城市供水系统多水源联合调度模型及应用

城市供水系统多水源联合调度模型及应用
摘要：为了增加供水区水资源的承载能力，促进社会、经济、环境可持续发展，本文基于网络拓扑的多水源联合供水优化调度模型，并以某市供水系统为例，探
讨了模型的应用。

关键词：水资源；联合调度；优化配置
水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，又是生态环境的控制性要素。

随着城市经济社会的发展，供水状况已经是城市发展水平和潜力的一个重要
标志，研究城市水源优化调度对城市经济社会发展显得十分必要。

1基于网络拓扑的多水源联合供水优化调度模型
1.1 网络拓扑结构分析
为了将供水网络拓扑信息处理成调度模型可利用的形式，本文建立了节点间
的拓扑关系矩阵：系统中有的水源(如地表水、外调水)通过水厂配置到分区用户，而有的水源(如拥有自身配套工程的再生水、海水淡化等)则可简化为直接配置到
用户，故将进水厂水源与水厂间的拓扑关系矩阵定义为X，xi，j代表i水源与j水厂的连通供水关系，若连通则xi，j=1，否则xi，j=0;将水厂与分区用户间的拓扑
关系矩阵定义为Y，yj，kl代表j水厂与k分区l用户的连通供水关系，若连通则yj，kl=1，否则yj，kl=0;将非进水厂水源与用户间的拓扑关系矩阵定义为Z，zn，
kl代表n水源与k分区l用户的连通供水关系，若连通则zn，kl=1，否则zn，kl=0。

例如，图1的拓扑关系矩阵：
（1）
1.2 模型建立
1.2.1目标函数
(1)社会效益最大以系统缺水量(Slack)最小表征。

（2）
式中Dkl，t为t时段k分区l用户需水量;Sj，kl，t为t时段j水厂供给k分区
l用户的水量;W0n，kl，t为t时段n非进水厂水源供给k分区l用户的水量;L、K、J、N、T分别为用户、分区、水厂、非进水厂水源和时段的数目。

(2)系统的年供水成本(Ctotal)最小此处的供水成本价格是指原水价格，进水厂
水源的成本计算节点为水厂，非进水厂水源的计算节点为分区用户，本研究从决
策者的角度出发，在权衡社会效益的同时寻求相对较低的城市购水成本。

(6)变量非负约束
（15）
式(4)—式(15)中，dkl，t为t时段k分区l用户的受水量;qi，t、Qi，t分别为t时段i进水
厂水源的供水量和供水能力;Qi，max为该水源的年总供水能力;q0n，t、Q0n，t分别为t时段
n非进水厂水源的供水量和供水能力;Q0n，max为该水源的年总供水能力;pj，t、Pj，t分别为
t时段j水厂的供水量和净水能力;gim，t、Gim，t分别为t时段i进水厂水源的m引水干线
工程的供水量和供水能力;aim，j为该工程与j水厂的连通供水关系，若供水则aim，j=1，反
之aim，j=0;Bi，j，t为t时段从i进水厂水源到j水厂的支线管道能力，B*j，kl，t为t时段
从j水厂到k分区l用户的支线管道能力，B0n，kl，t为t时段从n非进水厂水源到k分区l
用户的支线管道能力。

1.3模型求解
(1)系统特殊规则的处理水资源调度中往往存在一些具有区域特点或反映决策者需求的特
殊规则，如水源利用的优先级顺序、水源的最低用量以及水厂供水过程基本稳定等要求。

因此，利用模型进行实例研究时，不仅要满足模型中一般性的目标和约束要求，还要遵循与研
究背景相适应的、特定的供水调度规则。

这些调度规则有的作为模型的前提条件需进行预先
处理，有的则可以约束条件的形式体现在模型中，以将一般性模型转化为有针对性的实例模型。

(2)求解算法及多目标均衡解的选择本文采用NSGA-II多目标算法进行多水源联合优化调
度模型求解。

NSGA-II算法是Srinivas和Deb于2000年提出的一种多目标进化算法，它降低
了非劣排序遗传算法的复杂性，具有运行速度快，解集收敛性好的优点。

NSGA-II采用了快速非支配排序算法，降低了计算复杂度;采用了拥挤度和拥挤度比较算子，代替了原来的共享策略，最大程度保持了种群的多样性;引入了精英策略，扩大了采样空间，防止最佳个体的丢失，提高了算法的运算速度和鲁棒性。

其基本原理参见文献，求解流程如图2所示。

图2模型求解流程
不难发现，模型的两个目标相互矛盾、相互竞争，缺水量越大时供水成本越小，模型优
化求解得到供水成本与缺水量的Pareto前沿解，需按一定规则选择最佳均衡解:决策者可以结合Pareto前沿解的变化情况和自己的偏好进行选择，本文推荐选择缺水量和供水成本的折中点。

2 某市多水源联合调度模型实际应用
通过多水源联合调度实现水资源合理分配需进行多次水资源供需平衡分析。

一次平衡分
析在某市现状供水能力与外延式增长的用水需求之间所进行的平衡分析，明确现状缺水性质
和原因，确定解决缺水措施的顺序，即基本方案;多次平衡分析是在抑制需求和增加供给双侧
共同作用下，进行不同水平年的联合调度方案集的水资源供需平衡分析，提出各水平年实现
水资源供需基本平衡的各项措施，并形成多水源联合调度的对比方案，经对比分析，提出多
水源联合调度的推荐方案。

为了缓解某市未来经济社会发展的水资源供需矛盾，规划水平年
采取如下措施：
(1)内引外调，多渠道保障城市供水。

2020年规划建成梨园坪水库、高冠峪水库、太平峪
水库、田峪水库、引汉济渭调水工程(一期工程);2030年新建或扩建引蔍济黑、引乾济石、引
汉济渭(二期工程)等以“南水北调供水系统”供水。

(2)制定并推行节水型用水器具的强制性标准，积极推广节水型用水器具的应用，提高生
活用水效率，节约水资源。

(3)根据某市经济和社会发展规划，积极发展高科产业，促进产业结构优化升级。

2015年
高新技术产业增加值占工业增加值比重达到60%。

对高耗水的工业企业要限期关、停、并、转。

(4)进行农业种植内部结构调整，减少高耗水作物的种植面积，发展高效节水农业。

压缩
现有水稻种植面积，到2015年左右压缩到一半。

3 结语
本文通过对某市供水区供水系统的分析，建立了供水系统优化调度的动态规划模型，经
过调试计算，制定了外调水与当地水不同来水组合情况下的调度方式，为水资源高效利用与
优化配置提供了依据。

参考文献
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