南水北调中线工程水量仿真调度模型研究

南水北调中线工程水量仿真调度模型研究

畅建霞1，黄强1，王义民1，杨房廷2

(1.西安理工大学水利水电工程学院；2.北京仿真中心)

摘要：南水北调中线工程是一个大型复杂调水系统，本文在分析其调水特点的基础上，应用系统科学的方法建立了该系统的水量仿真调度模型，合理地确定了系统网络结构和模型计算原则，并通过加入辨识模块和控制修正模块，使模型能快速找出满意解。通过仿真计算，得出了引汉水给沿线各省市的分配水量。对比分析引汉前后的供水情况，表明引汉水与当地水源的联合调节，可使沿线各省、市各用水部门的供水保证率有较大提高。

关键词：南水北调中线工程；仿真调度；辨识修正；供水效益

中图分类号：TV213.9 文献标识码：A

我国当前最缺水的地区是华北平原，南水北调中线工程即是缓解华北水资源危机的跨世纪工程。该工程先从丹江口水库引水，沿引汉总干渠，自流供水到华北平原西、中部的河南、河北、北京、天津等省（市）。供水区地表水资源量为147.4亿m3，地下水资源量为181.6亿m3，扣除重复水量后，水资源总量为258.3亿m3（不含入境水量）。供水总面积为15.5万km2，总耕地面积859万hm2。随着工农业的发展和人民生活水平的提高，供水区内各地区、各部门的供需矛盾将日趋尖锐。在未来工程运行期间，如何协调各地区、各部门的关系，如何使有限的水资源发挥最大效益，是现阶段规划设计和未来运行管理均需解决的重要问题。

1 南水北调中线工程仿真模型

中线工程是一个十分复杂的水资源大系统，从水量调度的角度来看，中线工程的调水有以下3个特点：（1）多水源联合调度。南水北调中线工程近期引汉，远景引江，输水总干渠横跨四大流域，流域内大、中型水利工程众多，参与水量调配的水库共有41座，总调节库容约71亿m3，而且各流域年来水量丰、平、枯不同，来、用水过程也不协调；另外，由于丹江口水库来水年际变化大，且有防洪、发电等任务，使得水库北调引水过程变化较大，难于适应供水区的需水过程，因此，必须将引汉水与当地水源结合起来，统一调度，互相补充，使水资源得以充分利用。（2）多目标供水。供水目标归纳为四类：生活、工业、农业、其它。生活、工业为均匀用水，农业、其它部门为变动用水，不同的供水目标有不同的供水保证率要求。生活供水保证率要达到95％，工业供水保证率为90％。同时，不同地区供水保证率也不相同。（3）多决策变量求解。中线工程是供、蓄相结合的复杂的水资源系统。需决策的问

题是：为了尽量满足全系统各时段的用水要求，引汉调水量如何分配，即总干渠各分水口门的分水过程，以及当地水源如何供水和蓄水。

对上述水资源系统，无论采用多么复杂的优化模型和优化方法，都难以得到能够直接应用于实际的成果，因此很难应用传统的解析模型定量地描述，需要使用宏观系统仿真模型进行研究。仿真模型是在计算机上逼近系统行为的模型技术，使决策者能在各种可能的输入下对已有的系统或虚拟的系统进行观察了解，这样就保证了成果的实用性、方便性和灵活性[1]。

1.1 仿真系统网络结构南水北调中线工程调水系统在物理上是由各种元素如供水水源、用水户、输水调水工程及它们之间的输水连线等组成，通过调度运行策略，对不确定的天然水资源进行时空调节分配，以实现系统目标，即从南方多水的长江流域引水到干旱缺水的北方地区。上述水资源系统各类物理元素（水库工程、用水户、河渠道交汇点）之间，通过线段（河渠道）的相互联结，形成南水北调水资源仿真系统网络，以反映引汉水与各供水区以及与当地水源之间繁杂的水利联系。而各类元素的物理特征、规则指标反映了该系统的特性。

为使当地水资源得到合理利用，发挥引汉水的关键作用，对供水区按大型水库、中小型水库、大型电站和无水库灌区分片。分片原则是以当地骨干水利工程为主体，适当照顾流域水系及行政区划，根据沿线大、中型水库、拦河闸及大型灌区渠系分布，将供水区划分成100片，每一片概括成一个用水户，其中河南54个，河北44个，北京、天津各一个。据分片结果和各片的地理位置以及各水利工程的相互关系，建立仿真系统网络节点示意图，如图1所示。

图2 南水北调中线工程仿真系统结构示意图1 网络节点示意

1.2 仿真调度计算原则综合考虑中线工程调水的上述3个特点，拟定如下调节计算原则：（1）供水水源分引汉水，当地地表水及地下水。水源使用先后顺序为：天然来水给当地地表水库充库后的余水、引汉水、地表水库蓄水、地下水。水源使用顺序先用天然来水给地表水库充蓄后的余水，这样就可以确保当地水资源的充分

利用，不会明显增加当地水库弃水量。地下水作为后备水源放在引汉水后使用，适当保持地下水的储备，有利于今后经济与社会稳定发展。（2）供水区范围内的水库按其所处位置分为两类：总干渠以西的水库较总干渠高，称为“高库”，总干渠以东的水库称为“低库”。“高库”的水只能对供水区起补偿调节作用，而不考虑引汉水入库调蓄，低库则可调蓄引汉水和高库余水。（3）水源对生活、工业、其它、农业4个用水部门的供水次序为：生活、工业、其它、农业。

1.3 仿真系统框架按照工程实际运行情况，仿真系统包括6个模块，如图2

所示，各模块的计算功能简介如下：

（1）基础数据处理模块。基础数据作为系统的底层支持，通过数据库将直接影响系统行为。模型所需的基本数据信息可以分为3类：和分水片相关的资料、和用水户相关的资料、时间系列资料。和分水片相关的资料包括各分水口门、用水户、水库、地下水的编号和标识名称；和用水户相关的资料包括各用水户的生活、工业、其它、农业需水，以及与其连接的水库特性资料；时间系列资料包括与时段有关的水库来水资料和逐时段丹江口的可调水量等。其中，丹江口可调水量是根据该时段丹江口水库上游来水，在水库增容后满足汉江中、下游防洪、用水要求后得出的丹江口陶岔渠首的可调水量。

（2）初始控制模块。初始控制是人机交互的一个过程，水库供水对不同用户的分水系数w i（当一个水库同时给n个用户供水时，、引汉供水时对不

同用水片的供水权重等，均可根据优先保证首都、省会城市、重要城市用水的原则拟定其初值。

（3）运行调度层的多水源联合仿真调度模块[3]。模块根据水量连续方程、水库调蓄调度方程、反映水资源调配的供水原则以及各种边界约束条件方程，建立多水源联合仿真调度模型。对供水区引汉水、水库供水、地下水进行联合调度仿真计算，得出历年各时段的调水结果。

（4）辨识系统模块。在数据整理与系统网络结构定义的基础上，通过人机交互，运行仿真调度模块，就可得到系统响应。辨识系统是根据自适应控制原理，通过辨识结构，对系统响应进行统计分析，以判别计算结果的合理性和可靠性。辨识结构是一统计过程，主要对长系列计算结果进行分析，计算各用户、各部门的供水保证率、缺水量，并统计丹江口的调水量、当地各水库的供水及弃水，以及地下水的供水情