王宏元 王渤权

摘要：

针对引大济湟工程供水调度范围广、水利设施多样以及工程调度目标复杂等难点，提出考虑水流演进过程的大系统分解协调技术，构建引大济湟工程水量调度模型。该模型基于大系统协调分解理论将引大济湟工程划分为多个子系统，利用子系统间的水力联系构建协同机制，获取各项水利设施调度方案信息，并结合一维水动力模型获取各个节点断面的水位、流量关键信息。结果表明：相比于仅通过水量分配模型获取的调度方案，采用该模型得到的方案不仅可满足供水需求，还可实现对供水过程的动态跟踪、模拟仿真，为用户提供更为精准、科学的供水调度方案编制手段，进一步确保沿线供水安全。

关 键 词：

水量调度； 水流演进； 大系统分解协调技术； 引大济湟工程

中图法分类号： TV697

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.019

0 引 言

随着全球人口数量不断地增加，对水资源的需求也在不断增加。中国水资源存在时空分布不均、供需矛盾突出、调度粗犷等特点，是制约中国经济发展的关键因素［1-3］。由于中国南北地区水资源量相差较大，一系列长距离引供水工程应运而生，旨在通过引水工程改变水资源分布格局，保障全国用水需求。因此，水资源跨流域配置调度成为众多学者研究的重點。马立亚等［4］针对汉江流域引调水工程和水库调度任务及特点进行统一建模，综合考虑了用水总量控制及调度规则等多项约束指标，实现了不同河段、区域的水资源配置目标；杨柳等［5］建立了引汉济渭与黑河引水工程联合供水调度模型，通过设定多种调度场景，显著提升了区域供水保证率；雷晓辉等［6］对引江济淮工程水量调度进行了研究，通过水量平衡原理基于遗传算法构建水资源优化调度模型，实现了不同水平年下的调度方案编制；闻昕等［7］针对南水北调东线工程主要水源中长期来水预报精度不高的情况，提出了两阶段随机优化调度方法，克服了来水不确定对调度决策的影响，有效降低了调水成本；郭玉雪等［8-9］针对南水北调江苏段供水调度需求，构建了多目标优化调度模型，并提出了一种改进蛙跳算法，获取不同来水情况下的调度方案。此外，高仕春［10］、游进军［11］、朱彩琳［12］、Peng［13］等也对水量分配调度进行了相关的研究工作。

上述专家学者均对水资源分配研究做出了贡献。对于大型引供水工程来说，输水距离较长，在沿途过程中需要通过闸泵进行水量控制，以满足沿线供水要求。但水流在长距离的演进过程中并不是刚性平移的，其流量会出现滞时、坦化等现象，且由于不同水利设施之间（隧洞、渡槽、渠道等）的衔接，导致到达分水口的水量与水量平衡算出的水量存在一定差异，影响供水保证以及沿线供水安全。因此，在编制大型引水工程供水调度方案时，不仅需要考虑水量分配需求，同时还需对关键断面水流演进状态进行捕捉，从而更加全面地获取到每一时刻分水口供水状态以及断面情况，对方案执行全过程进行模拟，确保沿线水利设施运行安全。为此，本文以引大济湟工程为研究对象，构建考虑水流演进规律的水量分配模型，将大系统分解协调技术与一维水动力模型相耦合，获取不同需水场景下的供水调度方案，提高方案编制质量，为引大济湟工程水量调度提供技术支撑。

1 工程概况及调度任务

1.1 工程概况

引大济湟工程位于青海省东部，是青海省内一项大型跨流域调水工程。该工程从湟水河一级支流大通河上游石头峡建库引水，将大通河水经调水干渠调入湟水河一级支流北川河上游的宝库河，以解决湟水干流水资源紧缺、供需矛盾日益突出的难题［14-15］。该工程主要由调水总干渠、黑泉水库、北干渠一期、北干渠二期和西干渠组成。调水总干渠是引大济湟的骨干工程，由引水枢纽、引水隧洞、出口明渠三部分组成，其中引水隧洞全长24.17 km，洞径5 m，设计流量35 m3/s，设计年调水7.5亿m3，主要任务是从大通河调取水量供给黑泉水库。黑泉水库是引大济湟工程的反调节水库，是一座以灌溉和城市供水为主，兼有防洪、发电、环保等综合效益的大Ⅱ型水利枢纽工程，总库容1.82亿m3。北干渠一期工程位于湟水流域北岸的浅山地带，西起黑泉水库灌溉发电洞，途径互助县，止于乐都县麻业磨沟，其中明渠及建筑物长22.72 km，隧洞总长92.11 km，每年供水量1.12亿m3，工程可扩大农业灌溉面积1.33万hm2，扩大林草灌溉面积0.67万hm2。北干渠二期工程由2条分干、18条支渠、7条干斗、松多水库及田间工程组成，每年供水量为0.85亿m3，工程任务以城镇生活、农业灌溉为主，总灌溉面积2.67万hm2。西干渠工程干渠总长123.27 km，每年供水1.84亿m3，主要任务是供水和灌溉，控制灌溉面积2.00万hm2，其中农田灌溉面积1.67万hm2，林地灌溉面积0.33 hm2。

引大济湟工程拓扑结构如图1所示。

1.2 调度任务难点分析

引大济湟工程通过黑泉水库调节总干渠和宝库河来水，结合当前水源状态、水利设施边界等相关信息，由宝库河、北干渠工程和西干渠工程向受水区供水，以满足受水区社会经济可持续发展的用水需求。该工程包含的水利设施对象主要有渠道、隧洞、渡槽、倒虹、节制闸、退水闸等，通过不同设施的组合衔接，实现沿线的输水供水需求。

供水调度方案的编制主要根据受水区需水计划，获取黑泉水库的调度运行方式，即从调度总干渠取水量、期末水库蓄水量以及向各条供水线路的供水过程。由于工程沿线水利设施众多，且根据地形地貌特征存在多种组合方式，而每个设施均存在各自的运行要求以及基础特性，因此，通过黑泉水库进行水量分配，确保水体在长距离运输过程中满足各项实际运行工况是本文研究的重点。

2 考虑水流演进的水量分配模型构建及求解

2.1 水量分配模型构建

由于引大济湟工程在引供水过程中，不仅要保证沿线供水需求，同时要兼顾工程安全、生态水量等多项目标需求，结合工程项目背景，考虑到各项目标的优先级较为鲜明，分别为防洪＞生态＞供水＞其他，同时又由于防洪和生态目标为硬性指标，可将其转换为硬约束来进行控制。因此，本文以保障供水为主要目标，将其他相关目标转化为约束条件限制进行模型构建，进而实现供水精细化调度策略的获取。

2.1.1 目标函数

对于引大济湟工程供水调度目标，其目标函数为在满足供水保障天数的情况下，使得供水网络供水破坏深度最小，如式（1）所示：

2.2 考虑水体演进的模型求解方法

大系统分解协调方法能够较好地解决大规模多维非线性数学优化问题［16-17］，對于一个调度方案而言，不仅关注水量分配的准确性，还关注供水方案执行的安全性，因此方案可行与否需要关注多维度的指标。对于引大济湟工程而言，涉及的目标主要有供水目标、水位指标以及流量指标等，因此，以供水为主要目标，将水位目标和流量目标转换为约束进行计算，同时提出考虑水流演进的大系统协调分解技术模型求解方法，基于大系统协调分解技术对引水工程进行系统分解，逐级求解供水策略，并以此为边界结合一维水动力模型获取工程关键节点断面的水位、流量过程，再以此过程进行约束判断，反馈调整黑泉水库供水策略，最终获取满足供水安全及运行要求的供水方案。具体步骤如下：

（1） 将引大济湟工程大系统根据分水口位置以及用水区域划分为n个子系统，设第i个分水口分水量为Qi，流量摄动步长为Δq，利用大系统协调分解思想逐级求解，子系统求解示意如图2所示。

3 实例应用

由于北干渠二期工程以及西干渠工程尚未完全建成运行，因此本文选取引大济湟工程北干渠一期工程为例进行沿线供水调度方案编制，北干渠一期工程沿线共有分水口31个，节制闸35个，76管线（渠道、隧洞、渡槽、倒虹吸等）共225段，用水单位4个。

从长时间尺度来看各分水口供水量会呈现稳态，即达到供需平衡，而本文方法主要针对供水边界发生改变到呈现出稳态期间的场景。获取此期间水库运行方式，选取2021年4月26日08：00至次日08：00为例进行方案计算，方案输出时段尺度为15 min，以用水单位涉及区域对应的分水口划分子系统，模型边界参数设置如表1所列。

为说明所提方法的优势，设计以下两种方案：方案1为只通过水量分配计算出来的调度方案；方案2为本文所提模型方法计算出来的方案。两种方案对应的黑泉水库供水方案以及子系统水量分配方案如表2～3所列。

由表2可知，两个方案下黑泉水库水量调度方案均能够满足期末水位控制要求，当日天然入库流量93.39万m3，方案1总供水量为47.52万m3，为了满足供水需求，需从调水总干渠调水43.13万m3。方案2总供水量为48.60万m3，需从调水总干渠调水44.21万m3

从表3水量分配信息可知，两个方案划分的4个子系统均可以满足供水需求，干渠根据各子系统需水量进行供水，分别为8.21万，14.86万，9.41万，7.86万m3，供水保证率均达100%。

如果单从水量分配方案来看，两个方案均可保证水量调度需求，然而，供水计划编制过程中还要确保沿线运行安全，因此需要进一步获取供水过程中的水流状态信息，为方案执行可行性提供依据。为便于对比，分别以方案1水量分配结果为边界，基于一维水动力模型进行求解，获取水流运动状态，并与方案2模型计算得到的水位过程进行对比。

对比断面分别选取4个子系统的渡槽断面（断面1、断面2、断面3、断面4），断面最大流量为11.1 m3/s，最高水位为1.96 m，最低水位为0.70 m，两个方案4个关键断面的水位和流量过程如表4和图4所示。

从图4可以看出，两个方案断面流量过程和水位过程变化趋势大体相似。从方案1中断面流量过程来看，4个断面均满足最大容许流量11.1 m3/s的要求，但从水位来看，断面4在第58时刻突破最低水位0.70 m 的运行要求，说明方案1尽管满足水量分配需求，但不满足沿线水位要求。而对于方案2，从图4可以看出，流量和水位过程均满足断面运行要求。由此可见，基于模型算出来的方案（方案2）不仅满足沿线水量需求，同时各断面满足沿线工程运行要求。综上，相比于只对水量进行分配的调度方式而言，本文提出的调度方法更加科学合理，可确保引大济湟工程供水调度方案有效执行。

4 结 论

针对引大济湟工程供水调度范围广、设施多、约束多样等难点，本文构建了引大济湟工程水量调度模型，并提出了考虑水流演进的大系统协调分解技术模型求解方法。结论如下：

（1） 通过大系统协调分解技术将引水工程大系统划分为4个子系统，并结合每个子系统拓扑结构、水力联系进行水量分配，获取不同时段不同水利设施的流量过程序列，得到的水量分配方案满足各个用水单位用水需求；

（2） 对水量分配方案进行模拟仿真，捕捉各个时刻关键节点断面的水体状态，通过对工程4个关键断面的水位过程、流量过程对比可知，所有断面水体运动状态均满足断面节点约束要求，说明该模型计算得到的水量分配方案结果可行、合理。

本文所构建的模型可在满足供水需求的情况下实现对引大济湟工程供水过程动态跟踪、模拟仿真，可有效保障供水目标、设施安全等多项调度目标，使得方案更贴近实际，可为供水调度计划编制提供新的技术思路。

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（编辑：谢玲娴）

Abstract：

Aiming at the difficulties such as wide range of water supply operation，diversified water conservancy facilities and complex engineering operation objectives of Datong-to-Huangshui River Water Diversion Project，a decomposition and coordination technology of large-scale system considering the flow routing process was proposed，and a water quantity operation model for this project was constructed.Based on the coordination decomposition theory of large-scale system，the whole system of Datong-to-Huangshui River Water Diversion Project was divided into multiple subsystems，and a coordination mechanism was constructed by the hydraulic connection between the subsystems to obtain the operation scheme information of various water conservancy facilities.Combined with the one-dimensional hydrodynamic model，the key information of water level and flow of each node and section was captured.The results show that compared with the operation scheme obtained by the water allocation model，the scheme obtained by this model can not only meet the water supply demand，but also realize the dynamic tracking and simulation of the water supply process.The model can provide users with more accurate and scientific methods for preparing the water supply operation plans，and further ensure the safety of water supply along the line.

Key words：

water quantity operation；flow routing；decomposition and coordination technology of large-scale system；Datong-to-Huangshui River Water Diversion Project