全度汛塌坝流量100 m3/s影响后的有效平均流量为29 m3/s，大于“全运湖”水景观运行最小流量18 m3/s，然而入湖流量年际间差异较大，最枯年份有效流量仅为4 m3/s(2013年)。因此，需通过上游库坝群联合调度，发挥其调蓄能力，确保“全运湖”较为稳定的持续水景观流量。

表2 2010-2019年“十四运”同期浐灞河流域平均流量及特征值统计 m3/s

2.3 库坝群基本情况

浐灞河流域水量联合调度所涉及的调蓄工程共有浐、灞河及其支流上已建的5座水库和沿河16座橡胶坝，库坝群分布详见图1。

图1 浐灞河流域库坝群位置分布图

5座水库包括浐河流域鲸鱼沟内的鹿塬、杨家沟和红旗3座串联梯级库以及岱峪河上的岱峪水库，上述4座水库合计调节库容为920×104m3；另有灞河流域辋川河上的李家河水库，该水库为西安市骨干水源工程[23-24]，总库容为5 690×104m3。

灞河上参与联合调度的橡胶坝共10座，其中灞河1号坝通过控制溢流流量形成“全运湖”水景观，其上游灞河A、B坝设计蓄水量分别为600×104、400×104m3(考虑坝前淤积及泄放效率，两坝有效蓄水量合计500×104m3)，为橡胶坝群内蓄水容积最大的两个坝体，其余7座橡胶坝分布于灞河中上游的灞桥及蓝田区段，各坝容积有限(合计383×104m3)；浐河上参与联合调度的6座橡胶坝均为小型坝，合计蓄水容积仅为157×104m3。

3 浐灞河流域水量联合调度

3.1 浐灞河流域水量联合调度系统

考虑上述水库及橡胶坝群之间的水力联系、储水能力、运行方式、空间属地等因素，确定各库坝体在联合调度系统中的功能定位及其相互关系，绘制联合调度系统拓扑关系，如图2所示。

图2 浐灞河流域联合调度系统各对象拓扑关系示意图

灞河1号坝是“全运湖”水景观的形成坝，可作为联合调度系统中的目标坝，目标坝形成水景观适宜流量范围应控制在18～40 m3/s；灞河A号坝紧邻灞河1号坝之上，在橡胶坝群中蓄水容积最大，且位于浐、灞河交汇口以下，能够充分调蓄浐、灞河径流资源，确定为直接控制坝；灞河B号在A号坝上游，与目标坝相距不远，蓄水容积次之，可作为间接控制坝。

实施水量联合调度以便灞河A、B号坝发挥其较大的调蓄能力，当流域内天然来水不足时，利用两控制坝向目标坝补充水量，此外控制坝还可控制流态、净化水质，调控“全运湖”水景观效果；而其他13座橡胶坝，调蓄能力偏低，可按坝体间拓扑关系分为灞河与浐河梯级坝群，用于存蓄水量补充两控制坝的缺水。

当橡胶坝群不满足目标坝“全运湖”水景观用水时，可启动水库群加大下泄，通过浐、灞河天然河道补水。浐河流域鲸鱼沟内3座串联梯级库(鹿塬、杨家沟、红旗水库)距目标坝较近，且调蓄库容适宜，可优先下泄补水；其次，可利用上游岱峪水库补水。考虑到灞河流域李家河水库既有的西安市城市供水的重要任务，仅当联合调度系统遭遇极端干旱状况时，才适时启动李家河水库补水。

3.2 浐灞河流域水量联合调度模型

通过流域水量联合调度实现“全运湖”水景观运行效果，“十四运”水景观运行时段主要分为3个阶段：开幕式、闭幕式以及中间期阶段。考虑到联合调度模型应协调系统对不同阶段的补水分配及水景观运行时长，且各阶段还需满足水景观形成与坝体补水时段动态平衡，本文所构建浐灞河流域水量联合调度模型如下：

3.2.1 目标函数

(1)水景观运行时长最长

maxT=ω1·T开幕式+ω2·T中间期+ω3·T闭幕式

(1)

式中：T为水景观运行总时长，h；T开幕式、T中间期、T闭幕式分别为水景观3阶段(开幕式、闭幕式及中间期)运行时长，h；ω1、ω2、ω3分别为根据各阶段重要程度而确定的权重因子。

(2)水景观流量最佳

maxQt水景观=QN水景观

(2)

QN水景观={Qmin水景观，Qmax水景观}

(3)

(N=开幕式，中间期，闭幕式)

式中：Qt水景观在3个阶段分别为各自水景观运行流量QN水景观，m3/s；Qmin水景观和Qmax水景观分别为运行流量区间的最小值和最大值，分别取值为18、40 m3/s。

3.2.2 约束条件

(1)水景观流量组成

Qt水景观=Qt控制坝A+Qt控制坝B

(4)

式中：Qt控制坝A和Qt控制坝B分别为两座控制坝灞河A坝和B坝的泄放流量，m3/s。

(2)直接控制坝灞河A坝水量平衡

Qt控制坝A=QtA天然径流+QtB→A+Qt浐河坝群→A+Qt灞河坝群→A+Qt水库群→A+(Vt-1控制坝A-Vt控制坝A)/(3600TA)

(5)

式中：Qt控制坝A为控制坝灞河A坝的泄放流量，m3/s；QtA天然径流为灞河A坝的天然入坝流量，m3/s；QtB→A、Qt浐河坝群→A、Qt灞河坝群→A、Qt水库群→A分别为灞河B坝、浐河坝群、灞河坝群、水库群向灞河A坝的补水量，m3/s；Vt-1控制坝A、Vt控制坝A分别为本时段初期与末期的坝内蓄水量，m3；TA为补水运行时间，h。

(3)间接控制坝灞河B坝水量平衡

Qt控制坝B=QtB天然径流+Qt浐河坝群→B+Qt灞河坝群→B+Qt水库群→B+

(Vt-1控制坝B-Vt控制坝B)/(3600TB)-QtB→A

(6)

式中：各符号含义及单位与公式(5)中的相应变量一致。

(4)上游库坝群水量平衡

Qti 损失)×3600TNi

(7)

式中：Vti、Vt+1i分别为各库坝群(i分别代表浐河坝群、灞河坝群以及水库群)本时段初、末期对水景观补水前后的蓄水量，m3；Qti 天然径流为各库坝群的天然入库流量，m3/s；Qti→A、Qti→B、Qti→原对象分别为各库坝群向灞河A坝、B坝、原有供水对象的供水量，m3/s；Qti 损失为水库群蒸发与渗漏损失之和(橡胶坝由于水面较小，可不考虑其蒸发渗漏损失)，m3/s；TNi为各个阶段N的补水运行时间，h。

(5)各库坝体补水能力约束

(8)

(6)各橡胶坝立坝高度约束

(9)

(7)各水库库容约束

(10)

3.3 联合调度运行原则及求解

(1)“十四运”期间对“全运湖”景观用水与流域原用水对象进行统一调度管理；

(2)以先灞河、浐河流域梯级坝，再浐河、灞河水库的次序错时补蓄；

(3)水库群保障生活需水要求后，择机加大泄水以补充 “全运湖”水景观用水。

本文采用具有高效并行性的协同粒子群优化算法(coordinated particle swarm optimization, CPSO)[25-26]，即将每个阶段的运行方案即补水与水景观时长作为相对独立的子系统生成联合粒子群，各个阶段之间按照协同优化理论，通过求解3个阶段的子系统各自目标函数并耦合得到系统最优解集，最终确定“全运湖”水景观运行方式，求解流程见图3。

图3 “全运湖”水景观运行方式求解流程图

4 “全运湖”水景观运行方案

4.1 “十四运”前期控制坝充水历时

两控制坝对目标坝具有补充水量、保障水质、控制流态等作用，“十四运”之前应尽量确保控制坝A、B坝充水蓄满，以充足水量应对“十四运”期间联合调度系统遭遇枯水特别是连续枯水时段，进而对目标坝调蓄补水，确保“全运湖”水景观运行。然而，两控制坝在汛期遵循度汛安全，又不宜过早长期立坝蓄水。因此，对两控制坝充水蓄坝时机的选择尤为重要。有必要研究“十四运”前期两控制坝充水历时，本文利用长系列2010-2019年9月份“十四运”前逐日径流资料，通过两控制坝蓄水模拟计算，绘制不同充水蓄满历时情况下的蓄坝水量与其概率关系曲线，如图4所示。

图4 不同充水蓄满历时情况下的蓄坝水量与概率关系曲线

由图4可见，若充水蓄坝历时为3或5 d，“十四运”前两控制坝均蓄满(蓄坝500×104m3)的概率偏低，均小于50%；当充水蓄坝的历时为7 d，即“十四运”前1周开始充水至两控制坝蓄满的概率增幅显著，提高至81.6%；而“十四运”前10 d启动充水，则两控制蓄满概率为92.1%，蓄满概率增幅减缓。因此，既要确保度汛安全不过早立坝，又要提前在控制坝存蓄充足水量，达到较高蓄满率，对比分析，控制坝宜采用“十四运”前7 d启动充水蓄坝的运行方式。

4.2 “全运湖”水景观情景设定

按照“全运湖”水景观最小运行流量18 m3/s和最佳运行流量40 m3/s及相应持续时长，对3个阶段设置不同的情景组合，通过所建立浐灞河流域水量联合优化调度模型，采用2010-2019年“十四运”同期水文情势进行情景模拟，各情景组合计算结果见表3。

表3 “十四运”3个阶段不同运行流量及时长组合模拟情景及相应保障率计算结果

由表3 可看出，“十四运”开、闭幕式及中间期3个阶段难以实现“全运湖”全天24 h均以最佳水景观流量40 m3/s运行，若前两个阶段水景观持续时长较长、补水量利用较多，则导致第3阶段保障率仅为5% (情景1)；通过对时长离散化计量 (6 h为1个离散单位)，当时长减少为全天运行18 h时，第1阶段可基本满足情景要求，保障率为95%，而后两个阶段保障率提高有限 (情景2)；在此基础上，即使继续缩短第2阶段时长为12 h，则后两个阶段保障率仍无较大提高 (情景3)。因此，需参照“十四运”不同阶段“全运湖”水景观运行重要程度 (目标函数中的权重因子)，对各阶段水景观流量优化调整：若各阶段水景观仍以全天24 h运行，第2阶段运行流量减小为18 m3/s时，考虑到该阶段总历时(11 d)在3个阶段中最长，运行流量减小后调度系统内可预留水量较多，从而可较大程度地提高第3阶段水景观保障率至75% (情景4)；当3个阶段“全运湖”水景观运行时长同时缩短为18 h，第2阶段保证率可显著提高至70% (情景5)，而上述两情景仍未充分满足“十四运”水景观运行要求 (保障率达到95%)；最终，通过“全运湖”水景观不同运行流量与持续时长优选组合，得出3个阶段均能满足水景观运行要求的情景：第1、3阶段即开、闭幕式可以最佳水景观流量40 m3/s优先运行，相应历时为18 h，而中间期可按每天12 h维持“全运湖”最小水景观流量18 m3/s(情景6)。

4.3 “全运湖”水景观运行方式

基于浐灞河流域水量联合调度模型，拟定“十四运”期间(2021-09-15-2021-09-27)3个阶段不同运行流量与持续时长组成情景，以优选的情景组合制定“全运湖”水景观运行方式。按照前述“十四运”期间水文情势分析、水景观运行流量目标、橡胶坝安全度汛流量要求，视不同天然来流过程将其划分为以下几个流量区段：0～4 m3/s(加大补水区段)、4～18 m3/s(正常补水区段)、18～40 m3/s(无补水区段)、40～100 m3/s(蓄水区段)，针对各流量区段制定与之对应的“全运湖”水景观运行具体蓄泄操控方式。

受篇幅所限，本文以天然来流量为0～4 m3/s区段的最不利情况为例，该流量区段内联合调度参与补水水源较多，且基本涵盖其他流量区段的相应操控，其补、泄水量时程分配过程如表4所示。

表4 “十四运”期间各阶段“全运湖”水景观流量及补、泄水量时程分配过程(天然来流量为0～4 m3/s) m3/s

将表4中的补、泄水量时程分配过程说明如下：

(1)第1、3阶段，即开、闭幕式期：“全运湖”水景观以40 m3/s运行18 h，并按照28 m3/s错时补水6 h；

(2)第2阶段，中间期：可依据天然来流在该区段内变化，“全运湖”水景观以40 m3/s或18 m3/s各运行6 h(若天然来水多处于区段低值区，应选择18 m3/s运行)，此外，参照上游灞河坝群、浐河坝群、水库群等各补水水源有效蓄水量和实施运行状况，以28 m3/s错时按序补水。

5 结 论

针对“十四运”期间浐灞河流域“全运湖”水景观要求，本文构建了以水景观运行时长最长、流量最佳为目标函数的浐灞河流域水量联合调度模型，采用协同粒子群优化算法开展了不同运行阶段联合调度方案求解，通过长系列日尺度模拟计算，主要得到以下结论：

(1)当灞河A、B控制坝充水蓄坝历时为7 d时，相较于3 d或5 d充水历时，两控制坝蓄满概率增幅显著，达到81.6%，具有较高的保障程度，既为度汛安全不过早立坝，又可确保控制坝预存充足的水量。

(2)通过对“十四运”期间3个阶段不同运行流量、时长组合的模拟情景对比分析，优选情景6方案，即开、闭幕式阶段以最佳水景观流量40 m3/s优先运行，运行历时为18 h；中间期可按每天12 h维持“全运湖”最小水景观流量18 m3/s。

(3)在天然流量不同区段，即0～4 m3/s (加大补水区段)、4～18 m3/s (正常补水区段)、18～40 m3/s (无补水区段)、40～100 m3/s (蓄水区段)，分别制定出 “全运湖”水景观蓄泄运行方案，并以天然流量为0～4 m3/s区段的最不利运行工况，展示出满足“全运湖”水景观蓄泄水要求的库坝群“错时补水”操控方式。