茨淮新河灌區(qū)中長期供水優(yōu)化調(diào)度建模與分析

李 杰

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 研究背景

茨淮新河灌區(qū)位于黃淮海平原南端，地處南北方氣候過渡帶，水熱資源優(yōu)于北方，光資源優(yōu)于南方，但旱澇災害頻繁，年內(nèi)常有旱澇交替的現(xiàn)象發(fā)生。灌區(qū)承擔防洪、排澇、供水、生態(tài)、航運等多種調(diào)控任務，運行調(diào)度涉及多目標和多制約因素，條件復雜[1]。解決新時代灌區(qū)面臨的問題，就必須突破傳統(tǒng)的治水思路，依靠信息科技進步，通過加強水利信息化建設，推進水利的現(xiàn)代化[2- 4]。因此，開展茨淮新河灌區(qū)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案的編制工作，能夠科學地規(guī)劃和利用灌區(qū)內(nèi)可用水源，抓好調(diào)水、輸水、灌水、用水、排水過程，為防汛抗旱調(diào)度和水資源配置調(diào)度提供科學的決策支撐。

灌區(qū)各級樞紐聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度是發(fā)揮水利樞紐工程綜合效益的關鍵，也是目前水利科學技術人員關注和研究的熱點問題[5- 7]。經(jīng)過多年的研究發(fā)展，灌區(qū)調(diào)度模型及其高效求解方法理論研究已積累了豐碩的成果，廣大學者在探索和認識梯級樞紐優(yōu)化運行規(guī)律方面做出了杰出的貢獻。線性模型[8]、非線性模型[9]、隨機模型[10]和多目標優(yōu)化模型[11- 12]相繼提出并運用于聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案編制，相比于前幾種模型，多目標優(yōu)化模型能同時優(yōu)化多個目標，權衡各個目標間的競爭沖突關系，通過單次計算即可得到一組非劣方案集，計算效率較高。在過去的幾十年中，出現(xiàn)了各種多目標進化算法，例如基于非支配排序遺傳算法(NSGAII)[13]、基于分解機制的多目標進化算法(MOEA/D)[14]、基于參考點機制的非支配排序遺傳算法(NSGAIII)[15]等。

鑒于以上背景，本研究圍繞灌區(qū)梯級樞紐優(yōu)化調(diào)度目標需求分析、模型構建及高效求解的關鍵科學問題，以茨淮新河插花樞紐、闞疃樞紐、上橋樞紐供水效益最優(yōu)為目標，研究灌區(qū)中長期供水優(yōu)化調(diào)度建模方法，采用多目標優(yōu)化高效求解算法用于求解調(diào)度模型，基于優(yōu)化調(diào)度方案集給出優(yōu)選方案供調(diào)度決策者參考，同時與實際運行過程進行比較。本研究不僅可以豐富和完善灌區(qū)多目標調(diào)度建模理論與方法，且研究成果可直接應用于指導灌區(qū)調(diào)度方案的編制，具有一定的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。

2 研究方法

2.1 茨淮新河概化模型

茨淮新河工程根據(jù)防洪、排澇、灌溉和航運等綜合利用要求，自上游至下游依次興建了茨河鋪、插花、闞疃、上橋4座樞紐工程，其中茨河鋪閘為潁河分洪閘，潁河水除在大水年份分洪進入茨淮新河外，一般年份不入茨淮新河。插花、闞疃、上橋為3座蓄水灌溉樞紐，灌區(qū)的灌溉水源主要來自上游潁河來水和插花、闞疃、上橋3座節(jié)制閘攔蓄當?shù)貜搅?，當灌溉水量不足時，依靠上橋一級抽水站和闞疃二級站從蚌埠閘上抽提淮河水源補給。灌區(qū)內(nèi)水資源稟賦條件、水系分布、作物種植結(jié)構相對比較復雜，插花樞紐以上為小麥、玉米等旱作耕作區(qū)，插花樞紐至闞疃樞紐段為旱過渡發(fā)展區(qū)，闞疃樞紐至上橋樞紐段為稻茬麥耕作區(qū)，主要灌溉方式均由沿河和灌區(qū)內(nèi)輸水干渠兩岸設多級面上站抽水進行灌溉。除農(nóng)業(yè)灌溉需水外，茨淮新河灌區(qū)還存在城鎮(zhèn)和工業(yè)用水需求。茨淮新河供需水概化如圖1所示。

圖1 茨淮新河供需水概化圖

2.2 中長期供水優(yōu)化調(diào)度模型

研究以茨淮新河各級樞紐為對象，針對各級樞紐開發(fā)利用過程中面臨的供水需求問題，以供水保證率最高、上橋樞紐總抽提水量最小為供水效益調(diào)度目標，同時考慮防洪、通航、生態(tài)各時段約束條件，構建茨淮新河中長期多目標供水優(yōu)化調(diào)度模型。

2.2.1調(diào)度目標

(1)供水保證率最高

(1)

(2)上橋樞紐總抽提水量最小

(2)

式中，n—樞紐總數(shù)；T—時段總數(shù)；Ri，t—第t個時段第i個樞紐段的下泄水量，萬m3；Si，t—第t個時段第i個樞紐段從下游河段翻水至上游河段的水量，萬m3。

2.2.2約束條件

(1)水量平衡約束

Ii，t+Pi，t+ΔVi，t-Wi，t-Ui，t=Ri，t-Si，t

(3)

ΔVi，t=Vi，t+1-Vi，t

(4)

(5)

Si，t=0 (Ri，t≥0)

(6)

式中，Ii，t—第t個時段第i個樞紐的入流水量，萬m3；Pi，t—第t個時段第i個樞紐段的區(qū)間來水量，萬m3；Vi，t—第t個時段第i個樞紐段的庫容，萬m3；Wi，t—第t個時段第i個樞紐段的農(nóng)業(yè)灌溉需水量，萬m3；Ui，t—第t個時段第i個樞紐段的城鎮(zhèn)、工業(yè)需水量，萬m3；ΔVi，t—第t個時段第i個樞紐段的庫容變化值，萬m3。

(2)水位約束

(7)

水位約束同時考慮防洪、通航、生態(tài)需水位要求。

(3)下泄流量約束

(8)

流量約束同時考慮防洪、通航、生態(tài)流量要求。

2.3 多目標優(yōu)化算法

茨淮新河根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉和城鎮(zhèn)、工業(yè)用水2個不同供水效益目標，同時考慮防洪、航運、生態(tài)需求等邊界條件，優(yōu)化調(diào)度涉及多樞紐多時段等復雜決策過程，幾乎不存在使各調(diào)度目標同時達到最優(yōu)的單個調(diào)度方案。針對多目標優(yōu)化調(diào)度模型求解，目前主要有2種方式：①通過權重法、約束法、隸屬度函數(shù)法等將多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標問題進行逐步求解；②采用多目標優(yōu)化算法進行求解，生成1組帕累托前沿非劣方案集。權重法、約束法、隸屬度函數(shù)法等單次求解僅能得到1個調(diào)度方案結(jié)果，求解過程需要進行多次迭代才能得到1組方案集，計算效率相對低下。近年來，研究工作人員針對流域多目標優(yōu)化調(diào)度問題展開研究，采用基于非支配排序遺傳算法(NSGAII)建模求解，并取得了較為不錯的效果，多目標進化算法領域仍然是目前研究發(fā)展的熱點趨勢之一，本文采用多目標優(yōu)化算法進行建模和求解。

模型以茨淮新河插花、闞疃、上橋樞紐閘前水位為決策變量進行編碼，以月為時間尺度，通過計算不同水位編碼條件下供水調(diào)度目標值，進而得到供水效益最優(yōu)的方案集，編碼如下：

Xi，t={H1，1，H1，2，…，H1，T，H2，1，H2，2，
…，H2，T，H3，1，H3，2，…，H3，T}

(9)

式中，Xi—種群中每一個個體，對應一個優(yōu)化調(diào)度方案；Xi，t—第i個水庫第t個時段的壩前水位值，m；T—調(diào)度周期。

本文采用NSGAII算法進行調(diào)度模型求解，算法參數(shù)設置：種群規(guī)模為50，最大迭代次數(shù)為2000，其它參數(shù)與測試函數(shù)ZDT系列2目標測試實驗相同。

(1)約束處理方式。若種群中存在個體違反約束條件，在算法的選擇過程中進行處理，遵循下述原則：①若2個個體的解均未違反約束，按照目標函數(shù)值的非劣性確定二者之間的支配關系。②若其中2個個體的解違反約束，選取另1個不違反約束的個體。③若2個個體的解均違反約束，選取約束違背程度較小的個體。

(2)算法計算流程。①隨機產(chǎn)生規(guī)模為N的初代種群，非支配排序后通過遺傳算法的選擇、交叉、變異3個基本操作得到第一代子代種群；②從第二代開始，將父代與子代種群合并，進行快速非支配排序，同時對每個非支配層中的個體進行擁擠度計算，根據(jù)非支配關系以及個體的擁擠度選取合適的個體組成新的父代種群；③通過遺傳算法的基本操作產(chǎn)生新的子代種群，以此類推，直到滿足程序結(jié)束的條件。算法流程如圖2所示。

圖2 算法流程圖

3 模型求解與分析

本文選取茨淮新河灌區(qū)插花、闞疃、上橋樞紐1988年10月—2018年9月的基礎數(shù)據(jù)資料，包含各級樞紐的來水、區(qū)間入流、農(nóng)業(yè)灌溉需水、城鎮(zhèn)和工業(yè)需水以及防洪、航運、生態(tài)水位約束條件等，基于非支配排序遺傳算法(NSGAII)對中長期供水優(yōu)化調(diào)度模型進行求解，根據(jù)模型求解結(jié)果，對比不同調(diào)度方案間的差別、優(yōu)化調(diào)度與實際運行之間的差別，探究中長期供水優(yōu)化調(diào)度目標效益、水位過程、抽水量過程之間的相互影響關系。

3.1 供水調(diào)度目標效益分析

算法迭代2000次計算得到的結(jié)果如圖3所示。從帕累托前沿圖可以看出供水保證率目標集中在0.955～0.966之間，總抽提水量在45.2億～45.8億m3之間，前沿呈現(xiàn)8個分布點，進一步對比調(diào)度目標可以看出，供水效益目標中目標①供水保證率最高與目標②上橋樞紐總抽提水量最小成反比關系，目標之前存在一定的制約性，進一步說明上橋樞紐抽水總量越多，泵站機組能耗越高，茨淮新河供水保證率越高。

圖3 NSGAII算法求解結(jié)果帕累托前沿圖

3.2 調(diào)度方案對比分析

為了對比分析帕累托前沿圖中2個供水目標效益之間的關系，本文選取帕累托前沿邊緣2個相對極端方案(方案1供水保證率最高方案、方案8總抽提水量最小方案)進行對比分析，計算并繪制插花、闞疃、上橋水位抽水量過程圖，如圖4—8。通過1988年10月—2018年9月的插花閘前、闞疃閘前、上橋閘前水位以及上橋抽水量過程中可以看出，方案1和方案8在大部分月份水位、抽水量過程差別不大，但在來水偏枯、需水較大的月份(如1989年8—10月、1994年2—6月、1999年1—7月、2015年10月)存在一定的差異性。方案1和方案8在供水調(diào)度過程中，當來水充足時各個樞紐最大化抬高水位至最高限制水位，保證下一時段的供水的充足性；當來水較少時各個樞紐降低水位至最低限制水位，保證本時段的供水需求，若仍不能滿足供水需求再采取翻水取水。但方案1在來水偏枯、需水較大的月份傾向于通過提高上橋抽水量來提高茨淮新河供水保證率，而方案8傾向于減少上橋抽水量，降低能耗。

為了進一步對比分析方案在不同水平年下的差異，通過水文頻率排頻計算選取25%頻率豐水年(2007年)、50%頻率平水年(2013年)、75%頻率枯水年(1999年)，計算并繪制插花、闞疃、上橋水位抽水量過程圖，如圖9—12。在豐水年、平水年中，方案1和方案8水位和抽水量過程沒有差別，豐水年通過優(yōu)化調(diào)度方案實施無需進行上橋抽提水基本可以滿足供水需求，插花、闞疃、上橋水位基本維持在各個時段的最高限制水位。平水年通過調(diào)節(jié)各個樞紐的閘前水位，在一定程度上減少上橋抽提水量達到滿足各個時段的供水需求。在枯水年，方案1和方案8存在一定的差異，方案1上橋總抽提水量更大，供水保證率更高，水位變化相對較為平緩，方案8上橋總抽提水量更小，供水保證率相對較低，但水位波動更大。

本文收集了2002—2017年間上橋?qū)嶋H抽水量數(shù)據(jù)，通過方案1、方案8和實際抽水量對比，如圖13所示?？梢钥闯?，除2004年外，其他年份優(yōu)化調(diào)度計算得到的抽水總量小于實際抽水總量。在2002—2017年總抽水量計算上，方案1和方案8相比于實際抽水量分別減少了38%、37%，進一步說明了供水優(yōu)化調(diào)度方案具備一定的優(yōu)越性。

圖4 方案1、方案8插花樞紐水位對比圖

圖5 方案1、方案8闞疃樞紐水位對比圖

圖6 方案1、方案8上橋樞紐水位對比圖

圖7 方案1上橋樞紐抽水量過程圖

圖8 方案8上橋樞紐抽水量過程圖

圖9 豐水年插花、闞疃、上橋水位抽水量過程圖

圖10 平水年插花、闞疃、上橋水位抽水量過程圖

圖11 枯水年方案1插花、闞疃、上橋水位抽水量過程圖

圖12 枯水年方案8插花、闞疃、上橋水位抽水量過程圖

圖13 方案1、方案8、上橋?qū)嶋H抽水量對比結(jié)果圖

4 結(jié)論

(1)研究綜合分析了影響茨淮新河灌區(qū)供水效益的供水保證率、總供水能耗2個目標以及防洪、生態(tài)、航運等約束條件，建立了梯級樞紐多周期多目標優(yōu)化調(diào)度模型，同時采用先進的多目標算法進行求解，并給出優(yōu)化調(diào)度方案集，提供了一種全面綜合分析建模的求解思路。

(2)研究對比了豐、平、枯水年優(yōu)化調(diào)度方案，發(fā)現(xiàn)水位偏枯的年份，不同的優(yōu)化調(diào)度方案差距較大。今后研究中，可結(jié)合不確定性來水條件做進一步分析。

(3)研究對比了優(yōu)化調(diào)度方案與實際運行方案，在保證在滿足供水保證的條件下，優(yōu)化調(diào)度方案最高可減少37%總抽水能耗，優(yōu)化調(diào)度方案的結(jié)果可供調(diào)度決策者參考，給予實際指導意義。