流域水庫(kù)群水資源調(diào)度系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

陳 鳴，王 鋼，鄭興發(fā)，鄭久興，雷四華

（1.水利部交通部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.水文水資源及水利工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；3.福建寧德市水利局，福建 寧德 352100）

0 引言

我國(guó)是水資源十分短缺的國(guó)家，人均水資源占有量不到世界人均占有量的 1/4，同時(shí)我國(guó)又是世界上洪澇災(zāi)害發(fā)生最頻繁的國(guó)家之一，有 2/3的國(guó)土面積、半數(shù)以上的人口、35% 的耕地、2/3的工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值受到洪水的嚴(yán)重威脅。面對(duì)亦旱亦澇的水情，研究利用現(xiàn)有水利工程的優(yōu)化調(diào)度，協(xié)調(diào)缺水與洪災(zāi)之間的矛盾，是投資小、回報(bào)高，且不破壞生態(tài)環(huán)境的方法，不失為解決我國(guó)水問(wèn)題的有效途徑之一[1]。

結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS（地理信息系統(tǒng)）、河流水流仿真技術(shù)、流域產(chǎn)匯數(shù)學(xué)模型為一體的流域水庫(kù)群水資源調(diào)度系統(tǒng)，融入了全流域綜合考慮，適度承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)等現(xiàn)代水庫(kù)管理、調(diào)度理念。系統(tǒng)采用圖形界面、自動(dòng)優(yōu)化計(jì)算、人機(jī)交互等途徑協(xié)調(diào)流域內(nèi)具有防洪、灌溉、發(fā)電、航運(yùn)、養(yǎng)殖、城市及工業(yè)供水等多種功能大中型水庫(kù)的不同用水目標(biāo)對(duì)水庫(kù)蓄水、泄水量和時(shí)間要求所發(fā)生的沖突，可避免或減少洪災(zāi)損失，有效提高水資源利用率[2-3]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

流域水庫(kù)群水資源調(diào)度系統(tǒng)采用 C/S（Client/Server）結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)的開(kāi)放性得以保證?？梢郧度肫渌嚓P(guān)水動(dòng)力、水文和水庫(kù)調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)與已有模型方法的無(wú)縫結(jié)合，對(duì)整合已有方法、提高工作效率具有明顯的促進(jìn)作用。系統(tǒng)以實(shí)時(shí)水雨情庫(kù)、歷史水文數(shù)據(jù)庫(kù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)處理、模型、計(jì)算方法、表格、圖形為分析工具；GIS為交互界面。

系統(tǒng)功能主要包括：系統(tǒng)維護(hù)管理、信息查詢、水情預(yù)報(bào)與水庫(kù)調(diào)度、全球眼水情視頻。具體功能與操作菜單對(duì)應(yīng)如表1所示。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 框架結(jié)構(gòu)中的分層處理

將系統(tǒng)分為人機(jī)交互控制、計(jì)算應(yīng)用服務(wù)、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)服務(wù)3個(gè)層次：

1）系統(tǒng)人機(jī)交互控制層（即人機(jī)交互界面），基于 GIS 技術(shù)的信息查詢應(yīng)用模式和可視化多層次的空間圖形操作界面，提供直觀、清晰、方便、靈活的系統(tǒng)操作和控制環(huán)境。

2）系統(tǒng)計(jì)算應(yīng)用服務(wù)層（即系統(tǒng)計(jì)算模型、信息服務(wù)等），依照系統(tǒng)的應(yīng)用種類進(jìn)行功能劃分，由水情信息服務(wù)系統(tǒng)、水情監(jiān)測(cè)對(duì)比分析、水情預(yù)報(bào)分析模型等部分組成。各組成部分采用模塊化開(kāi)發(fā)，以利于進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的工程化管理，也便于在系統(tǒng)建立過(guò)程中進(jìn)行技術(shù)整合、系統(tǒng)總裝、調(diào)試、測(cè)試和運(yùn)行管理。

表1 系統(tǒng)功能菜單

3）系統(tǒng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)服務(wù)層（即支持系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)環(huán)境），提供支持系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境包括硬件、軟件環(huán)境，數(shù)據(jù)基礎(chǔ)服務(wù)層是軟件環(huán)境組成部分，有水情監(jiān)測(cè)、水雨情、模型參數(shù)及成果、系統(tǒng)管理、地理信息空間等數(shù)據(jù)庫(kù)，從系統(tǒng)功能層次及其整體結(jié)構(gòu)上看，系統(tǒng)是一個(gè)采用多庫(kù)結(jié)構(gòu)面向水情監(jiān)測(cè)分析的系統(tǒng)。

2.2 GIS 應(yīng)用

水資源調(diào)度系統(tǒng)需要很多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持，如水文、河道斷面、防洪工程、區(qū)域數(shù)字地面高程、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)大多與現(xiàn)實(shí)中的某一特定的位置或區(qū)域（點(diǎn)、線或面）相聯(lián)系，而且有些數(shù)據(jù)還具有空間屬性。GIS 是一種綜合分析和處理數(shù)據(jù)空間分布的新技術(shù)，能夠使空間數(shù)據(jù)的處理維護(hù)更為迅速高效。采用嵌入 GIS 控件 mapobject，使 GIS 與模型計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)等無(wú)逢連接。以 GIS 為交互界面輕松實(shí)現(xiàn)圖形導(dǎo)航、放大、縮小、漫游、標(biāo)注、圖層控制等基本功能。流域水資源調(diào)度系統(tǒng)中 GIS 的主要專題圖層如表2所示。

2.3 分布式水情預(yù)報(bào)

準(zhǔn)確的水情預(yù)報(bào)是水庫(kù)合理調(diào)度的前提。水情預(yù)報(bào)模型采用基于 GIS 分布式模型。分布式水情預(yù)報(bào)模型是指模型結(jié)構(gòu)中各水文要素具有空間的分布特性和隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)特性，其特點(diǎn)是具有物理基礎(chǔ)，能描述水情的時(shí)空變化過(guò)程；能及時(shí)地模擬出人類活動(dòng)或農(nóng)作物生長(zhǎng)變化對(duì)水情的影響[5]。

表2 流域水資源調(diào)度系統(tǒng)中主要專題圖層

分布式水情預(yù)報(bào)模型的主要思路是：根據(jù) GIS的行政區(qū)、地形、土壤分布、土地利用等圖層將流域劃分成若干子區(qū)域，對(duì)每個(gè)子區(qū)域分別輸入不同的降雨、蒸發(fā)，根據(jù)選用的產(chǎn)匯流模型（如新安江模型）計(jì)算徑流過(guò)程[6]?；?GIS 的分布式水情預(yù)報(bào)模型框架如圖1所示。

2.4 水庫(kù)調(diào)度計(jì)算

1）調(diào)洪計(jì)算基本方程。水庫(kù)洪水調(diào)度通常根據(jù)預(yù)報(bào)入庫(kù)洪水過(guò)程和水庫(kù)運(yùn)行規(guī)則推求下泄流量過(guò)程和庫(kù)水位過(guò)程。水庫(kù)調(diào)洪是在水量平衡和動(dòng)力平衡的支配下進(jìn)行的。

圖1 基于 GIS 的分布式模型框架

在 Δt時(shí)段內(nèi)，入庫(kù)與出庫(kù)水量之差，應(yīng)等于該時(shí)段內(nèi)水庫(kù)蓄水量的變化。水庫(kù)水量平衡方程為：

式中：Q1、Q2分別為時(shí)段始末的入庫(kù)流量；q1、q2分別為時(shí)段始末的出庫(kù)流量；V1、V2分別為時(shí)段始末的水庫(kù)蓄水量；Δt為計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)。式 （1）中Q1、Q2均為已知，根據(jù)起調(diào)條件，調(diào)洪起始水位也為已知，即q1、V1為已知，Δt可選定，未知數(shù)有q2和V2，因此方程不能獨(dú)立求解，還需建立第2個(gè)方程。

對(duì)于某一水庫(kù)，當(dāng)泄洪建筑物的型式、尺寸一定時(shí)，泄流能力q取決于泄洪設(shè)施的水頭或水庫(kù)蓄水量V，故水庫(kù)泄流方程可寫(xiě)為：

或q-V曲線。從起調(diào)條件開(kāi)始，逐時(shí)段連續(xù)求解上述2方程，即可完成洪水調(diào)度計(jì)算。從不同的關(guān)注點(diǎn)出發(fā)，即有不同的調(diào)度模型。

2）泄量控制調(diào)度模型。泄量控制調(diào)度模型是固定泄量的調(diào)洪計(jì)算，約束條件是泄洪設(shè)備的泄洪能力。計(jì)算規(guī)則是根據(jù)輸入的理想泄量，應(yīng)用水量平衡式計(jì)算相應(yīng)的庫(kù)水位過(guò)程。在該模型中水庫(kù)的最高水位是自由變量，其目的為在保證水庫(kù)泄量不超過(guò)設(shè)定值的前提下，使水庫(kù)的最高水位最低。

將式（1）改寫(xiě)成：

假設(shè)調(diào)度期的泄流過(guò)程q2逐時(shí)段連續(xù)計(jì)算V2，通過(guò)水位-庫(kù)容（H-V）關(guān)系推求庫(kù)水位過(guò)程。

3）水位控制調(diào)度模型。水位控制調(diào)度模型關(guān)注水量平衡中的Vt因子，將控制水位作為控制約束條件，其目標(biāo)是在保證庫(kù)水位控制的前提下，使水庫(kù)的下泄量最小。模型計(jì)算的控制條件包括：汛限和調(diào)度期最高控制水位。模型求解準(zhǔn)則為：a）水庫(kù)剛漲水時(shí)，庫(kù)水位未達(dá)到汛限水位，出庫(kù)流量等于當(dāng)前出庫(kù)流量；b）隨著入庫(kù)流量不段增大庫(kù)水位也不斷增高，當(dāng)庫(kù)水位達(dá)到汛限水位時(shí)，下泄流量等于入庫(kù)流量；c）當(dāng)入庫(kù)流量進(jìn)一步增加達(dá)到并超過(guò)調(diào)度期最高控制水位時(shí)按泄洪能力泄流；d）當(dāng)庫(kù)水位回落到控制水位后，來(lái)多少泄多少，即泄洪流量等于入庫(kù)流量。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 流域水庫(kù)概況

霍童溪位于福建省東北部，上游主流棠口溪，發(fā)源于政和、屏南、周寧3縣交界的鷲峰山脈東麓，自西北折向東南流經(jīng)屏南縣的嶺頭、棠口等地，沿途有金造溪、后垅溪等支流匯入，棠口溪和后垅溪于金鐘渡匯合后稱霍童溪干流，再向東流經(jīng)寧德市區(qū)及、霍童、九都、八都等鄉(xiāng)鎮(zhèn)后注入三沙灣?；敉骱拥篱L(zhǎng)126km，流域面積2244km2，平均坡降 6.2‰[6]。

流域內(nèi)主要有后壟一二級(jí)、溪尾、洪口等大中型水庫(kù)，設(shè)有禮門(mén)、嶺下等15個(gè)遙測(cè)雨量站。水情預(yù)報(bào)調(diào)度信息來(lái)自于流域內(nèi)遙測(cè)雨水情站網(wǎng)?；敉饔虼笾行退畮?kù)及遙測(cè)雨水情站網(wǎng)如表3所示。

表3 霍童溪流域水情遙測(cè)站網(wǎng)表

3.2 預(yù)報(bào)調(diào)度實(shí)例

2009年8月7～10日流域內(nèi)有1次降雨過(guò)程累積降雨191mm，流域時(shí)段平均最大降雨11mm/h，出現(xiàn)在 2009-08-09T10:00。洪口水庫(kù)預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)（2009-08-09T10:00）水位 158.40m，依據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果 2009-08-10T06:00洪口水庫(kù)水位將達(dá) 162.77m 超汛限水位（162.70m），并仍有上漲趨勢(shì)，按調(diào)度規(guī)則需棄水泄洪。調(diào)整調(diào)度方案，提前加大發(fā)電流量至253m3/s，進(jìn)騰庫(kù)發(fā)電，庫(kù)水在計(jì)算時(shí)段（24h）內(nèi)漲至162.09m 未達(dá)汛限水位。這樣在計(jì)算的24h 內(nèi)可少棄水1093萬(wàn) m3，多發(fā)電2400MW。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)的水庫(kù)調(diào)度多以防洪為重，未考慮洪水的資源性，水庫(kù)調(diào)度僅關(guān)注汛期限制水位，在汛期，一旦發(fā)生水庫(kù)超過(guò)汛期限制水位即要求水庫(kù)泄流，降至汛期限制水位。這種粗獷式的調(diào)度往往造成洪水后干旱缺水的局面，嚴(yán)重影響水庫(kù)流域內(nèi)生產(chǎn)、生活及生態(tài)[7]。上述計(jì)算實(shí)例表明：應(yīng)用流域水庫(kù)群水資源調(diào)度系統(tǒng)可有效提高水資源利用率。

建國(guó)以來(lái)，我國(guó)建成的大中小型水庫(kù)總庫(kù)容約為450多億 m3。其中許多水庫(kù)兼有在防洪、灌溉、發(fā)電、航運(yùn)、養(yǎng)殖、城市及工業(yè)供水等多種功能。對(duì)于綜合利用的水庫(kù)，不同的用水目標(biāo)對(duì)水庫(kù)蓄水、泄水的水量和時(shí)間要求常常會(huì)發(fā)生沖突。例如，發(fā)電希望水庫(kù)泄流量越穩(wěn)定越好，在農(nóng)作物生長(zhǎng)期內(nèi)的農(nóng)業(yè)灌溉需要較多的水量，防洪則需要在預(yù)測(cè)到洪水到來(lái)時(shí)提前降低水庫(kù)的水位。因此，推廣使用流域水庫(kù)群水資源調(diào)度系統(tǒng)，可獲得兼顧各種需求的水庫(kù)調(diào)度方案，前景廣闊。

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