地下水与地表水联合调度系统分类及优化方案研究

地下水与地表水联合调度系统分类及优化方案研究

1地下水、地表水联合调度随着人们水资源需求的增加，结合地下水和水保护资源的重要性逐渐被忽视。50年代,人们就认识到地下水-地表水联合调度可以产生较高的经济效益或提高稳定的可供水量。如Bank(1953年)指出,地下水-地表水联合运用会产生经济效益;Todd(1959年)指出,地下水、地表水联合利用比单独使用更为可靠。60年代,发达国家开始对地下水、地表水联合规划开发进行研究,如Cashe和Lindeborg(1961年)以2个农业用水区效益最大为目标,建立了线性规划模型来优化地下水-地表水的联合运用;Buras(1963年)利用动态规划方法确定了给几个独立灌区供水时,地下水库、地表水库的最优供水策略;Aron(1969年)利用三状态变量动态规划方法,确定了由多个地下水库和多个地表水库所组成的复杂系统的最优库容、抽水策略及地表水放水策略。我国也开展了地下水-地表水联合开发与管理的研究工作。翁文斌等对北京房山大石河流域地下水与地表水联合运用进行了研究,结果表明联合利用比单独用地表供水节省资金2000×104元;韩再生对秦皇岛石河流域地下水、地表水库联合开发利用的研究同样表明联合开发比单独供水投资效益好年平均增加可利用水量1300×104m3。以上研究侧重于联合管理模型的优化方法或解决具体的联合开发问题。缺乏对联合调度系统中地下水与地表水相互转化、调节与制约关系的研究,因此,联合调度中的基本问题如类型划分、复杂系统的优化等问题并未得到很好解决。笔者曾参加了宁波市水资源合理开发与利用课题的研究工作,结合已有成果对地下水-地表水联合调度作进一步探讨。2采用联合水系统类型分类2.1在分类指导下确定供水系统构成地下水-地表水联合调度系统一般由3部分组成:1)地下供水系统(包括地下水水源地和相应的输配水系统);2)地表供水系统(包括水源工程和输配水系统),水源工程可能是水库,也可能是河流引水工程;3)用水系统。对于联合调度系统从不同的研究角度可划分为不同类型。笔者认为地下水-地表水联合调度系统类型划分,应重点体现联合调度系统中供水系统的下列特点:(1)联合调度系统中供水系统的组成联合调度系统中供水系统包括地下供水系统和地表供水系统。其中地表供水系统可能是地表水库也可能是河流引水工程,或两者都有。其中地表水库和河流取水在供水工程设计和水量调度上都有很大差异。因此,在分类中应明确供水系统的具体水源组成。(2)联合调度系统中供水系统在水文、水力上的联系地下水与地表水联合调度不仅利用地下水与地表水在迳流速度上的差异,而且可以充分利用含水层较大的储存和调节功能对水资源进行调节利用。地下水与地表水不同的联系方式,决定了是用人工补给还是自然调节补给。因此,在分类中应明确地下供水系统与地表供水系统在水文和水力上的相互联系方式。(3)联合调度系统中地下供水系统与地表供水系统相互调节与制约关系对于地下水与地表水在水文、水力上有直接联系的联合调度系统,由于其相应对位置不同,上游水资源的开发将影响下游的来水条件,如地下供水系统位于地表供水系统的上游,则地下水的开采将对地表供水系统的补给水量起到调节和制约作用。显然,相对位置不同其相互的调节与制约关系也不同。联合调度系统不仅体现其由地下水与地表水两种水源类型组成,而且也包括两者的相互调节与制约关系。因此,在分类中充分体现其相互调节与制约关系,可使联合调度系统的内涵更加具体明确。2.2联合水系统的基本类型根据上述原则可将地下水-地表水联合调度系统分为以下几种类型,见表1.3在联合土壤-水联合规划模型中选择目标函数3.1表水资源合理调配目标函数地下水-地表水联合调度的目的,就是在一定的约束条件下,通过对现有地下水和地表水资源的合理调配,使其按既定目标达到最优,常用的目标函数有以下几种:(1)当工程设施和开发规模一定时,以总供水量最大为目标。(2)在满足一定供水需求条件下,以总投资费用最小为目标。(3)以水资源系统的净经济效益最大为目标。3.2目标函数的投资效益论证分析上述各目标函数,虽然都能在一定约束条件下,得到最优解,但其应用条件和最优解的含义都有许多差异。目标1是在现有工程设施条件,或开发资金确定的情况下,通过对水资源的合理开发使总的供水量最大。该目标函数具有需要资料较少,建立模型比较简便的优点,因此被广泛应用。但目标本身无法体现投资效益,在得到的最大供水量中,可能有部分水量的投资效益是较差的。对于该目标函数的优化结果,必须进一步进行投资效益论证,以确保其优化结果的合理性。目标是在满足现有需水条件下通过对水资源的合理开发使总的投资费用最小。该目标具有与目标1相似的优点,同样目标本身无法体现投资效益,因此,必须对优化结果进行投资效益论证以确保其合理性。目标3是以水资源系统的净经济效益最大为目标。与目标1和目标2相比。目标3所得到的优化结果能够保证其投资的合理性。但目标3一般涉及的内容较广,模型比较复杂,另外,在得到净经济效益最大目标的同时,还应结合问题的实际给出现状需水条件下的最优供水方案。上述分析表明,每个目标函数都有一定的应用条件和优缺点。目标1和目标2具有所需资料较少、模型比较简单且能提供现状条件下最优解的优点,但由于没能充分体现投资效益,其最优解的合理性尚需进行论证。目标3的最优解确保了投资的合理性,是3个目标中比较完善的1个。尽管模型比较复杂,笔者认为在条件许可的条件下,以目标3为最好。4地下水-地表联合调度地下水-地表水联合调度模型具有组成复杂,地下水与地表水相互联系和制约关系多样的特点。因此,根据不同的联合调度模型采用相应的优化求解方法。鉴于地下水与地表水无直接水力联系的联合调度系统的优化方法与单个地下水或地表水调度模型的求解方法相似,这里仅讨论地下水与地表水有直接水力联系的联合调度系统的优化问题。(1)不包含河流取水工程的地下水-地表水联合调度模型的优化问题该类联合调度系统一般根据地下供水系统与地表供水系统的相对位置,采用顺序优化方法,即按顺序先求解上游地下或地表供水调度模型,再求解下游地下或地表供水调度模型,然后再协调优化。(2)包含河流取水工程的地下水-地表水联合调度模型的优化问题由于河流取水工程没有调蓄能力,依靠天然迳流供水,丰枯期变化大。因此,包含河流取水工程的地下水-地表水联合调度通常的运行规则是:1)优先利用河川迳流,在丰水季节,尽可能利用河水,减少河水废弃;2)在干旱季节河水供应不足时用地表水库或地下水补充以满足需水要求。根据上述特点,模型的求解为先计算河流引水工程的取水量,与需水量比较,确定不能满足需水的水量和时间然后按相对位置顺序求解最后协调优化。这里需要特别说明是的:1)如果河流引水工程位于联合调度系统的上游,则实质上是按顺序求解,其求解和优化过程可按顺序一次完成;2)如果河流引水工程位于联合调度系统的下游,计算河流引水工程的取水量后,上游地下水或地表水库的利用都将减少下游河流引水工程的来水量,即减少其取水量。因此,该条件下联合模型的求解和优化过程需要多次反复求解和优化才能完成,且每次求解和优化结果必须进行模拟运行以确定能否满足需水要求。只有能满足需水要求的优化解才是该联合调度系统的最优解。5宁波河流域地下水和地表水联合规划的例子5.1河流水文高效利用技术研究宁波剡江流域位于宁波市西南部,流域面积约445km2。研究区内地下水流域和地表水流域一致,是一个完整的水资源系统。大气降水是系统内地下水和地表水的总补给源。宁波市多年平均降水量为1520.9mm,降水的时间分布在年内、年际都有变化,年内变化主要受梅雨和台风雨的控制,降雨多集中在4～9月;降水量年际之间的变化也比较大,据宁波气象站资料,最大降水量为1837.7mm,最小降水量为904.7mm。为提高水资源的利用率,在流域中上游建有亭下水库,控制流域面积176km2,兴利库容1×108m3。在水库下游河谷地带分布一定规模的冲积含水层。含水层岩性主要为砂砾石,厚度6～10m。地下水具有较好的补给条件和一定的可调蓄空间,可与地表水进行联合开发。流域中水库控制面积为176km2,仅占总流域面积的40%,在水库下游还有大量地表迳流可供利用,宁波市计划在流域下游建立河流引水工程,与上游地表水库和地下水联合开发利用。上述水资源系统由地表水库、地下水和地表迳流组成,按分类应为地下供水系统位于地表水库和河流引水工程之间的联合调度系统。5.2在特枯年份地下水-地表水联合调度最优供水量及需水量确定(1)目标函数的确定根据宁波市水资源的供需状况,一般年份现有水利设施可以满足需水要求,在特枯年份供水不足。规划在特枯年份把剡江流域地下水资源作为补充水源与地表水进行联合开发联合调度的目的是在现有水资源条件下,提供特枯年份联合调度的最优方案。根据课题的目的和任务,以联合调系统供水量最大为目标,并分析联合调度系统中地下供水系统和河流引水工程的投资效益,以确保优化结果的合理性。(2)宁波剡江流域地下水与地表水联合调度1)河流引水工程取水量的确定根据流域的水资源条件,初步确定河流引水工程的取水能力,对保证率95%典型年的迳流进行逐天取水计算,得到不同取水能力情况下,河流的取水量及需补充水量和补充时间,见表2。不同取水能力条件下,河流取水量、2)水库供水量的确定在河流引水计算结果的基础上,利用动态规划方法得到了联合调度系统在不同供水量条件下水库的最优供水策略(表3)。求解过程中考虑了规划部门提出的在特枯年份水库确保4700×104m3的城市供水,其余作为农灌用水的要求。不同取水条件下,地表水库供水量表33)地下水开采量的确定考虑地下水系统的复杂性,采用有限元法对地下水流进行模拟计算。模拟区面积约53.6km2,共剖分成479个单元,有300个节点。整个模拟过程通过上机完成。在模拟模型的基础上采用线性规划法求出了满足上述需水量要求的优化开采方案(表4)。不同取水能力条件下,地下水开采量、4)地下水-地表水联合调度最优方案的确定通过对提出的7个联合供水方案的对比分析,其中开采总量为8760×104m3/a的联合供水方案既有较大的供水量又有较好的投资效益作为初步的优化供水方案。由于上游地下水开采后将减少地表迳流补给量,上述优化方案,尚需进行模拟论证。把上述优化结果按顺序代入模拟模型进行模拟计算,结果表明,由于地下水开采使下游地表迳流取水量减少20×104m3/a,为满足需水要求把地下水开采量增加660×104m3/a,开采井数为30眼。重新模拟运行,模拟计算结果表明,当地下水开采量为660×104m3/a(比原优化值增加28×104m3)减少下游地表迳流取水量