大連市特殊干旱年應(yīng)急供水調(diào)度方案研究

閆　冬

(本溪市桓仁滿族自治縣水務(wù)局，遼寧 本溪 117200)

大連市特殊干旱年應(yīng)急供水調(diào)度方案研究

閆冬

(本溪市桓仁滿族自治縣水務(wù)局，遼寧 本溪 117200)

摘要：我國北方地區(qū)的降雨量年際變化很大，一旦遇到特別干旱年，將給城市供水體系帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)。本文以大連市為研究對(duì)象設(shè)置了特別干旱年情景，在對(duì)常規(guī)調(diào)度結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，提出了五個(gè)應(yīng)急預(yù)案，并從不同角度對(duì)上述預(yù)案進(jìn)行對(duì)比，可以幫助決策者根據(jù)偏好進(jìn)行選擇。

關(guān)鍵詞：水庫群；優(yōu)化調(diào)度；調(diào)度模型

1研究區(qū)概況

1.1自然地理概況

大連市是遼寧省南部的區(qū)域中心城市和重要的國際貨物中轉(zhuǎn)站和集散地，總面積為12 574 km2，人口669萬人。大連市屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均氣溫10.5 ℃，年平均降雨量785 mm，多年平均水資源量為30.09億m3[1]。由于社會(huì)用水量不斷增加，大連市境內(nèi)部分河段的地表水開發(fā)量已經(jīng)超過50%，屬于我國北方嚴(yán)重缺水城市[2]。

1.2供水工程概況

目前，大連市的主要供水水源為碧流河、英那河、松樹、劉大、東風(fēng)、朱隈子六座水庫[3 ]。由于大連市屬于嚴(yán)重的資源型缺水城市，考慮到日益嚴(yán)重的水資源供需矛盾，大連市于2008年開始建設(shè)大伙房輸水二期工程，并于2014年投入使用[4]。大伙房輸水二期工程每年可以通過向碧流河水庫補(bǔ)水的方式向大連地區(qū)供水2.88億m3。根據(jù)輸水工程投運(yùn)后的2020年供水規(guī)劃，東風(fēng)與松樹水庫負(fù)責(zé)瓦房店地區(qū)供水，劉大與碧流河水庫負(fù)責(zé)普蘭店地區(qū)供水，而碧流河水庫和英那河水庫可直接向金州以南地區(qū)供水。

1.3大連市需水分析

根據(jù)《大連市水資源可持續(xù)利用綜合規(guī)劃》中的城鎮(zhèn)水資源配置方案，2020年大連市各供水分區(qū)的城鎮(zhèn)需水量如表1所示。

表1　2020年大連市需水量統(tǒng)計(jì)表 　億m3

2應(yīng)急調(diào)度技術(shù)與模型計(jì)算

2.1應(yīng)急調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖

當(dāng)城市供水系統(tǒng)遭遇突發(fā)事件時(shí)，為了及時(shí)做出反應(yīng)，采取正確的調(diào)水方案，需要繪制出將供水水庫、水利工程、輸水管線，以及供水區(qū)域和用戶相互連結(jié)形成的應(yīng)急調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖。依據(jù)應(yīng)急調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖和不同的調(diào)度規(guī)則來規(guī)定每條調(diào)水線路的特征和指標(biāo)，然后對(duì)整個(gè)供水系統(tǒng)進(jìn)行求解，獲得整個(gè)供水系統(tǒng)的余水量和缺水量。

應(yīng)急供水圖在繪制中要堅(jiān)持以下原則：要能充分反映供水、用水、耗水等供水系統(tǒng)的主要特征。要能夠充分反映主要水源水庫、水利工程、輸水線路，以及用戶之間的拓?fù)潢P(guān)系。要能夠滿足供水模型構(gòu)建所需要的水源水庫、計(jì)算單元的精準(zhǔn)位置。

2.2應(yīng)急調(diào)度模型的構(gòu)建2.2.1計(jì)算思路

城市供水應(yīng)急調(diào)度計(jì)算具有數(shù)據(jù)量大、可靠性與操作性高的特點(diǎn)。由此所構(gòu)建的調(diào)度模型應(yīng)該具備計(jì)算便捷、便于理解、便于調(diào)整修改等特性，能夠讓決策者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)、偏好或?qū)嶋H需要進(jìn)行隨機(jī)干預(yù)?？紤]到大連市特別干旱年應(yīng)急供水的實(shí)際情況，本次計(jì)算以旬為單位進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算。

基于上述原則本次應(yīng)急調(diào)度模型計(jì)算的主要思路是：首先遵循事先確定的運(yùn)行規(guī)則，保證特別干旱年水庫來水偏少時(shí)對(duì)供水的影響最?。黄浯问前凑諆?yōu)先水源優(yōu)先利用，首先保證工業(yè)與城鎮(zhèn)用水的調(diào)度方式對(duì)分水參數(shù)、水庫的運(yùn)行調(diào)度、用水需求、水源利用限制等進(jìn)行設(shè)置，通過精準(zhǔn)計(jì)算解決調(diào)度中的一系列問題，最終得到保證供水安全的應(yīng)急調(diào)度預(yù)案。

2.2.2調(diào)度規(guī)則

大連市特殊干旱年的供水應(yīng)急調(diào)度規(guī)則包括整體調(diào)度規(guī)則、水利工程運(yùn)行規(guī)則、用水優(yōu)先順序規(guī)則。其中，整體調(diào)度規(guī)則主要是指在應(yīng)急調(diào)度情況下，必須要保證供水安全、尊重現(xiàn)行的供水分水協(xié)議以及供水系統(tǒng)的高效運(yùn)行。按照大連市的實(shí)際情況各行業(yè)用水的優(yōu)先順序?yàn)椋荷钣盟?、工業(yè)用水、生態(tài)用水、農(nóng)業(yè)用水；水庫的調(diào)度過程并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的蓄水、放水過程，而是一個(gè)決策過程。在進(jìn)行水庫調(diào)度時(shí)，不僅要考慮供水區(qū)的用水需求情況，還要考慮優(yōu)先供水次序。不僅要考慮當(dāng)前情況，還要考慮未來時(shí)段的發(fā)展變化。

2.2.3調(diào)度流程

大連市應(yīng)急供水調(diào)度采取監(jiān)測(cè)-預(yù)警-進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)-應(yīng)急調(diào)度的調(diào)度基本流程。首先，根據(jù)水情預(yù)報(bào)確定未來的水資源形式；然后，通過應(yīng)急預(yù)警技術(shù)對(duì)供水安全影響因素進(jìn)行預(yù)警，并決定是否啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案；最后，根據(jù)確定的應(yīng)急調(diào)度預(yù)案進(jìn)行供水應(yīng)急調(diào)度。

2.2.4求解方法

在應(yīng)急調(diào)度流程、調(diào)度規(guī)則以及各種約束條件的制約下，通過嚴(yán)密推理進(jìn)行應(yīng)急調(diào)度調(diào)節(jié)計(jì)算。在應(yīng)急預(yù)案的制定過程中如果遇到規(guī)則之間的矛盾，要按照小規(guī)則服從大規(guī)則和具體情況具體分析的方式進(jìn)行必要的協(xié)調(diào)和修改。

3特殊干旱年常規(guī)調(diào)度的結(jié)果分析3.1大連市供水水庫群的聯(lián)合調(diào)度規(guī)則

根據(jù)大連市供水規(guī)劃，東風(fēng)水庫與松樹水庫負(fù)責(zé)瓦房店地區(qū)的供水任務(wù)，與其他水庫之間并無供水目標(biāo)聯(lián)系，因此單獨(dú)進(jìn)行調(diào)度[5]。在南段供水工程建成后，碧流河水庫與劉大水庫負(fù)責(zé)向普蘭店地區(qū)供水，由于劉大水庫庫容較小，出于簡(jiǎn)化模型的需要，認(rèn)為劉大水庫只需要按照一定保證率向普蘭店地區(qū)供水，而不足部分則由碧流河水庫負(fù)責(zé)。這樣，整個(gè)供水系統(tǒng)就可以劃分為如下四部分：一是松樹、東風(fēng)水庫聚合；二是碧流河、英那河兩水庫聚合；三和四分別是朱隈子水庫和劉大水庫單獨(dú)調(diào)度。

3.2特殊干旱年的情景設(shè)計(jì)

特殊干旱年指大連市出現(xiàn)連續(xù)干旱年的情況下，主要供水水庫來水量減少，水庫蓄水水位持續(xù)下降，到年初時(shí)水庫水位處于較低水平，且來水量低于特枯水年來水量的95%，水庫的可供水量已經(jīng)不能滿足大連市正常用水需求[6]。因此，大連市需要優(yōu)先保障金州以南主城區(qū)的城鎮(zhèn)和工業(yè)用水安全，并做好突發(fā)緊急狀況下的應(yīng)急準(zhǔn)備。

大連市的六個(gè)供水水源水庫中，碧流河水庫和英那河水庫庫容量較大，占六個(gè)水庫總庫容的70%以上。因此，本文主要研究了以碧流河、英那河水庫聚合的聯(lián)合調(diào)度的應(yīng)急預(yù)案，并以此為背景進(jìn)行特殊干旱年情景設(shè)置。經(jīng)過對(duì)兩水庫供水情況的考察，結(jié)合其多年水文資料，確定碧流河水庫的起調(diào)庫容為1.99億m3，英那河水庫的起調(diào)庫容為1.03億m3。

將歷史干旱年份2000年的來水過程作為設(shè)置情景中的來水過程。該年碧流河水庫的來水量為0.98億m3，英那河水庫的來水量為0.68億m3，均小于兩水庫特枯水年來水量的95%。

3.3常規(guī)調(diào)度結(jié)果

按照上節(jié)設(shè)置的特殊干旱年初始條件，依據(jù)大連市現(xiàn)有的調(diào)度圖進(jìn)行調(diào)度，利用《大連市水資源可持續(xù)利用綜合規(guī)劃》相關(guān)數(shù)據(jù)，通過模擬計(jì)算獲得如表2所示的原始調(diào)度方案。從計(jì)算結(jié)果可以看出，英那河水庫在全年36個(gè)調(diào)度周期中有16個(gè)周期產(chǎn)生工業(yè)深度破壞，幾乎占全部調(diào)度周期的一半，工業(yè)缺水量近0.4億m3。雖然碧流河水庫沒有發(fā)生深度破壞，但需要限制供水，工業(yè)缺水量也超過了0.1億m3。按照原始調(diào)度方式，到年末碧流河水庫的剩余庫容為1.59億m3，而英那河水庫則降至死庫容。

表2　碧流河、英那河水庫原始調(diào)度方案部分計(jì)算結(jié)果

4應(yīng)急預(yù)案的制定與評(píng)價(jià)

4.1供水應(yīng)急預(yù)案的制定

上節(jié)的計(jì)算結(jié)果顯示，在特殊干旱年份如果按照原始調(diào)度會(huì)出現(xiàn)深度破壞，因此需要考慮采取應(yīng)急調(diào)度[7]。對(duì)原始調(diào)度方案的分析顯示，發(fā)生深度破壞的為英那河水庫，而碧流河水庫從大伙房水庫的引水也已經(jīng)達(dá)到滿引狀態(tài)，因此即使能增加部分引水也不會(huì)對(duì)缺水現(xiàn)狀產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的改善[8]。另一方面，按照原始調(diào)度方式，碧流河水庫在年末還有近0.8億m3的可供水量，而英那河水庫缺水量較大且年末時(shí)水庫水位已經(jīng)低至死水位。因此，制定應(yīng)急供水預(yù)案的著眼點(diǎn)在于對(duì)兩個(gè)水庫向金州以南地區(qū)供水的分水比例進(jìn)行調(diào)整，并改變農(nóng)業(yè)與城鎮(zhèn)、工業(yè)供水的限制系數(shù)，以避免英那河水庫深度破壞的發(fā)生?；谏鲜鏊枷?，制定出如表3所示的五個(gè)應(yīng)急供水方案。

表3　大連市特殊干旱年應(yīng)急供水方案

4.2方案的比較與評(píng)價(jià)

對(duì)五個(gè)不同的應(yīng)急調(diào)度方案進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得表4至表8計(jì)算成果。計(jì)算結(jié)果主要從供水量、缺水量、年末庫容與庫容變化等四個(gè)方面進(jìn)行，將原始方案以及各個(gè)應(yīng)急方案之間對(duì)比。從表格中的結(jié)果對(duì)比可以看出，由于各個(gè)方案的調(diào)度側(cè)重點(diǎn)不同，在不同指標(biāo)上也體現(xiàn)出不同的特征，但是與原始方案相比各個(gè)應(yīng)急調(diào)度方案都有一定的優(yōu)勢(shì)。因此決策者可以根據(jù)不同的調(diào)度需求采用不同的應(yīng)急調(diào)度方案。例如，方案1僅對(duì)分水比例進(jìn)行了調(diào)整，但是英那河水庫的年末庫容達(dá)到了3049萬m3，比原始方案的2207萬m3增加了842萬m3，可以完全避免該水庫的深度破壞。因此，從最大限度保障城鎮(zhèn)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水需求的角度，推薦將方案1作為應(yīng)急調(diào)度預(yù)案；方案3分別對(duì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)供水量進(jìn)行了限制，但是限制幅度并不大，仍可以基本滿足大連市的用水需求，不至于對(duì)生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響，但是英那河水庫的年末蓄水量可以達(dá)到3868萬m3，與方案5的4253萬m3的年末蓄水量相差并不多。因此，從兼顧保障用水需求和水庫年末蓄水量的角度出發(fā)，則推薦將方案3作為應(yīng)急調(diào)度預(yù)案。

表4　供水量計(jì)算結(jié)果 　萬m3

表5　缺水量計(jì)算結(jié)果對(duì)比 　萬m3

表6　年末庫容計(jì)算對(duì)比結(jié)果 　萬m3

表7　碧流河水庫部分時(shí)段庫容變化 　 萬m3

表8　英那河水庫部分時(shí)段庫容變化 　萬m3

5結(jié)論

(1)研究中按照大連市的供水實(shí)際以及供水水庫的歷史水文資料，設(shè)置了特殊干旱年情景，特殊干旱年水庫來水量低于特枯水年來水量的95%。

(2)按照特殊干旱年初始條件進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果顯示英那河水庫會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的工業(yè)深度破壞，因此需要設(shè)計(jì)應(yīng)急調(diào)度預(yù)案。

(3)研究基于對(duì)兩水庫分水比例和供水的限制系數(shù)的調(diào)整設(shè)計(jì)了五個(gè)應(yīng)急調(diào)度預(yù)案。通過計(jì)算對(duì)比指出，從最大限度保障城鎮(zhèn)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水需求的角度，推薦將方案1作為應(yīng)急調(diào)度預(yù)案；如果兼顧保障用水需求和水庫年末需水量，推薦將方案3作為應(yīng)急調(diào)度預(yù)案。

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Scheme research on emergency water supply dispatching of Dalian in drought year

YAN Dong

(TheWaterAffairsBureau.ofHuanrenManchuAutonomousCounty,Benxi117200,China)

Abstract：The interannual variation of rainfall is huge in the northern area of China， especially in drought years.It will bring serious challenge for urban water supply. As the research object，Dalian City builds special drought year scenario，on the basis of the numerical simulation evaluation the result of the regular schedule , five contingency plans are put forward and compared plans from different angles,it is easy for decision makers to choose according to preference.

Key words：reservoir group ; optimal scheduling; scheduling model

作者簡(jiǎn)介：閆冬(1975-)，女，滿族，工程師，主要從事水利工程管理工作。

中圖分類號(hào)：TV697.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-0506(2016)05-0056-05