南水北調(diào)中線水源區(qū)補(bǔ)水工程

1、    南水北調(diào)中線水源區(qū)補(bǔ)水工程            作者：陽書敏 邵東國 劉丙時(shí)間：2007-11-25 12:19:00                     摘要：引江濟(jì)漢工程作為南水北調(diào)中線水源區(qū)最重要的補(bǔ)水工程之一，主要任務(wù)

2、是改善漢江興隆梯級(jí)以下河道的農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水、航運(yùn)和生態(tài)環(huán)境用水條件，使供水區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況得到合理的修復(fù)，以期實(shí)現(xiàn)“南北互利”。引江濟(jì)漢工程的渠道規(guī)模，是影響工程量、投資費(fèi)用和工程效益的重要因素，科學(xué)合理確定引江濟(jì)漢工程渠道規(guī)模，對(duì)實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)中線受水區(qū)和水源區(qū)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展具有重大意義。本文應(yīng)用系統(tǒng)工程、渠道設(shè)計(jì)、工程經(jīng)濟(jì)學(xué)的理論和方法，建立了以供水量最大、生態(tài)環(huán)境需水量缺水量最小和工程規(guī)模利用率最大為目標(biāo)、以水資源優(yōu)化配置為基礎(chǔ)的渠道規(guī)模多目標(biāo)優(yōu)選模型，首次提出了不同頻率組合控制流量的多目標(biāo)邊際優(yōu)選法，對(duì)引江濟(jì)漢工程渠道規(guī)模進(jìn)行了實(shí)例研究，取得了滿意成果。 關(guān)鍵詞：

3、渠道規(guī)模 水資源優(yōu)化配置 多目標(biāo) 邊際指標(biāo) 南水北調(diào) 引江濟(jì)漢  1 前言 南水北調(diào)中線工程從漢江丹江口水庫引水，沿太行山東麓北上，經(jīng)河南、河北，自流輸水到嚴(yán)重缺水的京津華北地區(qū)，以解決干渠沿線北京、天津等20座大城市，100多個(gè)縣市的用水問題。南水北調(diào)中線工程，近期調(diào)水95億m3，遠(yuǎn)景調(diào)水130億m3，丹江口水庫下泄水量減少，水位降低，勢必會(huì)改變漢江中下游干流供水區(qū)的水資源供需關(guān)系和生態(tài)環(huán)境條件，加劇該地區(qū)日趨嚴(yán)重的水資源供需矛盾。為了既有利于實(shí)現(xiàn)向北調(diào)水的任務(wù)，又無損失水源區(qū)的根本利益，必須采取相關(guān)補(bǔ)償工程措施，消除調(diào)水帶來的不利影響。引江濟(jì)漢工程（也稱“兩沙運(yùn)河”）作為漢江中下

4、游水源配套工程措施之一，是從長江荊江河段沙市附近取水補(bǔ)充漢江干流興隆梯級(jí)以下地區(qū)的灌溉、航運(yùn)、生態(tài)環(huán)境等方面的用水需求，以及東荊河地區(qū)的灌溉、生態(tài)環(huán)境用水需求，（如圖1所示）。引江濟(jì)漢工程的供水對(duì)象包括：（1）東荊河灌區(qū)、謝灣灌區(qū)、澤口灌區(qū)、沉湖灌區(qū)、漢川二站提水灌區(qū)和江尾提水灌區(qū)等六個(gè)灌區(qū)，現(xiàn)有耕地面積39.9萬hm2，有效灌溉面積3.79萬hm2，人口555.24萬人；（2）武漢市城區(qū)、仙桃、潛江、漢川、孝感、東西湖、蔡甸等7個(gè)城市（區(qū)），供水人口333.7萬人，工業(yè)總產(chǎn)值達(dá)534.75億元；（3）漢江下游河道生態(tài)環(huán)境用水：針對(duì)20世紀(jì)90年代以來，漢江沙洋以下約300km的河段發(fā)生過5次

5、“水華”事件，使?jié)h江中下游河道維持一定的流量保證河道生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定；（4）河道內(nèi)航運(yùn)用水：為保證航道條件需保持一定流量，以維持必要的航深和航寬。對(duì)圖1所示的水資源系統(tǒng)，各供水子區(qū)的各部門用水，首先由該供水子區(qū)內(nèi)的各種當(dāng)?shù)厮Y源（包括地表水、地下水和過境水等）供給，如出現(xiàn)供水不足，則由引江濟(jì)漢工程補(bǔ)充供水，所以，各供水子區(qū)的缺水量大小，是確定工程渠道規(guī)模的重要依據(jù)。但是，供水區(qū)當(dāng)?shù)厮Y源不同的配置方式，其產(chǎn)生的缺水量在時(shí)間和空間的分布是不同的，從而也影響著分干渠和總干渠的規(guī)模。渠道規(guī)模的優(yōu)選實(shí)質(zhì)上是水資源優(yōu)化配置在工程側(cè)面的體現(xiàn)，總的原則是在充分合理使用當(dāng)?shù)厮Y源的前提下，最大限度發(fā)揮工程的輸水

6、能力，盡量減少各種水源的棄水和渠道的閑置，提高供水保證率和水資源綜合利用率。2 渠道規(guī)模優(yōu)選的數(shù)學(xué)模型根據(jù)水資源優(yōu)化配置目標(biāo)的度量識(shí)別，本次研究認(rèn)為最優(yōu)的渠道規(guī)模應(yīng)該體現(xiàn)供水區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境綜合效益最優(yōu)1，4，數(shù)學(xué)模型如下。2.1 目標(biāo)函數(shù)（1）總供水量最大，即式中，WG總供水量；WGy(k,t)、WGh(k,t)、WGl(k,t)第k供水片第t時(shí)段的引江濟(jì)漢工程供水量、當(dāng)?shù)氐乇硭偷叵滤┧?；M長系列資料時(shí)段總數(shù)；N供水片總數(shù)。（2）總生態(tài)環(huán)境缺水量，即式中，WQe總生態(tài)環(huán)境缺水量；Ue(k,t)第k供水片第t時(shí)段供水區(qū)生態(tài)環(huán)境需水量；WGe(k,t)第k供水片第t時(shí)段總供水量中可以

7、提供的生態(tài)環(huán)境供水量；其它符號(hào)意義如前所述，下同從略。（3）引江濟(jì)漢工程渠道利用率最大，即式中，R引江濟(jì)漢工程利用率；Q(k,t)第k渠段第t時(shí)段的流量；QSUP(k)第k渠道的最大輸水控制流量。2.2 約束條件（1）漢江水量平衡方程約束：W(k+1,t)=W(k,t)+P(k,t)-P(k,t)-E(k,t)+G(k,t)+I(k,t)-WGh(k,t)+F(k,t) (4)式中，W(k,t)、W(k,t+1)第t時(shí)段上游第k供水片的入、出境水量；P(k,t)、E(k,t)第t時(shí)段第k河段的降水量、水面蒸發(fā)量；G(k,t)、I(k,t)第t時(shí)段第k河段的地下水匯入量、河道區(qū)間水量；WGh(k

8、,t)、F(k,t)第t時(shí)段第k供水片的供水量、回歸水量。（2）供水區(qū)水量平衡方程約束：U(k,t)-WQ(k,t)-WGy(k,t)-WGh(k,t)-WGl(k,t)=0 （5）式中U(k,t)、WQ(k,t)第k供水片第t時(shí)段的需水量、缺水量。（3）引江濟(jì)漢工程渠道輸水能力上限約束：Q(k,t)w(k)Qsup (6)Q(k+1,t)Q(k-1,t) (7)式中，w(k)第k支渠從總干渠的設(shè)計(jì)分流比例。（4）水源棄水量最小約束：式中，WL水源的棄水總量目標(biāo)值；Wl(k,t)第k供水片第t時(shí)段的地表水源可供水量；T*系列時(shí)候刻度單位，一般為旬、日、月等；公式中大括號(hào)內(nèi)的三項(xiàng)分別為地表水源棄

9、水量、地下水源棄水量和引江濟(jì)漢工程虛擬棄水量。（5）邊界條件約束、變量非負(fù)約束等。3 多目標(biāo)邊際優(yōu)選法渠道規(guī)模的多目標(biāo)邊際優(yōu)選法包括供水區(qū)水資源優(yōu)化配置、控制六倆優(yōu)選、設(shè)計(jì)流量和加大流量優(yōu)選、靈敏度分析四步，其中水資源優(yōu)化配置和控制流量優(yōu)選是相互耦合并需要多次反復(fù)。3.1 水資源優(yōu)化配置各供水片對(duì)當(dāng)?shù)厮床扇〉呐渲梅绞綍?huì)影響到分水口的虧水過程。從水資源可持續(xù)利用的角度出發(fā)，必須對(duì)各分水口所含供水片的水資源進(jìn)行優(yōu)化配置，這樣得到的各分水口虧水過程，才是確定引水渠道最優(yōu)規(guī)模的直接依據(jù)。不考慮引江濟(jì)漢水源，采用渠道規(guī)模優(yōu)選的數(shù)學(xué)模型（1）（8）進(jìn)行供水區(qū)的水資源優(yōu)化配置（忽略目標(biāo)（3）并使Qsup=

10、0，即沒有引江濟(jì)漢工程）。實(shí)際操作中使用了多目標(biāo)模擬技術(shù)和大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)相結(jié)合的方法2，得到各供水片的缺水過程。3.2 控制流量優(yōu)選接著需要優(yōu)選確定最大限度滿足各供水片用水需求的渠道控制輸水流量即最優(yōu)控制流量。最優(yōu)控制流量是反映系統(tǒng)總優(yōu)化程度的一個(gè)指標(biāo)3。由上述所得各分水口的需分水流量，自干渠末端由下而上逐渠段累加（如圖2所示），并考慮各渠段的輸水損失，即可推得渠首輸水流量過程。將此過程按大小進(jìn)行排序，并計(jì)算相應(yīng)的頻率，選取時(shí)段頻率分別為50%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%和98%時(shí)對(duì)應(yīng)的渠首輸水控制流量，在此流量系列為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)選。分別將上述控制流量作為渠道

11、規(guī)模約束，對(duì)涉及到的水資源系統(tǒng)進(jìn)行第二次優(yōu)化配置計(jì)算。這里要完整地使用渠道規(guī)模優(yōu)選的數(shù)學(xué)模型（1）（8），可得到相應(yīng)水平年下各目標(biāo)函數(shù)值與控制流量的關(guān)系，由于供水區(qū)的供需水狀況隨時(shí)間分布差異較大，為了保證各旬的控制流量優(yōu)選不受其它時(shí)段的影響，故以旬為單位分別進(jìn)行控制流量的優(yōu)選。各旬的三條輸入輸出響應(yīng)曲線分別為（參見圖3）：a.多年平均旬供水量控制流量關(guān)系WGX=f(Q)；b.供水區(qū)生態(tài)環(huán)境缺水量控制流量關(guān)系PX=g(Q)；c.工程旬利用率控制流量R=h(Q)。利用經(jīng)濟(jì)學(xué)方法對(duì)上述三種曲線進(jìn)行分析，在這里我們引入了邊際旬供水量WGXB、邊際旬生態(tài)環(huán)境缺水量PXB和邊際旬利用率RB三個(gè)量值，并以邊

12、際旬供水量WGXB為例作詳細(xì)說明。邊際旬供水量是指增加單位流量而獲得的供水量增加值，在Q0處的邊際旬供水量定義為：邊際旬供水量表征了在Q0的基礎(chǔ)上增加單位流量對(duì)增加旬供水量的貢獻(xiàn)程度。經(jīng)濟(jì)學(xué)中的經(jīng)濟(jì)均衡的充分必要條件是邊際收益等于零、邊際收益的    導(dǎo)數(shù)小于零。由于受物理指標(biāo)的限制，在具體論證工程規(guī)模時(shí)不可能完全照搬邊際收益等于零的法則，與此相似，提出了以下分析確定方法：（1）將P=g(Q)和E=h(Q)兩個(gè)關(guān)系曲線描繪在同一坐標(biāo)系中（坐標(biāo)刻度可能不同），以便于觀察曲線某些相似的變化趨勢；（2）對(duì)不能精確找到駐點(diǎn)（邊際保證率等于零）的曲線，用曲線明顯由

13、陡變緩的坐標(biāo)點(diǎn)代替，本文稱為近似駐點(diǎn)。實(shí)際操作證明這種簡化是必須的，而且誤差在可接受的范圍內(nèi)；（3）對(duì)近似駐點(diǎn)不滿足供水保證率要求的實(shí)例，可考慮適當(dāng)將其右移，即增加最優(yōu)控制流量。按照上述原則，選取合適的控制點(diǎn)作為各旬的最優(yōu)控制流量，結(jié)果如表1所列。3.3 設(shè)計(jì)流量和加大流量優(yōu)選設(shè)計(jì)流量則是供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)供水保證率要求的一個(gè)渠道設(shè)計(jì)指標(biāo)。加大流量是考慮到渠道建成后在管理運(yùn)行中可能出現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)中未預(yù)料到的變化和短時(shí)加大輸水等要求，為留有余地而擬定的一種流量。本次采用類似于灌水率修正的方法優(yōu)選渠道設(shè)計(jì)流量和加大流量。將各旬最優(yōu)控制流量繪成直方圖，如圖4，若以其中最大流量Qmax作為渠道的設(shè)計(jì)流量，勢必偏大，是不經(jīng)濟(jì)的。根據(jù)文獻(xiàn)5，渠道的設(shè)計(jì)流量，應(yīng)從中選取延續(xù)時(shí)間較長（達(dá)到30天或以上）的最大平均流量，而不是短暫的高峰值，對(duì)短暫的大流量，可由渠道的加大流量去滿足，而對(duì)大于加大流量的極短時(shí)間流量可以通過渠道的調(diào)度滿足。對(duì)于以遠(yuǎn)距離、多目標(biāo)為顯著特點(diǎn)的大型引水渠道，其輸水流量較單純灌溉渠道要均勻，且應(yīng)考慮歷年停水1至2個(gè)月的維修期，因此，可選取延續(xù)時(shí)間超過3個(gè)月的最大平均流量，即圖4中的Qd，作為渠道設(shè)計(jì)流量。加大流量是設(shè)計(jì)渠道高程的依據(jù)。現(xiàn)有規(guī)范關(guān)于渠道加大流量的計(jì)算公式為：Qa=（1+）Qd （10）式中，Qa、Qd渠道的加大、設(shè)計(jì)流量；加大系數(shù)，由文獻(xiàn)5可查。需要指出，