南水北调东线调水仿真模型研究

南水北调东线调水仿真模型研究

1北银东线工程的主要特点1.1洪水河流水系银川项目是中国银川项目的重要组成部分。东线工程主要供水区域为黄淮海平原和山东半岛,主要目标为解决天津、河北、山东半岛和沿线城市生活和工业用水,并适当兼顾环境、农业和其它用水。该调水工程自长江干流引水,利用京杭大运河以及与其平行的河道输水。黄河以南地势北高南低,设有13级泵站,抽水总扬程65m,连通洪泽湖、骆马湖、下级湖、上级湖、东平湖等湖泊作为调节水库,在山东省位山附近黄河河底建穿黄隧洞,调水过黄河。黄河以北地势南高北低,可顺大运河或新扩建河道自流到天津,利用千顷洼、大屯、大浪淀、北大港4座平原水库进行水量调蓄。从长江到天津北大港输水主干线长1156km,其中黄河以南646km,穿黄17km,黄河以北493km;分干线总长795km,其中黄河以南629km,黄河以北166km。此外,为解决山东半岛严重缺水的状况,需从东平湖开辟胶东输水分干线,向济南、青岛、烟台、威海等城市供水,输水线路总长701km。1.2两侧地区特别大清河地区南水北调东线工程供水范围为:(1)江苏省里下河地区以外的苏北地区和里运河东西两侧地区,安徽省蚌埠市、淮北市以东沿淮、沿新汴河、沿高邮湖地区和山东省南四湖、东平湖地区;(2)山东半岛;(3)黄河以北大清河淀东清南天津平原,河北省黑龙港东部平原,运东平原和山东省徒骇马颊河平原。南水北调东线工程调水规模见表1。2水生百合工程的模拟模型结构2.1用仿真技术模拟水系统建设南水北调东线工程是一个复杂的,具有多水源、多供水对象、多湖泊的水资源系统,其特点主要表现在:(1)工程供水范围较大;(2)工程供水对象多;(3)现有工程与规划工程结合;(4)湖泊供水、抽水及弃水相结合;(5)多种水源联合调度。这些特点的存在,使得模型建立的难度大大增加,对于这样一个系统,采用一般的数学优化技术建模,要做很大程度的简化和数学处理,会造成许多重要信息的遗失和模型的失真,计算结果与实际情况会产生较大出入。仿真技术能直观、形象地模拟水资源系统中来水、蓄水、供水、输水等一系列运行过程以及水库、湖泊和洼淀间的水力关系,具有很强的实用性。因此,本次研究应用了仿真技术对南水北调东线工程的水量调度过程进行模拟,在拟定的调水目标下,根据水区水利工程特点,兼顾调水区和受水区的利益,确定合理的水量调度原则,建立南水北调东线工程仿真模型,通过仿真模型运行计算来模拟东线工程调水量在时间和空间的调度分配过程。2.2修正穿黄水量南水北调东线工程调水系统分为黄河以南和黄河以北两个子系统,以穿黄水量作为连接这两个系统的纽带。整个仿真模型的计算思路则是依据这个基本结构,逐时段进行水量调配计算,先由黄河以南子系统开始,自南向北逐个湖泊进行水量调节计算,并且在满足系统各项要求的条件下,按照最大的抽水能力向北抽水,得到出东平湖的最大水量,扣去输送山东半岛的水量后,即得到穿黄水量。将穿黄水量输入黄河以北子系统,在黄河以北子系统中,聚合计算出在位山处的黄河以北总需水量,将其与穿黄水量进行比较,对穿黄水量进行修正,然后将修正后的穿黄水量作为黄河以南子系统的输出,黄河以北子系统对修正后的穿黄水量进行分区的水量配置。黄河以南子系统依据穿黄水量的修正量,自北向南进一步修正各湖泊的抽水量、弃水量、湖泊蓄水量和抽江水量。由此,完成该时段的水量调配计算。如此循环,可模拟出各年和整个水文系列的抽江、穿黄、供需水量状况的东线工程调水过程的一系列过程和数据。2.3需水面积的确定南水北调东线工程系统复杂,是一个多水源、多用户、多湖泊洼淀的水资源工程系统。因此,在建模中根据天然水系的分布和实际供水体系的设置,将这一水资源系统以黄河为界,分为黄河以南和黄河以北两个子系统,穿黄水量作为两个子系统的控制变量。在黄河以南子系统中,洪泽湖、骆马湖、下级湖、上级湖和东平湖5个湖泊作为东线工程的调蓄水库,在系统概化时,以这5个湖泊为中心,突出湖泊的调节能力,反映各湖泊间的水量补偿和调配作用,以及各个湖泊间存在的上下级间的水力关系,将各级抽水泵站群复合为湖泊的出、入湖站,同时,忽略输水河道的调蓄作用,将其简化为单一的输水河道,将5个湖泊串联在一起,形成东线工程黄河以南的水资源子系统。南水北调东线工程的黄河以北为受水地区,根据该地区的供水特点,划分为6个供水分区:山东省的聊城区、德州区、河北省的衡水区、景县区、沧州区和天津区,这6个分区分别通过6个分水口与输水干线相连接。在本区内有4座规划的调蓄工程:北大港水库、大浪淀水库、千顷洼水库和大屯水库。将每一个供水分区与其相应的调蓄工程一起概化成一个计算单元,来进行水量供需分析。本次模拟中考虑到要对山东半岛的城市用水进行补充,故建模时,将其概化为一个计算单元。南水北调东线工程系统的概化见图1。2.4智慧湖泊群水资源配置南水北调东线工程仿真模型主要由黄河以南计算模块、黄河以北计算模块和计算成果浏览模块等组成。各个模块根据其功能的不同和计算要求不同,又分别由湖泊群水量计算模块、水量供需分析模块、穿黄水量修正模块、黄河以北配水模块、黄河以北水库补水模块、统计计算模块组成,各模块相互间的关系见南水北调东线工程调水仿真模型结构图2。黄河以南计算模块包括了湖泊群水量计算模块、水量供需分析模块、穿黄水修正模块和统计计算模块。本模块主要对黄河以南5个湖泊进行水量平衡计算,分别对5个湖泊所在分区的工农业用水进行供需分析。对计算成果进行统计计算,通过成果浏览模块显示计算结果。黄河以北计算模块包括了水量分配子模块、水库补水子模块和计算成果统计子模块。本模块主要是先聚合计算黄河以北的需水量,然后根据黄河以南模块提供的穿黄水量,在黄河北水量分配子模块中,计算本区可以使用的水量也就是实际穿黄水量,同时向黄河以南反馈对穿黄水量的修正量。并按照利益共享的原则,将实际穿黄水量分配到各个区,进行各区的水量供需平衡计算,再根据黄河以北的补库要求,运用黄河北水库补水子模块,将穿黄水量扣除黄河北的需水量后多余的水,补充到黄河北的水库中,进行水库补水调蓄作用的计算,同时也计算当穿黄水量不能满足黄河北需调水量时,由水库的蓄水来补充不能满足的部分。计算成果浏览模块的功能是根据用户的要求,从仿真模型计算成果库中调出所需浏览的仿真模型计算结果,以报表的形式在计算机屏幕上显示,并提供了打印机输出的功能。2.5量调配原则东线工程仿真模型不仅要模拟东线工程各个湖泊间的水力联系,并且要通过选择合理的水量调配原则,来对地区之间、湖泊之间、用水部门之间的水量进行协调,以求达到水资源合理配置的目的。因此,东线工程仿真模型,要满足东线工程调水系统中的各种约束条件,主要包括水量平衡约束、湖泊蓄水约束、河道输水约束、抽水站规模约束和供用水约束等。(1)水质vi费即湖泊时段末库容等于时段初库容加来水、抽进水量减去湖泊的蒸发、渗漏损失、供水量、抽出水量和弃水量。其数学表达式为:式中:Vi,j—湖泊蓄水量;Qi,j—湖泊来水量;P1i,j、P2i,j—湖泊抽进水量、抽出水量;Ei,j—湖泊蒸发损失;Ri,j—供水量;Y1i,j—上一湖泊弃水量;Yi,j—本湖泊弃水量。(2)湖泊的蓄水是有限的湖泊蓄水要低于等于蓄水上限,高于等于蓄水下限。(3)流量站和站群的限制抽水量要小于等于抽水泵站的抽水能力。(4)河流的流量受到限制通过河道输水的流量要低于等于河道输水能力。(5)供需水量限制供给生活和工业、农业的水量要小于相应的需水量。(6)不接受额外的限制上述约束中的各变量均为非负。2.6确保湖泊供水量(1)尊重已用水源现实,调水工程的兴建以不影响原有灌区合理用水为原则。各地对当地水可优先使用,多余水量由工程统一调度。(2)黄河以南地区城市生活、工业和航运用水,农业规划灌区用水,都要达到各自供水保证率要求。(3)湖泊调度图包含两条控制线:一是北调水量控制线(v2),其作用是控制本级湖泊向上级湖泊的北调抽出水量,以保证本级湖泊供水对象的用水要求;在一般情况下,当低于北调控制线时,停止向北调水,二是用水控制线(v1),由于湖泊供水对象具有不同的供水保证率要求,有必要设置用水控制线以保证其不同要求;由于工业生活用水的保证率要高于农业灌溉保证率,因此,当湖泊蓄水低于用水控制线(v1)时,则停止向农业供水,以保证本片下一时段工业和生活用水。(4)为了保证黄河以北城市工业生活用水,设置最小向北调水量,在湖泊停止向北调水时,利用调水工程新增的装机向北调水。最小向北抽水量小于等于东线各级新增抽水能力。(5)当穿黄水量大于等于黄河以北的总需水量时,黄河以北各区的需水全都满足,仍有多余水时,则需要修正穿黄水量。当穿黄水量小于黄河以北总需水时,各区先用水库的水供各区的需水,并重新计算黄河以北的总需调水后,再与穿黄水量比较,修正各区的供水量。(6)当考虑用穿黄水量补水库蓄水时,穿黄水首先要在满足黄河以北各区的需水后,如仍有多余的水,才能进行补库。当补库后仍有多余水量时,则需要修正穿黄水量。3模拟模型的应用在东部工程3.1工程供水区分区南水北调东线工程供水范围包括黄河以南、山东半岛和黄河以北3大片,涉及江苏、安徽、山东、河北和天津等5省市。根据东线工程供水的实际情况和仿真模型计算的要求,进一步将黄河以南地区分为5个供水分区,黄河以北地区分为6个供水分区,山东半岛为1个分区,在仿真模型中共有12个计算分区。分区见表2。3.2固定组合方案按照南水北调东线工程调水仿真模型的功能,计算方案的选择有多种组合,但主要取决于基本数据的详细程度,表3列出了所有可能的组合方案。根据目前所掌握的东线基本数据情况,在上述南水北调东线工程调水计算方案参数的组合中,按照各湖的规划来水和抽水工程规模情况,考虑南水北调东线工程第一、二、三期不同的抽水规模,不同水平年工农业的需水要求,以及模型计算采用的不同供水方式,选择、组合成计算方案。3.3计算方案的参数描述3.3.1北鲁西南、东北部南水北调东线第一期工程供水范围包括了江苏苏北、安徽东北和山东的鲁西南、胶东和鲁北地区。南水北调东线第二期工程供水范围在第一期的基础上向北伸延,增加了河北和天津。南水北调东线工程第三期的供水范围同第二期。各期抽水规模见表1。3.3.2限制了产水及需调水量2010水平年和2030水平年的城市、工农业需水量是以淮委《南水北调东线工程规划——水量调配》报告中预测的总量为控制,以及各分区工农业布局和国民经济发展的情况分配到各分区。在东线第一、二期工程中,黄河以南地区采用的是2010水平年的城市、工农业需水量,为225.88亿m3,在东线第三期工程中采用的是2030水平年的城市、工农业需水量,为249.2亿m3;黄河以北地区需调水量在东线第一、二、三期工程中都不相同;山东半岛需调水量在东线第一、二期工程中采用了2010水平年的需调水量,为8.76亿m3,在第三期工程中采用了2030年的需调水量,为21.29亿m3。3.3.3北方单段水质调度系统在模型计算时有两种供水方式可以选择,第一种称之为按需供水方式,是指模型在东线工程调水计算过程中,以满足北方本时段的需调水量为目标,进行水量调度。第二种供水方式称之为补库供水方式,是指模型在东线调水计算过程中,不仅考虑本时段黄河以北的需调水量,同时也考虑了北方水库的蓄水状况,当黄河以南地区可以有多余水北调,并且同时北方水库有库容可以蓄水时,则提前调水至水库。3.3.4农业用水控制线的设置在仿真模型的湖泊调节计算中,对黄河以南地区各湖泊的水量调度采用了两条调度控制线:第一条是为了保证当地供水而设置的控制湖泊向北抽水的北调控制线。计算时当湖泊水位低于北调控制线时,为了保证当地的用水,一般将停止向其上游湖泊抽水。第二条是为了满足黄河以南各计算分区的城市、工农业用水不同供水保证率的要求,而设置的农业供水控制线。计算时当湖泊的水位低于供水控制线时,本时段将停止向当地农业供灌溉水,以保证当地下一时段城市生活、工业供水量。3.4资源供需平衡应用南水北调东线工程仿真模型分别按照按需供水方式进行调水计算和按照补库供水方式进行调水计算,根据各湖泊42a的长系列规划来水进行计算得到了多个方案的调水工程多年平均、不同频率年抽江量、湖泊入湖和穿黄水量,沿线各地区水资源供需平衡计算结果。表4给出了多年平均抽江量、湖泊入湖和穿黄水量。从模型计算结果来看,东线第一期工程(方案1)总供水量为192.5亿m3,黄河以南供水量为178.98亿m3,其中城市生活、工业和航运供水量的供水保证率达到100%,农业供水量供水保证率达到86.7%以上;黄河以北供水保证率达到96.8%以上。满足了兼顾调水区和受水区的利益的要求,在对8个典型枯水年计算结果分析发现,在枯水年汛前的4—6月份,东线工程调过黄河水量是无法满足黄河以北需调水量。因此,在枯水年东线工程调水时要考虑这个因素。从模型计算结果分析来看