王快—西大洋水庫聯(lián)合調(diào)度研究

史長瑩，簡新平，李麗英

（1．黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080；2．河北工程大學(xué) 水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021；3．邯鄲縣水利局，河北 邯鄲 056100）

0 引 言

河北省的白洋淀是中國北方現(xiàn)存的最大的半封閉式淡水水體。它位于大清河水系中部，最終經(jīng)由渤海灣匯入黃海。流域總面積為31 500km2，其中上游流域大部分位于保定境內(nèi)，整個白洋淀淀區(qū)位于保定市安新縣和雄縣境內(nèi)［1］。淀區(qū)面積366 km2，包括一系列的自然低洼地和蘆葦濕地。雖然有9條河流注入白洋淀，但是只有府河和拒馬河有定期卻逐漸減少的水流［2］。

歷史上的白洋淀水域面積曾經(jīng)達(dá)到1 000km2以上，水量豐富，上游潴龍河、孝義河、唐河、府河、漕河、瀑河、清水河、萍河和白溝河等河流注入，史稱 “九河入梢”；下游湖水則經(jīng)淀東的趙北口東流，與海河相通。

自上世紀(jì)80年代起，氣候干旱、上游斷流、大量水庫修建、上游和周邊城鎮(zhèn)工業(yè)的興起等等，諸種復(fù)合因素，使得白洋淀陷入了持續(xù)近20a的干淀和污染的惡性循環(huán)。從2000年開始，白洋淀死魚事件頻頻見諸報端，爆發(fā)于2006年的，只不過是最新一輪污染惡果而已。

2005年底，河北省提出 《白洋淀及上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)總體規(guī)劃》。規(guī)劃提出，從2005～2014年，歷時10a，將投資80．5億元，實施26項治理工程，徹底改變 “華北之腎”白洋淀及其上游脆弱的生態(tài)環(huán)境。到2010年，使保定全市森林覆蓋率達(dá)到28%，治理水土流失面積將達(dá)到3 200 km2。保定市區(qū)污水集中處理率達(dá)到92%以上，縣級城鎮(zhèn)達(dá)到60%；建立白洋淀補(bǔ)水機(jī)制，確保白洋淀水位枯水年≥7．3m；在水位≥8．4m的情況下，淀內(nèi)大部分水質(zhì)達(dá)到并好于國家Ⅲ級水類標(biāo)準(zhǔn)［3］。

在這個總體規(guī)劃中，最被看好的是保定市與亞洲開發(fā)銀行的合作項目。該項目又稱白洋淀流域生態(tài)環(huán)境綜合管理和環(huán)境保護(hù)工程，包括綠色輸水廊道建設(shè)、污水處理廠、供水建設(shè)等24個子項目，項目總投資超過15億元。其中利用亞行貸款$1億，全球環(huán)境基金贈款$350萬。

該合作項目的核心子項目之一，即王快—西大洋水庫連通工程，通過王快水庫經(jīng)由西大洋水庫向白洋淀及保定市一畝泉水源地補(bǔ)水的跨流域引水工程。該工程橫跨曲陽、唐縣、順平、保定市和清苑，自王快水庫向西大洋水庫調(diào)水，再經(jīng)唐河灌區(qū)總干渠至魏村渡槽分為南北兩線：南線經(jīng)曲逆河、白草溝、保定市區(qū)內(nèi)河流 （包括西環(huán)堤河、一畝泉河、候河、護(hù)城河）及府河，形成向白洋淀補(bǔ)水的綠色通道，遏制白洋淀濕地萎縮，改善淀區(qū)生態(tài)環(huán)境；提高西大洋水庫的供水保證率，確保保定市供水安全；改善保定市區(qū)地上、地下水環(huán)境。北線仍沿唐河總干渠至蒲陽河渡槽，通過擴(kuò)建、新建部分引水渠至南伍侯回補(bǔ)入滲場，相機(jī)回補(bǔ)一畝泉地下水，緩解由于一畝泉水源區(qū)地下水超采過量造成的水文地質(zhì)環(huán)境惡化問題。王快水庫至白洋淀供水線路總長140km，魏村渡槽至一畝泉回補(bǔ)入滲區(qū)長度為20．75km［4］。工程建設(shè)總體布置見圖1。

圖1 王快—西大洋水庫連通工程總體布置圖Fig．1 General arrangement plan for the connection of Wangkuai Reservoir and Xidayang Reservoir

1 王快—西大洋水庫連通工程系統(tǒng)動力學(xué)模型

系統(tǒng)動力學(xué)分析的系統(tǒng)行為是基于系統(tǒng)內(nèi)部要素相互作用而產(chǎn)生的，并假定系統(tǒng)外部環(huán)境的變化不給系統(tǒng)行為產(chǎn)生本質(zhì)的影響，也不受系統(tǒng)內(nèi)部因素的控制。因此，系統(tǒng)邊界應(yīng)規(guī)定哪一部分要劃入模型，哪一部分不應(yīng)劃入模型，在邊界內(nèi)部凡涉及與所研究的動態(tài)問題有重要關(guān)系的概念模型與變量均應(yīng)考慮進(jìn)模型；反之，在界限外部的那些概念與變量應(yīng)排除在模型之外。

根據(jù)以上原則，確定王快—西大洋水庫連通工程系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖見圖2，據(jù)此建立系統(tǒng)動力學(xué)模型。

系統(tǒng)動力學(xué)的研究重點(diǎn)在于自反饋機(jī)制的系統(tǒng)動力學(xué)問題。為了研究系統(tǒng)的反饋結(jié)構(gòu)，首先要分析系統(tǒng)整體與局部的關(guān)系，進(jìn)而追索因果與相互關(guān)系，然后把它們重新聯(lián)結(jié)一起形成回路。回路的概念最簡單的表示方法是圖形，系統(tǒng)動力學(xué)中常用的是因果關(guān)系圖［5］。

圖2 王快—西大洋水庫連通工程系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig．2 System composition structural plan of the connection of Wangkuai Reservoir and Xidayang Reservoir

系統(tǒng)由相互聯(lián)系、相互影響的元素組成。在系統(tǒng)動力學(xué)中，元素之間的聯(lián)系或關(guān)系可以概括為因果關(guān)系，正是這種因果關(guān)系的相互作用，最終形成系統(tǒng)的功能和行為［6］。

應(yīng)該說明的是，簡單地把變量之間的因果關(guān)系定義為正相關(guān)關(guān)系和負(fù)相關(guān)關(guān)系，似乎缺乏科學(xué)方法驗證的嚴(yán)謹(jǐn)性，好在系統(tǒng)動力學(xué)的目的不在于證明變量之間的關(guān)系，而是設(shè)法提供一種協(xié)助解決問題的工具，進(jìn)一步的還有數(shù)量化的函數(shù)關(guān)系，以取代這些 “不那么嚴(yán)格”的定性分析［7］。王快—西大洋水庫連通工程系統(tǒng)因果關(guān)系簡圖見圖3。

圖3 王快—西大洋水庫連通工程系統(tǒng)因果關(guān)系簡圖Fig．3 System causal relations for the connection of Wangkuai Reservoir and Xidayang Reservoir

建立好王快—西大洋水庫連通工程系統(tǒng)動力學(xué)模型，并通過有效性檢驗后即可進(jìn)行仿真模擬。

模型的仿真運(yùn)行主要有以下幾種情況：

1）直接用歷史徑流系列作為王快—西大洋連通SD模型的輸入變量，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)仿真王快—西大洋水庫連通工程的運(yùn)行情況。

2）根據(jù)歷史徑流系列的統(tǒng)計特性，產(chǎn)生基于統(tǒng)計樣本的超長純隨機(jī)水文模擬徑流系列 （18 000個月徑流系列），作為王快—西大洋連通SD模型的輸入變量，研究工程在徑流不變的情況下的長期運(yùn)行特性。

3）將2）中的超長純隨機(jī)水文模擬徑流系列值減少10%，以研究工程在徑流不利情況下的運(yùn)行特性。

4）根據(jù)目前徑流變化趨勢，用本文在前面建立AR（1）子系統(tǒng)預(yù)測性的生成未來超長隨機(jī)徑流系列 （為便于對比、分析，也用AR （1）子系統(tǒng)生成18 000個月徑流系列），預(yù)估工程未來可能的運(yùn)行特性。

在Vensim中運(yùn)行王快—西大洋水庫連通工程系統(tǒng)動力學(xué)模型，經(jīng)過仿真，可以得到大量的模型仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。圖4就是采用超長純隨機(jī)水文模擬徑流系列作為模型輸入時連通渠段月流量仿真結(jié)果圖［8］。

應(yīng)該承認(rèn)，圖4由于數(shù)據(jù)點(diǎn)多達(dá)18 000個，圖片由于受顯示器和打印設(shè)備的限制而不能過大，圖形中曲線的變化規(guī)律已經(jīng)難以清晰辨認(rèn)。另一方面，采用超長純隨機(jī)水文模擬徑流系列作為模型輸入進(jìn)行仿真，其本質(zhì)是蒙特卡羅法。從理論上來說，蒙特卡羅方法需要大量的實驗。實驗次數(shù)越多，所得到的結(jié)果才越精確［9－10］。并且，蒙特卡羅方法主要關(guān)系到數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果。所以，長達(dá)18 000個月的仿真時間，是有利于問題的精確求解的。

圖4 采用超長純隨機(jī)水文模擬徑流系列作為模型輸入時連通渠段月流量仿真結(jié)果Fig．4 Monthly discharge simulation result taking long pure random hydrological simulation runoff series as model to input in connected canal section

2 模型仿真及結(jié)果分析

經(jīng)過仿真和數(shù)據(jù)分析，結(jié)果顯示：

1）直接用歷史徑流系列作為模型的輸入變量時，王快—西大洋兩庫聯(lián)合運(yùn)用，P＝50%、75%保證率向白洋淀及保定市可供水量均為2．0×108m3／a；在P＝50%保證率下，兩庫連通引水渠段王快水庫供水量為2．0×108m3／a，白洋淀入淀凈水量為1．28×108m3／a；一畝泉引水渠段引水量為0．9×108m3／a。

2）用基于統(tǒng)計樣本的超長純隨機(jī)水文模擬徑流系列 （18 000個月徑流系列）作為模型的輸入變量時，王快—西大洋兩庫聯(lián)合運(yùn)用，50%、75%保證率向白洋淀及保定市可供水量分別為2．01×108m3／a和1．98×108m3／a；在P＝50%保證率下，兩庫連通引水渠段王快水庫供水量為2．01×108m3／a，白洋淀入淀凈水量為1．30×108m3／a；一畝泉引水渠段引水量為0．901×108m3／a。

3）將2）中的超長純隨機(jī)水文模擬徑流系列值減少10%，作為模型的輸入變量時，王快—西大洋兩庫聯(lián)合運(yùn)用，50%、75%保證率向白洋淀及保定市可供水量分別為1．61×108m3／a和1．50×108m3／a；在P＝50%保證率下，兩庫連通引水渠段王快水庫供水量為1．60×108m3／a，白洋淀入淀凈水量為0．99×108m3／a；一畝泉引水渠段引水量為0．708 1×108m3／a。

4）用AR（1）子系統(tǒng)預(yù)測性的生成未來超長隨機(jī)徑流系列 （18 000個月徑流系列）作為模型的輸入變量，預(yù)估工程未來可能的運(yùn)行特性是：王快—西大洋兩庫聯(lián)合運(yùn)用，50%、75%保證率向白洋淀及保定市可供水量分別為1．97×108m3／a和1．88×108m3／a；在P＝50%保證率下，兩庫連通引水渠段王快水庫供水量為1．96×108m3／a，白洋淀入淀凈水量為1．25×108m3／a；一畝泉引水渠段引水量為0．887 9×108m3／a。

可見，用歷史徑流系列作為模型的輸入變量，與用基于統(tǒng)計樣本的超長純隨機(jī)水文模擬徑流系列（18 000個月徑流系列）作為模型的輸入變量相比較，二者的仿真結(jié)果基本一致，可以理解為現(xiàn)狀海河流域年徑流特性不發(fā)生改變情況下，王快—西大洋水庫連通工程的效益情況。前者由于來自實測數(shù)據(jù)而可信度高，而后者由于計算量大而似乎更準(zhǔn)確一些。

將超長純隨機(jī)水文模擬徑流系列值減少10%，作為模型的輸入變量時的仿真結(jié)果說明，在減少入庫徑流量≤10%時，王快—西大洋水庫連通工程效益下降不多。

用AR（1）子系統(tǒng)預(yù)測性的生成未來超長隨機(jī)徑流系列作為模型的輸入變量時的仿真結(jié)果說明，在未來情況下，王快—西大洋水庫連通工程運(yùn)行效益將略有下降，但下降不多。這一結(jié)果與相關(guān)參考文獻(xiàn)中指出的海河流域年徑流量將可能減少的結(jié)論基本一致。王快—西大洋水庫連通工程運(yùn)行特性穩(wěn)定。

［1］保定市水利水電勘測設(shè)計院．王快—西大洋水庫連通工程可研報告 ［R］．保定：保定市水利水電勘測設(shè)計院，2006．

［2］袁軍鵬，袁吉棟，史長瑩，等．王快—西大洋水庫跨流域調(diào)水工程研究 ［J］．南水北調(diào)與水利科技，2007，5 （5）：151－153．

［3］樸麗芬．實施王快西大洋兩庫聯(lián)通對保定市區(qū)經(jīng)濟(jì)環(huán)境社會發(fā)展的影響 ［J］．河北水利水電技術(shù)，2004，（2）：3－4．

［4］魏秀英，張慧軍，王欣安，等．保定市一畝泉水源區(qū)地下水回補(bǔ)可行性分析 ［J］．河北水利水電技術(shù)，2003，（2）：15－17．

［5］韓宇平，阮本清，解建倉，等．串聯(lián)水庫聯(lián)合供水的風(fēng)險分析 ［J］．水利學(xué)報，2003，（6）：14－21．

［6］王其藩．系統(tǒng)動力學(xué) ［M］．北京：清華大學(xué)出版社，1994．

［7］蘇懋康．系統(tǒng)動力學(xué)原理及應(yīng)用 ［M］．上海：上海交通大學(xué)出版社，1988．

［8］簡新平．基于系統(tǒng)動力學(xué)的王快—西大洋水庫聯(lián)通工程研究 ［D］．邯鄲：河北工程大學(xué)，2009．

［9］MARQUEZ AC，BIANCHI C，GUPTA JND．Operational and financial effectiveness of collaboration tools in supply chain integration ［J］．European Journal of Operational Research，2004，159 （2）：348－363．

［10］DISNEY S M，POTTER A T，GARDNER B M．The impact of vendor managed inventory on transport operation ［J］．Transportation Research E，2003．39 （5）：363－380．