大型跨流域调水工程双向湖泊运行模式下的多目标优化调度及目标间关联分析——以南水北调江苏段为例

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Multi-objective optimization scheduling and inter-objective correlation analysis of large-scale inter-basin water transfer projects under a bidirectional lake operation model

　　

研究人员提出了一种集成多目标调度框架用于江苏段南水北调工程(JS?SNWDP)。首先，基于系统拓扑与水文特征提出洪泽湖(Hongze Lake)与骆马湖(Luoma Lake)之间的双向运行策略(bidirectional lake operation strategy)，实现更灵活的湖泊调控；其次，将该策略嵌入基于模拟的多目标优化模型，在满足相关运行约束下同时考虑供水效益与湖泊生态需求(lake ecological requirements)；最后，定量考察关键运行目标间的反馈关系，并应用多属性决策方法识别偏好调度方案，通过权衡竞争目标以支持JS?SNWDP的平衡与可持续运行。研究结果表明：在典型丰水年、平水年和枯水年条件下，双向运行机制(情景S2)优于单向方案(情景S1)，能耗分别降低13.7%、11.5%和13.2%，总缺水率分别降低9.9%、4.1%和3.5%，汛期湖泊弃水量分别减少1.8%、4.7%和6.9%。结构方程模型(structural equation modeling, SEM)结果显示，供水与防洪效益呈正相关但丰至枯年逐渐减弱；湖泊生态效益与防洪的关系由丰水年负相关转为平、枯水年正相关；湖泊生态效益与供水的关系则呈相反趋势。该研究为大尺度跨流域调水工程(inter?basin water transfer projects, IBWTPs)的水资源优化利用及多目标交互定量解析提供了实用方法框架。

《大型跨流域调水工程双向湖泊运行模式下的多目标优化调度及目标间关联分析——以南水北调江苏段为例》论文解读

一、研究背景与立题依据

跨流域调水工程(inter-basin water transfer projects, IBWTPs)是缓解区域水资源时空分布不均的重要手段，其中南水北调工程(South-to-North Water Diversion Project, SNWDP)是世界上规模最大的IBWTP。江苏段(JS-SNWDP)作为东线核心组成部分，串联长江、淮河及沂沭泗水系，并通过洪泽湖(Hongze Lake)与骆马湖(Luoma Lake)进行联合调节。现有研究及运行实践多采用单向湖泊运行(unidirectional lake operation)假设，即湖泊蓄水只向上游泵提或供给周边用水区，忽略高水位湖泊向低水位湖泊或下游供水区重力反向补给的潜力；此外，既有多目标优化多聚焦于供水经济性指标（提水能耗、引江水量、缺水率），较少将湖泊生态水位需求(lake ecological water level requirement)纳入目标函数，且目标间交互关系多停留在简单相关性分析，缺乏因果路径与反馈机制的定量刻画。因此，有必要探索湖泊双向调节机制、构建含生态目标的多目标优化模型，并定量揭示供水(water supply)、防洪(flood control)与湖泊生态(lake ecology)三类目标间的协同与权衡关系，以为JS-SNWDP及类似IBWTPs的科学调度提供理论与方法支撑。据文中交代，该论文发表于《Journal of Hydrology: Regional Studies》。

二、主要技术方法概述

研究人员以JS-SNWDP为研究对象，收集1961–2019年洪泽湖与骆马湖入库径流资料及江苏省水资源部门提供的工程参数、用水计划等数据，按频率法选取丰(P=5%)、平(P=50%)、枯(P=95%)典型水文年。基于系统拓扑结构提出洪泽湖与骆马湖之间的双向湖泊调蓄机制(bidirectional lake water transfer mechanism)，允许骆马湖在具备调节库容时通过节制闸自流补入洪泽湖或Ⅱ区供水，洪泽湖亦可泵入骆马湖或向下游Ⅰ区自排。采用变动范围法(range of variability approach, RVA)基于长系列月均水位确定两湖适宜生态水位上下限及最低生态水位(minimum ecological water level)，引入CRITIC法计算各月生态权重系数(ecological weight coefficient, β_m,t)，构建湖泊生态得分指标(lake ecological score, e_m,t)作为生态目标函数。建立以最小化提水电耗(f₁)、最小化总缺水率(f₂)、最大化湖泊生态得分(f₃)及最小化汛期湖泊弃水(f₄)为目标的四目标优化调度模型，加入水量平衡、湖泊库容、泵站提水能力、涵闸泄量、省外供水量下限及供水公平性(Gini系数G_WS≤0.4)等约束。采用改进多目标布谷鸟搜索算法(Non?dominated Multi?Objective Cuckoo Search, NMOCS)求解Pareto前沿，应用基于博弈论的多准则妥协解排序法(game theory?VIKOR, GT?VIKOR)甄选偏好调度方案。基于Pareto解集提取供水(g₁–g₄)、防洪(c₁–c₄)、湖泊生态(e₁–e₃)观测指标，构建潜变量间互反馈的结构方程模型(structural equation modeling, SEM)，经信度(Cronbach's α>0.7)、效度(KMO>0.72, Bartlett's Test p<0.001)检验及拟合优度评价(χ²/df、GFI、RMSEA)后，量化不同水文年景下各目标间的标准化路径系数(path coefficient)。

三、研究结果

3.1 多目标优化调度结果(Multi?objective optimal operation results)

通过对单向运行情景S1与双向运行情景S2在丰、平、枯水文年下优化求解并对比发现：S2较S1平均能耗分别降低13.7%、11.5%、13.2%；总缺水率分别降低9.9%、4.1%、3.5%；汛期湖泊弃水量分别减少1.8%、4.7%、6.9%；湖泊生态得分略有波动但差异较小。随入库径流减小，系统对引江依赖增强，能耗与缺水率上升，弃水锐减。表明双向湖泊调节可有效挖掘湖泊联调蓄补能力，削减远距离提水、提高水资源利用率。

3.2 优选调度方案(Optimize scheduling scheme)

经GT?VIKOR甄选的S2最优方案显示：丰水年S2比S1节能20.3%、生态得分略降8.6%、弃水减1.2%；平水年S2节能1.2%、生态升4.8%、弃水减8.7%；枯水年S2节能1.6%、生态升3.2%、弃水减60.0%。水量利用分析表明S2降低引江量与提水量的同时增加湖泊自身供水量，证实了双向机制在改善能?水?生态?防洪综合效益上的稳健性。

3.3 多目标间协同与权衡分析(Analysis of synergy and trade?offs among multiple objectives)

3.3.1 相关性分析(Correlation analysis)：二维散点矩阵显示，丰水年能耗、缺水率与弃水间存在显著权衡；平水年权衡减弱，生态目标与缺水率、弃水的关联增强；枯水年弃水趋零使其与其他目标关系弱化，而生态与其他目标交互更明显。

3.3.2 结构方程模型构建(Structural equation model construction)：因子分析显示各观测指标在其对应潜变量上因子载荷均>0.7；SEM拟合指标满足χ²/df<3、GFI>0.9、RMSEA<0.08，模型成立。

3.3.3 多目标反馈关系分析(Multi?objective feedback relationship analysis)：SEM路径系数表明——①供水与防洪在各年景均为正相关，但随径流减少相关系数递减；②湖泊生态与防洪在丰水年为负相关（高水位超生态上限需加大弃水），在平、枯水年转为正相关（保生态需少弃水维持适宜水位），枯水年协同最强；③湖泊生态与供水在丰水年弱正相关，平、枯水年呈明显负相关（保障生态需限制取水甚至外补）。对比S1与S2的SEM发现，引入双向运行后各潜变量间路径系数绝对值增大，说明目标间相互作用因调度灵活性提升而更显著，但竞争关系因水库联调能力增强而得到一定缓解。

3.4 局限性(Limitations)

研究未考虑气候变化与人类活动导致的未来径流与需水变化，也未动态量化渠道输水损失随水位与流量的变化，GT?VIKOR结果受指标权重设置影响，后续可结合全球气候模式(GCMs)与实时水文数据进一步完善。

四、讨论与结论翻译

Conclusions（结论部分翻译）：

本研究提出了一种JS?SNWDP的多目标优化调度方法，旨在提升系统整体运行效率并深化对多调度目标间交互与反馈关系的定量理解。通过在洪泽湖与骆马湖间引入双向湖泊运行机制，强化了湖泊联合调蓄能力，从而在不同水文条件下实现更灵活的水资源再分配。在此基础上，建立了兼顾供水性能与湖泊生态目标的模拟—优化调度框架以生成Pareto最优调度方案。此外，考虑到跨流域调水系统多目标间存在复杂交互与反馈，综合运用相关性分析与结构方程模型(SEM)定量揭示了典型丰、平、枯情景下目标间的协调、权衡及互反馈效应，并应用GT?VIKOR方法从Pareto解集中识别偏好调度方案，以支持均衡决策、提升系统综合调度性能。主要结论如下：

(1) 多目标优化调度模型结果表明，相比单向调蓄方案(情景S1)，引入双向湖泊调水机制(情景S2)可显著提升系统性能。在S1基础上，S2使丰、平、枯水条件下系统能耗进一步降低13.7%、11.5%和13.2%，汛期湖泊弃水量减少1.8%、4.7%和6.9%，同时总缺水率分别下降9.9%、4.1%和3.5%。

(2) GT?VIKOR法甄选的最优调度方案显示，随着湖泊入库径流减少，能耗升高而湖泊生态得分降低，表明枯水条件下同步满足供水与生态目标难度增大。丰水条件下S2较S1节能20.3%，生态得分降低8.6%，汛期弃水减少1.2%；平水条件下S2节能1.2%，生态得分提高4.8%，弃水减少8.7%；枯水条件下S2节能1.6%，生态得分提高3.2%，弃水剧减60.0%。

(3) 基于结构方程模型结果，不同水文条件下防洪与供水呈正相关，但该关联随入库径流减少而减弱。湖泊生态与防洪的关系由丰水年负相关转为平、枯水年正相关，枯水年协同最强；湖泊生态与供水的关系则呈相反变化趋势。此外，湖泊运行策略的改变会修饰多目标间整体反馈结构——以水丰年为例，引入双向运行机制后潜变量间路径系数绝对值增大，说明目标间互反馈关系因调度灵活性提高而更为凸显。