基于聚合模型的水库群引水与供水多目标优化调度吴恒卿1，2，黄强1，徐炜3，习树峰4，5
（1．西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，西安710048；2．深圳市西丽水库管理处，深圳518055；3．重庆交通大学河海学院，重庆400074；4．中山大学水资源与环境系，广州510275；5．深圳市水务规划设计院，深圳518000）
摘要：该文以深圳市城市供水系统中的公明供水调蓄工程为例，对区域水资源的合理配置和高效利用展开研究。工程中公明水库被用作城市供水的储备水源，以防止连续枯水年份或发生水污染等严重事件对城市供水构成的巨大威胁。为此，充分考虑调蓄工程的供水运行特点，将调蓄工程中的水库群聚合为“虚拟水库”，并建立调蓄工程的引水与供水调度模型；调度模型以引水量最小和公明水库换水量最大为目标函数，采用多目标遗传算法NSGA-II对引水与供水调度模型进行优化求解。在此基础上，采用模糊优选方法在Pareto优化解集空间中寻找满意解，并选择3个代表解对调蓄工程的供水进行模拟。对比与分析模拟计算结果，表明优化调度模型能够高效利用外流域引水资源和提高公明水库的水量交换。关键词：水库；优化；模型；水库调度；聚合水库；供水；引水；NSGA-II算法doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.019中图分类号：TV697文献标志码：A文章编号：1002-6819（2016）-01-0140-07
吴恒卿，黄强，徐炜，习树峰.基于聚合模型的水库群引水与供水多目标优化调度[J].农业工程学报，2016，32
（01）：140-146.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.019http://www.tcsae.org
WuHengqing,Huangqiang,XuWei,XiShufeng.Multi-objectiveoptimaloperationformulti-reservoirsforwaterdiversionandsupplybyusingaggregationmodel[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE）,2016,32(01):140－146.(inChinesewithEnglishabstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.01.019http://www.tcsae.org
收稿日期：2015-09-18修订日期：20152015-11-16
基金项目：国家重大基础研究973（2011CB403302-2）；国家自然科学基金（51179148）；重庆市前沿与应用基础研究计划（cstc2015jcyjA0601）作者简介：吴恒卿（1976-），男，广东雷州人，高级工程师，在读博士，主要从事水资源系统工程研究。西安西安理工大学，西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，710048。Email:waterwu2004@126.com
Vol.32No.1Jan.2016第32卷2016年农业工程学报TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering第1期1月
0引言随着社会经济和人口的高速增长，城市供水需求不断增大，而当地水源已不能满足用水需求，大部分大型城市面临发展性缺水、季节性缺水和水质性缺水的问题，外流域引水成为支撑城市发展的重要方式。跨流域引水工程则是改善城市用水现状，平衡地区水量分布不均的重要手段。无论是本地水资源还是跨流域引水，科学的管理和优化配置是水资源高效利用的基础[1-2]。目前，国内外针对地区性供水系统的管理已有较多的研究成果。20世纪60年代科罗拉多大学针对需水量的估算及满足情况进行研讨，是水资源配置思想的最早体现，也是国外水资源优化配置研究的起点。1997年Dudley和Zheng[1]将农作物生长模型和二维状态变量的随机规划模型相结合，该研究成果以模拟优化的方式对季节性灌溉用水进行合理分配。随后，Willis和Simonovic[2]以供水费用最小和最小缺水损失为目标，采用线性规划模型建立地表水库和地下水库的联合优化模型，研究成果对提高该地区的水资源利用程度起到明显的效果。近年来，Helen等[3]结合新兴的GIS技术建立了基于风险优先级的水资源模拟系统（risk-basedprioritisationsystem，RBPS），在此基础上进行了流域水资源配置研究的尝试。在国内，水资源分配研究主要围绕水库的优化调度，其中贺北方等[4]对水库群的多目标最优控制模型和方法进行研究，在此基础上对灌区渠系优化配水进行研究。近年来随着中国经济的不断发展，城市及农业供水问题越来越突出，已有大量研究针对城市供水、农业灌溉排水和水质水量等相关问题进行深入研究[5-8]。
在上述研究中，大部分研究主要着眼于本地水资源的优化配置，然而跨流域调水系统通常涉及多个水库，水库群之间科学合理的引水、供水对整个系统的优化运行起着至关重要的作用。在跨流域调水工程的研究中，主要以受水水库目标效益最大化或以从引水水库和受水水库整体效益最大来确定引水量及引水方式[9-10]。胡尧文等[11]
采用并行调节和聚合分解法分析分析了简单跨流域调水工程的引水原则。闫春程等[12]以受水水库引水量最小为目标，并进行优化计算，建立了大伙房跨流域调水工程的引水优化调度模型。梁国华等[13]建立辽宁省东水西调工程的用水与来水间的相关关系。王国利等[14]在实时调度中对预报信息的可行性进行分析，进行了大伙房跨流域调水工程的调度。水库群的优化调度对区域水资源的合理配置和高效利用起着关键作用，开展水库群的优化调度研究具有十分重要的理论意义和应用价值。目前，在深圳城市供水系统中东江引水成为主要水源，为防止连续枯水年份或发生水污染等严重事件对城市供水构成的巨大威胁，公明水库被用作城市供水的储备水源，因此本文以公明供水调蓄工程的引水和供水调度为研究对象。首先充分考虑
140吴恒卿等：基于聚合模型的水库群引水与供水多目标优化调度第1期调蓄工程供水运行的特点，以聚合的方式将调蓄工程中的水库群聚合为“虚拟水库”，并在此“虚拟水库”基础上，建立调蓄工程的引水与供水调度模型。然后，调度模型以引水量最小和公明水库换水量最大为目标函数，采用多目标遗传算法NSGA-II对引水与供水调度模型求解得到Pareto解集。最后选择多个典型Pareto优化解，并依此解对调蓄工程的引水与供水过程进行模拟计算与结果分析1研究实例1.1深圳市西北部水库群概况公明供水调蓄工程位于深圳市西北部。公明供水调蓄工程供水系统包括4座水库：公明、茜坑、鹅颈和石岩水库。水库之间通过自流和提水的方式联系在一起，各水库的基本参数如下表1。供水调蓄工程的本地年径流量相对较小，无法满足城市供水需求，主要水源来自境外引水。境外引水主要分配至茜坑、鹅颈和石岩3个水库，而公明水库的主要任务是储备水源，用于特枯年份或者连续枯水年份以及突发性水污染等特殊情况下供水。公明水库作为目前深圳市规划建设的库容最大的“水缸”之一，担负着向西部宝安区、光明新区各水厂供水及供水调蓄任务，可提高深圳市西部储备水量、供水调蓄能力以及对枯水年的抗旱灾能力，提高供水安全保证率。
1.2公明供水调蓄工程的运行规则当区域内发生干旱或连续枯水年情况下，供水区域内城市可供水量小于计划供水量的70%时，则启动储备水源；当发生突发性水污染事件情况时，根据事件评估结果决定启用的供水量。储备水源启动后，在后续年份中通过水系统的统一调配，按来水量的70%供水，剩余水量补给公明水库。为了保证公明水库的供水水质，适当给姜下水厂供水，以保证公明水库的交换水量，见图1。
表1公明供水调蓄工程各水库基本参数Table1CharacteristicsofreservoirsinGongmingwatersupplyproject
水库名称Reservoirname
正常库容Normalstorage/(104m3)死库容Readstorage/(104m3)兴利库容usablestorage/(104m3)流域面积
Thebasinarea/（104m2）
公明Gongming14247227140201177
茜坑Xihang189641892498
鹅颈Ejing1323591264574
石岩Shiyan19006018404400
2水库群联合供水优化调度模型根据以上所述，深圳西北部公明供水调蓄工程，供水调度的目标是：深圳市供水在90%保证率的前提下，提高公明水库的蓄水量及水质，以备突发性事件所带来的水资源短缺问题。公明供水调蓄工程的本地水资源量有限，供水水源主要来自境外引水。公明水库的主要任务是蓄水，而茜坑、鹅颈和石岩水库主要是蓄存引水和城市供水。在正常来水情况下，工程系统依靠本地径流和引水即可满足供水；在枯水年本地径流量和跨流域引水均减小的情况下，各水库按70%为城市供水，供水缺口由储备水量补充。2.1基于聚合水库的联合引水与供水调度模型依据公明供水调蓄工程供水系统的特点，本文采用聚合的方式将供水系统中的水库群聚合为一个“虚拟水库”，并在此基础上建立联合供水调度规则和引水调度规则。1）公明供水调蓄工程系统中包含公明、茜坑、鹅颈和石岩水库，将各水库的死库容和兴利库容进行叠加，构成“虚拟水库”的死库容和兴利库容，如图2（a）所示。在虚拟水库中，按调度方式将库容分为3个功能区，即正常供水区，减小供水区和储备水量。正常供水区中，各水库按城市需水量正常供水；减小供水区中，各水库按城市需水量的70%供水，其余水量由公明水库补给；储备水量即为公明水库为枯水年或突发事件留有的备用水源。2）公明供水调蓄工程的联合引水调度图，如图2（b）所示。聚合水库的“引水”控制线将水库引水调度图划分为2个区，即正常引水区和减少引水区。正常引水区即按引水管道能力满引，而减少引水区即按满引能力的60%
引水。
图1深圳市公明供水调蓄工程水力联系及供水结构Fig.1HydraulicconnectionandwatersupplystructuresofGongmingwatersupplyproject
入库径流Inflow
公明水库Gongmingreservoir
姜下水厂供水Jiangxiawatersupply
入库径流Inflow
入库径流
Inflow入库径流
Inflow
水厂供水Watersupply石岩水库Shiyanreservior鹅颈水库