摘要：
针对北京市复杂供水系统多水源联合调配与管理,依据最严格水资源管理制度,在规划用水总量控制红线和用水效率控制红线管控下,充分考虑水行政主管部门调配管理目标与约束,绘制了基于水源-工程-单位(水管系统)-用户的多维嵌套北京市供水网络拓扑结构,建立了北京市多水源联合调度模拟模型,实现了用水管控、水源配置、水量调度统筹的多水源联合调度。计算结果表明:2019年全市用水管控39.6亿m3,考虑输水损失和干流补水后,由本地新水供水20.3亿m3,利用再生水11.5亿m3,调用南水北调水9.7亿m3;在现状工程条件下,为满足城市生活与工业用水和城区重点区域河湖基本生态需求,可充分调配南水北调水约9～10亿m3;通过加大调水可进一步恢复本地水源储备和改善河湖生态环境。研究成果可为水行政主管部门开展日常水量调配工作提供技术支撑。
关键词：
多水源联合调度; 水量损失; 南水北调; 最严格水资源管理制度; 网络拓扑结构; 供水安全; 用水管控; 水资源;
杨芬(1982—),女,高级工程师,博士,主要从事水文水资源研究。E-mail:[email protected];
游进军(1977—),男,教授级高级工程师,博士,主要从事水文学及水资源方面研究。E-mail:[email protected];
基金项目：
国家重点研发计划(2018YFC0407705,2017YFC0404405);
国家自然科学基金项目(71774172,71573274,51609261);
引用：
杨芬，王萍，黄大英，等 . 基于调配管理的北京市多水源水量联合调度研究［J］. 水利水电技术，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
随着中国经济社会的快速发展和城市化进程的加快,以及国家南水北调工程、天津引滦入津工程、辽宁东水西调工程等跨流域调水工程的实施,城市多水源联合调度问题已成为国内研究热点。
黄强等以西安市市区供水水源优化调度为实例,建立了多水源联合调度的多目标优化模型。张静等采用随机规划算法,建立多水源联合供水仿真模型,提供了多水源调度的决策技术支撑。张华侨等提出了城市“双线”配置模型,统筹考虑区域水源和自来水供水系统水源的优化配置。章燕喃等以北京市供水环路为研究区域,以充分保证供水和弃水量最小为调度目标,建立日尺度的多水源联合调度模型,可模拟环路流量、水压等动态变化和各水厂水源配置。于冰等以天津为例建立了基于供水网络拓扑结构的多水源联合供水优化调度模型,实现了“水源-水厂-分区用户”三层城市供水系统的水量优化分配。刘玒玒等基于西安市区用水户、供水系统、调度原则分析,构建了多水源联合调度仿真模型。结合相关研究成果,总体来看,目前城市大多数多水源联合调度研究主要基于对城市供水系统进行概化,采用模拟、优化或两者结合的方式,对城市水资源进行宏观配置和水厂细化调度研究,为城市水资源保障和供水安全提供技术支撑,但因对调配管理相关因素考虑较少,研究方案一般很难直接指导水行政主管部门开展实际水量调配工作。近年来,随着最严格水资源管理制度的颁布和实施,一些学者围绕“三条红线”拓展了区域(或城市)多水源调配研究,但也主要针对规划水平年“三条红线”控制目标提出配置方案,对如何在“三条红线”管控下落实逐年用水管控与水源调配,用于指导水行政主管部门开展日常实际水量调配工作的相关研究还比较少见。
本文以南水北调中线一期工程通水后的北京市供水系统为研究实例,统筹用水管控、水源配置、水量调度,建立基于调配管理的北京市多水源联合调度模拟模型,提出全市年度用水管控目标、水源配置方案、自来水集团水厂水源调度方案等,为水行政主管部门开展日常水量调配工作提供技术支撑。
1 基于调配管理的北京市多水源联合调度模拟模型建立
1.1 模型框架
本次建立的基于调配管理的多水源联合调度模拟模型旨在围绕最严格水资源管理制度的落实,考虑用水总量控制红线和用水效率控制红线,强化对水管单位的管理目标约束,提出可指导水行政主管部门开展日常水量调配工作的水量调配方案。调度模拟模型流程如图1所示,核心计算公式如下。
图1 北京市多水源联合调度模拟模型流程
1.1.1 计划年度用水量预测
式中,Df,i、Dp,i、Dc,i分别为计划年度、阶段目标年度、现状年度第i种行业用水管控总量;Df,i,uc、Dp,i,uc、Df,i,ui分别为计划年度、阶段目标年度、现状年度受水源、工程、政策等条件可能变化引起第i种行业的用水突变需求。
1.1.2 计算年度水源配置
式中,Wf,j,i、Wn,j,i分别为计划年度、现状年度第j种水源向第i种行业的供水量;ΔWj,i为依据配置思路和原则,确定计划年度较现状年度第j种水源第i种行业的供水增量;J为不同水源的数目。
图2 计划2019年北京市供水网络拓扑结构(配置层面
1.1.3 重要系统水量调度
根据水资源配置方案,基于供水网络拓扑结构,针对重要水源、用户、水量调度单位等细化年内水量调度方案,如提出市自来水集团水厂水源调配方案、南水北调水量调配方案等,协助水行政主管部门及水量调度单位开展调配工作。
式中,Qf,r,j,t为分时段调配水量,如第j种水源向第r水厂逐月供水量;k、l分别为水厂供水的行业用户,如生活、工业等;m,n为向水厂供水的水源,如南水北调、本地地表水等。
1.2 供水网络拓扑结构
为满足调配管理、水源配置和水量调度多需求,对北京市供水系统按水源、工程、单位(水管系统)、用户进行概化,构造多维嵌套的北京市供水网络拓扑结构,进行细化水量平衡计算。
图3 计划2019年市级新水供水网络拓扑结构(调度层面)
1.3 调配管理目标
在基于供水网络拓扑结构的节点水量平衡现状分析基础上,依据北京市“十三五”水源配置方案及近期市水务局有关文件精神,制定计划年度调配管理目标,主要包括:
(1)地表系统供水管理目标。结合现状地表水资源状况、南水北调配套工程建设进展等工程条件,制定密云水库、官厅水库、白河堡水库等年度供水目标。
(2)自备井及水源井置换目标。依据现状自备井置换情况及城区、郊区自备井置换方案,制定城区自备井、城区自来水集团水源井、郊区自备井地下水压采目标。
(3)应急水源地供水管理目标。逐步减少怀柔、平谷应急地下水源向城区供水,制定应急水源地地下水压采目标。
1.4 模拟原则
结合目前实际调度管理状况,按“优先利用外调水、加快涵养本地新水,加大利用再生水”的思路,确定如下调配原则:
(1)南水北调水优先保障城市生活、工业用水,兼顾重点区域河湖,其次利用调蓄工程增加水库储备、回补地下水源地。水库储备增量和地下水回补量不计入全市供水计划。
(2)密云水库作为南水北调水补充,重点保障城区生活、工业用水。官厅水库作为永定河主要补水水源。
(3)南水北调覆盖范围内自来水厂供水,结合用水需求及地表水厂建设情况,优先充分利用外调水及本地地表水。
(4)结合工程现状及水源条件合理配置环境新水用水。城区河湖新水增量主要由城区地表直供系统解决,延庆河湖新水增量考虑主要由白河堡水
库解决,其他生态涵养区河湖新水增量根据中小库水源情况适度补水。
(5)根据再生水设施实际建设情况及产业布局结构调整,合理分配再生水,加大城市河湖再生水利用量。
2 北京市多水源调配方案结果分析
2.1 主要水管单位供水工程系统现状取供水分析
2.1.1 密怀系统
密怀系统由密云水库、怀柔水库、京密引水渠和团城湖组成,可调配水源包括密云水库、怀柔水库、怀柔应急水源地和外调水。对近几年密怀系统取供水分析发现,当系统调用密云水库水为主时,系统输水损失超过20%;调用南水北调水为主时,输水损失基本稳定在10%左右。
图4 密怀系统近几年取供水情况
2.1.2 南水北调系统
南水北调通水初期,北京市按照“喝、存、补”的优先顺序利用南水北调水。截止2017年底,南水北调中线一期工程累计向北京调水超过30亿m3。其中,每年约67%南水由自来水厂(含燕化)调配,约5%～10%南水向清水河湖补水(受密云、官厅系统联调影响,各年不同),约25%～20%南水通过地下水回补和水库存蓄增加本地水源储备,系统输水损失不足5%。
图5 南水北调系统近几年取供水情况
2.1.3 市自来水集团
北京市自来水集团主要负责北京城区供水,同时城区市政管网可兼顾向周边昌平、大兴、通州部分区域供水。集团所辖城区水厂总供水能力为372万m3/d,其中五大主力水厂(第九水厂、田村山水厂、第八水厂、第三水厂、郭公庄水厂)总供水能力为346万m3/d。
近些年集团城区水厂供水量与售水量持续增长,产销差率逐步下降,目前基本维持在16%左右。集团五大主力水厂取水损失比例在南水北调通水后略有增长,但仍不足4%(以交界断面计量水量核算)。
图6 市自来水集团历年供售水量情况
2.2 2019年调配方案结果分析
2.2.1 用水管控
《北京市“十三五”水务发展规划》提出2020年北京市用水总量控制43亿m3。从调度管理角度出发,将扣除用水突变需求(水利工程输水损失、永定河生态廊道用水)后约40亿m3作为用水总量管控目标,结合现状预测2019年全市用水39.6亿m3(不含用水突变需求)。
图7 2019年全市用水管控及对比
2.2.2 水源配置
在用水需求39.6亿m3基础上,考虑水利工程输水损失和干流补水,全市按供水41.5亿m3保障。其中,本地新水供水20.3亿m ,利用再生水11.5亿m3,调用南水北调水9.7亿m3。
2.2.3 调度方案
2019年市自来水集团供水管网范围内(含城子水厂、通州水厂、良乡水厂)供水11.1亿m3,其中南水北调水供8.3亿m3,密怀系统供0.8亿m3,集团自来水水源井供0.9亿m ,应急水源地供1.1亿m3。
图8 2019年全市水源配置(供水比例)
根据《南水北调中线一期工程2018—2019年度水量调度计划的通知》,2018—2019年度南水北调中线一期工程向北京(惠南庄断面)可调水量1 1.19亿m3。2019年南水北调水总调水量按11.2亿m3考虑,其中供水厂8.3亿m3,补充城区重点区域清水河系1.0亿m3,利用密云水库调蓄工程增加水 源储备1.9亿m3。
图10 2019年集团供水管网调度成果
表1 不同工况南水北调来水调配方案(亿m3)
图9 2019年南水北调来水调度成果
2.2.4 实施效果及其他工况分析
根据上述调配方案,预测2019年全市地下水开采较2017年压采0.6亿m ,其中应急水源地压采0.4亿m3。2019年底密云水库蓄水量达到27亿m3,官厅水库蓄水量约5亿m3。通过不同工况分析,在南水北调中线一期工程批复向北京调水11.19亿m3基础上加大调水0.8～3.0亿m3,则水厂因冬季加大调水可增加调配南水北调水0.1～0.3亿m3,利用密云调蓄工程加大调蓄与回补0.4～0.9亿m3,通过大宁水库及南干渠加大回补永定河及东南部河湖0.3～1.8亿m3。
在加大调水条件下,12月—次年2月南水北调惠南庄泵站进京流量为23 m3/s,3月—11月为43 m3/s;在按设计规模调水条件下,12月—次年2月南水北调惠南庄泵站进京流量为30 m3/s,3—11月为50 m3/s。
3 结 论
(1)以北京市复杂供水系统为研究对象,构建了基于水源-工程-单位(水管系统)-用户的多维嵌套北京市供水网络拓扑结构,以此为基础建立了基于调配管理的北京市多水源联合调度模拟模型,能够在规划用水总量控制红线和用水效率控制红线管控下,充分考虑水行政主管部门调配管理目标与约束,实现用水管控、水源配置、水量调度统筹的多水源联合调度。
(2)模型模拟研究了2019年北京市多水源调度,提出2019年全市用水管控目标为39.6亿m3(水利工程输水损失、永定河生态廊道用水),供水按41.5亿m3保障,由本地新水供水20.3亿m3,利用再生水11.5亿m3,调用南水北调水9.7亿m3。
(3)通过不同模拟工况结果分析发现,在现状工程条件下,为满足城市生活工业用水和城区重点区域河湖基本生态需求,可充分调配南水北调水约9～10亿m ,在此基础上加大调水,有利于进一步恢复本地水源储备和改善河湖生态环境。
通过北京市多水源联合调度模拟模型研究提出的调配方案能够为水行政主管部门开展日常水量调配工作提供技术支撑,但下一步还需在水量水质联合调度方面强化研究。
水利水电技术
水利部《水利水电技术》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。
閱讀更多 水利水電技術 的文章
