復(fù)雜水資源系統(tǒng)調(diào)蓄計算的時變耦合模型探究論文
水資源系統(tǒng)本身是一個高度復(fù)雜的非線性系統(tǒng),其功能與作用是多方面、多層次的. 一個復(fù)雜的水資源系統(tǒng)往往是一個包含有多個水體和工程單元、多種開發(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, 通過不同的調(diào)度運行策略, 對不確定的天然水資源進行時空調(diào)節(jié)分配. 由于水資源系統(tǒng)固有的復(fù)雜性, 對流域進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. 國外開發(fā)了各種有較高應(yīng)用價值的水資源模擬模型軟件, 并充分利用計算機技術(shù)完成了系統(tǒng)化集成, 如 WATERWARE (奧地利), IQQM(澳大利亞), RIVERWARE(美國),Aquarius (美國)]和 MIKE BASIN(丹麥)等; 國內(nèi)學(xué)者對于水資源系統(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,擴展到將系統(tǒng)作為整體從而進行模擬, 如 WASYS、水資源配置動態(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, 各自有其適用范圍、特長和缺點. 水資源系統(tǒng)中存在著各種不確定性因素, 如降雨事件在時空上的不確定性、輸水工程中水量損失的不確定性、不同時期用戶對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對水文系統(tǒng)的非線性與不確定性進行了研究分析; 陳守煜創(chuàng)立了以相對隸屬度為基礎(chǔ)的工程模糊集理論,對復(fù)雜水資源系統(tǒng)優(yōu)化決策進行了研究; Li 等人建立了區(qū)間參數(shù)隨機非線性規(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, 對于系統(tǒng)中存在的實際問題, 如綜合考慮復(fù)雜水資源系統(tǒng)的不確定性, 如何實現(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)對復(fù)雜水資源系統(tǒng)中所呈現(xiàn)的隨機性, 即受水區(qū)來水過程和用水過程不相吻合, 尤其是枯水年份受水區(qū)的用水過程難以得到滿足, 本文設(shè)置調(diào)蓄節(jié)點對系統(tǒng)進行模擬計算, 構(gòu)建了復(fù)雜水資源系統(tǒng)調(diào)蓄計算時變耦合模型, 建立了多水源、多用戶的時變耦合矩陣及相關(guān)算法, 使供水過程在時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)用于引漢濟渭配水工程的調(diào)蓄計算.
1 時變耦合模型
時變耦合的定義是兩個(或多個)隨時間變化的物理量通過自適應(yīng)調(diào)整(即耦合)達到 Lyapunov穩(wěn)定的過程. 本文所述的時變耦合模型是指通過隨時間變化的耦合矩陣進行自我調(diào)整, 實現(xiàn)復(fù)雜水資源系統(tǒng)供水過程與需求過程的動態(tài)平衡. 時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 個主要步驟.
2 模型計算實例
該模型已實際應(yīng)用于陜西省省內(nèi)跨流域調(diào)水工程——引漢濟渭配水工程調(diào)蓄計算中, 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, 通過穿越秦嶺的超長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)缺水問題的重要工程措施. 引漢濟渭工程擬定給西安、寶雞、咸陽、渭南、楊凌 5 個重點城市供水, 共計 16 個受水單元(水廠), 供水對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、過渭干線、渭北東干線、渭北西干線. 將引漢濟渭秦嶺隧洞的來水沿輸水線路布設(shè) 15個調(diào)蓄節(jié)點對 16個受水單元(水廠)供水。
3 調(diào)蓄計算結(jié)果
采用本次構(gòu)建的`模型, 分析得到 2030 年引漢濟渭工程調(diào)水 15×108m3時, 16 個受水單元(水廠)的長系列逐旬的調(diào)蓄過程, 各受水單元(水廠)調(diào)蓄過程的最大值與最小值的差值如圖 4 方框內(nèi)括號中數(shù)據(jù)所示, 模型的計算過程中, 綜合考慮水廠的分布及調(diào)蓄節(jié)點的上下游邏輯關(guān)系, 將水廠的蓄水過程做累加處理, 即對 15 個調(diào)蓄節(jié)點進行聯(lián)合調(diào)蓄, 得到各調(diào)蓄節(jié)點長系列蓄水過程線, 如圖 5 所示, 并取蓄水過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 圓圈旁括號中數(shù)據(jù)所示. 可以看出, 2030 年引漢濟渭長系列調(diào)蓄后所需的多年調(diào)蓄庫容為 9.15×108m3, 系統(tǒng)缺水量為 0.91×108m3. 不同頻率典型年終節(jié)點逐旬的調(diào)蓄過程, 95%, 75%, 50%頻率年所需的年調(diào)蓄庫容分別為 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)蓄庫容小是以系統(tǒng)缺水為代價的, 換句話說就是無水可調(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)蓄計算的時變耦合模型, 對模型的構(gòu)建及其原理做了闡述, 為應(yīng)對隨時間變化的供用水過程, 解決復(fù)雜水資源系統(tǒng)調(diào)蓄需求計算提供了科學(xué)的計算方法.
(2) 本模型有較強的適用性和靈活性. 在上述引漢濟渭的工程實例中, 來水量和來水過程受豐枯頻率影響較大, 通過模型的分析計算, 較好地模擬了不同頻率典型年各調(diào)蓄節(jié)點的調(diào)蓄容量及系統(tǒng)整體所需調(diào)蓄容量, 對于確定工程總體規(guī)模具有很強的適用性. 此外, 對于調(diào)整受水單元數(shù)量或改變供水水源類型, 只需針對不同的來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,操作靈活簡單.
(3) 長系列調(diào)蓄是將 1954~2008 年逐年來水旬過程作為模型的輸入數(shù)據(jù), 采用“豐增枯補”的調(diào)蓄原則,調(diào)蓄庫容沒有設(shè)置邊界條件, 得到系統(tǒng)所需多年調(diào)蓄庫容為 9.15×108m3. 且以不同方式進行分散調(diào)蓄所需的調(diào)蓄庫容大于聯(lián)合調(diào)蓄所需的調(diào)蓄庫容.
(4) 不同頻率典型年調(diào)蓄是將長系列中所選的50%, 75%, 95%頻率典型年單年的來水過程作為模型的輸入數(shù)據(jù), 得到系統(tǒng)所需年調(diào)蓄庫容分別為 0.85×108, 0.69×108, 0.65×108m3. 可以看出, 年調(diào)蓄庫容均不足1×108m3, 且越是枯水年份, 所需調(diào)蓄庫容越小,對應(yīng)系統(tǒng)的缺水量也越大, 因為此時系統(tǒng)無水可調(diào).
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