復(fù)雜水資源系統(tǒng)調(diào)蓄計(jì)算的時(shí)變耦合模型探究論文
水資源系統(tǒng)本身是一個(gè)高度復(fù)雜的非線性系統(tǒng),其功能與作用是多方面、多層次的. 一個(gè)復(fù)雜的水資源系統(tǒng)往往是一個(gè)包含有多個(gè)水體和工程單元、多種開(kāi)發(fā)目標(biāo)、多種約束和多種影響的流域系統(tǒng). 在物理上, 復(fù)雜水資源系統(tǒng)是由各種基本元素, 如供水水源、用水戶、輸水配水工程以及它們之間的輸水連線等組成, 通過(guò)不同的調(diào)度運(yùn)行策略, 對(duì)不確定的天然水資源進(jìn)行時(shí)空調(diào)節(jié)分配. 由于水資源系統(tǒng)固有的復(fù)雜性, 對(duì)流域進(jìn)行水資源合理配置和可持續(xù)發(fā)展決策分析需要高效的綜合分析工具. 國(guó)外開(kāi)發(fā)了各種有較高應(yīng)用價(jià)值的水資源模擬模型軟件, 并充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)完成了系統(tǒng)化集成, 如 WATERWARE (奧地利), IQQM(澳大利亞), RIVERWARE(美國(guó)),Aquarius (美國(guó))]和 MIKE BASIN(丹麥)等; 國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于水資源系統(tǒng)模擬研究在廣度和深度也有所提高, 突破了以往僅考慮水資源供需平衡分析的范疇,擴(kuò)展到將系統(tǒng)作為整體從而進(jìn)行模擬, 如 WASYS、水資源配置動(dòng)態(tài)模擬模型、ROWAS、WROOM.上述各種模型在描述水資源系統(tǒng)的復(fù)雜規(guī)則時(shí), 各自有其適用范圍、特長(zhǎng)和缺點(diǎn). 水資源系統(tǒng)中存在著各種不確定性因素, 如降雨事件在時(shí)空上的不確定性、輸水工程中水量損失的不確定性、不同時(shí)期用戶對(duì)水量需求的不確定性等, 許多學(xué)者已經(jīng)將不確定性的研究方法應(yīng)用到水文水資源領(lǐng)域中, Xia對(duì)水文系統(tǒng)的非線性與不確定性進(jìn)行了研究分析; 陳守煜創(chuàng)立了以相對(duì)隸屬度為基礎(chǔ)的工程模糊集理論,對(duì)復(fù)雜水資源系統(tǒng)優(yōu)化決策進(jìn)行了研究; Li 等人建立了區(qū)間參數(shù)隨機(jī)非線性規(guī)劃模型, 并將其應(yīng)用到多水源分配決策上. 可以看出, 當(dāng)前對(duì)于復(fù)雜水資源系統(tǒng)不確定性的研究大多集中在水資源的規(guī)劃及管理層面, 對(duì)于系統(tǒng)中存在的實(shí)際問(wèn)題, 如綜合考慮復(fù)雜水資源系統(tǒng)的不確定性, 如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)平衡狀態(tài)等研究較少.
本文在借鑒現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上, 為應(yīng)對(duì)復(fù)雜水資源系統(tǒng)中所呈現(xiàn)的隨機(jī)性, 即受水區(qū)來(lái)水過(guò)程和用水過(guò)程不相吻合, 尤其是枯水年份受水區(qū)的用水過(guò)程難以得到滿足, 本文設(shè)置調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算, 構(gòu)建了復(fù)雜水資源系統(tǒng)調(diào)蓄計(jì)算時(shí)變耦合模型, 建立了多水源、多用戶的時(shí)變耦合矩陣及相關(guān)算法, 使供水過(guò)程在時(shí)空分布上符合用水需要, 在地域分布上與生產(chǎn)力布局相適應(yīng), 并將該模型應(yīng)用于引漢濟(jì)渭配水工程的調(diào)蓄計(jì)算.
1 時(shí)變耦合模型
時(shí)變耦合的定義是兩個(gè)(或多個(gè))隨時(shí)間變化的物理量通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整(即耦合)達(dá)到 Lyapunov穩(wěn)定的過(guò)程. 本文所述的時(shí)變耦合模型是指通過(guò)隨時(shí)間變化的耦合矩陣進(jìn)行自我調(diào)整, 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜水資源系統(tǒng)供水過(guò)程與需求過(guò)程的動(dòng)態(tài)平衡. 時(shí)變耦合模型的建立包括構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)、確定耦合矩陣元素的約束條件、優(yōu)化求解 3 個(gè)主要步驟.
2 模型計(jì)算實(shí)例
該模型已實(shí)際應(yīng)用于陜西省省內(nèi)跨流域調(diào)水工程——引漢濟(jì)渭配水工程調(diào)蓄計(jì)算中, 該工程是在陜南地區(qū)的漢江干流黃金峽和支流子午河分別修建水源工程黃金峽水利樞紐和三河口水利樞紐, 通過(guò)穿越秦嶺的超長(zhǎng)輸水隧洞將漢江流域水量調(diào)至關(guān)中地區(qū)渭河流域, 是緩解近期關(guān)中渭河沿線城市和工業(yè)缺水問(wèn)題的重要工程措施. 引漢濟(jì)渭工程擬定給西安、寶雞、咸陽(yáng)、渭南、楊凌 5 個(gè)重點(diǎn)城市供水, 共計(jì) 16 個(gè)受水單元(水廠), 供水對(duì)象為水廠覆蓋范圍內(nèi)的城鎮(zhèn)生活用水與工商企事業(yè)單位用水. 受水區(qū)共有 4 類供水水源: 引漢濟(jì)渭水、當(dāng)?shù)氐乇硭�、地下水、再生�? 包括 4 條輸配水干線: 南干線、過(guò)渭干線、渭北東干線、渭北西干線. 將引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞的來(lái)水沿輸水線路布設(shè) 15個(gè)調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)對(duì) 16個(gè)受水單元(水廠)供水。
3 調(diào)蓄計(jì)算結(jié)果
采用本次構(gòu)建的`模型, 分析得到 2030 年引漢濟(jì)渭工程調(diào)水 15×108m3時(shí), 16 個(gè)受水單元(水廠)的長(zhǎng)系列逐旬的調(diào)蓄過(guò)程, 各受水單元(水廠)調(diào)蓄過(guò)程的最大值與最小值的差值如圖 4 方框內(nèi)括號(hào)中數(shù)據(jù)所示, 模型的計(jì)算過(guò)程中, 綜合考慮水廠的分布及調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)的上下游邏輯關(guān)系, 將水廠的蓄水過(guò)程做累加處理, 即對(duì) 15 個(gè)調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)蓄, 得到各調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)系列蓄水過(guò)程線, 如圖 5 所示, 并取蓄水過(guò)程的最大值與最小值的差值作為其所需的調(diào)蓄容量,如圖 4 圓圈旁括號(hào)中數(shù)據(jù)所示. 可以看出, 2030 年引漢濟(jì)渭長(zhǎng)系列調(diào)蓄后所需的多年調(diào)蓄庫(kù)容為 9.15×108m3, 系統(tǒng)缺水量為 0.91×108m3. 不同頻率典型年終節(jié)點(diǎn)逐旬的調(diào)蓄過(guò)程, 95%, 75%, 50%頻率年所需的年調(diào)蓄庫(kù)容分別為 0.65×108, 0.69×108和 0.85×108m3, 系統(tǒng)缺水量分別為 5.01×108, 3.76×108和0.88×108m3, 由此可以看出, 95%頻率年所需年調(diào)蓄庫(kù)容小是以系統(tǒng)缺水為代價(jià)的, 換句話說(shuō)就是無(wú)水可調(diào).
4 結(jié)論
(1) 本文從復(fù)雜水資源系統(tǒng)的角度分析了供水水源、受水單元與調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系, 確立了以最佳平衡狀態(tài)為目標(biāo)的水量供需平衡函數(shù), 建立了復(fù)雜水資源系統(tǒng)調(diào)蓄計(jì)算的時(shí)變耦合模型, 對(duì)模型的構(gòu)建及其原理做了闡述, 為應(yīng)對(duì)隨時(shí)間變化的供用水過(guò)程, 解決復(fù)雜水資源系統(tǒng)調(diào)蓄需求計(jì)算提供了科學(xué)的計(jì)算方法.
(2) 本模型有較強(qiáng)的適用性和靈活性. 在上述引漢濟(jì)渭的工程實(shí)例中, 來(lái)水量和來(lái)水過(guò)程受豐枯頻率影響較大, 通過(guò)模型的分析計(jì)算, 較好地模擬了不同頻率典型年各調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)的調(diào)蓄容量及系統(tǒng)整體所需調(diào)蓄容量, 對(duì)于確定工程總體規(guī)模具有很強(qiáng)的適用性. 此外, 對(duì)于調(diào)整受水單元數(shù)量或改變供水水源類型, 只需針對(duì)不同的來(lái)水條件及工程供水能力, 修改輸入數(shù)據(jù)文件, 調(diào)整參數(shù), 程序不需要做任何改動(dòng),操作靈活簡(jiǎn)單.
(3) 長(zhǎng)系列調(diào)蓄是將 1954~2008 年逐年來(lái)水旬過(guò)程作為模型的輸入數(shù)據(jù), 采用“豐增枯補(bǔ)”的調(diào)蓄原則,調(diào)蓄庫(kù)容沒(méi)有設(shè)置邊界條件, 得到系統(tǒng)所需多年調(diào)蓄庫(kù)容為 9.15×108m3. 且以不同方式進(jìn)行分散調(diào)蓄所需的調(diào)蓄庫(kù)容大于聯(lián)合調(diào)蓄所需的調(diào)蓄庫(kù)容.
(4) 不同頻率典型年調(diào)蓄是將長(zhǎng)系列中所選的50%, 75%, 95%頻率典型年單年的來(lái)水過(guò)程作為模型的輸入數(shù)據(jù), 得到系統(tǒng)所需年調(diào)蓄庫(kù)容分別為 0.85×108, 0.69×108, 0.65×108m3. 可以看出, 年調(diào)蓄庫(kù)容均不足1×108m3, 且越是枯水年份, 所需調(diào)蓄庫(kù)容越小,對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的缺水量也越大, 因?yàn)榇藭r(shí)系統(tǒng)無(wú)水可調(diào).
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