西安城市供水多水源水量水质联合优化调度_王晓峰

1999年10月

第29卷第5期

西北大学学报(自然科学版)

J o urnal of N o rthw est U niv ersity(N a tur al Science Editio n)

Oct.1999V o l.29No.5

收稿日期:1998-12-13

基金项目:陕西省第二农业区开发资助项目:(陕农发(1989)25号)

作者简介:王晓峰(1972-),男,陕西合阳人,西安理工大学硕士研究生,陕西师范大学教师,主要从事遥感与地理信

息系统研究。

西安城市供水多水源水量水质联合优化调度

王晓峰1

,党志良

2

(1.陕西师范大学旅游与环境学院,陕西西安　710062;2.西安理工大学环境工程学系,陕西西安　710048)

摘要:根据西安市严重缺水的供水形势及实际情况,对西安市两个主要水源建立了动态确定型多目标非线性数学模型,并从水量水质两方面对其进行约束;应用了先进的、专门用来求解大型数学模型的计算机软件—GAM S,使得模型计算速度快、精度高、通用性强;采用了垂向水温分布公式,在水质约束中很好地描述了水库的垂向水温分布形态,精度高、规律性强,并且公式中的参数可用多种途径估算;最后,得出27年各月的水量水质参数,供管理者和决策者参考使用。关　键　词:多水源;水量;水质;优化调度;GAM S 中图分类号:TV 213 文献标识码:A 文章编号:1000-274Ⅹ(1999)05-0437-04 多年来,西安城市供水严重不足,建设资金又很缺乏,本文不考虑供水系统中两个无调蓄能力的天然径流和事故水库,对两个具有调蓄能力的主要水源进行联合优化调度研究,以满足水量及水质(主指水温)不断变化的要求,同时兼顾周至、户县、岐眉和宝鸡峡塬下4个灌区的农业用水,在西安市引水工程中为决策者提供参考和借鉴。

1　数学模型的建立

1.1　模型概化

[1～2]

西安市城市供水多水源水量水质联合优化调度

可概化为图1。

黑河、石头河水库为多功能分层型水库,其综合优化调度问题是求动态确定型多目标非线性数学模型的问题,将权重法和约束法结合起来(即混合法),数学模型概化为:

目标函数,max {f a (X )};约束条件,G U ≥0;非负条件,X ≥0。1.2　模型的建立

1.2.1　优化计算原则　①从系统供需平衡角度出

发,按约束法将反映供水、需水的综合问题作为基本

目标,按权重法中的层次分析法对其进行权重分配,

图1　西安市多水源联合供水概化图

Fig .1　Sketch o f multi -so urce of w ater union supply of Xi ′an city

其余目标化为不等式的约束条件,按动态单目标非线性数学模型去求解;②为了保证城市、灌区供水量,在兴利优化计算中,未考虑防洪阶段防洪与兴利结合的重复库容V 和发电调节库容;③为了方便计算,各水库分层取水时取水口中心高程Z 及取水层厚度W 均取定值研究。

1.2.2　目标函数　多水源联调目标函数比较复杂

[3～4]

:　从多水源联调供需平衡来看:

总来水量-总河道弃水-(末库容-初库容)=各用水区需水总量-各用水区缺水总量。

略去已知参数项,可转换为:

总河道弃水-末库容+各用水区缺水总量。考虑用水区需要,目标函数为求(总弃水+末库

容+各用水区缺水总量)的最小值。

由于在平衡关系中水库供水项为负,在目标函数中转换为正项,其变化方向就与其他各项相同,且相互不受影响,从而达到目标最小的目的。

通过调查并运用层次分析法,确定出如下目标函数。

TO TAL =min{0.75〔0.1459LO SS 1+0.0352X R E SS TA 1+10.2808(GRO MO A 岐眉1+GROMO A 宝鸡峡1+GRO MO A 周至1+GROMO A 户县1)+0.5381GROMO T 1〕+0.25〔0.1459LOS S 2+0.0352X R ESS T A 2+

0.2808(GROMO A 岐眉2+

GROMO A 宝鸡峡2+GRO MO A 周至2+GROMO A 户县2)+0.5381GROMO T 2〕}。

式中下标1表示对系统时间描述中的第一时段,下标2表示第二时段,LO SS 为水库弃水量,X R E SS TA 为各库末库容,GRO MO A 为农灌区缺水量,GROMOT 为城市缺水量。1.2.3　约束条件　水量约束水量平衡约束:

W i ,j 用=W i ,j 城+W i ,j 灌,

I i ,j ,i =O i ,j ,i ,

V i ,j 末=V i ,j 初+W i ,j 来-W i ,j 损-W i ,j 弃 (i =1,2,…27　j =1,2…12)。水库库容约束:V 死≤V i ,j ≤V 正(或V 限)。城市供水保证率约束:P (W i ,j 城)≥95%。月天数×67×104m 3/d ≤W i ,j 城≤月天数×88×104m 3/d 。

农业供水保证率约束:P i ,j 灌≥75%防洪约束:V 限≤V i ,j 防≤V 设。各渠道输水量约束:q i ,j ,n ≤Q n 。

水质约束[5]

:　水库水温是水质的一项重要指

标,它对农灌、生活用水及下游河道的水质和生态平

衡,以及养鱼、娱乐等方面有重要影响。本文将其溶入西安市多水源联合优化调度之中,从量和质两方面满足工农业用水不断增长的需要。

黑河水库和金盆水库皆属高坝深库,为分层型水库,具有分层型水库垂向水温分布的特性。建立垂向水温分布公式

T (z )=T 0+A |h -z |1/B

sig n(h -z )。

式中:sig n(h -z )=

1　h >0　h =z 为符号函数;

-1h

T (z ),水深z 处的水温;T 0,温跃层中心温度;h ,温跃层中心距水面高度;A ,B ,反映水温分层强弱的系数。

根据类似的冯家山水库资料对其建立关系,结合两库的水库特性参数,计算出历年各月各水库分层取水时不同取水口处的水温T m 。

将水温T m 作为约束,使其满足城市、农灌及养鱼用水的要求。其形式如下[6]:

水稻,T p 1≤Tm 水稻≤T p 2;养鱼,T p 1≤Tm 养鱼≤T p 2。

其中,T p 1,T p 2,水稻生育期,最低下限水温T p 1

为20℃,最高上限水温T p 2为38℃;最宜下限水温T p 1为25℃,最宜上限水温T p 1为35℃;养鱼最低要求水温T p 1为15℃,最高水温T p 1为30℃。

最后,根据计算出的历年各月水温参数,汇总出分层取水时不同取水口处满足用水要求的水温保证率。

非负约束:

W i ,j 用,W i ,j 城,W i ,j 损,W i ,j 弃,W i ,j 来,W i ,j 初,W i ,j 末,P i ,j 城,P i ,j 灌T n ,T j 皆>0。

在各式中:

W i ,j 用(W i ,j 灌)为第i 年第j 月城市(农灌区)用水量;W i ,j 用(W i ,j 来,W i ,j 弃)为水库第i 年第j 月总用(来、弃)水量;W i ,j 初,W i ,j 末,W i ,j 防)为第i 年第j 月初(月末、防洪)库容蓄水量(×104

m 3);W i ,j 损,第i 年第j 月蒸发及水库渗漏损失量;V 死(V 正),死库容(正常高水位)蓄水量;V 限(V 设)为防洪限制(设计)水位库容蓄水量;q i ,j ,n 为第i 年第j 月n 管道(或渠道)输水量;Q n 为n 管道(或渠道)的设计输水量;I i ,j ,1(O i ,j ,1)为第l 节点年第i 年第j 月的入(出)流总量。

1.3　通用性程序的编制及求解技术手段

本文采用一种高级计算机软件—GAM S(Gen-—

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