地下水與地表水聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)分類及優(yōu)化方案研究

地下水與地表水聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)分類及優(yōu)化方案研究

1地下水、地表水聯(lián)合調(diào)度隨著人們水資源需求的增加，結(jié)合地下水和水保護(hù)資源的重要性逐漸被忽視。50年代,人們就認(rèn)識(shí)到地下水-地表水聯(lián)合調(diào)度可以產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益或提高穩(wěn)定的可供水量。如Bank(1953年)指出,地下水-地表水聯(lián)合運(yùn)用會(huì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益;Todd(1959年)指出,地下水、地表水聯(lián)合利用比單獨(dú)使用更為可靠。60年代,發(fā)達(dá)國(guó)家開始對(duì)地下水、地表水聯(lián)合規(guī)劃開發(fā)進(jìn)行研究,如Cashe和Lindeborg(1961年)以2個(gè)農(nóng)業(yè)用水區(qū)效益最大為目標(biāo),建立了線性規(guī)劃模型來優(yōu)化地下水-地表水的聯(lián)合運(yùn)用;Buras(1963年)利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法確定了給幾個(gè)獨(dú)立灌區(qū)供水時(shí),地下水庫(kù)、地表水庫(kù)的最優(yōu)供水策略;Aron(1969年)利用三狀態(tài)變量動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法,確定了由多個(gè)地下水庫(kù)和多個(gè)地表水庫(kù)所組成的復(fù)雜系統(tǒng)的最優(yōu)庫(kù)容、抽水策略及地表水放水策略。我國(guó)也開展了地下水-地表水聯(lián)合開發(fā)與管理的研究工作。翁文斌等對(duì)北京房山大石河流域地下水與地表水聯(lián)合運(yùn)用進(jìn)行了研究,結(jié)果表明聯(lián)合利用比單獨(dú)用地表供水節(jié)省資金2000×104元;韓再生對(duì)秦皇島石河流域地下水、地表水庫(kù)聯(lián)合開發(fā)利用的研究同樣表明聯(lián)合開發(fā)比單獨(dú)供水投資效益好年平均增加可利用水量1300×104m3。以上研究側(cè)重于聯(lián)合管理模型的優(yōu)化方法或解決具體的聯(lián)合開發(fā)問題。缺乏對(duì)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)中地下水與地表水相互轉(zhuǎn)化、調(diào)節(jié)與制約關(guān)系的研究,因此,聯(lián)合調(diào)度中的基本問題如類型劃分、復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化等問題并未得到很好解決。筆者曾參加了寧波市水資源合理開發(fā)與利用課題的研究工作,結(jié)合已有成果對(duì)地下水-地表水聯(lián)合調(diào)度作進(jìn)一步探討。2采用聯(lián)合水系統(tǒng)類型分類2.1在分類指導(dǎo)下確定供水系統(tǒng)構(gòu)成地下水-地表水聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)一般由3部分組成:1)地下供水系統(tǒng)(包括地下水水源地和相應(yīng)的輸配水系統(tǒng));2)地表供水系統(tǒng)(包括水源工程和輸配水系統(tǒng)),水源工程可能是水庫(kù),也可能是河流引水工程;3)用水系統(tǒng)。對(duì)于聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)從不同的研究角度可劃分為不同類型。筆者認(rèn)為地下水-地表水聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)類型劃分,應(yīng)重點(diǎn)體現(xiàn)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)中供水系統(tǒng)的下列特點(diǎn):(1)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)中供水系統(tǒng)的組成聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)中供水系統(tǒng)包括地下供水系統(tǒng)和地表供水系統(tǒng)。其中地表供水系統(tǒng)可能是地表水庫(kù)也可能是河流引水工程,或兩者都有。其中地表水庫(kù)和河流取水在供水工程設(shè)計(jì)和水量調(diào)度上都有很大差異。因此,在分類中應(yīng)明確供水系統(tǒng)的具體水源組成。(2)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)中供水系統(tǒng)在水文、水力上的聯(lián)系地下水與地表水聯(lián)合調(diào)度不僅利用地下水與地表水在逕流速度上的差異,而且可以充分利用含水層較大的儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)功能對(duì)水資源進(jìn)行調(diào)節(jié)利用。地下水與地表水不同的聯(lián)系方式,決定了是用人工補(bǔ)給還是自然調(diào)節(jié)補(bǔ)給。因此,在分類中應(yīng)明確地下供水系統(tǒng)與地表供水系統(tǒng)在水文和水力上的相互聯(lián)系方式。(3)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)中地下供水系統(tǒng)與地表供水系統(tǒng)相互調(diào)節(jié)與制約關(guān)系對(duì)于地下水與地表水在水文、水力上有直接聯(lián)系的聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng),由于其相應(yīng)對(duì)位置不同,上游水資源的開發(fā)將影響下游的來水條件,如地下供水系統(tǒng)位于地表供水系統(tǒng)的上游,則地下水的開采將對(duì)地表供水系統(tǒng)的補(bǔ)給水量起到調(diào)節(jié)和制約作用。顯然,相對(duì)位置不同其相互的調(diào)節(jié)與制約關(guān)系也不同。聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)不僅體現(xiàn)其由地下水與地表水兩種水源類型組成,而且也包括兩者的相互調(diào)節(jié)與制約關(guān)系。因此,在分類中充分體現(xiàn)其相互調(diào)節(jié)與制約關(guān)系,可使聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的內(nèi)涵更加具體明確。2.2聯(lián)合水系統(tǒng)的基本類型根據(jù)上述原則可將地下水-地表水聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)分為以下幾種類型,見表1.3在聯(lián)合土壤-水聯(lián)合規(guī)劃模型中選擇目標(biāo)函數(shù)3.1表水資源合理調(diào)配目標(biāo)函數(shù)地下水-地表水聯(lián)合調(diào)度的目的,就是在一定的約束條件下,通過對(duì)現(xiàn)有地下水和地表水資源的合理調(diào)配,使其按既定目標(biāo)達(dá)到最優(yōu),常用的目標(biāo)函數(shù)有以下幾種:(1)當(dāng)工程設(shè)施和開發(fā)規(guī)模一定時(shí),以總供水量最大為目標(biāo)。(2)在滿足一定供水需求條件下,以總投資費(fèi)用最小為目標(biāo)。(3)以水資源系統(tǒng)的凈經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)。3.2目標(biāo)函數(shù)的投資效益論證分析上述各目標(biāo)函數(shù),雖然都能在一定約束條件下,得到最優(yōu)解,但其應(yīng)用條件和最優(yōu)解的含義都有許多差異。目標(biāo)1是在現(xiàn)有工程設(shè)施條件,或開發(fā)資金確定的情況下,通過對(duì)水資源的合理開發(fā)使總的供水量最大。該目標(biāo)函數(shù)具有需要資料較少,建立模型比較簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用。但目標(biāo)本身無法體現(xiàn)投資效益,在得到的最大供水量中,可能有部分水量的投資效益是較差的。對(duì)于該目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果,必須進(jìn)一步進(jìn)行投資效益論證,以確保其優(yōu)化結(jié)果的合理性。目標(biāo)是在滿足現(xiàn)有需水條件下通過對(duì)水資源的合理開發(fā)使總的投資費(fèi)用最小。該目標(biāo)具有與目標(biāo)1相似的優(yōu)點(diǎn),同樣目標(biāo)本身無法體現(xiàn)投資效益,因此,必須對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行投資效益論證以確保其合理性。目標(biāo)3是以水資源系統(tǒng)的凈經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)。與目標(biāo)1和目標(biāo)2相比。目標(biāo)3所得到的優(yōu)化結(jié)果能夠保證其投資的合理性。但目標(biāo)3一般涉及的內(nèi)容較廣,模型比較復(fù)雜,另外,在得到凈經(jīng)濟(jì)效益最大目標(biāo)的同時(shí),還應(yīng)結(jié)合問題的實(shí)際給出現(xiàn)狀需水條件下的最優(yōu)供水方案。上述分析表明,每個(gè)目標(biāo)函數(shù)都有一定的應(yīng)用條件和優(yōu)缺點(diǎn)。目標(biāo)1和目標(biāo)2具有所需資料較少、模型比較簡(jiǎn)單且能提供現(xiàn)狀條件下最優(yōu)解的優(yōu)點(diǎn),但由于沒能充分體現(xiàn)投資效益,其最優(yōu)解的合理性尚需進(jìn)行論證。目標(biāo)3的最優(yōu)解確保了投資的合理性,是3個(gè)目標(biāo)中比較完善的1個(gè)。盡管模型比較復(fù)雜,筆者認(rèn)為在條件許可的條件下,以目標(biāo)3為最好。4地下水-地表聯(lián)合調(diào)度地下水-地表水聯(lián)合調(diào)度模型具有組成復(fù)雜,地下水與地表水相互聯(lián)系和制約關(guān)系多樣的特點(diǎn)。因此,根據(jù)不同的聯(lián)合調(diào)度模型采用相應(yīng)的優(yōu)化求解方法。鑒于地下水與地表水無直接水力聯(lián)系的聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)化方法與單個(gè)地下水或地表水調(diào)度模型的求解方法相似,這里僅討論地下水與地表水有直接水力聯(lián)系的聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)化問題。(1)不包含河流取水工程的地下水-地表水聯(lián)合調(diào)度模型的優(yōu)化問題該類聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)一般根據(jù)地下供水系統(tǒng)與地表供水系統(tǒng)的相對(duì)位置,采用順序優(yōu)化方法,即按順序先求解上游地下或地表供水調(diào)度模型,再求解下游地下或地表供水調(diào)度模型,然后再協(xié)調(diào)優(yōu)化。(2)包含河流取水工程的地下水-地表水聯(lián)合調(diào)度模型的優(yōu)化問題由于河流取水工程沒有調(diào)蓄能力,依靠天然逕流供水,豐枯期變化大。因此,包含河流取水工程的地下水-地表水聯(lián)合調(diào)度通常的運(yùn)行規(guī)則是:1)優(yōu)先利用河川逕流,在豐水季節(jié),盡可能利用河水,減少河水廢棄;2)在干旱季節(jié)河水供應(yīng)不足時(shí)用地表水庫(kù)或地下水補(bǔ)充以滿足需水要求。根據(jù)上述特點(diǎn),模型的求解為先計(jì)算河流引水工程的取水量,與需水量比較,確定不能滿足需水的水量和時(shí)間然后按相對(duì)位置順序求解最后協(xié)調(diào)優(yōu)化。這里需要特別說明是的:1)如果河流引水工程位于聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的上游,則實(shí)質(zhì)上是按順序求解,其求解和優(yōu)化過程可按順序一次完成;2)如果河流引水工程位于聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的下游,計(jì)算河流引水工程的取水量后,上游地下水或地表水庫(kù)的利用都將減少下游河流引水工程的來水量,即減少其取水量。因此,該條件下聯(lián)合模型的求解和優(yōu)化過程需要多次反復(fù)求解和優(yōu)化才能完成,且每次求解和優(yōu)化結(jié)果必須進(jìn)行模擬運(yùn)行以確定能否滿足需水要求。只有能滿足需水要求的優(yōu)化解才是該聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的最優(yōu)解。5寧波河流域地下水和地表水聯(lián)合規(guī)劃的例子5.1河流水文高效利用技術(shù)研究寧波剡江流域位于寧波市西南部,流域面積約445km2。研究區(qū)內(nèi)地下水流域和地表水流域一致,是一個(gè)完整的水資源系統(tǒng)。大氣降水是系統(tǒng)內(nèi)地下水和地表水的總補(bǔ)給源。寧波市多年平均降水量為1520.9mm,降水的時(shí)間分布在年內(nèi)、年際都有變化,年內(nèi)變化主要受梅雨和臺(tái)風(fēng)雨的控制,降雨多集中在4～9月;降水量年際之間的變化也比較大,據(jù)寧波氣象站資料,最大降水量為1837.7mm,最小降水量為904.7mm。為提高水資源的利用率,在流域中上游建有亭下水庫(kù),控制流域面積176km2,興利庫(kù)容1×108m3。在水庫(kù)下游河谷地帶分布一定規(guī)模的沖積含水層。含水層巖性主要為砂礫石,厚度6～10m。地下水具有較好的補(bǔ)給條件和一定的可調(diào)蓄空間,可與地表水進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)。流域中水庫(kù)控制面積為176km2,僅占總流域面積的40%,在水庫(kù)下游還有大量地表逕流可供利用,寧波市計(jì)劃在流域下游建立河流引水工程,與上游地表水庫(kù)和地下水聯(lián)合開發(fā)利用。上述水資源系統(tǒng)由地表水庫(kù)、地下水和地表逕流組成,按分類應(yīng)為地下供水系統(tǒng)位于地表水庫(kù)和河流引水工程之間的聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)。5.2在特枯年份地下水-地表水聯(lián)合調(diào)度最優(yōu)供水量及需水量確定(1)目標(biāo)函數(shù)的確定根據(jù)寧波市水資源的供需狀況,一般年份現(xiàn)有水利設(shè)施可以滿足需水要求,在特枯年份供水不足。規(guī)劃在特枯年份把剡江流域地下水資源作為補(bǔ)充水源與地表水進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)聯(lián)合調(diào)度的目的是在現(xiàn)有水資源條件下,提供特枯年份聯(lián)合調(diào)度的最優(yōu)方案。根據(jù)課題的目的和任務(wù),以聯(lián)合調(diào)系統(tǒng)供水量最大為目標(biāo),并分析聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)中地下供水系統(tǒng)和河流引水工程的投資效益,以確保優(yōu)化結(jié)果的合理性。(2)寧波剡江流域地下水與地表水聯(lián)合調(diào)度1)河流引水工程取水量的確定根據(jù)流域的水資源條件,初步確定河流引水工程的取水能力,對(duì)保證率95%典型年的逕流進(jìn)行逐天取水計(jì)算,得到不同取水能力情況下,河流的取水量及需補(bǔ)充水量和補(bǔ)充時(shí)間,見表2。不同取水能力條件下,河流取水量、2)水庫(kù)供水量的確定在河流引水計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上,利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法得到了聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)在不同供水量條件下水庫(kù)的最優(yōu)供水策略(表3)。求解過程中考慮了規(guī)劃部門提出的在特枯年份水庫(kù)確保4700×104m3的城市供水,其余作為農(nóng)灌用水的要求。不同取水條件下,地表水庫(kù)供水量表33)地下水開采量的確定考慮地下水系統(tǒng)的復(fù)雜性,采用有限元法對(duì)地下水流進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬區(qū)面積約53.6km2,共剖分成479個(gè)單元,有300個(gè)節(jié)點(diǎn)。整個(gè)模擬過程通過上機(jī)完成。在模擬模型的基礎(chǔ)上采用線性規(guī)劃法求出了滿足上述需水量要求的優(yōu)化開采方案(表4)。不同取水能力條件下,地下水開采量、4)地下水-地表水聯(lián)合調(diào)度最優(yōu)方案的確定通過對(duì)提出的7個(gè)聯(lián)合供水方案的對(duì)比分析,其中開采總量為8760×104m3/a的聯(lián)合供水方案既有較大的供水量又有較好的投資效益作為初步的優(yōu)化供水方案。由于上游地下水開采后將減少地表逕流補(bǔ)給量,上述優(yōu)化方案,尚需進(jìn)行模擬論證。把上述優(yōu)化結(jié)果按順序代入模擬模型進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果表明,由于地下水開采使下游地表逕流取水量減少20×104m3/a,為滿足需水要求把地下水開采量增加660×104m3/a,開采井?dāng)?shù)為30眼。重新模擬運(yùn)行,模擬計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)?shù)叵滤_采量為660×104m3/a(比原優(yōu)化值增加28×104m3)減少下游地表逕流取水量