南水北調(diào)東線調(diào)水仿真模型研究

南水北調(diào)東線調(diào)水仿真模型研究

1北銀東線工程的主要特點(diǎn)1.1洪水河流水系銀川項(xiàng)目是中國(guó)銀川項(xiàng)目的重要組成部分。東線工程主要供水區(qū)域?yàn)辄S淮海平原和山東半島,主要目標(biāo)為解決天津、河北、山東半島和沿線城市生活和工業(yè)用水,并適當(dāng)兼顧環(huán)境、農(nóng)業(yè)和其它用水。該調(diào)水工程自長(zhǎng)江干流引水,利用京杭大運(yùn)河以及與其平行的河道輸水。黃河以南地勢(shì)北高南低,設(shè)有13級(jí)泵站,抽水總揚(yáng)程65m,連通洪澤湖、駱馬湖、下級(jí)湖、上級(jí)湖、東平湖等湖泊作為調(diào)節(jié)水庫(kù),在山東省位山附近黃河河底建穿黃隧洞,調(diào)水過(guò)黃河。黃河以北地勢(shì)南高北低,可順大運(yùn)河或新擴(kuò)建河道自流到天津,利用千頃洼、大屯、大浪淀、北大港4座平原水庫(kù)進(jìn)行水量調(diào)蓄。從長(zhǎng)江到天津北大港輸水主干線長(zhǎng)1156km,其中黃河以南646km,穿黃17km,黃河以北493km;分干線總長(zhǎng)795km,其中黃河以南629km,黃河以北166km。此外,為解決山東半島嚴(yán)重缺水的狀況,需從東平湖開辟膠東輸水分干線,向濟(jì)南、青島、煙臺(tái)、威海等城市供水,輸水線路總長(zhǎng)701km。1.2兩側(cè)地區(qū)特別大清河地區(qū)南水北調(diào)東線工程供水范圍為:(1)江蘇省里下河地區(qū)以外的蘇北地區(qū)和里運(yùn)河?xùn)|西兩側(cè)地區(qū),安徽省蚌埠市、淮北市以東沿淮、沿新汴河、沿高郵湖地區(qū)和山東省南四湖、東平湖地區(qū);(2)山東半島;(3)黃河以北大清河淀東清南天津平原,河北省黑龍港東部平原,運(yùn)東平原和山東省徒駭馬頰河平原。南水北調(diào)東線工程調(diào)水規(guī)模見表1。2水生百合工程的模擬模型結(jié)構(gòu)2.1用仿真技術(shù)模擬水系統(tǒng)建設(shè)南水北調(diào)東線工程是一個(gè)復(fù)雜的,具有多水源、多供水對(duì)象、多湖泊的水資源系統(tǒng),其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在:(1)工程供水范圍較大;(2)工程供水對(duì)象多;(3)現(xiàn)有工程與規(guī)劃工程結(jié)合;(4)湖泊供水、抽水及棄水相結(jié)合;(5)多種水源聯(lián)合調(diào)度。這些特點(diǎn)的存在,使得模型建立的難度大大增加,對(duì)于這樣一個(gè)系統(tǒng),采用一般的數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)建模,要做很大程度的簡(jiǎn)化和數(shù)學(xué)處理,會(huì)造成許多重要信息的遺失和模型的失真,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)產(chǎn)生較大出入。仿真技術(shù)能直觀、形象地模擬水資源系統(tǒng)中來(lái)水、蓄水、供水、輸水等一系列運(yùn)行過(guò)程以及水庫(kù)、湖泊和洼淀間的水力關(guān)系,具有很強(qiáng)的實(shí)用性。因此,本次研究應(yīng)用了仿真技術(shù)對(duì)南水北調(diào)東線工程的水量調(diào)度過(guò)程進(jìn)行模擬,在擬定的調(diào)水目標(biāo)下,根據(jù)水區(qū)水利工程特點(diǎn),兼顧調(diào)水區(qū)和受水區(qū)的利益,確定合理的水量調(diào)度原則,建立南水北調(diào)東線工程仿真模型,通過(guò)仿真模型運(yùn)行計(jì)算來(lái)模擬東線工程調(diào)水量在時(shí)間和空間的調(diào)度分配過(guò)程。2.2修正穿黃水量南水北調(diào)東線工程調(diào)水系統(tǒng)分為黃河以南和黃河以北兩個(gè)子系統(tǒng),以穿黃水量作為連接這兩個(gè)系統(tǒng)的紐帶。整個(gè)仿真模型的計(jì)算思路則是依據(jù)這個(gè)基本結(jié)構(gòu),逐時(shí)段進(jìn)行水量調(diào)配計(jì)算,先由黃河以南子系統(tǒng)開始,自南向北逐個(gè)湖泊進(jìn)行水量調(diào)節(jié)計(jì)算,并且在滿足系統(tǒng)各項(xiàng)要求的條件下,按照最大的抽水能力向北抽水,得到出東平湖的最大水量,扣去輸送山東半島的水量后,即得到穿黃水量。將穿黃水量輸入黃河以北子系統(tǒng),在黃河以北子系統(tǒng)中,聚合計(jì)算出在位山處的黃河以北總需水量,將其與穿黃水量進(jìn)行比較,對(duì)穿黃水量進(jìn)行修正,然后將修正后的穿黃水量作為黃河以南子系統(tǒng)的輸出,黃河以北子系統(tǒng)對(duì)修正后的穿黃水量進(jìn)行分區(qū)的水量配置。黃河以南子系統(tǒng)依據(jù)穿黃水量的修正量,自北向南進(jìn)一步修正各湖泊的抽水量、棄水量、湖泊蓄水量和抽江水量。由此,完成該時(shí)段的水量調(diào)配計(jì)算。如此循環(huán),可模擬出各年和整個(gè)水文系列的抽江、穿黃、供需水量狀況的東線工程調(diào)水過(guò)程的一系列過(guò)程和數(shù)據(jù)。2.3需水面積的確定南水北調(diào)東線工程系統(tǒng)復(fù)雜,是一個(gè)多水源、多用戶、多湖泊洼淀的水資源工程系統(tǒng)。因此,在建模中根據(jù)天然水系的分布和實(shí)際供水體系的設(shè)置,將這一水資源系統(tǒng)以黃河為界,分為黃河以南和黃河以北兩個(gè)子系統(tǒng),穿黃水量作為兩個(gè)子系統(tǒng)的控制變量。在黃河以南子系統(tǒng)中,洪澤湖、駱馬湖、下級(jí)湖、上級(jí)湖和東平湖5個(gè)湖泊作為東線工程的調(diào)蓄水庫(kù),在系統(tǒng)概化時(shí),以這5個(gè)湖泊為中心,突出湖泊的調(diào)節(jié)能力,反映各湖泊間的水量補(bǔ)償和調(diào)配作用,以及各個(gè)湖泊間存在的上下級(jí)間的水力關(guān)系,將各級(jí)抽水泵站群復(fù)合為湖泊的出、入湖站,同時(shí),忽略輸水河道的調(diào)蓄作用,將其簡(jiǎn)化為單一的輸水河道,將5個(gè)湖泊串聯(lián)在一起,形成東線工程黃河以南的水資源子系統(tǒng)。南水北調(diào)東線工程的黃河以北為受水地區(qū),根據(jù)該地區(qū)的供水特點(diǎn),劃分為6個(gè)供水分區(qū):山東省的聊城區(qū)、德州區(qū)、河北省的衡水區(qū)、景縣區(qū)、滄州區(qū)和天津區(qū),這6個(gè)分區(qū)分別通過(guò)6個(gè)分水口與輸水干線相連接。在本區(qū)內(nèi)有4座規(guī)劃的調(diào)蓄工程:北大港水庫(kù)、大浪淀水庫(kù)、千頃洼水庫(kù)和大屯水庫(kù)。將每一個(gè)供水分區(qū)與其相應(yīng)的調(diào)蓄工程一起概化成一個(gè)計(jì)算單元,來(lái)進(jìn)行水量供需分析。本次模擬中考慮到要對(duì)山東半島的城市用水進(jìn)行補(bǔ)充,故建模時(shí),將其概化為一個(gè)計(jì)算單元。南水北調(diào)東線工程系統(tǒng)的概化見圖1。2.4智慧湖泊群水資源配置南水北調(diào)東線工程仿真模型主要由黃河以南計(jì)算模塊、黃河以北計(jì)算模塊和計(jì)算成果瀏覽模塊等組成。各個(gè)模塊根據(jù)其功能的不同和計(jì)算要求不同,又分別由湖泊群水量計(jì)算模塊、水量供需分析模塊、穿黃水量修正模塊、黃河以北配水模塊、黃河以北水庫(kù)補(bǔ)水模塊、統(tǒng)計(jì)計(jì)算模塊組成,各模塊相互間的關(guān)系見南水北調(diào)東線工程調(diào)水仿真模型結(jié)構(gòu)圖2。黃河以南計(jì)算模塊包括了湖泊群水量計(jì)算模塊、水量供需分析模塊、穿黃水修正模塊和統(tǒng)計(jì)計(jì)算模塊。本模塊主要對(duì)黃河以南5個(gè)湖泊進(jìn)行水量平衡計(jì)算,分別對(duì)5個(gè)湖泊所在分區(qū)的工農(nóng)業(yè)用水進(jìn)行供需分析。對(duì)計(jì)算成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,通過(guò)成果瀏覽模塊顯示計(jì)算結(jié)果。黃河以北計(jì)算模塊包括了水量分配子模塊、水庫(kù)補(bǔ)水子模塊和計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)子模塊。本模塊主要是先聚合計(jì)算黃河以北的需水量,然后根據(jù)黃河以南模塊提供的穿黃水量,在黃河北水量分配子模塊中,計(jì)算本區(qū)可以使用的水量也就是實(shí)際穿黃水量,同時(shí)向黃河以南反饋對(duì)穿黃水量的修正量。并按照利益共享的原則,將實(shí)際穿黃水量分配到各個(gè)區(qū),進(jìn)行各區(qū)的水量供需平衡計(jì)算,再根據(jù)黃河以北的補(bǔ)庫(kù)要求,運(yùn)用黃河北水庫(kù)補(bǔ)水子模塊,將穿黃水量扣除黃河北的需水量后多余的水,補(bǔ)充到黃河北的水庫(kù)中,進(jìn)行水庫(kù)補(bǔ)水調(diào)蓄作用的計(jì)算,同時(shí)也計(jì)算當(dāng)穿黃水量不能滿足黃河北需調(diào)水量時(shí),由水庫(kù)的蓄水來(lái)補(bǔ)充不能滿足的部分。計(jì)算成果瀏覽模塊的功能是根據(jù)用戶的要求,從仿真模型計(jì)算成果庫(kù)中調(diào)出所需瀏覽的仿真模型計(jì)算結(jié)果,以報(bào)表的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示,并提供了打印機(jī)輸出的功能。2.5量調(diào)配原則東線工程仿真模型不僅要模擬東線工程各個(gè)湖泊間的水力聯(lián)系,并且要通過(guò)選擇合理的水量調(diào)配原則,來(lái)對(duì)地區(qū)之間、湖泊之間、用水部門之間的水量進(jìn)行協(xié)調(diào),以求達(dá)到水資源合理配置的目的。因此,東線工程仿真模型,要滿足東線工程調(diào)水系統(tǒng)中的各種約束條件,主要包括水量平衡約束、湖泊蓄水約束、河道輸水約束、抽水站規(guī)模約束和供用水約束等。(1)水質(zhì)vi費(fèi)即湖泊時(shí)段末庫(kù)容等于時(shí)段初庫(kù)容加來(lái)水、抽進(jìn)水量減去湖泊的蒸發(fā)、滲漏損失、供水量、抽出水量和棄水量。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:式中:Vi,j—湖泊蓄水量;Qi,j—湖泊來(lái)水量;P1i,j、P2i,j—湖泊抽進(jìn)水量、抽出水量;Ei,j—湖泊蒸發(fā)損失;Ri,j—供水量;Y1i,j—上一湖泊棄水量;Yi,j—本湖泊棄水量。(2)湖泊的蓄水是有限的湖泊蓄水要低于等于蓄水上限,高于等于蓄水下限。(3)流量站和站群的限制抽水量要小于等于抽水泵站的抽水能力。(4)河流的流量受到限制通過(guò)河道輸水的流量要低于等于河道輸水能力。(5)供需水量限制供給生活和工業(yè)、農(nóng)業(yè)的水量要小于相應(yīng)的需水量。(6)不接受額外的限制上述約束中的各變量均為非負(fù)。2.6確保湖泊供水量(1)尊重已用水源現(xiàn)實(shí),調(diào)水工程的興建以不影響原有灌區(qū)合理用水為原則。各地對(duì)當(dāng)?shù)厮蓛?yōu)先使用,多余水量由工程統(tǒng)一調(diào)度。(2)黃河以南地區(qū)城市生活、工業(yè)和航運(yùn)用水,農(nóng)業(yè)規(guī)劃灌區(qū)用水,都要達(dá)到各自供水保證率要求。(3)湖泊調(diào)度圖包含兩條控制線:一是北調(diào)水量控制線(v2),其作用是控制本級(jí)湖泊向上級(jí)湖泊的北調(diào)抽出水量,以保證本級(jí)湖泊供水對(duì)象的用水要求;在一般情況下,當(dāng)?shù)陀诒闭{(diào)控制線時(shí),停止向北調(diào)水,二是用水控制線(v1),由于湖泊供水對(duì)象具有不同的供水保證率要求,有必要設(shè)置用水控制線以保證其不同要求;由于工業(yè)生活用水的保證率要高于農(nóng)業(yè)灌溉保證率,因此,當(dāng)湖泊蓄水低于用水控制線(v1)時(shí),則停止向農(nóng)業(yè)供水,以保證本片下一時(shí)段工業(yè)和生活用水。(4)為了保證黃河以北城市工業(yè)生活用水,設(shè)置最小向北調(diào)水量,在湖泊停止向北調(diào)水時(shí),利用調(diào)水工程新增的裝機(jī)向北調(diào)水。最小向北抽水量小于等于東線各級(jí)新增抽水能力。(5)當(dāng)穿黃水量大于等于黃河以北的總需水量時(shí),黃河以北各區(qū)的需水全都滿足,仍有多余水時(shí),則需要修正穿黃水量。當(dāng)穿黃水量小于黃河以北總需水時(shí),各區(qū)先用水庫(kù)的水供各區(qū)的需水,并重新計(jì)算黃河以北的總需調(diào)水后,再與穿黃水量比較,修正各區(qū)的供水量。(6)當(dāng)考慮用穿黃水量補(bǔ)水庫(kù)蓄水時(shí),穿黃水首先要在滿足黃河以北各區(qū)的需水后,如仍有多余的水,才能進(jìn)行補(bǔ)庫(kù)。當(dāng)補(bǔ)庫(kù)后仍有多余水量時(shí),則需要修正穿黃水量。3模擬模型的應(yīng)用在東部工程3.1工程供水區(qū)分區(qū)南水北調(diào)東線工程供水范圍包括黃河以南、山東半島和黃河以北3大片,涉及江蘇、安徽、山東、河北和天津等5省市。根據(jù)東線工程供水的實(shí)際情況和仿真模型計(jì)算的要求,進(jìn)一步將黃河以南地區(qū)分為5個(gè)供水分區(qū),黃河以北地區(qū)分為6個(gè)供水分區(qū),山東半島為1個(gè)分區(qū),在仿真模型中共有12個(gè)計(jì)算分區(qū)。分區(qū)見表2。3.2固定組合方案按照南水北調(diào)東線工程調(diào)水仿真模型的功能,計(jì)算方案的選擇有多種組合,但主要取決于基本數(shù)據(jù)的詳細(xì)程度,表3列出了所有可能的組合方案。根據(jù)目前所掌握的東線基本數(shù)據(jù)情況,在上述南水北調(diào)東線工程調(diào)水計(jì)算方案參數(shù)的組合中,按照各湖的規(guī)劃來(lái)水和抽水工程規(guī)模情況,考慮南水北調(diào)東線工程第一、二、三期不同的抽水規(guī)模,不同水平年工農(nóng)業(yè)的需水要求,以及模型計(jì)算采用的不同供水方式,選擇、組合成計(jì)算方案。3.3計(jì)算方案的參數(shù)描述3.3.1北魯西南、東北部南水北調(diào)東線第一期工程供水范圍包括了江蘇蘇北、安徽東北和山東的魯西南、膠東和魯北地區(qū)。南水北調(diào)東線第二期工程供水范圍在第一期的基礎(chǔ)上向北伸延,增加了河北和天津。南水北調(diào)東線工程第三期的供水范圍同第二期。各期抽水規(guī)模見表1。3.3.2限制了產(chǎn)水及需調(diào)水量2010水平年和2030水平年的城市、工農(nóng)業(yè)需水量是以淮委《南水北調(diào)東線工程規(guī)劃——水量調(diào)配》報(bào)告中預(yù)測(cè)的總量為控制,以及各分區(qū)工農(nóng)業(yè)布局和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的情況分配到各分區(qū)。在東線第一、二期工程中,黃河以南地區(qū)采用的是2010水平年的城市、工農(nóng)業(yè)需水量,為225.88億m3,在東線第三期工程中采用的是2030水平年的城市、工農(nóng)業(yè)需水量,為249.2億m3;黃河以北地區(qū)需調(diào)水量在東線第一、二、三期工程中都不相同;山東半島需調(diào)水量在東線第一、二期工程中采用了2010水平年的需調(diào)水量,為8.76億m3,在第三期工程中采用了2030年的需調(diào)水量,為21.29億m3。3.3.3北方單段水質(zhì)調(diào)度系統(tǒng)在模型計(jì)算時(shí)有兩種供水方式可以選擇,第一種稱之為按需供水方式,是指模型在東線工程調(diào)水計(jì)算過(guò)程中,以滿足北方本時(shí)段的需調(diào)水量為目標(biāo),進(jìn)行水量調(diào)度。第二種供水方式稱之為補(bǔ)庫(kù)供水方式,是指模型在東線調(diào)水計(jì)算過(guò)程中,不僅考慮本時(shí)段黃河以北的需調(diào)水量,同時(shí)也考慮了北方水庫(kù)的蓄水狀況,當(dāng)黃河以南地區(qū)可以有多余水北調(diào),并且同時(shí)北方水庫(kù)有庫(kù)容可以蓄水時(shí),則提前調(diào)水至水庫(kù)。3.3.4農(nóng)業(yè)用水控制線的設(shè)置在仿真模型的湖泊調(diào)節(jié)計(jì)算中,對(duì)黃河以南地區(qū)各湖泊的水量調(diào)度采用了兩條調(diào)度控制線:第一條是為了保證當(dāng)?shù)毓┧O(shè)置的控制湖泊向北抽水的北調(diào)控制線。計(jì)算時(shí)當(dāng)湖泊水位低于北調(diào)控制線時(shí),為了保證當(dāng)?shù)氐挠盟?一般將停止向其上游湖泊抽水。第二條是為了滿足黃河以南各計(jì)算分區(qū)的城市、工農(nóng)業(yè)用水不同供水保證率的要求,而設(shè)置的農(nóng)業(yè)供水控制線。計(jì)算時(shí)當(dāng)湖泊的水位低于供水控制線時(shí),本時(shí)段將停止向當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)供灌溉水,以保證當(dāng)?shù)叵乱粫r(shí)段城市生活、工業(yè)供水量。3.4資源供需平衡應(yīng)用南水北調(diào)東線工程仿真模型分別按照按需供水方式進(jìn)行調(diào)水計(jì)算和按照補(bǔ)庫(kù)供水方式進(jìn)行調(diào)水計(jì)算,根據(jù)各湖泊42a的長(zhǎng)系列規(guī)劃來(lái)水進(jìn)行計(jì)算得到了多個(gè)方案的調(diào)水工程多年平均、不同頻率年抽江量、湖泊入湖和穿黃水量,沿線各地區(qū)水資源供需平衡計(jì)算結(jié)果。表4給出了多年平均抽江量、湖泊入湖和穿黃水量。從模型計(jì)算結(jié)果來(lái)看,東線第一期工程(方案1)總供水量為192.5億m3,黃河以南供水量為178.98億m3,其中城市生活、工業(yè)和航運(yùn)供水量的供水保證率達(dá)到100%,農(nóng)業(yè)供水量供水保證率達(dá)到86.7%以上;黃河以北供水保證率達(dá)到96.8%以上。滿足了兼顧調(diào)水區(qū)和受水區(qū)的利益的要求,在對(duì)8個(gè)典型枯水年計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),在枯水年汛前的4—6月份,東線工程調(diào)過(guò)黃河水量是無(wú)法滿足黃河以北需調(diào)水量。因此,在枯水年?yáng)|線工程調(diào)水時(shí)要考慮這個(gè)因素。從模型計(jì)算結(jié)果分析來(lái)看