考虑农业需水的龙溪河流域水库群联合调度研究.pdf
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1、第 卷 第 期 人民珠江 年 月 :/.:/基金项目:三峡后续工作科研项目()中国长江三峡集团有限公司科研项目()国家自然科学基金()石柱县科研项目()收稿日期:作者简介:陈思()女硕士研究生主要从事水文水资源方面的研究 :.通信作者:徐炜()男博士教授主要从事水文水资源方面的研究 :.陈思徐炜赵思琪等.考虑农业需水的龙溪河流域水库群联合调度研究.人民珠江():.考虑农业需水的龙溪河流域水库群联合调度研究陈 思徐 炜赵思琪殷仕明杨 溢(重庆交通大学河海学院水利水运工程教育部重点实验室重庆)摘要:中小流域水资源往往不能合理分配水资源利用率不高 以龙溪河流域 座水库为例首先构建水文模型并以六剑滩水
2、文站 年实测径流对模型进行参数率定和验证 可达.为.相对误差 为.获得到水库区间入库径流过程其次选取流域玉米、水稻和红薯 种代表作物构建农作物灌溉需水量模型采用作物系数法和 公式计算作物需水量和 法计算有效降水量获得各水库农业灌溉需水量 最后建立龙溪河水库群综合供水量和发电量最大为目标的水库群联合和单库调度模型运用逐步优化算法()求解和模糊层次分析法进行方案优选 研究结果表明:联合调度比单库调度更能够平衡上下游水库水资源分配减少弃水量提高发电效益和供水保证率关键词:作物灌溉需水量联合调度中图分类号:.文献标识码:文章编号:().人民珠江 年第 期随着经济社会的快速发展优化水资源结构和水库调度迫
3、在眉睫科学合理的水库优化调度能够发挥水库更大的效益 中小流域进行水库群联合调度时水库农业供水目标往往只能通过灌溉定额进行分配水库区间径流预报信息不准确使得水库供水效益不理想近年来 模型在径流模拟获取区间入流方面得到了广泛的应用 贾何佳等基于 对黄河源区主要水文站的径流进行了模拟模拟值接近于实测值 武力等基于 对永州境内湘江流域开展水环境控制单元划分 蒋梦瑶等提出参数率定对评估参数敏感性、遴选关键参数对模型 优 化 具 有 重 要 意 义 等利 用 筛选出敏感参数后确定纳什效率 的最优值对应参数组合的模拟结果选为最佳模拟作物需水量和灌溉需水量的时空分布是科学地制定不同地区灌溉用水定额的依据 罗万
4、琦等采用 检验分析水量平衡各要素趋势变化得到不同水稻生育期需水量 雒新萍等基于 模型探讨了中国典型农作物需水的区域差异规律 刘钰等基于全国 多个水文站利用 公式和作物系数计算出了 多种农作物在生育期内的需水量以及净灌溉需水量 等基于卫星遥感的植被指数在不同尺度上估算主要玉米作物的种植面积和作物需水量效果显著目前基于多目标的水库群联合调度模型已被广泛研究和应用但在调度计算中农业用水大多以定额或者固定用水过程为依据并未通过气象信息评估农业需水的年内和年际变化 张永永等针对农田灌溉缺水问题突出构建了以流域综合缺水量最小为目标的黄河干流骨干水库群联合调度模型实现了黄河上中下游地区缺水均衡提高了流域抗旱
5、能力 兰回归等改进多目标萤火虫算法对以水库发电 生态多目标优化调度模型进行优化求解 郭荣等针探究飞蛾火焰优化算法并在梯级水库优化调度中的应用 王渤权等构建了考虑西霞院黄委调令的水库群优化调度模型提出了 嵌套搜索的求解方法 等基于改进的多目标遗传算法()最大限度地利用跨流域引水系统()进行策略优化上述已有研究中考虑农业需水的年内和年际变化的水库群联合调度研究成果还很少因此本文以龙溪河流域为研究对象提出一种考虑农业需水动态变化的水库群联合调度方法 首先以气象资料为基础构建农作物灌溉需水量模型并评估各水库灌溉需水量然后基于 水文模型获得各水库的区间入库流量过程在此基础上以综合供水量和发电量最大化为目
6、标构建水库群联合和单库调度模型并运用 算法对模型进行求解和结果比较 研究结果表明考虑农业需水的水库群供水联合调度模型对龙溪河流域水资源配置提供指导作用 研究方法本文建立基于农业需水的水库群调度模型具体流程见图 图 水库群联合调度示意.水文模型构建与精度验证在构建流域 水文模型时以、土地利用、土壤分类和降雨数据作为输入然后划分子流域进行汇流演算 再利用水文站实测径流资料通过 对模型参数进行参数率定和精度验证 选择纳什系数()、确定性系数()和径流总量相对误差()作为模型率定期和验证期模拟精度变化的评价指标人民珠江 年第 期 ()()()()()()()()()式中 时间长度 实测值 模拟值 平均
7、实测值 平均模拟值 模拟总径流量 实测总径流量.农作物灌溉需水量模型构建农作物灌溉需水量是作物需水量扣除有效降水补给后剩下的水量作物需水量是作物为了生长发育需 要 消 耗 的 水 量 首 先 运 用 推 荐公式 计算作物腾发量 见式()再运用作物系数法对需水量进行修正得到作物正常生长需水量 见式()降水并非完全由作物吸收旱地作物的有效降水量是指作物的腾发量水稻的有效降水是指满足作物腾发量与有效深渗 总 量 的 总 和 本 研 究 基 于 方法 耦合作物需水量和实际降水提出适用于本研究的旬尺度有效降水计算方法来获得有效降水量 见式()最后由点及面对水库农业灌溉范围内农作物总的需水量进行求和得到农
8、作物灌溉需水量见式().()()(.)()()式中 作物系数 参考作物腾发量 作物需水量 冠层表面净辐射 土壤热通量 日平均温度 风速 饱和水汽压 实际水汽压 饱和水汽压差 水气压曲线斜率 湿度计常数(.)(.)().()式中 旬降水量 土壤水分贮存因子 可使用的土壤贮水量本文中研究区位于重庆 取 ()()式中 农作物灌溉需水量万 有效降水量 农作物种植面积.水库群联合优化调度模型构建与优化求解.目标函数水库群的联合调度能够有效地实现各水库之间的相互补充使得各流域的水能和水资源利用效率达到最大 本文主要以综合供水量和发电量为目标构建目标函数如下)综合供水量目标最大 ()()式中 水库个数 水库
9、编号 调度时段总长 时段编号 用水户总数主要为城镇用水、农业用水、生态用水 用水户编号 各水库用水户在目标函数中的权重 供水量)发电量目标最大 ()()式中 发电量在目标函数中的权重 发电量其余符号同上本研究采用 算法求解水库群联合供水调度模型逐步得到全过程或各阶段的最优解 通过对水库群的调度方式进行了优化以最大限度地增加综合供水量和发电量并将供水保证率、深度破坏、弃水量等作为惩罚纳入到综合指标的计算中最终目标函数如下:()()()人民珠江 年第 期式中、惩罚系数 深度破坏时的库容 弃水量 设计保证率 供水保证率.约束条件主要考虑以下约束条件:水库水量平衡约束水库库容约束发电型水库出力约束用水
10、目标供水约束 研究实例.研究区域概况龙溪河流域干、支流上共修建有 余座水库本研究为探究考虑农业需水的水库群联合调度模型在龙溪河流域的运用体现构建农作物需水模型的意义故选取干、支流上库容大、调节能力强供水目标多农业需水量较大但水资源分配不均的狮子滩、盐井口、双河、盐井溪和迎风水库作为研究对象见图 狮子滩水库主要以发电为主兼顾城镇、农业和生态供水多年平均流量为 /盐井口和双河水库供水优先于发电盐井溪和迎风水库主要供水对象是农业 本文获得 年共 长系列径流和气象资料故调度时间为 年 月上旬至 年 月下旬共 旬 各水库特征参数及供水任务见表 图 龙溪河流域水库分布表 水库特征参数及供水任务名称控制面积
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