姜 瑤 熊呂陽 姚付啟
(1.北京師范大學水科學研究院, 北京 100875; 2.中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院, 北京 100083; 3.長江科學院農(nóng)業(yè)水利研究所, 武漢 430015)
灌區(qū)水資源優(yōu)化配置研究始于20世紀60年代初期,研究內容由單一田塊、單一作物的灌溉用水優(yōu)化配置發(fā)展到灌區(qū)及區(qū)域尺度的多層次、多水源聯(lián)合優(yōu)化,由單一水量優(yōu)化發(fā)展到考慮水質、生態(tài)等環(huán)境效益的水資源配置[1-4]。運用的優(yōu)化技術包括線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、多目標分解協(xié)調法、多目標分解聚合法等[5-8]。隨著系統(tǒng)科學的發(fā)展,智能優(yōu)化算法也得到發(fā)展,如遺傳算法[9]、蟻群算法[10]、粒子群算法[11]、退火算法[12]等。優(yōu)化模型由單一目標發(fā)展為多目標,由傳統(tǒng)確定性模型發(fā)展為考慮現(xiàn)實諸多不確定性的多種不確定性優(yōu)化模型[13-15],并逐漸向數(shù)學規(guī)劃與模擬技術、智能算法、向量優(yōu)化理論等幾種方法的組合模型發(fā)展[16-19]。
多級揚水灌區(qū)是一個更為復雜的配水系統(tǒng),不僅涉及到水量在不同系統(tǒng)、不同層次間的分配,還涉及到泵站的運行調度,包括泵站級間流量的配合、水量的分配、揚程優(yōu)化等。近幾十年來,已開展了若干優(yōu)化模型的構建和開發(fā)研究,以優(yōu)化復雜泵站配水系統(tǒng)運行[7-8,20-21]。然而,模型的數(shù)學復雜性、多維特點或對灌溉系統(tǒng)過度簡化等限制了諸多模型的應用和推廣[20]。因此,建立高效、實用的供水調配優(yōu)化模型,對多級泵站提水灌溉系統(tǒng)的區(qū)域灌溉水資源優(yōu)化配置具有重要意義。
本文將以寧夏回族自治區(qū)典型揚水灌區(qū)為例,建立具有二層遞階結構的多級揚水灌區(qū)供水調配多目標優(yōu)化模型??紤]灌區(qū)需水及泵站運行情況,將缺水量平方和最小和泵站運行功耗最小作為目標,并考慮不同時段的灌溉配水和泵站運行制度。模型基于大系統(tǒng)分解-協(xié)調方法求解,第1層構建單個泵站供水調度優(yōu)化模型,第2層構建多級泵站供水調配優(yōu)化模型,各層模型之間通過提水流量和供水量相互協(xié)調,以優(yōu)化和協(xié)調多級泵站之間以及單個泵站內作物之間的水量調配。本研究旨在解決復雜多級提水灌溉系統(tǒng)內的供水調配優(yōu)化問題,以期獲得核定水量下不同層次間的水量分配和泵站運行最優(yōu)方案。
固海揚水灌區(qū)地處寧夏回族自治區(qū)中部干旱帶(東經(jīng)105°35′~106°12′,北緯36°11′~37°18′),氣候干旱,水資源短缺,包括固海灌區(qū)和固擴灌區(qū)兩部分,本文研究對象為固擴揚水灌區(qū)。灌區(qū)南、北長124 km,東、西平均寬2.7 km,由北至南海拔從1 200 m左右增加至1 900 m左右,海拔高差達700 m。灌區(qū)內灌溉面積由北向南呈狹長分布,而灌溉水源來自北部黃河水流,由于南北較大的海拔高差,灌區(qū)以泵站多級提水灌溉為主。固擴揚水灌區(qū)現(xiàn)有主泵站12座,總設計提水流量12.7 m3/s,裝機總臺數(shù)50臺,裝機總容量9.45萬kW,總揚程479.7 m,凈揚程428.7 m,1~10泵站裝機容量都大于5 000 kW,設計年引水量1.325×108m3。固擴灌區(qū)詳細組成如表1所示。
在固海多級揚水灌區(qū)的供水調配過程中,既存在各級泵站的聯(lián)合運行,又有站內多臺機組的調度,上下級提水泵站之間、本站機組之間都有一定的聯(lián)系。同時,灌區(qū)內又存在諸多蓄水池,用于灌區(qū)內的高效灌溉供水。整個灌區(qū)的灌溉供水調配取決于整個灌區(qū)的來水和需水情況,泵站、蓄水池的運行情況,以及各干渠、支渠和斗渠的水量分配。因此,灌區(qū)水量的優(yōu)化調配不僅是泵站或者渠系本身的優(yōu)化,還建立在灌區(qū)用水計劃、渠道水量分配基礎上,兼顧泵站運行規(guī)則、各級泵站間的合理分配、站內機組優(yōu)化的整個系統(tǒng)的優(yōu)化。
固擴多級供水系統(tǒng)由12級主泵站提水系統(tǒng)和各支渠泵站提水系統(tǒng)及配水系統(tǒng)組成。為簡化起見,模型僅考慮主干渠上的多級泵站提水和供水過程,而各分支渠上多級泵站提水僅考慮其取水過程,即每級泵站系統(tǒng)均只有唯一一個上級泵站和下級泵站。因此,固擴多級供水系統(tǒng)可概化為一個由12級泵站系統(tǒng)串聯(lián)組成的供水系統(tǒng),每個泵站系統(tǒng)包括泵站提水系統(tǒng)(由進出水結構、水泵機組及泵房組成)和其所控制的灌溉區(qū)域(直接從該泵站分水進行灌溉的引水渠道及其控制灌區(qū))。供水系統(tǒng)由首級泵站從黃河干渠取水,進而通過多級提水和供水將水量逐級分配至各泵站供水區(qū)內渠系系統(tǒng)和蓄水池,并最終分配至不同作物。其中,根據(jù)現(xiàn)場調研,研究區(qū)經(jīng)濟作物多數(shù)采用滴灌等高效灌溉方式,灌溉水由泵站供水后需進一步經(jīng)蓄水池沉淀才可灌溉。因此,為簡化模型,將糧食作物統(tǒng)一定義為渠系灌溉作物,將經(jīng)濟作物統(tǒng)一定義為高效灌溉作物,以各泵站控制區(qū)內兩種作物的灌溉配水量分別代表泵站控制區(qū)內渠系系統(tǒng)和蓄水池的分配水量,即泵站的輸水量和蓄水量(以下簡稱輸蓄水量)。泵站供水量指泵站向其控制區(qū)的總分水量,包括渠系系統(tǒng)的輸水量和蓄水池的蓄水量。概化的固擴多級供水系統(tǒng)如圖1(圖中符號定義詳見2.2節(jié))所示。
表1 固擴揚水灌區(qū)主要灌溉系統(tǒng)組成Tab.1 Detailed information of Gukuo pumping irrigation system
注:a+b表示a臺運行機組和b臺備用機組。
研究區(qū)供水具有多層次且相互聯(lián)系的供水特點,因此本文建立具有二層遞階結構的大系統(tǒng)分解-協(xié)調模型,各層建立多目標非線性優(yōu)化模型,以考慮供水調配過程中的水量限制和能耗要求。其中,第1層為各泵站系統(tǒng)內的單站供水調度優(yōu)化模型;第2層為多級泵站系統(tǒng)間供水調配優(yōu)化模型,模型詳細的遞階結構如圖2(圖中符號定義詳見2.2節(jié))所示。
圖1 固擴多級供水系統(tǒng)概化圖Fig.1 Conceptualized structure diagram of Gukuo multi-pumping irrigation system
圖2 模型遞階結構圖Fig.2 Structure diagram of two-level hierarchical model
2.2.1第1層:單站供水調度優(yōu)化模型
第1層目的是進行泵站控制區(qū)內輸蓄水量分配優(yōu)化及泵站內機組運行臺數(shù)調度優(yōu)化,模型目標函數(shù)為泵站控制區(qū)內各作物各時段缺水量平方和最小和泵站運行功耗最小,目標函數(shù)方程為
(1)
(2)
式中j——泵站編號
J——各系統(tǒng)內泵站總數(shù)
I——運行時段總數(shù)
M——泵站內安裝機組總數(shù)
i——運行時段編號
m——泵站內安裝機組編號
Z(j)——第j級泵站運行軸功率,kW
F(j)——第j級泵站控制內作物灌溉缺水量的平方和
R(j,i)——第j級泵站控制區(qū)內渠系灌溉作物第i時段總需水量,m3
K(j,i)——第j級泵站控制區(qū)內高效灌溉作物第i時段總需水量,m3
X(j,i)——第j級泵站第i時段控制區(qū)內渠系灌溉作物配水量,m3
Y(j,i)——第j級泵站第i時段控制區(qū)內高效灌溉作物配水量,m3
n(j,i,m)——第j級泵站第i時段第m臺機組開機狀態(tài),為0~1變量,開機時取1,關機時取0
q(j,m)——第j級泵站第m臺機組的提水流量,m3/s
H(j)——第j級泵站揚程,m
η(j,m)——第j級泵站第m臺機組在該工況下的效率
由流量-揚程和流量-功率關系曲線確定約束條件為:
(1)灌溉供水量約束
(3)
(4)
(2)可供水量約束
第i時段泵站控制區(qū)內總分配水量小于該泵站的供水量,即
X(j,i)+L(j,i)≤S(j,i)
(5)
Y(j,i)≤L(j,i)
(6)
(3)流量約束
開機機組的總流量不小于該泵站的提水流量,即
(7)
各機組提水流量不大于其最大提水流量,即
q(j,m)≤qmax(j,m)
(8)
(4)運行臺數(shù)約束
(9)
(5)功率約束
實際需要的功率不大于機組允許的最大功率,即
Z(j,m)≤Zmax(j,m)
(10)
其中
Z(j,m)=ρgq(j,m)H(j)/η(j,m)
(11)
式中Rmax(j)、Rmin(j)——第j級泵站控制區(qū)內渠系灌溉作物最大、最小需水總量,m3
Kmax(j)、Kmin(j)——第j級泵站控制區(qū)內高效灌溉作物最大、最小需水總量,m3
L(j,i)——第j級泵站第i時段向蓄水池的分配水量,m3
S(j,i)——第j級泵站第i時段供水量,為協(xié)調變量,由第2層模型反饋,m3
Q(j,i)——第j級泵站第i時段提水流量,由第2層模型反饋,m3/s
qmax(j,m)——機組最大提水流量,m3/s
mmax(j)——第j級泵站內最大機組數(shù),為整數(shù)
Z(j,m)——泵站內機組運行功率,kW
Zmax(j,m)——機組允許的最大功率,kW
2.2.2第2層:多級泵站供水調配優(yōu)化模型
第2層目的是優(yōu)化各級泵站在各時段的供水量和提水流量,目標函數(shù)為多級泵站系統(tǒng)總控制區(qū)內缺水量的平方和最小和多級泵站系統(tǒng)運行總功耗最小,目標函數(shù)方程為
(12)
(13)
約束條件為:
(1)水量平衡約束
下級泵站的提水流量與上級泵站提水流量及區(qū)間供水流量平衡,即
ω(j)Q(j,i)-Qs(j,i)=Q(j+1,i)
(14)
Qs(j,i)ΔTiη(j)≥S(j,i)
(15)
(2)供水量約束
實際供水量應大于最小需水量,即
(16)
實際供水量應小于由渠道供水能力決定的渠道最大輸水量,即
S(j,i)≤Qsmax(j)ΔTi
(17)
系統(tǒng)總供水量應小于系統(tǒng)分配的總水量,即
(18)
(3)流量約束
實際提水流量大于最小需水流量,小于由提水能力確定的最大流量,即
Qmin(j)≤Q(j,i)≤Qmax(j)
(19)
第1級泵站提水流量等于整個系統(tǒng)的總提水流量,即
(20)
式中F——整個多級泵站系統(tǒng)控制區(qū)內缺水量的平方和
Z——整個多級泵站系統(tǒng)的泵站總功耗,kW
D(j,i)——第j級泵站第i時段控制區(qū)內的總需水量,包括渠系灌溉作物需水量和高效灌溉作物需水量,m3
C(j,i)——第j級泵站第i時段的單位提水流量功耗,由第1層模型反饋,kW·m3/s
Qs(j,i)——區(qū)間供水流量,包括渠系直接輸水流量和蓄水流量,m3/s
Qsmax(j)——由渠道輸水能力決定的最大輸水流量,m3/s
ΔTi——第i時段持續(xù)時間,s
ω(j)——第j級干渠渠道水利用系數(shù)
η(j)——第j級泵站系統(tǒng)供水效率
S——系統(tǒng)分配的總水量,m3
Qmin(j)——第j級泵站由最小需水量決定的最小提水流量,m3/s
Qmax(j)——第j級泵站由提水能力決定的最大提水流量,m3/s
(1)各層多目標模型采用基于相對偏差的最小偏差法進行求解,第1層多目標數(shù)學模型可描述為
(21)
第2層多目標數(shù)學模型描述為
(22)
式中W(j)——轉換成單目標后的第1層第j級泵站目標值
W——轉換成單目標后的第2層目標值
Fmin(j)、Fmax(j)——第j級泵站控制區(qū)允許的最小和最大缺水量平方和
Zmin(j)、Zmax(j)——第j級泵站運行可能的最小和最大軸功率,kW
Fmin、Fmax——整個多級泵站系統(tǒng)控制區(qū)內允許的最小和最大缺水量平方和
Zmin、Zmax——整個多級泵站系統(tǒng)可能的最小和最大泵站總功耗,kW
(2)由優(yōu)化調配模型的第2層給定初始提水流量Q(j,i)和各級泵站向干渠的供水量S(j,i),其中S(j,i)作為協(xié)調變量。
(3)調用第1層單泵站優(yōu)化模型,在給定流量Q(j,i)和可供水量S(j,i)條件下,通過調節(jié)泵站內機組運行臺數(shù)及其提水流量,對各站流量Q(j,i)在各臺機組之間進行優(yōu)化分配;對各泵站可供水量S(j,i)在灌區(qū)不同灌溉作物之間進行分配,求出各級泵站的最優(yōu)開機方案和配水方案,并確定各級泵站單位提水流量功耗C(j,i)及灌溉需水量D(j,i)。
(4)將第1層得到的各級泵站單位提水流量功耗C(j,i)和灌溉需水量D(j,i)反饋至第2層,再次調用第2層多級泵站優(yōu)化模型,求解得到第2層各級泵站提水流量Qp(j,i)和各級泵站供水量Sp(j,i),并確定最優(yōu)方案下的系統(tǒng)功耗Zp和系統(tǒng)缺水量Fp以及系統(tǒng)目標值Wp(p代表第p次迭代)。
(5)將Qp(j,i)和Sp(j,i)返回第1層,重復步驟(2)~(4)。
(6)反復進行以上過程,直到第2層系統(tǒng)總目標W滿足
(23)
式中ε——允許誤差,取0.001
根據(jù)收集整理的研究區(qū)作物種植結構、作物需水、各級泵站參數(shù)等數(shù)據(jù),對所構建模型進行了初步驗證與應用研究。模型所需數(shù)據(jù)收集自固海灌區(qū)灌溉管理站,包括研究區(qū)總核定用水量、作物種植結構、灌溉定額、各級泵站參數(shù)(包括總/凈揚程、安裝機組數(shù)及機組運行參數(shù)、設計運行方式、設計/最大提水流量、控制灌溉區(qū)域及面積等)及近幾年各級泵站實際提水量和供水量等。各層模型中需水量根據(jù)各泵站控制區(qū)內作物種植結構、灌溉面積、灌溉定額及渠系水利用系數(shù)計算得到。研究區(qū)灌溉提水從4月持續(xù)至8月,并在11月進行一次冬灌。因此,模型將灌溉時段劃分為6段,每個時段持續(xù)時間均設定為30 d。模型中泵站和機組參數(shù)及揚程根據(jù)收集到的各級泵站實際參數(shù)給定,模型中各級泵站最大機組臺數(shù)根據(jù)泵站實際安裝機組總數(shù)確定,但未考慮各級泵站內備用機組。現(xiàn)狀供水方案采用固海灌區(qū)2017年實際供水調配結果。優(yōu)化得到各級泵站各時段提水量、控制區(qū)輸蓄水量、作物配水量、泵站內機組運行臺數(shù)調度等方案,并將優(yōu)化方案與研究區(qū)2017年實際供水調配方案進行對比。
在現(xiàn)狀供水總量下,各級泵站供水調配優(yōu)化結果與現(xiàn)狀對比情況如表2所示?,F(xiàn)狀情況下,由于各級泵站同時進行提水和供水,各時段各級泵站系統(tǒng)間泵站供水量分配的不合理往往造成系統(tǒng)較大的缺水量。與現(xiàn)狀供水調配情況相比,優(yōu)化方案對各級泵站供水量進行了整體協(xié)調分配,因此優(yōu)化后的系統(tǒng)缺水量明顯減少,各級泵站供水量與其控制區(qū)需水量更為接近,總缺水量由現(xiàn)狀的5.77×106m3減小為1.30×104m3,各級泵站缺水量(富余量)由現(xiàn)狀的-3.22×106~2.47×106m3減小為優(yōu)化后的-8.30×104~9.50×104m3,缺水量的變化范圍顯著減小。研究區(qū)由于提水級數(shù)和揚程較大(12級,凈揚程428.7 m),實際供水中各級泵站間協(xié)調難度較大,而通過各級泵站供水量及其系統(tǒng)內機組運行方案調度(機組運行臺數(shù)及其提水流量的調節(jié))的協(xié)調優(yōu)化,各級泵站提水量均有所增加,同時下級泵站的可供水量增加明顯,有效緩解了現(xiàn)狀供水中上下級泵站之間的用水調度矛盾,優(yōu)化后的供水調配方案更為合理。同時,由于提水流量的改變,優(yōu)化后下級泵站的運行功率雖有所增加,但系統(tǒng)總功率較現(xiàn)狀變化較小(表2)。
各級泵站各時段供水量和提水量優(yōu)化方案分別如表3和圖3(圖中縱坐標相對提水量為實際提水量(m3)與10 000 m3單位水量的比值)所示。各級泵站各時段的供水量基本與其需水量相近(表3),這表明通過優(yōu)化,現(xiàn)狀供水總量能較好地滿足灌區(qū)的需水要求。由于6—8月是大部分作物生長的關鍵時期,因此隨著灌區(qū)需水量的增加,各級泵站在該時段的提水量與供水量均顯著增加(表3和圖3)。同時,下級泵站各時段的提水量和供水量較現(xiàn)狀均有所增加,而上級泵站的提水量和供水量受需水量的限制,在一些時段較現(xiàn)狀有所減小(表3和圖3)??傮w上,通過各級泵站各時間段之間的供水優(yōu)化,多級泵站提水的時空矛盾得到緩解,作物生長關鍵時期的需水量以及下級泵站的提水量均得到有效滿足。
表2 各級泵站供水調配現(xiàn)狀與優(yōu)化結果Tab.2 Present values and optimized results of water supply among multi-stage pumping stations
注:缺水量中負值代表供水量小于需水量,灌區(qū)缺水;正值代表供水量大于需水量,灌區(qū)供水充足。
表3 各級泵站各時段供水量優(yōu)化結果Tab.3 Optimized results of water supply for each pumping station in each period m3
圖3 各級泵站各時段提水量現(xiàn)狀與優(yōu)化結果Fig.3 Present values and optimized results of pumping water amount among multi-stage pumping stations in each period
基于模型優(yōu)化,得到的各級泵站控制區(qū)內各時段輸蓄水量分配方案如圖4(圖中縱坐標相對水量為實際水量(m3)與10 000 m3單位水量的比值)所示,優(yōu)化結果給出了各時段各級泵站控制區(qū)內的輸蓄水量分配方案,為各級泵站的輸蓄水量分配決策提供了依據(jù)。各時段各級泵站控制區(qū)內輸蓄水量分配與該泵站控制區(qū)內的灌溉面積及作物種植結構密切相關,一般具有較大高效灌溉面積的泵站控制區(qū)具有較大供水量及蓄水量。第2至第4級泵站主要負責向下級揚水,其控制區(qū)內基本無灌溉面積,因此優(yōu)化中其配水量為0。第9級和第12級泵站具有較大灌溉面積,其供水量在各級泵站中最大,同時由于第12級泵站的高效灌溉面積較大,因此其各時段蓄水量也相對較大。
各級泵站內機組提水流量及開機組合優(yōu)化方案如表4所示。各級泵站各時段提水流量為泵站內機組運行的總提水流量,同時優(yōu)化得到泵站內各機組在各時段的開機狀態(tài)及流量。在需水高峰的6月和7月,各級泵站的提水流量均為整個灌溉季最大,各級泵站內的開機機組數(shù)及機組提水流量也相對較大,最大達到了6臺工作機組。在需水量相對較少的4月、5月及11月,各級泵站內機組的開機機組數(shù)相對減少,以保證開機機組流量、提高泵站運行效率、減小泵站的運行功耗。
泵站編號4月5月6月7月8月11月提水流量/(m3·s-1)開機組合提水流量/(m3·s-1)開機組合提水流量/(m3·s-1)開機組合提水流量/(m3·s-1)開機組合提水流量/(m3·s-1)開機組合提水流量/(m3·s-1)開機組合116.72#1、#2、#4、#67.13#1~#39.37#1~#410.31#1~#67.38#2~#44.46#2、#4126.42#2~#46.84#2~#49.03#1~#49.97#1~#67.16#1~#34.17#1、#3136.42#1、#3、#46.84#1、#2、#49.03#1~#49.97#1~#57.16#2~#44.17#1、#4146.42#1~#36.84#1、#3、#49.03#1~#49.97#1~#4、#67.16#1~#3、#64.17#3、#4156.42#1~#36.84#2~#59.03#1~#49.97#1#67.16#2~#64.17#1、#4~#6165.55#1、#2、#65.93#2、#3、#67.84#1、#2、#4、#58.49#1~#4、#65.88#2、#4~#63.87#5、#6、#1174.79#1、#2、#5、#65.14#1、#4、#56.84#1、#3~#67.30#1~#44.87#1、#4、#63.56#2、#4183.76#1、#4~#64.10#1、#3、#45.59#1~#3、#5、#65.97#1~#53.66#2、#4、#63.28#2、#6193.20#2、#43.44#3~#54.57#2、#34.98#1、#3、#42.89#2、#32.88#5、#61101.99#3、#5、#62.12#2~#4、#62.70#1、#5、#62.86#1、#3、#61.58#2、#3、#61.76#5、#61111.68#1、#21.79#4、#52.37#4~#62.39#1、#3、#51.32#41.58#11121.11#1、#51.11#1、#3、#41.28#1、#2、#41.20#1、#2、#60.72#2~#41.12#2~#6
注:#代表機組,其后數(shù)字代表機組編號。
(1)考慮典型多級揚水灌區(qū)供水調配過程中不同系統(tǒng)、不同層次間的協(xié)調關系,以及水量限制和能耗要求,建立了具有二層遞階結構的大系統(tǒng)分解-協(xié)調模型,各層建立多目標非線性優(yōu)化模型,其中,第1層為單個泵站供水調度優(yōu)化模型,第2層為多級泵站系統(tǒng)供水調配優(yōu)化模型。模型基于大系統(tǒng)分解-協(xié)調方法求解,各層單獨進行規(guī)劃決策,同時兩層之間又通過協(xié)調變量(供水量)建立聯(lián)系,同時兼顧泵站運行規(guī)則、各級泵站系統(tǒng)間的水量合理分配、站內機組優(yōu)化等問題,以解決供水系統(tǒng)中同時存在的高層次的各級系統(tǒng)間供水調配決策和低層次的單級系統(tǒng)內輸水量和蓄水量分配優(yōu)化。
(2)應用所構建模型,開展了寧夏回族自治區(qū)典型揚水灌區(qū)供水調配優(yōu)化研究,提出了多級揚水系統(tǒng)內多層次的供水調配優(yōu)化方案,包括各級泵站各時段提水量及供水量分配、控制區(qū)作物配水、站內機組運行臺數(shù)調度等方案。優(yōu)化方案與實際供水調配方案對比表明,所構建模型能夠高效、合理地解決多級揚水灌區(qū)內多層次且相互聯(lián)系的復雜供水調配優(yōu)化問題。優(yōu)化方案較好地緩解了供水系統(tǒng)內各級泵站系統(tǒng)間的供水調度時空矛盾,顯著減小了系統(tǒng)缺水量。所構建模型充分考慮了不同層次之間運行規(guī)則、水量調配和決策利益的協(xié)調,為復雜多級揚水灌區(qū)的供水調配優(yōu)化提供了有效方法。