对于复杂的流域水沙资源多目标优化配置问题，结合层次结构分析，......
2023-06-23
黄河下游多目标优化配置水沙资源模型
【摘要】：在前述流域水沙资源多目标优化配置理论和数学模型的基础上，初步建立了黄河下游水沙资源多目标优化配置数学模型。根据前述黄河下游河床演变均衡稳定数学模型计算分析结果确定5)维持河槽冲淤调整量约束。
黄河下游水沙资源多目标优化配置是指对黄河流域产水产沙经过上中游水土保持、引水引沙、水库拦蓄等减水减沙后进入黄河下游的水沙资源总量，进一步通过小浪底水库拦水拦沙和调水调沙运用改善进入下游河道的水沙条件，通过合理分配小浪底水库调节水量W1、放淤机淤等耗水量W2、工农业生活用水量W3、汛期输沙入海水量W4和非汛期河口生态水量W5等方式优化配置水资源，结合河道、滩区及河口的综合治理，改善河道输水输沙能力和维持河道稳定，通过水库调控 (水库拦沙X1和放淤利用X2)、引沙淤灌(引水引沙X3和机淤固堤X4)、河道滞沙(维持河槽X5和滩区淤沙X6)、输沙入海 (河口造陆X7和深海输沙X8)等多种手段方式优化配置和合理利用泥沙资源，创造最大的社会、经济和生态多目标水沙资源利用综合效益。在前述流域水沙资源多目标优化配置理论和数学模型的基础上，初步建立了黄河下游水沙资源多目标优化配置数学模型。
(1)综合目标函数。通过黄河下游水沙资源多目标优化配置层次分析重要性排序评价专家调查，利用层次分析数学方法，对各层次经过两两比较，由9标度法得到判断矩阵，通过求判断矩阵最大特征值对应的归一化权重系数特征向量，最后得到各配置方式对总目标的归一化权重系数向量:[0.0791，0.1419，0.0961，0.1263，0.1950，0.1273，0.0480，0.1861]。黄河下游河槽淤上段、冲下段有利，反之不利，综合而言，黄河下游河槽冲刷有利，淤积不利，维护河槽配置方式变量对应的权重系数采用负值，构造模型的综合目标函数
(2)配置约束条件。根据水沙配置要求、处理泥沙能力、配置平衡关系和控制条件确定配置约束条件，初步确定模型的配置约束条件如下。
1)水库拦沙能力约束。小浪底水库拦沙库容72.5亿m3(约101.5亿t)，通过多年调节平衡，尽可能延长拦沙库容的使用寿命不少于33年 (拦沙初期13年+拦沙后期20年)，多年平均拦沙量3.076亿t，如果按水库运用初期13年淤满主要拦沙库容61.5亿m3(约86.1亿t)，年平均拦沙量6.623亿t，则有
(2)配置约束条件。根据水沙配置要求、处理泥沙能力、配置平衡关系和控制条件确定配置约束条件，初步确定模型的配置约束条件如下。
1)水库拦沙能力约束。小浪底水库拦沙库容72.5亿m3(约101.5亿t)，通过多年调节平衡，尽可能延长拦沙库容的使用寿命不少于33年 (拦沙初期13年+拦沙后期20年)，多年平均拦沙量3.076亿t，如果按水库运用初期13年淤满主要拦沙库容61.5亿m3(约86.1亿t)，年平均拦沙量6.623亿t，则有
2)放淤利用能力约束。目前可以不考虑小浪底水库淤沙的放淤利用，则有
2)放淤利用能力约束。目前可以不考虑小浪底水库淤沙的放淤利用，则有
3)引水引沙能力约束。黄河下游未来的年引水量约120亿～145亿m3，在小浪底水库运用初期，引水引沙可以按2000～2002年各河段平均引水含沙量计算，则有
3)引水引沙能力约束。黄河下游未来的年引水量约120亿～145亿m3，在小浪底水库运用初期，引水引沙可以按2000～2002年各河段平均引水含沙量计算，则有
4)机淤固堤能力约束。通过增加人工和机械设备，能将黄河下游机淤固堤能力维持在20世纪80年代的较高水平0.309亿t，则有
4)机淤固堤能力约束。通过增加人工和机械设备，能将黄河下游机淤固堤能力维持在20世纪80年代的较高水平0.309亿t，则有
5)维持河槽冲淤调整量约束。根据前述黄河下游河床演变均衡稳定数学模型计算分析结果确定
5)维持河槽冲淤调整量约束。根据前述黄河下游河床演变均衡稳定数学模型计算分析结果确定
6)滩区淤沙能力约束。滩区淤沙应结合黄河下游 “二级悬河”及滩区的综合治理，汛期有计划洪水漫滩和滩区放淤治理“二级悬河”，枯水年不考虑淤滩;平水年淤滩0.84亿t，接近黄河下游多年平均淤滩水平;丰水年利用高含沙水流淤滩1.68亿t，丰水年达到20世纪70年代平均淤滩水平，则有
6)滩区淤沙能力约束。滩区淤沙应结合黄河下游 “二级悬河”及滩区的综合治理，汛期有计划洪水漫滩和滩区放淤治理“二级悬河”，枯水年不考虑淤滩;平水年淤滩0.84亿t，接近黄河下游多年平均淤滩水平;丰水年利用高含沙水流淤滩1.68亿t，丰水年达到20世纪70年代平均淤滩水平，则有
7)维护河口稳定约束。清水沟以外的海域有约420 亿m3(570 亿t)的容沙体积(胡春宏，曹文洪，2003)，如果规划清水沟流路长期使用年限应大于100年，则清水沟流路口外泥沙年沉积量应小于2.85亿t，则有
7)维护河口稳定约束。清水沟以外的海域有约420 亿m3(570 亿t)的容沙体积(胡春宏，曹文洪，2003)，如果规划清水沟流路长期使用年限应大于100年，则清水沟流路口外泥沙年沉积量应小于2.85亿t，则有
8)深海输沙能力约束。清水沟流路河口海洋动力侵蚀的深海输沙年沙量约为2.19亿t(胡春宏，曹文洪，2003)，加上维护河口稳定的河口造陆沙量约束2.85亿t，未来河口的年来沙量应小于约5亿t，则有
8)深海输沙能力约束。清水沟流路河口海洋动力侵蚀的深海输沙年沙量约为2.19亿t(胡春宏，曹文洪，2003)，加上维护河口稳定的河口造陆沙量约束2.85亿t，未来河口的年来沙量应小于约5亿t，则有
9)维护河流健康的水资源约束。非汛期黄河河口三角洲最小生态需水量平均应不低于50亿m3(倪晋仁，金玲，赵业安等，2002)，忽略水面蒸发和渗漏等耗水量，放淤利用、引水引沙、机淤固堤耗水量和汛期输沙入海水量及非汛期河口生态水量加水库调节水量之和等于进入黄河下游的水资源总量，则有
9)维护河流健康的水资源约束。非汛期黄河河口三角洲最小生态需水量平均应不低于50亿m3(倪晋仁，金玲，赵业安等，2002)，忽略水面蒸发和渗漏等耗水量，放淤利用、引水引沙、机淤固堤耗水量和汛期输沙入海水量及非汛期河口生态水量加水库调节水量之和等于进入黄河下游的水资源总量，则有
式中:KW为汛期输沙入海单位输沙用水量，枯、平、丰水年分别采用125.313m3/t、36.012m3/t、26.596m3/t;GW为下游来水总量，亿m3。
10)泥沙资源总量约束。按泥沙资源总量平衡计算
式中:KW为汛期输沙入海单位输沙用水量，枯、平、丰水年分别采用125.313m3/t、36.012m3/t、26.596m3/t;GW为下游来水总量，亿m3。
10)泥沙资源总量约束。按泥沙资源总量平衡计算
式中:GS为下游来沙总量，亿t。
对于不同流域以及同一流域的不同区段，综合目标函数表达式的权重系数是不同的，多个配置变量之间理论上的约束关系为水资源和泥沙资源总量平衡这两个关系。需要说明的是，这里初步建立的一种线性规划数学模型，也可以研究小浪底水库排沙比、通过水沙数学模型计算不同水沙条件的河槽冲淤量和滩区淤沙量等确定约束关系进一步改进黄河下游水沙资源优化配置数学模型。
式中:GS为下游来沙总量，亿t。
对于不同流域以及同一流域的不同区段，综合目标函数表达式的权重系数是不同的，多个配置变量之间理论上的约束关系为水资源和泥沙资源总量平衡这两个关系。需要说明的是，这里初步建立的一种线性规划数学模型，也可以研究小浪底水库排沙比、通过水沙数学模型计算不同水沙条件的河槽冲淤量和滩区淤沙量等确定约束关系进一步改进黄河下游水沙资源优化配置数学模型。
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