考虑湖泊互济互调运行的江苏省南水北调工程优化调度

方国华　钟华昱　闻昕　李智超　罗煜宁

摘要：为进一步提升江苏省南水北调工程的综合运行效益，在湖泊单向运行方式基础上，提出了湖泊互济互调运行方式，以受水区综合缺水率最小和泵站总能耗最小为优化目标，构建了2种湖泊运行方式下“湖泊-闸泵群”联合优化调度模型，并基于9种湖泊来水情景全面分析了湖泊互济互调运行方式的有效性。结果表明：相较于湖泊单向运行方式，在受水区综合缺水率相同时，湖泊互济互调运行方式有效减少了泵站抽水总能耗;湖泊互济互调运行方式提升了骆马湖水资源调配能力和水资源利用效率，在骆马湖丰水年而洪泽湖丰水、平水、枯水年情景下，骆马湖水资源利用量分别提高了28.6%、36.1%和30.0%，弃水量分别下降了47.2%、42.4%和65.9%;湖泊互济互调运行方式有效减少了洪泽湖和骆马湖区间泵站的抽水量，通过充分利用沿线湖泊的调蓄能力，保障了两湖水位的安全合理运行。研究成果可为江苏省南水北调工程科学调度运行提供决策参考。

关键词：跨流域调水;梯级泵站群;水资源调度;互济互调;南水北调工程

中图分类号：TV697

文献标志码：A

文章编号：1001-6791（2023）05-0776-12

跨流域调水工程采取“开源”调水方式将丰水区水资源调引至缺水区，已被世界各国广泛用于解决流域或区域的水资源短缺问题，开展跨流域调水工程优化调度研究对于经济社会和生态环境的可持续发展具有重要意义［1-3］。近年来，相关学者围绕跨流域调水工程的优化调度开展了一些研究。如万芳等［4］以滦河下游跨流域水库群为例，基于博弈论和3层规划模型制定了包含供水、引水和调水的跨流域水库群联合优化调度规则;Ma等［5］定义了一种双重跨流域调水型式，即原始供水水库可同时作为供水和受水水库，并推导了“调-供-配”一体化的双重跨流域调水优化调度规则;康艳等［6］认为供水水库群联合优化调度规则应包括水库群蓄供水次序和水库调度图，提出了一种供水水库群蓄供水次序与调度图双层优化方法，制定了宝鸡峡灌区6库混联供水系统的供水规则;王超等［7］充分挖掘引江济淮工程的沿线湖泊调蓄能力，制定了考虑湖泊调蓄的梯级泵站群跨流域调水系统旬水量调度方案。

南水北调工程是目前世界上规模最大的跨流域调水工程，也是促进中国水资源优化配置的重大战略性基础设施，工程规划包括东、中、西3条调水线路，跨越长江、淮河、黄河和海河等重大流域，是“四横三纵”国家水网的主骨架和大动脉［1，8］。江苏省南水北调工程作为东线工程起始段，通过大规模闸泵群连接洪泽湖和骆马湖等大型调蓄湖泊，为苏北地区和省外部分地区的多元化用水需求提供了水源保障［9-11］。随着南水北调东线一期工程正式通水运行，相关学者围绕江苏省南水北调工程优化调度也开展了一些研究。如郭玉雪等［12］将江苏省南水北调工程的水资源空间格局概化为“两线-三湖-四水源-六区间”，采用改进蛙跳算法制定了同时考虑5个互斥目标的优化调度方案;闻昕等［13］提出了面向多工程、多主体、多目标的江苏省南水北调工程统一调度和联合运行方式，得到了不同典型年的“水源-线路-湖泊-枢纽”联合优化调度方案;方国华等［14］针对江苏省南水北调工程沿线受水区供水时空不均衡问题，建立了考虑供水时空均衡性的“湖泊-闸泵群”联合优化调度模型，并采用NSGA-Ⅲ算法制定了考虑供水时空均衡性的多目标优化调度方案。然而，以往的江苏省南水北调工程优化调度研究仅考虑了湖泊间单向调水运行方式，未考虑湖泊间双向互济互调运行方式，一定程度上弱化了该工程的水资源调控能力，影响了工程综合运行效益的发挥。江苏省南水北调工程作为典型的以多级湖泊为调蓄节点的大型跨流域调水工程，充分挖掘其沿线调蓄湖泊的水量互济能力十分重要，如何在已有研究的基础上，进一步探索江苏省南水北调工程沿线调蓄湖泊高效运行方式，抓住引、调、蓄、放水时机，通过复杂闸泵群系统的联合运行，科学配置长江、淮河、沂沭泗等不同流域的水资源，在满足沿线受水区用水需求的同时进一步提高工程综合运行效益，对于推动南水北调工程后续高质量发展意义重大。

本文通过分析江苏省南水北调工程各水利单元间的复杂水力联系，在湖泊单向运行方式的基础上，提出洪泽湖和骆马湖双向调度的湖泊互济互调运行方式，以期进一步提高该工程综合运行效益，为江苏省南水北调工程水资源调度运行提供技术参考和科学支撑。

1 研究区域概况和系统概化

1.1 研究区域概况

江苏省南水北调工程涉及扬州、淮安、盐城、宿迁、连云港和徐州6市，输水干线的总长度超过400 km，包括2个大型调蓄湖泊（洪泽湖和骆马湖）、2条输水线路（运河线和运西线）和9组梯级泵站（表1）。泵站和闸门的特征参数如表1所示，2个湖泊的特征参数见表2。

1.2 系统概化

江苏省南水北调工程位于苏北平原地区，區域内河网发达、水系密布，输水干线不仅串联多个大型调蓄湖泊，沿途还与新沂河、淮沭河、新通扬运河等骨干河道相互贯通，在进行优化调度模型建立时，需要对系统进行合理概化，既要凸显水源、线路、泵站、闸门等工程单元的位置和功能，又需真实反映系统运行特点。为此，本文通过分析江苏省南水北调工程中各工程单元特性，根据不同工程单元之间的水力联系，以长江、洪泽湖、骆马湖和南四湖为节点，将该工程划分为长江—洪泽湖、洪泽湖—骆马湖、骆马湖—南四湖3个主要区间，并根据泵站和水系空间关系划分16个省内受水区，如图1所示。

1.3 需水资料

本文以2018年10月至2020年9月的逐旬沿线供水计划资料作为模型需水资料。由于历年计划供水量相近（年需水量为225.43亿m³），为此在模型中以各受水区的年平均供水计划作为其需水量。此外，南水北调东线一期工程向山东省的供水时间自2016年起基本维持在12月至次年5月，且不同年份的供水量差异不大，因此以其年平均供水量作为山东省受水区的需水量。

2 江苏省南水北调工程多目标优化调度模型

2.1 湖泊单向运行方式

利用湖泊单向运行方式指导调蓄湖泊优化调度时，洪泽湖通过运西线的梯级泵站群从长江抽水补充其库容，骆马湖利用运河线和运西线的梯级泵站群从长江或洪泽湖抽水补充其库容;在供给受水区时，骆马湖周边受水区和不牢河—微山湖受水区可同时接受长江、洪泽湖和骆马湖的水量补给，而洪泽湖—骆马湖区间的灌溉总渠、废黄河、盐河、淮沭河、泗阳—皂河、泗洪—睢宁和睢宁—邳州受水区只能接受洪泽湖和长江的水量补给。

2.2 湖泊互济互调运行方式

洪泽湖和骆马湖的合理利用是提升江苏省南水北调工程综合运行效益的关键，洪泽湖的来水量多且蓄水能力强，被同时作为长江的受水水库和骆马湖的水源水库;而骆马湖来水量小且蓄水能力弱，以往研究仅将其作为洪泽湖和长江的受水水库。然而，骆马湖和洪泽湖的丰枯遭遇并不总是同步的，洪泽湖和骆马湖之间存在水量互济互调的现实需求。为进一步提升江苏省南水北调工程的综合运行效益，在湖泊单向运行方式的基础上，提出了湖泊互济互调运行方式，即洪泽湖中的蓄水可由梯级泵站群逐级提至骆马湖，而骆马湖的蓄水量也可经由相应控制工程沿原输水通道下泄，以此供给洪泽湖或洪泽湖—骆马湖区间的受水区，湖泊互济互调运行方式示意如图2所示。

2.3 优化调度模型的建立与求解

2.3.1 目标函数

与其他的大型跨流域调水工程类似，江苏省南水北调工程也需要解决沿线受水区的水资源短缺问题，因此，受水区综合缺水率应作为衡量优化效果的一个重要指标。其次，作为一项长距离跨流域调水工程，抽水产生的运行费用是影响工程调度效益的主要因素，应当以尽量经济的方式满足工程沿线供水任务，因而将降低泵站总能耗也作为优化方向。为此，本研究建立了以受水区综合缺水率（f₁）和泵站总能耗（f₂）最小为目标函数的优化调度模型，模型的目标函数如下：

2.3.2 约束条件

2.3.3 模型求解

本文采用模拟-优化方法建立江苏省南水北调工程多目标优化调度模型，并采用NSGA-Ⅱ算法求解“湖泊-闸泵群”联合优化调度模型。NSGA-Ⅱ算法采用二元锦标赛选择、模拟二进制交叉和多项式变异的遗传操作方法，并利用非支配排序方法选择优良个体，能够有效保证种群分布的多样性和算法结果的收敛性，已被广泛用于解决多目标优化问题［15-17］。在本研究中，NSGA-Ⅱ算法的种群设置为300，迭代次数设置为20 000，交叉和变异概率分别设置为0.6和0.4。

2.4 调度方案情景设置

洪泽湖和骆马湖作为承接并利用淮水的调蓄湖泊，湖泊可供水量受水文年型影响很大，由于两湖存在丰枯异步现象，本文分别选取洪泽湖和骆马湖的丰水（P=25%）、平水（P=50%）、枯水（P=75%）3种典型年，共9种湖泊来水情景。以10月至次年9月为完整调度年，以旬为调度时段，设置湖泊单向运行与湖泊互济互调运行2种湖泊运行工况；以受水区综合缺水率最小和泵站总能耗最小为优化目标，构建2种湖泊运行方式下“湖泊-闸泵群”联合优化调度模型，运行情景设置情况如表3所示。

3 结果与讨论

3.1 运行效益提升分析

本文采用NSGA-Ⅱ算法求解了2种湖泊运行方式下的江苏省南水北调工程“湖泊-泵站群”联合优化调度模型，得到了9种湖泊来水情景下的受水区综合缺水率和泵站总能耗情况，如图3所示。由图3可知，泵站总能耗和受水区综合缺水率之间存在明显的竞争关系，随着受水区综合缺水率下降，泵站总能耗明显增加。为进一步评估湖泊互济互调运行方式对江苏省南水北调工程综合运行效益的提升能力，本文采用层次分析法［18-19］选取了B1、B4和B7情景下的最优“湖泊-泵站群”联合优化调度方案，并与S1、S4和S7情景下具有相同综合缺水率的水资源分配方案进行对比，各方案的运行效益指标如表4所示。由表4可知，湖泊互济互调运行方式对工程综合运行效益的提升作用随着洪泽湖来水量的减少而增加，B1、B4和B7情景下的泵站总能耗相较于S1、S4和S7情景分别下降了8.5%、15.1%和22.1%。综上所述，江苏省南水北调工程的运行效益受湖泊来水影响较大，在洪泽湖丰水年时，相同缺水率情况下的泵站总能耗明显小于枯水年。这是由于来自长江的供水量不受水文年型影响，而骆马湖的来水量又远小于洪泽湖，当洪泽湖来水量偏丰时，供水成本较低的淮水变多，降低了工程运行成本。相较于湖泊单向运行方式，在大部分湖泊来水情景下，考虑湖泊互济互调运行方式的综合运行效益都更优，且综合运行效益的提升幅度随着骆马湖来水量的增加而增加。这是由于湖泊互济互调运行方式有效提高了骆马湖的水资源利用效率，而骆马湖的供水成本远小于长江和洪泽湖，随着骆马湖来水量的增加，愈来愈多的骆马湖蓄水量被供给至洪泽湖或洪泽湖—骆马湖区间受水区。

在相同综合供水率情况下，考虑湖泊互济互调运行后，骆马湖蓄水量可被供给至洪泽湖和洪泽湖—骆马湖区间受水区，由此增加了睢宁—邳州、泗洪—睢宁和泗阳—皂河受水区的供水量，减少了骆马湖—南四湖区间的不牢河—微山湖受水区的供水量，详见表5。

3.2 工程单元利用情况分析

3.2.1 水源选择

相较于湖泊单向运行方式，湖泊互济互调运行方式能够更加充分利用湖泊的水资源调配能力，在各典型湖泊来水情景下，供水成本较高的长江和洪泽湖的供水量呈现不同程度下降，供水成本较低的骆马湖的水资源利用量明显提高，且骆马湖的弃水量明显下降，详见表6。

3.2.2 泵站利用

本文分析了洪泽湖和骆马湖之间的泗洪、睢宁、邳州、泗阳、刘老涧和皂河泵站的抽水情况，如表7所示。由表7可知，湖泊互济互调运行方式下的泵站抽水量明显小于湖泊单向运行方式，且随着洪泽湖的来水量减小，所有泵站的抽水量都在明显下降，这是由于模型在迭代搜索过程中会倾向于优先供给洪泽湖周边、灌溉总渠、废黄河等供水成本较小的受水区，当洪泽湖来水量不足以满足较低供水成本受水区的需水量时，会减小供给上级区间用水户的供水量;相较于泗阳、刘老涧和皂河泵站，泗洪、睢寧和邳州泵站受洪泽湖来水影响更小，这是由于泗阳、刘老涧和皂河泵站的沿线供水量相对较小。

3.2.3 湖泊运行

图4是典型湖泊来水情景下湖泊水位运行情况，相较于湖泊单向运行方式，互济互调运行方式下的洪泽湖调度期末水位略高一些，但整体水位运行过程比较接近;2种运行方式下的骆马湖运行水位呈现较大区别，在大部分调度时段，湖泊互济互调运行方式下的骆马湖运行水位要明显高于湖泊单向运行方式。具体而言，在湖泊单向运行方式下，骆马湖蓄水量仅供给骆马湖—南四湖区间受水区，当湖泊来水量较大时，骆马湖优先将湖泊水量供给骆马湖—南四湖区间受水区，并减少从长江和洪泽湖抽水，以此减少湖泊弃水量;而在考虑湖泊互济互调运行后，骆马湖若因来水量过大而发生弃水，弃水量可供给至洪泽湖或洪泽湖—骆马湖区间受水区，因而湖泊互济互调运行下的骆马湖运行水位在大部分运行时段要明显高于湖泊单向运行方式。

4 结论

为进一步提升江苏省南水北调工程的综合运行效益，在湖泊单向运行方式的基础上，提出了湖泊互济互调运行方式，并基于9种湖泊来水情景详细分析了湖泊互济互调运行方式的有效性。主要结论如下：

（1） 在不同湖泊来水条件下，泵站总能耗和受水区综合缺水率之间均存在明显的竞争关系，随着受水区综合缺水率下降，泵站总能耗明显增加;相较于湖泊单向运行方式，在相同受水区综合缺水率情况下，湖泊互济互调运行方式下的泵站抽水总能耗更小。

（2） 湖泊互济互调运行方式能够更加充分利用湖泊的水资源调配能力，有效减少了供水成本较高的长江、洪泽湖的供水量，增加了供水成本较低的骆马湖的水资源利用量，同时降低了骆马湖的弃水量。

（3） 湖泊互济互调运行方式有效减少了洪泽湖和骆马湖区间泗洪、睢宁、邳州、泗阳、刘老涧和皂河泵站的抽水量，通过充分利用沿线湖泊的调蓄能力，保障了两湖水位的安全合理运行。

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Optimal operation of the Jiangsu Province section of the South-to-North Water

Diversion Project under the operational mode of mutual

transfer and diversion among lakes

The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China （No.52179012） and the Jiangsu Provincial Water Conservancy Technology Project，China （No.2020005）.

FANG Guohua1，ZHONG Huayu1，WEN Xin1，LI Zhichao1，LUO Yuning2

（1. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China;

2. College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract：To further enhance the overall operational efficiency of the Jiangsu Province section of the South-to-North Water Diversion Project，an operational mode of mutual transfer and diversion among lakes （hereinafter referred to as “the mutual transfer and diversion mode”） is proposed based on the existing unidirectional flow mode of lakes.With the optimization objectives of minimizing the comprehensive water shortage rate in the receiving area and the total energy consumption of pump stations，a joint scheduling optimization model of lakes and groups of sluice-pump stations is constructed under the unidirectional flow mode and the mutual transfer and diversion mode.In addition，the effectiveness of the mutual transfer and diversion mode is analyzed comprehensively，considering nine different scenarios of lake inflow.The results indicate that compared to the unidirectional flow mode of lakes，when the comprehensive water shortage rate in the receiving area is the same，the mutual transfer and diversion mode effectively reduces the total energy consumption of pump stations.Moreover，this mode enhances the water resource allocation capability and efficiency of water resource utilization in Luoma Lake.In scenarios where Luoma Lake experiences water-abundant years while the Hongze Lake goes through abundant，average，or dry years，the water utilization in Luoma Lake increases by 28.6%，36.1%，and 30.0%，respectively.In comparison，the water abandonment decreases by 47.2%，42.4%，and 65.9%，respectively.Furthermore，the mutual transfer and diversion mode effectively reduces the water pumping from pump stations between the Hongze Lake and Luoma Lake.By fully utilizing the regulation and storage capacity of lakes along the route，this mode ensures the safe and rational operation of water levels in both lakes.The research findings can serve as a valuable reference for decision-making in the scientific scheduling and operation of the Jiangsu Province section of the South-to-North Water Diversion Project.

Key words：inter-basin water transfer;cascade pumping station operation;water resources operation;mutual transfer and diversion mode;the South-to-North Water Diversion Project