方國華　鐘華昱　聞昕　李智超　羅煜寧

摘要：為進一步提升江蘇省南水北調(diào)工程的綜合運行效益，在湖泊單向運行方式基礎上，提出了湖泊互濟互調(diào)運行方式，以受水區(qū)綜合缺水率最小和泵站總能耗最小為優(yōu)化目標，構(gòu)建了2種湖泊運行方式下“湖泊-閘泵群”聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，并基于9種湖泊來水情景全面分析了湖泊互濟互調(diào)運行方式的有效性。結(jié)果表明：相較于湖泊單向運行方式，在受水區(qū)綜合缺水率相同時，湖泊互濟互調(diào)運行方式有效減少了泵站抽水總能耗;湖泊互濟互調(diào)運行方式提升了駱馬湖水資源調(diào)配能力和水資源利用效率，在駱馬湖豐水年而洪澤湖豐水、平水、枯水年情景下，駱馬湖水資源利用量分別提高了28.6%、36.1%和30.0%，棄水量分別下降了47.2%、42.4%和65.9%;湖泊互濟互調(diào)運行方式有效減少了洪澤湖和駱馬湖區(qū)間泵站的抽水量，通過充分利用沿線湖泊的調(diào)蓄能力，保障了兩湖水位的安全合理運行。研究成果可為江蘇省南水北調(diào)工程科學調(diào)度運行提供決策參考。

關(guān)鍵詞：跨流域調(diào)水;梯級泵站群;水資源調(diào)度;互濟互調(diào);南水北調(diào)工程

中圖分類號：TV697

文獻標志碼：A

文章編號：1001-6791（2023）05-0776-12

跨流域調(diào)水工程采取“開源”調(diào)水方式將豐水區(qū)水資源調(diào)引至缺水區(qū)，已被世界各國廣泛用于解決流域或區(qū)域的水資源短缺問題，開展跨流域調(diào)水工程優(yōu)化調(diào)度研究對于經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［1-3］。近年來，相關(guān)學者圍繞跨流域調(diào)水工程的優(yōu)化調(diào)度開展了一些研究。如萬芳等［4］以灤河下游跨流域水庫群為例，基于博弈論和3層規(guī)劃模型制定了包含供水、引水和調(diào)水的跨流域水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度規(guī)則;Ma等［5］定義了一種雙重跨流域調(diào)水型式，即原始供水水庫可同時作為供水和受水水庫，并推導了“調(diào)-供-配”一體化的雙重跨流域調(diào)水優(yōu)化調(diào)度規(guī)則;康艷等［6］認為供水水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度規(guī)則應包括水庫群蓄供水次序和水庫調(diào)度圖，提出了一種供水水庫群蓄供水次序與調(diào)度圖雙層優(yōu)化方法，制定了寶雞峽灌區(qū)6庫混聯(lián)供水系統(tǒng)的供水規(guī)則;王超等［7］充分挖掘引江濟淮工程的沿線湖泊調(diào)蓄能力，制定了考慮湖泊調(diào)蓄的梯級泵站群跨流域調(diào)水系統(tǒng)旬水量調(diào)度方案。

南水北調(diào)工程是目前世界上規(guī)模最大的跨流域調(diào)水工程，也是促進中國水資源優(yōu)化配置的重大戰(zhàn)略性基礎設施，工程規(guī)劃包括東、中、西3條調(diào)水線路，跨越長江、淮河、黃河和海河等重大流域，是“四橫三縱”國家水網(wǎng)的主骨架和大動脈［1，8］。江蘇省南水北調(diào)工程作為東線工程起始段，通過大規(guī)模閘泵群連接洪澤湖和駱馬湖等大型調(diào)蓄湖泊，為蘇北地區(qū)和省外部分地區(qū)的多元化用水需求提供了水源保障［9-11］。隨著南水北調(diào)東線一期工程正式通水運行，相關(guān)學者圍繞江蘇省南水北調(diào)工程優(yōu)化調(diào)度也開展了一些研究。如郭玉雪等［12］將江蘇省南水北調(diào)工程的水資源空間格局概化為“兩線-三湖-四水源-六區(qū)間”，采用改進蛙跳算法制定了同時考慮5個互斥目標的優(yōu)化調(diào)度方案;聞昕等［13］提出了面向多工程、多主體、多目標的江蘇省南水北調(diào)工程統(tǒng)一調(diào)度和聯(lián)合運行方式，得到了不同典型年的“水源-線路-湖泊-樞紐”聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案;方國華等［14］針對江蘇省南水北調(diào)工程沿線受水區(qū)供水時空不均衡問題，建立了考慮供水時空均衡性的“湖泊-閘泵群”聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，并采用NSGA-Ⅲ算法制定了考慮供水時空均衡性的多目標優(yōu)化調(diào)度方案。然而，以往的江蘇省南水北調(diào)工程優(yōu)化調(diào)度研究僅考慮了湖泊間單向調(diào)水運行方式，未考慮湖泊間雙向互濟互調(diào)運行方式，一定程度上弱化了該工程的水資源調(diào)控能力，影響了工程綜合運行效益的發(fā)揮。江蘇省南水北調(diào)工程作為典型的以多級湖泊為調(diào)蓄節(jié)點的大型跨流域調(diào)水工程，充分挖掘其沿線調(diào)蓄湖泊的水量互濟能力十分重要，如何在已有研究的基礎上，進一步探索江蘇省南水北調(diào)工程沿線調(diào)蓄湖泊高效運行方式，抓住引、調(diào)、蓄、放水時機，通過復雜閘泵群系統(tǒng)的聯(lián)合運行，科學配置長江、淮河、沂沭泗等不同流域的水資源，在滿足沿線受水區(qū)用水需求的同時進一步提高工程綜合運行效益，對于推動南水北調(diào)工程后續(xù)高質(zhì)量發(fā)展意義重大。

本文通過分析江蘇省南水北調(diào)工程各水利單元間的復雜水力聯(lián)系，在湖泊單向運行方式的基礎上，提出洪澤湖和駱馬湖雙向調(diào)度的湖泊互濟互調(diào)運行方式，以期進一步提高該工程綜合運行效益，為江蘇省南水北調(diào)工程水資源調(diào)度運行提供技術(shù)參考和科學支撐。

1 研究區(qū)域概況和系統(tǒng)概化

1.1 研究區(qū)域概況

江蘇省南水北調(diào)工程涉及揚州、淮安、鹽城、宿遷、連云港和徐州6市，輸水干線的總長度超過400 km，包括2個大型調(diào)蓄湖泊（洪澤湖和駱馬湖）、2條輸水線路（運河線和運西線）和9組梯級泵站（表1）。泵站和閘門的特征參數(shù)如表1所示，2個湖泊的特征參數(shù)見表2。

1.2 系統(tǒng)概化

江蘇省南水北調(diào)工程位于蘇北平原地區(qū)，區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)發(fā)達、水系密布，輸水干線不僅串聯(lián)多個大型調(diào)蓄湖泊，沿途還與新沂河、淮沭河、新通揚運河等骨干河道相互貫通，在進行優(yōu)化調(diào)度模型建立時，需要對系統(tǒng)進行合理概化，既要凸顯水源、線路、泵站、閘門等工程單元的位置和功能，又需真實反映系統(tǒng)運行特點。為此，本文通過分析江蘇省南水北調(diào)工程中各工程單元特性，根據(jù)不同工程單元之間的水力聯(lián)系，以長江、洪澤湖、駱馬湖和南四湖為節(jié)點，將該工程劃分為長江—洪澤湖、洪澤湖—駱馬湖、駱馬湖—南四湖3個主要區(qū)間，并根據(jù)泵站和水系空間關(guān)系劃分16個省內(nèi)受水區(qū)，如圖1所示。

1.3 需水資料

本文以2018年10月至2020年9月的逐旬沿線供水計劃資料作為模型需水資料。由于歷年計劃供水量相近（年需水量為225.43億m³），為此在模型中以各受水區(qū)的年平均供水計劃作為其需水量。此外，南水北調(diào)東線一期工程向山東省的供水時間自2016年起基本維持在12月至次年5月，且不同年份的供水量差異不大，因此以其年平均供水量作為山東省受水區(qū)的需水量。

2 江蘇省南水北調(diào)工程多目標優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 湖泊單向運行方式

利用湖泊單向運行方式指導調(diào)蓄湖泊優(yōu)化調(diào)度時，洪澤湖通過運西線的梯級泵站群從長江抽水補充其庫容，駱馬湖利用運河線和運西線的梯級泵站群從長江或洪澤湖抽水補充其庫容;在供給受水區(qū)時，駱馬湖周邊受水區(qū)和不牢河—微山湖受水區(qū)可同時接受長江、洪澤湖和駱馬湖的水量補給，而洪澤湖—駱馬湖區(qū)間的灌溉總渠、廢黃河、鹽河、淮沭河、泗陽—皂河、泗洪—睢寧和睢寧—邳州受水區(qū)只能接受洪澤湖和長江的水量補給。

2.2 湖泊互濟互調(diào)運行方式

洪澤湖和駱馬湖的合理利用是提升江蘇省南水北調(diào)工程綜合運行效益的關(guān)鍵，洪澤湖的來水量多且蓄水能力強，被同時作為長江的受水水庫和駱馬湖的水源水庫;而駱馬湖來水量小且蓄水能力弱，以往研究僅將其作為洪澤湖和長江的受水水庫。然而，駱馬湖和洪澤湖的豐枯遭遇并不總是同步的，洪澤湖和駱馬湖之間存在水量互濟互調(diào)的現(xiàn)實需求。為進一步提升江蘇省南水北調(diào)工程的綜合運行效益，在湖泊單向運行方式的基礎上，提出了湖泊互濟互調(diào)運行方式，即洪澤湖中的蓄水可由梯級泵站群逐級提至駱馬湖，而駱馬湖的蓄水量也可經(jīng)由相應控制工程沿原輸水通道下泄，以此供給洪澤湖或洪澤湖—駱馬湖區(qū)間的受水區(qū)，湖泊互濟互調(diào)運行方式示意如圖2所示。

2.3 優(yōu)化調(diào)度模型的建立與求解

2.3.1 目標函數(shù)

與其他的大型跨流域調(diào)水工程類似，江蘇省南水北調(diào)工程也需要解決沿線受水區(qū)的水資源短缺問題，因此，受水區(qū)綜合缺水率應作為衡量優(yōu)化效果的一個重要指標。其次，作為一項長距離跨流域調(diào)水工程，抽水產(chǎn)生的運行費用是影響工程調(diào)度效益的主要因素，應當以盡量經(jīng)濟的方式滿足工程沿線供水任務，因而將降低泵站總能耗也作為優(yōu)化方向。為此，本研究建立了以受水區(qū)綜合缺水率（f₁）和泵站總能耗（f₂）最小為目標函數(shù)的優(yōu)化調(diào)度模型，模型的目標函數(shù)如下：

2.3.2 約束條件

2.3.3 模型求解

本文采用模擬-優(yōu)化方法建立江蘇省南水北調(diào)工程多目標優(yōu)化調(diào)度模型，并采用NSGA-Ⅱ算法求解“湖泊-閘泵群”聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型。NSGA-Ⅱ算法采用二元錦標賽選擇、模擬二進制交叉和多項式變異的遺傳操作方法，并利用非支配排序方法選擇優(yōu)良個體，能夠有效保證種群分布的多樣性和算法結(jié)果的收斂性，已被廣泛用于解決多目標優(yōu)化問題［15-17］。在本研究中，NSGA-Ⅱ算法的種群設置為300，迭代次數(shù)設置為20 000，交叉和變異概率分別設置為0.6和0.4。

2.4 調(diào)度方案情景設置

洪澤湖和駱馬湖作為承接并利用淮水的調(diào)蓄湖泊，湖泊可供水量受水文年型影響很大，由于兩湖存在豐枯異步現(xiàn)象，本文分別選取洪澤湖和駱馬湖的豐水（P=25%）、平水（P=50%）、枯水（P=75%）3種典型年，共9種湖泊來水情景。以10月至次年9月為完整調(diào)度年，以旬為調(diào)度時段，設置湖泊單向運行與湖泊互濟互調(diào)運行2種湖泊運行工況；以受水區(qū)綜合缺水率最小和泵站總能耗最小為優(yōu)化目標，構(gòu)建2種湖泊運行方式下“湖泊-閘泵群”聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，運行情景設置情況如表3所示。

3 結(jié)果與討論

3.1 運行效益提升分析

本文采用NSGA-Ⅱ算法求解了2種湖泊運行方式下的江蘇省南水北調(diào)工程“湖泊-泵站群”聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，得到了9種湖泊來水情景下的受水區(qū)綜合缺水率和泵站總能耗情況，如圖3所示。由圖3可知，泵站總能耗和受水區(qū)綜合缺水率之間存在明顯的競爭關(guān)系，隨著受水區(qū)綜合缺水率下降，泵站總能耗明顯增加。為進一步評估湖泊互濟互調(diào)運行方式對江蘇省南水北調(diào)工程綜合運行效益的提升能力，本文采用層次分析法［18-19］選取了B1、B4和B7情景下的最優(yōu)“湖泊-泵站群”聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案，并與S1、S4和S7情景下具有相同綜合缺水率的水資源分配方案進行對比，各方案的運行效益指標如表4所示。由表4可知，湖泊互濟互調(diào)運行方式對工程綜合運行效益的提升作用隨著洪澤湖來水量的減少而增加，B1、B4和B7情景下的泵站總能耗相較于S1、S4和S7情景分別下降了8.5%、15.1%和22.1%。綜上所述，江蘇省南水北調(diào)工程的運行效益受湖泊來水影響較大，在洪澤湖豐水年時，相同缺水率情況下的泵站總能耗明顯小于枯水年。這是由于來自長江的供水量不受水文年型影響，而駱馬湖的來水量又遠小于洪澤湖，當洪澤湖來水量偏豐時，供水成本較低的淮水變多，降低了工程運行成本。相較于湖泊單向運行方式，在大部分湖泊來水情景下，考慮湖泊互濟互調(diào)運行方式的綜合運行效益都更優(yōu)，且綜合運行效益的提升幅度隨著駱馬湖來水量的增加而增加。這是由于湖泊互濟互調(diào)運行方式有效提高了駱馬湖的水資源利用效率，而駱馬湖的供水成本遠小于長江和洪澤湖，隨著駱馬湖來水量的增加，愈來愈多的駱馬湖蓄水量被供給至洪澤湖或洪澤湖—駱馬湖區(qū)間受水區(qū)。

在相同綜合供水率情況下，考慮湖泊互濟互調(diào)運行后，駱馬湖蓄水量可被供給至洪澤湖和洪澤湖—駱馬湖區(qū)間受水區(qū)，由此增加了睢寧—邳州、泗洪—睢寧和泗陽—皂河受水區(qū)的供水量，減少了駱馬湖—南四湖區(qū)間的不牢河—微山湖受水區(qū)的供水量，詳見表5。

3.2 工程單元利用情況分析

3.2.1 水源選擇

相較于湖泊單向運行方式，湖泊互濟互調(diào)運行方式能夠更加充分利用湖泊的水資源調(diào)配能力，在各典型湖泊來水情景下，供水成本較高的長江和洪澤湖的供水量呈現(xiàn)不同程度下降，供水成本較低的駱馬湖的水資源利用量明顯提高，且駱馬湖的棄水量明顯下降，詳見表6。

3.2.2 泵站利用

本文分析了洪澤湖和駱馬湖之間的泗洪、睢寧、邳州、泗陽、劉老澗和皂河泵站的抽水情況，如表7所示。由表7可知，湖泊互濟互調(diào)運行方式下的泵站抽水量明顯小于湖泊單向運行方式，且隨著洪澤湖的來水量減小，所有泵站的抽水量都在明顯下降，這是由于模型在迭代搜索過程中會傾向于優(yōu)先供給洪澤湖周邊、灌溉總渠、廢黃河等供水成本較小的受水區(qū)，當洪澤湖來水量不足以滿足較低供水成本受水區(qū)的需水量時，會減小供給上級區(qū)間用水戶的供水量;相較于泗陽、劉老澗和皂河泵站，泗洪、睢寧和邳州泵站受洪澤湖來水影響更小，這是由于泗陽、劉老澗和皂河泵站的沿線供水量相對較小。

3.2.3 湖泊運行

圖4是典型湖泊來水情景下湖泊水位運行情況，相較于湖泊單向運行方式，互濟互調(diào)運行方式下的洪澤湖調(diào)度期末水位略高一些，但整體水位運行過程比較接近;2種運行方式下的駱馬湖運行水位呈現(xiàn)較大區(qū)別，在大部分調(diào)度時段，湖泊互濟互調(diào)運行方式下的駱馬湖運行水位要明顯高于湖泊單向運行方式。具體而言，在湖泊單向運行方式下，駱馬湖蓄水量僅供給駱馬湖—南四湖區(qū)間受水區(qū)，當湖泊來水量較大時，駱馬湖優(yōu)先將湖泊水量供給駱馬湖—南四湖區(qū)間受水區(qū)，并減少從長江和洪澤湖抽水，以此減少湖泊棄水量;而在考慮湖泊互濟互調(diào)運行后，駱馬湖若因來水量過大而發(fā)生棄水，棄水量可供給至洪澤湖或洪澤湖—駱馬湖區(qū)間受水區(qū)，因而湖泊互濟互調(diào)運行下的駱馬湖運行水位在大部分運行時段要明顯高于湖泊單向運行方式。

4 結(jié)論

為進一步提升江蘇省南水北調(diào)工程的綜合運行效益，在湖泊單向運行方式的基礎上，提出了湖泊互濟互調(diào)運行方式，并基于9種湖泊來水情景詳細分析了湖泊互濟互調(diào)運行方式的有效性。主要結(jié)論如下：

（1） 在不同湖泊來水條件下，泵站總能耗和受水區(qū)綜合缺水率之間均存在明顯的競爭關(guān)系，隨著受水區(qū)綜合缺水率下降，泵站總能耗明顯增加;相較于湖泊單向運行方式，在相同受水區(qū)綜合缺水率情況下，湖泊互濟互調(diào)運行方式下的泵站抽水總能耗更小。

（2） 湖泊互濟互調(diào)運行方式能夠更加充分利用湖泊的水資源調(diào)配能力，有效減少了供水成本較高的長江、洪澤湖的供水量，增加了供水成本較低的駱馬湖的水資源利用量，同時降低了駱馬湖的棄水量。

（3） 湖泊互濟互調(diào)運行方式有效減少了洪澤湖和駱馬湖區(qū)間泗洪、睢寧、邳州、泗陽、劉老澗和皂河泵站的抽水量，通過充分利用沿線湖泊的調(diào)蓄能力，保障了兩湖水位的安全合理運行。

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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