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/Bsig n(h -z )。

式中:sig n(h -z )=1　h >0　h =z 为符号函数;-1h <zT (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(×104m 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-—438— 西北大学学报(自然科学版) 第29卷eral Albraic Modeling System )来编写通用性程序,该语言系统专门用来求解大型数学模型,它不需花费太多时间和精力去研究模型的算法,从而避免了动态规划中“维数灾”的障碍。

由该系统编写的数学模型通用性强、简洁、灵活、精确,在构造和求解模型方面有强大的功能。

该系统主要包括集合、数据、模型、求解、报告5个部分,如下表1所示。

利用这些语句,再与一般的代数运算内部函数、基本设置及用户界面环境相结合,便可构成一个完整的模型系统。

图2为模型设计基本结构框图,该模型系统以数据库作为底层支持,用户在数据整理与系统定义的基础上,通过界面与数据库进行人机交互来实现模型的建立、求解与结果输出、分析,然后反馈信息,重新修改数据或定义系统,重新运行模型。

在求解技术手段上,本文采用面向问题的模型生成技术,用GAM S 系统作为模型设计语言,编写模拟模型,用Fox pro 编写数据库及用户界面,在中文Window s 3.2下运行[7]。

表1　GAMS 系统基本语句Tab .1　Basic sentences of GAMS类 型命 令意 义集 合SE T S 集合的定义与赋值数 据SCAL A RSP AR AM ET ERST ABL E V A RI ABL ES零维参数的定义与赋值多维参数的定义与赋值多维参数表的定义与赋值变量定义模 型EQ U A T ION S M O DEL 方程的定义与描述模型的定义求 解SO L V E 模型的求解报 告DISP L AYF IL E PU T数据输出至缺省文件数据输出路径及文件名定义数据输出至指定文件图2　模型系统结构框图Fig .2　Draft o f str uctur e o f model system 2　结果分析建好模型后,在Pentium-133pc 机上运行9min 20s 后,得出结果,通过分析可知:①在满足灌溉保证率P ≥75%的前提下,联调系统向西安市日供水量可由67×104m 3提高到70×104m 3,较原设计供水能力提高了3×104m 3/d;②在27a 的来水过程中,黑河水库有16a 弃水,石头河水库有5a 弃水,水库的弃水年份较多,建议在投资允许的情况下再加大坝高,提高正常高水位,增加兴利库容;③黑、石两水库的月水温分布符合北方封冻水库的垂向水温分布规律,可作为水温调度的依据;④表层取水时,水温高于水稻生育期要求的水温下限值20℃,两库水温保证率P 皆为100%,高于25℃,P 皆为75%,而中、底层取水的P 均较低;水温高于养鱼要求的下限值15℃,上限值30℃,表层取水时P 黑=58.3%,P 石=33.3%,而中、底层P 均低。

—439—　第5期 王晓峰等:西安城市供水多水源水量水质联合优化调度 由此可见,若想获得水稻及养鱼的好收成,建议两库设置表层及中层取水建筑物,提高水库的综合利用效益。