普定后寨地下水庫聯(lián)合調(diào)度模型優(yōu)化研究

普定后寨地下水庫聯(lián)合調(diào)度模型優(yōu)化研究

從儲存特性來看，太平地區(qū)的水庫可分為兩種類型：地表水庫和地下水庫。地表水庫是將水體儲存于地表的一種成庫方式。地下水庫是利用巖溶地區(qū)獨特的地下空間結(jié)構(gòu),通過工程措施,將水資源儲存于地下管道空間或利用天然巖溶峰叢洼地,結(jié)合洼地以下的巖溶管道空間儲蓄水資源的一種成庫方式。由于各類水庫的成庫條件不同,它們的儲水特性和水資源的利用調(diào)度方式也不相同。本文以貴州省普定后寨河巖溶流域為例,建立流域內(nèi)青山水庫、母豬洞地下水庫和馬官地下水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型。1流域地表、地下河、表三段后寨地下河流域位于貴州省普定縣,屬典型的高原區(qū)巖溶流域,面積81km2。流域地勢東南高西北低,峰叢、峰林聳立,洼地、盆地廣泛分布,地勢平坦開闊。海拔高度一般為1100~1400m,最高1585m。相對高差一般為250~300m,最大達(dá)363m。本區(qū)屬濕潤亞熱帶季風(fēng)氣候,全年濕潤多雨,冬暖夏涼。年平均氣溫15.1℃,年均降雨量1170.9mm,雨季主要集中在6、7、8三個月。流域內(nèi)地表、地下河發(fā)育。地表河主要有燈盞河、號營河和后寨河。地下河主要為打油寨—冒水坑地下水系,冒水坑為地下河總出口。另外,流域內(nèi)還有青山水庫、母豬洞地下水庫和馬官地下水庫3座水庫(圖1)。流域內(nèi)地勢平緩開闊,耕地集中。整個流域除上游母豬洞以上4.7km2為峰叢洼地外,中游和下游均為谷地和丘陵,水田相對集中。中游的馬官田壩是貴州黔中十大田壩之一。流域內(nèi)稻田面積占全縣稻田總面積的14.5%,且土層肥厚,為普定縣的水稻產(chǎn)糧主要基地。區(qū)域內(nèi)天然水資源較為豐富,但地表水資源較為缺乏。為解決這一矛盾,該區(qū)先后建成了青山水庫、母豬洞地下水庫和馬官地下水庫,并建設(shè)了許多提灌工程,設(shè)計灌溉面積1118ha,保證灌溉920ha,解決了15000人及其所豢養(yǎng)的牲畜的飲用水,為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟建設(shè)作出了重要貢獻(xiàn)。2馬官地下水庫余水庫余水量從地下建立廢水處理單由于地表、地下水庫的儲水特性不同,在此采用不同的蓄水方案。母豬洞地下水庫采用水箱蓄水形式,當(dāng)蓄水達(dá)到設(shè)計庫容時,多余的水量從地下天窗向外排泄棄水。馬官地下水庫由于建于峰叢洼地中,無人工擋水壩,當(dāng)蓄水到峰叢鞍部時(等于設(shè)計庫容),多余水量從鞍部向外棄水,相當(dāng)于無閘溢洪。青山水庫為一地表水庫,其蓄水過程采用早蓄方案,當(dāng)蓄水量達(dá)到設(shè)計庫容時產(chǎn)生棄水。2.1設(shè)計農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)能方案由于本區(qū)的水資源開發(fā)利用主要是農(nóng)業(yè)灌溉用水,因此水庫調(diào)度的目標(biāo)是使水庫的可供水資源量最大,棄水最少。鑒于各水庫設(shè)計灌區(qū)已定(圖2),要使灌區(qū)灌溉用水量最大,在灌溉定額一定的情況下,使保灌面積最大。即:MaxΣi=13xiΜaxΣi=13xi式中i為水庫編號,xi為保灌面積。2.2設(shè)計蓄水量及庫容約束灌區(qū)約束:各水庫灌區(qū)保灌面積大于等于設(shè)計保灌面積,不大于設(shè)計灌溉面積。xpi≤xi≤apixpi≤xi≤api式中xpi為設(shè)計保灌面積,api為設(shè)計灌溉面積。水量約束:假設(shè)灌溉初期各水庫蓄水量等于設(shè)計蓄水量,則各灌區(qū)可供灌溉用水量不大于灌溉期來水量與各水庫設(shè)計蓄水量之和。Σj=1n(xdj×xi)≤v0i+Σj=1nai,j?Σj=1nyi,jΣj=1n(xdj×xi)≤v0i+Σj=1nai,j-Σj=1nyi,j式中j為灌溉時段,xd為灌溉定額,v0i為各水庫的設(shè)計蓄水量,yi為各水庫灌溉期人畜用水量,ai為各水庫灌溉期來水量(其中青山水庫來水量除本集水面積上的來水量外,還包括馬官地下水庫、母豬洞地下水庫的部分棄水)。庫容約束:各時段水庫蓄水量不大于各水庫的設(shè)計庫容。{vi,j=vi,j?1+ai,j?xdi×xi?yi,jvdi≤vi,j≤v0i{vi,j=vi,j-1+ai,j-xdi×xi-yi,jvdi≤vi,j≤v0i式中vi,j為水庫i在j時段的蓄水量,vdi為各庫死庫容。灌溉期末庫容約束:為了使水庫不影響下一正常年度的灌溉用水,必須控制本年度灌溉期末的水庫蓄水量,可根據(jù)正常年份(50%)水平下的來水過程確定。vi,n≥vnivi,n≥vni式中vni為水庫i灌溉期末控制蓄水量。2.3本方案的確定和求解針對本區(qū)域各水庫的特點、各灌區(qū)的相對獨立性,在此本文采用先分后合的解算方法。即在目標(biāo)函數(shù)和約束條件中區(qū)分出各庫相互獨立的目標(biāo)和約束條件,先行求解完全相互獨立的母豬洞地下水庫、馬官地下水庫的最優(yōu)調(diào)度方案,然后根據(jù)兩個地下水庫的棄水過程與青山水庫相關(guān)聯(lián),求解出青山水庫的最優(yōu)調(diào)度方案。以上的優(yōu)化模型均為線性模型,可采用線性規(guī)劃方法求解。在具體求解時作如下處理:(1)由于有以上條件xi≥xpi,即xi-xpi≥0。如果令x′i=xi-xpi,則x′i為灌區(qū)(水庫i)增加的保灌面積。目標(biāo)函數(shù)可處理為:maxΣi=1mx′imaxΣi=1mxi′由此,可使增加的保灌面積最大。其他約束條件也作相應(yīng)處理。(2)考慮水庫建立在巖溶地區(qū),滲漏現(xiàn)象較為嚴(yán)重。根據(jù)資料,母豬洞地下水庫的滲漏流量為0.003m3/s,青山水庫約為0.25m3/s。馬官地下水庫無滲漏試驗資料,根據(jù)其地質(zhì)條件分析,基本無滲漏,可忽略不計。(3)母豬洞地下水庫和馬官地下水庫的棄水在倒樹龍?zhí)斗譃閮芍?一支為地下暗河,流向老黑潭;另一支經(jīng)號營河注入青山水庫。根據(jù)巡測資料分析,確定其平均分水比為老黑潭l/3,青山水庫2/3。3調(diào)度期及調(diào)度方案本文選擇75%干旱水平年作為水庫優(yōu)化調(diào)度年份,各水庫各時段的來水量及灌溉定額見表1。灌區(qū)水稻生長期為4月至9月,調(diào)度時段取Δt=1個月。由于9月水稻需水量為0,因此,水庫調(diào)度期可定為4月至8月,其他月份為非供水期。灌溉定額各灌區(qū)相同,渠道利用系數(shù)為0.8。各水庫特征參數(shù)見表2。單位人畜用水量各庫相同,夏季為35l/人·d,其他季節(jié)為25l/人·d。根據(jù)各水庫的設(shè)計來水量,為保證水庫下一正常年度的供水,其必須保證的期末庫容為:母豬洞地下水庫0m3,馬官地下水庫11×104m3,青山水庫為0m3。各水庫的供水調(diào)度方案見表3。根據(jù)優(yōu)化調(diào)度方案,可增加保灌面積179ha,減少棄水129萬m3,使3水庫的水資源開發(fā)利用更加充分。4巖溶地區(qū)地下、地表水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的選擇巖溶地區(qū)由于特殊的地形地質(zhì)條件、復(fù)雜的水文運動規(guī)律和成庫條件,其水資源的開發(fā)利用也具有其特殊性。(1)利用運籌學(xué)的方法進(jìn)行水庫優(yōu)化調(diào)度,可最大限度地利用水資源,使水庫調(diào)度更為科學(xué)合理。(2)巖溶地區(qū)地表徑流量一般較小,由于其特殊的地質(zhì)條件,地下徑流量較大。因此在巖溶地區(qū)興建地下水庫很有意義,也很有必要。(3)地下水庫一般庫容較小,因此其功能較為單一,一般多為單純性供水水庫。它們的目標(biāo)單一,調(diào)度較為簡單。但由于其特殊的水文地質(zhì)條件,一般要考慮水庫的滲漏情況以及上下庫有無越流。(4)本文以貴州普定母豬洞地下水庫、馬官地下水庫和青山地表水庫為例,探討巖溶地區(qū)地下、地表水庫的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。但由于各水庫間的水力聯(lián)系較少,各灌區(qū)相對獨立,僅靠母豬洞地下水庫