摘要：
針對北京市複雜供水系統多水源聯合調配與管理,依據最嚴格水資源管理制度,在規劃用水總量控制紅線和用水效率控制紅線管控下,充分考慮水行政主管部門調配管理目標與約束,繪製了基於水源-工程-單位(水管系統)-用戶的多維嵌套北京市供水網絡拓撲結構,建立了北京市多水源聯合調度模擬模型,實現了用水管控、水源配置、水量調度統籌的多水源聯合調度。計算結果表明:2019年全市用水管控39.6億m3,考慮輸水損失和幹流補水後,由本地新水供水20.3億m3,利用再生水11.5億m3,調用南水北調水9.7億m3;在現狀工程條件下,為滿足城市生活與工業用水和城區重點區域河湖基本生態需求,可充分調配南水北調水約9～10億m3;通過加大調水可進一步恢復本地水源儲備和改善河湖生態環境。研究成果可為水行政主管部門開展日常水量調配工作提供技術支撐。
關鍵詞：
多水源聯合調度; 水量損失; 南水北調; 最嚴格水資源管理制度; 網絡拓撲結構; 供水安全; 用水管控; 水資源;
楊芬(1982—),女,高級工程師,博士,主要從事水文水資源研究。E-mail:[email protected];
遊進軍(1977—),男,教授級高級工程師,博士,主要從事水文學及水資源方面研究。E-mail:[email protected];
基金項目：
國家重點研發計劃(2018YFC0407705,2017YFC0404405);
國家自然科學基金項目(71774172,71573274,51609261);
引用：
楊芬，王萍，黃大英，等 . 基於調配管理的北京市多水源水量聯合調度研究［J］. 水利水電技術，2020，51( 1) : 70-76.
YANG Fen，WANG Ping，HUANG Daying，et al. Study on allocation management-based joint multi-water source dispatch and manage\u0002mentin Beijing［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2020，51( 1) : 70-76.
0 引言
隨著中國經濟社會的快速發展和城市化進程的加快,以及國家南水北調工程、天津引灤入津工程、遼寧東水西調工程等跨流域調水工程的實施,城市多水源聯合調度問題已成為國內研究熱點。
黃強等以西安市市區供水水源優化調度為實例,建立了多水源聯合調度的多目標優化模型。張靜等採用隨機規劃算法,建立多水源聯合供水仿真模型,提供了多水源調度的決策技術支撐。張華僑等提出了城市“雙線”配置模型,統籌考慮區域水源和自來水供水系統水源的優化配置。章燕喃等以北京市供水環路為研究區域,以充分保證供水和棄水量最小為調度目標,建立日尺度的多水源聯合調度模型,可模擬環路流量、水壓等動態變化和各水廠水源配置。於冰等以天津為例建立了基於供水網絡拓撲結構的多水源聯合供水優化調度模型,實現了“水源-水廠-分區用戶”三層城市供水系統的水量優化分配。劉玒玒等基於西安市區用水戶、供水系統、調度原則分析,構建了多水源聯合調度仿真模型。結合相關研究成果,總體來看,目前城市大多數多水源聯合調度研究主要基於對城市供水系統進行概化,採用模擬、優化或兩者結合的方式,對城市水資源進行宏觀配置和水廠細化調度研究,為城市水資源保障和供水安全提供技術支撐,但因對調配管理相關因素考慮較少,研究方案一般很難直接指導水行政主管部門開展實際水量調配工作。近年來,隨著最嚴格水資源管理制度的頒佈和實施,一些學者圍繞“三條紅線”拓展了區域(或城市)多水源調配研究,但也主要針對規劃水平年“三條紅線”控制目標提出配置方案,對如何在“三條紅線”管控下落實逐年用水管控與水源調配,用於指導水行政主管部門開展日常實際水量調配工作的相關研究還比較少見。
本文以南水北調中線一期工程通水後的北京市供水系統為研究實例,統籌用水管控、水源配置、水量調度,建立基於調配管理的北京市多水源聯合調度模擬模型,提出全市年度用水管控目標、水源配置方案、自來水集團水廠水源調度方案等,為水行政主管部門開展日常水量調配工作提供技術支撐。
1 基於調配管理的北京市多水源聯合調度模擬模型建立
1.1 模型框架
本次建立的基於調配管理的多水源聯合調度模擬模型旨在圍繞最嚴格水資源管理制度的落實,考慮用水總量控制紅線和用水效率控制紅線,強化對水管單位的管理目標約束,提出可指導水行政主管部門開展日常水量調配工作的水量調配方案。調度模擬模型流程如圖1所示,核心計算公式如下。
圖1 北京市多水源聯合調度模擬模型流程
1.1.1 計劃年度用水量預測
式中,Df,i、Dp,i、Dc,i分別為計劃年度、階段目標年度、現狀年度第i種行業用水管控總量;Df,i,uc、Dp,i,uc、Df,i,ui分別為計劃年度、階段目標年度、現狀年度受水源、工程、政策等條件可能變化引起第i種行業的用水突變需求。
1.1.2 計算年度水源配置
式中,Wf,j,i、Wn,j,i分別為計劃年度、現狀年度第j種水源向第i種行業的供水量;ΔWj,i為依據配置思路和原則,確定計劃年度較現狀年度第j種水源第i種行業的供水增量;J為不同水源的數目。
圖2 計劃2019年北京市供水網絡拓撲結構(配置層面
1.1.3 重要系統水量調度
根據水資源配置方案,基於供水網絡拓撲結構,針對重要水源、用戶、水量調度單位等細化年內水量調度方案,如提出市自來水集團水廠水源調配方案、南水北調水量調配方案等,協助水行政主管部門及水量調度單位開展調配工作。
式中,Qf,r,j,t為分時段調配水量,如第j種水源向第r水廠逐月供水量;k、l分別為水廠供水的行業用戶,如生活、工業等;m,n為向水廠供水的水源,如南水北調、本地地表水等。
1.2 供水網絡拓撲結構
為滿足調配管理、水源配置和水量調度多需求,對北京市供水系統按水源、工程、單位(水管系統)、用戶進行概化,構造多維嵌套的北京市供水網絡拓撲結構,進行細化水量平衡計算。
圖3 計劃2019年市級新水供水網絡拓撲結構(調度層面)
1.3 調配管理目標
在基於供水網絡拓撲結構的節點水量平衡現狀分析基礎上,依據北京市“十三五”水源配置方案及近期市水務局有關文件精神,制定計劃年度調配管理目標,主要包括:
(1)地表系統供水管理目標。結合現狀地表水資源狀況、南水北調配套工程建設進展等工程條件,制定密雲水庫、官廳水庫、白河堡水庫等年度供水目標。
(2)自備井及水源井置換目標。依據現狀自備井置換情況及城區、郊區自備井置換方案,制定城區自備井、城區自來水集團水源井、郊區自備井地下水壓採目標。
(3)應急水源地供水管理目標。逐步減少懷柔、平谷應急地下水源向城區供水,制定應急水源地地下水壓採目標。
1.4 模擬原則
結合目前實際調度管理狀況,按“優先利用外調水、加快涵養本地新水,加大利用再生水”的思路,確定如下調配原則:
(1)南水北調水優先保障城市生活、工業用水,兼顧重點區域河湖,其次利用調蓄工程增加水庫儲備、回補地下水源地。水庫儲備增量和地下水回補量不計入全市供水計劃。
(2)密雲水庫作為南水北調水補充,重點保障城區生活、工業用水。官廳水庫作為永定河主要補水水源。
(3)南水北調覆蓋範圍內自來水廠供水,結合用水需求及地表水廠建設情況,優先充分利用外調水及本地地表水。
(4)結合工程現狀及水源條件合理配置環境新水用水。城區河湖新水增量主要由城區地表直供系統解決,延慶河湖新水增量考慮主要由白河堡水
庫解決,其他生態涵養區河湖新水增量根據中小庫水源情況適度補水。
(5)根據再生水設施實際建設情況及產業佈局結構調整,合理分配再生水,加大城市河湖再生水利用量。
2 北京市多水源調配方案結果分析
2.1 主要水管單位供水工程系統現狀取供水分析
2.1.1 密懷系統
密懷系統由密雲水庫、懷柔水庫、京密引水渠和團城湖組成,可調配水源包括密雲水庫、懷柔水庫、懷柔應急水源地和外調水。對近幾年密懷系統取供水分析發現,當系統調用密雲水庫水為主時,系統輸水損失超過20%;調用南水北調水為主時,輸水損失基本穩定在10%左右。
圖4 密懷系統近幾年取供水情況
2.1.2 南水北調系統
南水北調通水初期,北京市按照“喝、存、補”的優先順序利用南水北調水。截止2017年底,南水北調中線一期工程累計向北京調水超過30億m3。其中,每年約67%南水由自來水廠(含燕化)調配,約5%～10%南水向清水河湖補水(受密雲、官廳系統聯調影響,各年不同),約25%～20%南水通過地下水回補和水庫存蓄增加本地水源儲備,系統輸水損失不足5%。
圖5 南水北調系統近幾年取供水情況
2.1.3 市自來水集團
北京市自來水集團主要負責北京城區供水,同時城區市政管網可兼顧向周邊昌平、大興、通州部分區域供水。集團所轄城區水廠總供水能力為372萬m3/d,其中五大主力水廠(第九水廠、田村山水廠、第八水廠、第三水廠、郭公莊水廠)總供水能力為346萬m3/d。
近些年集團城區水廠供水量與售水量持續增長,產銷差率逐步下降,目前基本維持在16%左右。集團五大主力水廠取水損失比例在南水北調通水後略有增長,但仍不足4%(以交界斷面計量水量核算)。
圖6 市自來水集團歷年供售水量情況
2.2 2019年調配方案結果分析
2.2.1 用水管控
《北京市“十三五”水務發展規劃》提出2020年北京市用水總量控制43億m3。從調度管理角度出發,將扣除用水突變需求(水利工程輸水損失、永定河生態廊道用水)後約40億m3作為用水總量管控目標,結合現狀預測2019年全市用水39.6億m3(不含用水突變需求)。
圖7 2019年全市用水管控及對比
2.2.2 水源配置
在用水需求39.6億m3基礎上,考慮水利工程輸水損失和幹流補水,全市按供水41.5億m3保障。其中,本地新水供水20.3億m ,利用再生水11.5億m3,調用南水北調水9.7億m3。
2.2.3 調度方案
2019年市自來水集團供水管網範圍內(含城子水廠、通州水廠、良鄉水廠)供水11.1億m3,其中南水北調水供8.3億m3,密懷系統供0.8億m3,集團自來水水源井供0.9億m ,應急水源地供1.1億m3。
圖8 2019年全市水源配置(供水比例)
根據《南水北調中線一期工程2018—2019年度水量調度計劃的通知》,2018—2019年度南水北調中線一期工程向北京(惠南莊斷面)可調水量1 1.19億m3。2019年南水北調水總調水量按11.2億m3考慮,其中供水廠8.3億m3,補充城區重點區域清水河系1.0億m3,利用密雲水庫調蓄工程增加水 源儲備1.9億m3。
圖10 2019年集團供水管網調度成果
表1 不同工況南水北調來水調配方案(億m3)
圖9 2019年南水北調來水調度成果
2.2.4 實施效果及其他工況分析
根據上述調配方案,預測2019年全市地下水開採較2017年壓採0.6億m ,其中應急水源地壓採0.4億m3。2019年底密雲水庫蓄水量達到27億m3,官廳水庫蓄水量約5億m3。通過不同工況分析,在南水北調中線一期工程批覆向北京調水11.19億m3基礎上加大調水0.8～3.0億m3,則水廠因冬季加大調水可增加調配南水北調水0.1～0.3億m3,利用密雲調蓄工程加大調蓄與回補0.4～0.9億m3,通過大寧水庫及南乾渠加大回補永定河及東南部河湖0.3～1.8億m3。
在加大調水條件下,12月—次年2月南水北調惠南莊泵站進京流量為23 m3/s,3月—11月為43 m3/s;在按設計規模調水條件下,12月—次年2月南水北調惠南莊泵站進京流量為30 m3/s,3—11月為50 m3/s。
3 結 論
(1)以北京市複雜供水系統為研究對象,構建了基於水源-工程-單位(水管系統)-用戶的多維嵌套北京市供水網絡拓撲結構,以此為基礎建立了基於調配管理的北京市多水源聯合調度模擬模型,能夠在規劃用水總量控制紅線和用水效率控制紅線管控下,充分考慮水行政主管部門調配管理目標與約束,實現用水管控、水源配置、水量調度統籌的多水源聯合調度。
(2)模型模擬研究了2019年北京市多水源調度,提出2019年全市用水管控目標為39.6億m3(水利工程輸水損失、永定河生態廊道用水),供水按41.5億m3保障,由本地新水供水20.3億m3,利用再生水11.5億m3,調用南水北調水9.7億m3。
(3)通過不同模擬工況結果分析發現,在現狀工程條件下,為滿足城市生活工業用水和城區重點區域河湖基本生態需求,可充分調配南水北調水約9～10億m ,在此基礎上加大調水,有利於進一步恢復本地水源儲備和改善河湖生態環境。
通過北京市多水源聯合調度模擬模型研究提出的調配方案能夠為水行政主管部門開展日常水量調配工作提供技術支撐,但下一步還需在水量水質聯合調度方面強化研究。
水利水電技術
水利部《水利水電技術》雜誌是中國水利水電行業的綜合性技術期刊（月刊），為全國中文核心期刊，面向國內外公開發行。本刊以介紹我國水資源的開發、利用、治理、配置、節約和保護，以及水利水電工程的勘測、設計、施工、運行管理和科學研究等方面的技術經驗為主，同時也報道國外的先進技術。期刊主要欄目有:水文水資源、水工建築、工程施工、工程基礎、水力學、機電技術、泥沙研究、水環境與水生態、運行管理、試驗研究、工程地質、金屬結構、水利經濟、水利規劃、防汛抗旱、建設管理、新能源、城市水利、農村水利、水土保持、水庫移民、水利現代化、國際水利等。
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