復雜水資源系統調蓄計算的時變耦合模型探究論文
水資源系統本身是一個高度復雜的非線性系統,其功能與作用是多方面、多層次的. 一個復雜的水資源系統往往是一個包含有多個水體和工程單元、多種開發目標、多種約束和多種影響的流域系統. 在物理上, 復雜水資源系統是由各種基本元素, 如供水水源、用水戶、輸水配水工程以及它們之間的輸水連線等組成, 通過不同的調度運行策略, 對不確定的天然水資源進行時空調節分配. 由于水資源系統固有的復雜性, 對流域進行水資源合理配置和可持續發展決策分析需要高效的綜合分析工具. 國外開發了各種有較高應用價值的水資源模擬模型軟件, 并充分利用計算機技術完成了系統化集成, 如 WATERWARE (奧地利), IQQM(澳大利亞), RIVERWARE(美國),Aquarius (美國)]和 MIKE BASIN(丹麥)等; 國內學者對于水資源系統模擬研究在廣度和深度也有所提高, 突破了以往僅考慮水資源供需平衡分析的范疇,擴展到將系統作為整體從而進行模擬, 如 WASYS、水資源配置動態模擬模型、ROWAS、WROOM.上述各種模型在描述水資源系統的復雜規則時, 各自有其適用范圍、特長和缺點. 水資源系統中存在著各種不確定性因素, 如降雨事件在時空上的不確定性、輸水工程中水量損失的不確定性、不同時期用戶對水量需求的不確定性等, 許多學者已經將不確定性的研究方法應用到水文水資源領域中, Xia對水文系統的非線性與不確定性進行了研究分析; 陳守煜創立了以相對隸屬度為基礎的工程模糊集理論,對復雜水資源系統優化決策進行了研究; Li 等人建立了區間參數隨機非線性規劃模型, 并將其應用到多水源分配決策上. 可以看出, 當前對于復雜水資源系統不確定性的研究大多集中在水資源的規劃及管理層面, 對于系統中存在的實際問題, 如綜合考慮復雜水資源系統的不確定性, 如何實現系統的最優平衡狀態等研究較少.
本文在借鑒現有研究成果的基礎上, 為應對復雜水資源系統中所呈現的隨機性, 即受水區來水過程和用水過程不相吻合, 尤其是枯水年份受水區的用水過程難以得到滿足, 本文設置調蓄節點對系統進行模擬計算, 構建了復雜水資源系統調蓄計算時變耦合模型, 建立了多水源、多用戶的時變耦合矩陣及相關算法, 使供水過程在時空分布上符合用水需要, 在地域分布上與生產力布局相適應, 并將該模型應用于引漢濟渭配水工程的調蓄計算.
1 時變耦合模型
時變耦合的定義是兩個(或多個)隨時間變化的物理量通過自適應調整(即耦合)達到 Lyapunov穩定的過程. 本文所述的時變耦合模型是指通過隨時間變化的耦合矩陣進行自我調整, 實現復雜水資源系統供水過程與需求過程的動態平衡. 時變耦合模型的建立包括構造目標函數、確定耦合矩陣元素的約束條件、優化求解 3 個主要步驟.
2 模型計算實例
該模型已實際應用于陜西省省內跨流域調水工程——引漢濟渭配水工程調蓄計算中, 該工程是在陜南地區的漢江干流黃金峽和支流子午河分別修建水源工程黃金峽水利樞紐和三河口水利樞紐, 通過穿越秦嶺的超長輸水隧洞將漢江流域水量調至關中地區渭河流域, 是緩解近期關中渭河沿線城市和工業缺水問題的重要工程措施. 引漢濟渭工程擬定給西安、寶雞、咸陽、渭南、楊凌 5 個重點城市供水, 共計 16 個受水單元(水廠), 供水對象為水廠覆蓋范圍內的城鎮生活用水與工商企事業單位用水. 受水區共有 4 類供水水源: 引漢濟渭水、當地地表水、地下水、再生水; 包括 4 條輸配水干線: 南干線、過渭干線、渭北東干線、渭北西干線. 將引漢濟渭秦嶺隧洞的來水沿輸水線路布設 15個調蓄節點對 16個受水單元(水廠)供水。
3 調蓄計算結果
采用本次構建的`模型, 分析得到 2030 年引漢濟渭工程調水 15×108m3時, 16 個受水單元(水廠)的長系列逐旬的調蓄過程, 各受水單元(水廠)調蓄過程的最大值與最小值的差值如圖 4 方框內括號中數據所示, 模型的計算過程中, 綜合考慮水廠的分布及調蓄節點的上下游邏輯關系, 將水廠的蓄水過程做累加處理, 即對 15 個調蓄節點進行聯合調蓄, 得到各調蓄節點長系列蓄水過程線, 如圖 5 所示, 并取蓄水過程的最大值與最小值的差值作為其所需的調蓄容量,如圖 4 圓圈旁括號中數據所示. 可以看出, 2030 年引漢濟渭長系列調蓄后所需的多年調蓄庫容為 9.15×108m3, 系統缺水量為 0.91×108m3. 不同頻率典型年終節點逐旬的調蓄過程, 95%, 75%, 50%頻率年所需的年調蓄庫容分別為 0.65×108, 0.69×108和 0.85×108m3, 系統缺水量分別為 5.01×108, 3.76×108和0.88×108m3, 由此可以看出, 95%頻率年所需年調蓄庫容小是以系統缺水為代價的, 換句話說就是無水可調.
4 結論
(1) 本文從復雜水資源系統的角度分析了供水水源、受水單元與調蓄節點之間的關系, 確立了以最佳平衡狀態為目標的水量供需平衡函數, 建立了復雜水資源系統調蓄計算的時變耦合模型, 對模型的構建及其原理做了闡述, 為應對隨時間變化的供用水過程, 解決復雜水資源系統調蓄需求計算提供了科學的計算方法.
(2) 本模型有較強的適用性和靈活性. 在上述引漢濟渭的工程實例中, 來水量和來水過程受豐枯頻率影響較大, 通過模型的分析計算, 較好地模擬了不同頻率典型年各調蓄節點的調蓄容量及系統整體所需調蓄容量, 對于確定工程總體規模具有很強的適用性. 此外, 對于調整受水單元數量或改變供水水源類型, 只需針對不同的來水條件及工程供水能力, 修改輸入數據文件, 調整參數, 程序不需要做任何改動,操作靈活簡單.
(3) 長系列調蓄是將 1954~2008 年逐年來水旬過程作為模型的輸入數據, 采用“豐增枯補”的調蓄原則,調蓄庫容沒有設置邊界條件, 得到系統所需多年調蓄庫容為 9.15×108m3. 且以不同方式進行分散調蓄所需的調蓄庫容大于聯合調蓄所需的調蓄庫容.
(4) 不同頻率典型年調蓄是將長系列中所選的50%, 75%, 95%頻率典型年單年的來水過程作為模型的輸入數據, 得到系統所需年調蓄庫容分別為 0.85×108, 0.69×108, 0.65×108m3. 可以看出, 年調蓄庫容均不足1×108m3, 且越是枯水年份, 所需調蓄庫容越小,對應系統的缺水量也越大, 因為此時系統無水可調.
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