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)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)開展具有重大意義。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)模利用率最大為目的、以水資源優(yōu)化配置為根底的渠道規(guī)模多目的優(yōu)選模型，首次提出了不同頻率組

2、合控制流量的多目的邊際優(yōu)選法，對(duì)引江濟(jì)漢工程渠道規(guī)模進(jìn)展了實(shí)例研究，獲得了滿意成果。關(guān)鍵詞：渠道規(guī)模水資源優(yōu)化配置多目的邊際指標(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(kù)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(wèn)題。南水北調(diào)中線工程，近期調(diào)水95億3，遠(yuǎn)景調(diào)水130億3，丹江口水庫(kù)下泄水量減少，水位降低，勢(shì)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(wú)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

3、帶來(lái)的不利影響。引江濟(jì)漢工程也稱“兩沙運(yùn)河作為漢江中下游水源配套工程措施之一，是從長(zhǎng)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(wàn)h2，有效灌溉面積3.79萬(wàn)h2，人口555.24萬(wàn)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(wàn)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(lái)，漢江沙洋以

4、下約300k的河段發(fā)生過(guò)5次“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(guò)境水等供應(yīng)，如出現(xiàn)供水缺乏，那么由引江濟(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)模的重要根據(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)選本質(zhì)上是水資源優(yōu)化配置在工程側(cè)面的表達(dá)，總的原那么是在充分合理使用當(dāng)?shù)厮Y源的前提下，

5、最大限度發(fā)揮工程的輸水才能，盡量減少各種水源的棄水和渠道的閑置，進(jìn)步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)化配置目的的度量識(shí)別，本次研究認(rèn)為最優(yōu)的渠道規(guī)模應(yīng)該表達(dá)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目的函數(shù)1總供水量最大，即式中，G總供水量；Gy(k,t)、Gh(k,t)、Gl(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┧?；長(zhǎng)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，Qe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；Ge(k,t)第k供水片第t時(shí)段總供水量中可以提供

6、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：(k+1,t)=(k,t)+P(k,t)-P(k,t)-E(k,t)+G(k,t)+I(k,t)-Gh(k,t)+F(k,t)(4)式中，(k,t)、(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；Gh(k,t)、F(k,t)第t時(shí)段

7、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)-Q(k,t)-Gy(k,t)-Gh(k,t)-Gl(k,t)=05式中U(k,t)、Q(k,t)第k供水片第t時(shí)段的需水量、缺水量。3引江濟(jì)漢工程渠道輸水才能上限約束：Q(k,t)(k)Qsup(6)Q(k+1,t)Q(k-1,t)(7)式中，(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，L水源的棄水總量目的值；l(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

8、負(fù)約束等。3多目的邊際優(yōu)選法渠道規(guī)模的多目的邊際優(yōu)選法包括供水區(qū)水資源優(yōu)化配置、控制六倆優(yōu)癬設(shè)計(jì)流量和加大流量?jī)?yōu)癬靈敏度分析四步，其中水資源優(yōu)化配置和控制流量?jī)?yōu)選是互相耦合并需要屢次反復(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(guò)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)展優(yōu)化配置，這樣得到的各分水口虧水過(guò)程，才是確定引水渠道最優(yōu)規(guī)模的直接根據(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18進(jìn)展供水區(qū)的水資源優(yōu)化配置忽略目的3并使Qsup=0，即沒有引江濟(jì)漢工程。實(shí)際操作中使用了多目的模擬技術(shù)和大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)相結(jié)合的方法2，得到各供

9、水片的缺水過(guò)程。3.2控制流量?jī)?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(guò)程。將此過(guò)程按大小進(jìn)展排序，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，在此流量系列為根底進(jìn)展優(yōu)眩分別將上述控制流量作為渠道規(guī)模約束，對(duì)涉及到的水資源系統(tǒng)進(jìn)展第二次優(yōu)化配置計(jì)算。這里要完好地使用渠道規(guī)模優(yōu)選的數(shù)學(xué)模型18，可得到

10、相應(yīng)程度年下各目的函數(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?jī)?yōu)選不受其它時(shí)段的影響，故以旬為單位分別進(jìn)展控制流量的優(yōu)眩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GX=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)；.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)展分析，在這里我們引入了邊際旬供水量GXB、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，并以邊際旬供水量GXB為例作詳細(xì)說(shuō)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

11、表征了在Q0的根底上增加單位流量對(duì)增加旬供水量的奉獻(xiàn)程度。經(jīng)濟(jì)學(xué)中的經(jīng)濟(jì)平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，在詳細(xì)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那么，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(shì)；2對(duì)不能準(zhǔn)確找到駐點(diǎn)邊際保證率等于零的曲線，用曲線明顯由陡變緩的坐標(biāo)點(diǎn)代替，本文稱為近似駐點(diǎn)。實(shí)際操作證明這種簡(jiǎn)化是必須的，而且誤差在可承受的范圍內(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。按照上述原那么

12、，選取適宜的控制點(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?jī)?yōu)選設(shè)計(jì)流量那么是供水系統(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)中未意料到的變化和短時(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，假設(shè)以其中最大流量Qax作為渠道的設(shè)計(jì)流量，勢(shì)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(zhǎng)到達(dá)30天或以上的最大平均流量，而不是短暫的頂峰值，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

13、量可以通過(guò)渠道的調(diào)度滿足。對(duì)于以遠(yuǎn)間隔 、多目的為顯著特點(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(guò)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)渠道高程的根據(jù)。現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于渠道加大流量的計(jì)算公式為：Qa=1+Qd10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，這一加大流量并非最后采用的結(jié)果，在確定加大流量時(shí)，還須考慮通過(guò)各種優(yōu)化配置方案計(jì)算得到的最優(yōu)控制輸水流量約束。因此，建議從式10算出的加大流量和最優(yōu)控制流量中選擇較大的數(shù)值，并適當(dāng)取整，以此作為渠道加大流量值。從圖4可以

14、看出，5、6、7月連續(xù)91天的最優(yōu)控制流量在4003/s為作為渠首設(shè)計(jì)流量值。在根據(jù)式10，選擇加大流量系數(shù)5%進(jìn)展計(jì)算，可得到渠首加大流量為4203/s；并在此根底上，考慮到5月中上旬、6月中上旬、7月中上旬等六個(gè)關(guān)鍵供水旬的最優(yōu)控制流量均到達(dá)4503/s，因此為保證春、夏季用水臨界期的水資源需求，建議取渠首加大流量為4503/s。3.4靈敏度分析為了進(jìn)一步論證渠道規(guī)模的經(jīng)濟(jì)合理性，尚須針對(duì)加大流量下的渠道規(guī)模，進(jìn)展微幅變化如增加5%到10%與減少5%到10%條件下供水區(qū)的多方案優(yōu)化配置計(jì)算，以便分析渠道規(guī)模微幅變化時(shí)對(duì)供水量或缺水量與渠首輸水量等方面的影響程度，進(jìn)一步說(shuō)明建議渠道規(guī)模的經(jīng)濟(jì)

15、合理性。靈敏度分析成果如表2所列。說(shuō)明：百分?jǐn)?shù)為增加減少值相對(duì)于固定值的比例由表2可以看出，假如渠道規(guī)模在建議加大流量的根底上增加5%，各優(yōu)化配置方案供水量?jī)H增加2.91%到4.00%；假如渠道規(guī)模加大10%，供水量也僅增加6.02%到9.19%，生態(tài)環(huán)境缺水量的減少也有限最大9.77%，由此可以認(rèn)為：在建議規(guī)模的根底上再增加渠道規(guī)模是不經(jīng)濟(jì)的。同理可知，在建議規(guī)模根底上減少10%或5%，雖然供水量較小不大，但生態(tài)環(huán)境缺水量有較大幅度的增加最大56.96%，這也是不合理的。因此，本文所建議的渠道規(guī)模是經(jīng)濟(jì)、合理的。4結(jié)語(yǔ)本文將大型復(fù)雜水資源系統(tǒng)的水量?jī)?yōu)化配置與大型引水渠道的不同頻率組合控制流量

16、邊際優(yōu)選法結(jié)合起來(lái)，提出了以供水量最大、生態(tài)環(huán)境需水量缺水最小和工程規(guī)模利用率最大為目的、以水資源優(yōu)化配置為根底的大型渠道工程規(guī)模多目的優(yōu)選方法，這是對(duì)現(xiàn)有渠道設(shè)計(jì)方法的一種開展，為今后以供水、灌溉和改善生態(tài)環(huán)境等為主要目的的大型引水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了理論與方法根據(jù)。并將本方法應(yīng)用于引江濟(jì)漢工程渠道規(guī)模的優(yōu)選研究，得到了滿意的計(jì)算結(jié)果，為引江濟(jì)漢工程下一步的優(yōu)化決策和設(shè)計(jì)提供了參考根據(jù)。參考文獻(xiàn)1.Ths,F.Sheldn.AnEsysteApprahfrDeteriningEnvirnentalaterAllatinsinAustralianDrylandRiverSystesJ.Gerph

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