謝 放
(浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院,浙江杭州 310002)
流域水資源規(guī)劃與管理決策支持系統(tǒng)應(yīng)用研究
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(浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院,浙江杭州 310002)
為盡快解決水資源合理開發(fā)利用和優(yōu)化配置問題,提高水資源保障能力??梢砸M(jìn)國外先進(jìn)的技術(shù)。本文結(jié)合實(shí)例,分析、總結(jié)和驗(yàn)證了流域水資源規(guī)劃與管理決策支持系統(tǒng)在浙江省的實(shí)用性,提出了進(jìn)一步工作的建議。
水資源;規(guī)劃管理;決策支持;系統(tǒng);引進(jìn)
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,水資源已成為最基礎(chǔ)、最具有全局和長遠(yuǎn)影響的重要戰(zhàn)略性要素資源。浙江省許多經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)都存在缺水現(xiàn)象[1],水資源已成為影響浙江部分區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活水平提高制約要素之一。如何采用國內(nèi)外先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)方法,提高水資源綜合利用的效益,保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)對水資源的要求,成為水利部門的重要工作之一。本項(xiàng)目是水利部“948”項(xiàng)目,在引進(jìn)流域水資源規(guī)劃與管理決策支持系統(tǒng)后,通過消化吸收、典型示范和二次開發(fā),在解決水資源合理開發(fā)利用、優(yōu)化配置和提高水資源保障能力等問題方面做了有益的工作。
由于水資源信息應(yīng)用的迅速增加,工作深度的大幅度加大,對水資源信息的質(zhì)量和數(shù)量等的要求越來越高,再采用傳統(tǒng)的方法很難滿足各級政府和社會(huì)發(fā)展的需要,迫切要求依靠現(xiàn)代高新技術(shù),建立高效的水資源信息共享平臺(tái),提高水資源信息應(yīng)用的科學(xué)性、合理性、可操作性,以及與其他行業(yè)如國土利用、環(huán)境保護(hù)、城市交通等的協(xié)調(diào)性,進(jìn)而盡快解決水資源合理開發(fā)利用和優(yōu)化配置問題,提高水資源保障能力。
國內(nèi)許多科研院所已經(jīng)展開了這方面的工作[2],浙江省在省水利廳領(lǐng)導(dǎo)下,一直在努力開發(fā)建設(shè)水資源優(yōu)化配置管理方面的信息系統(tǒng)和平臺(tái),但與國外先進(jìn)系統(tǒng)相比,尚存在一定的差距。在水利部引進(jìn)國際先進(jìn)水利科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目推薦會(huì)上,全世界這一領(lǐng)域著名的美國喬治亞理工學(xué)院喬治亞水資源研究所推出了基于GIS開發(fā)的流域水資源規(guī)劃與管理決策支持系統(tǒng)。
通過學(xué)習(xí)調(diào)研分析,可以看出,該系統(tǒng)在許多方面是我們能了解到的最先進(jìn)的、最符合浙江省實(shí)際情況的水資源信息管理系統(tǒng)。為此,在水利部的支持下,浙江省以“948”項(xiàng)目立項(xiàng)引進(jìn)流域水資源規(guī)劃與管理決策支持系統(tǒng)。
本項(xiàng)目的主要工作內(nèi)容為,在對流域水資源規(guī)劃與管理決策支持系統(tǒng)進(jìn)行消化、吸收基礎(chǔ)上,結(jié)合臺(tái)州市溫黃平原水利規(guī)劃,建立椒江流域水資源信息管理數(shù)據(jù)庫,對椒江流域相關(guān)水資源數(shù)據(jù)進(jìn)行集成管理,建立水資源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型,重點(diǎn)研究朱溪水庫與長潭水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型,提高長潭水庫下游供水能力和保證率,為椒江流域水資源可持續(xù)發(fā)展控制和可持續(xù)防洪規(guī)劃提供決策依據(jù)。然后在此基礎(chǔ)上,總結(jié)經(jīng)驗(yàn),升級系統(tǒng),進(jìn)行二次開發(fā)后,在全省推廣應(yīng)用。
流域水資源規(guī)劃與管理決策支持系統(tǒng)包含了幾乎所有水資源規(guī)劃與管理方面的主要功能。本項(xiàng)目的主要應(yīng)用有:一是對不同需求、約束、規(guī)則、政策進(jìn)行評估,為制定本區(qū)域水資源規(guī)劃與管理的中長期計(jì)劃提供科學(xué)依據(jù)。二是對選定的中長期計(jì)劃,制定對應(yīng)的最優(yōu)短期實(shí)施方案。同時(shí)解決四個(gè)方面技術(shù)難點(diǎn):一是中長期徑流預(yù)報(bào)技術(shù)可靠。二是系統(tǒng)隨機(jī)優(yōu)化算法實(shí)用快速。三是合理的模塊分層結(jié)構(gòu)和模塊間獨(dú)特的連接與集成技術(shù)。四是自動(dòng)多年模擬演算評估技術(shù)。
流域水資源規(guī)劃與管理決策支持系統(tǒng)中建立了一些先進(jìn)的分析計(jì)算模型,其中“歷史相似擴(kuò)展徑流預(yù)報(bào)法”利用當(dāng)前水文信息和有關(guān)聯(lián)的海洋溫度變化(厄爾尼諾現(xiàn)象),對流域最有可能的來水進(jìn)行預(yù)報(bào),使其預(yù)報(bào)時(shí)間提前 3~6個(gè)月。該方法是目前世界上最先進(jìn)的中長期徑流預(yù)報(bào)方法[3]。此方法在全世界多個(gè)地區(qū)均有應(yīng)用,可靠性超過 70%。同時(shí),本項(xiàng)目結(jié)合了中長期預(yù)報(bào)的自適應(yīng)調(diào)度模型,在分析研究后初步確定流域減少棄水、降低洪澇災(zāi)害、增加洪水轉(zhuǎn)化水資源的數(shù)量。
水資源規(guī)劃與管理決策支持系統(tǒng)能適應(yīng)水資源管理和應(yīng)用的各個(gè)階段,能很好地融入浙江省長期以來在水資源規(guī)劃設(shè)計(jì)研究工作中積累起來的基礎(chǔ)資料,并有可能無縫鏈接全省水資源發(fā)展規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(宏觀戰(zhàn)略、長遠(yuǎn)規(guī)劃、中長期規(guī)劃和建設(shè)規(guī)劃),資源配置規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(流域綜合規(guī)劃、防洪規(guī)劃、水資源綜合規(guī)劃、區(qū)域水資源配置規(guī)劃)等數(shù)據(jù)平臺(tái),將水資源的各類信息與成果在引進(jìn)的系統(tǒng)上仿真展示,使各個(gè)層次的用戶都能在一個(gè)模擬真實(shí)的虛擬環(huán)境中了解水資源規(guī)劃和優(yōu)化管理的詳細(xì)內(nèi)容,提高宏觀決策的正確性。
本引進(jìn)項(xiàng)目主要解決的關(guān)鍵問題有:浙江省全省有關(guān)水資源方面的巨量空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的存貯與處理;各類水資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析計(jì)算模型的建立與實(shí)現(xiàn);水資源規(guī)劃和優(yōu)化管理決策支持系統(tǒng)的建立;多水庫優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)。
圖1 計(jì)算范圍圖(臺(tái)州市椒江流域)
項(xiàng)目的研究分析實(shí)例選擇了浙江省臺(tái)州市椒江流域,根據(jù)該流域的供水特點(diǎn)、現(xiàn)狀及規(guī)劃供水基本情況,展開調(diào)試分析,并驗(yàn)證系統(tǒng)的適應(yīng)性。
(1)研究范圍。主要是臺(tái)州市椒江流域的溫黃平原、椒北平原。包括臺(tái)州市區(qū)、溫嶺市、玉環(huán)市、臨海市。永安溪和始豐溪上游水資源豐富,不作為水資源研究的重點(diǎn)。見圖1。
(2)供水特點(diǎn)。生活和重要工業(yè)用水由水庫供應(yīng)(通過管道);農(nóng)業(yè)灌溉和一般工業(yè)用水以河網(wǎng)為主,不足由水庫補(bǔ)充。
(3)現(xiàn)狀供水基本情況。優(yōu)質(zhì)水:臺(tái)州市區(qū)(含黃巖區(qū)、路橋區(qū)、椒江區(qū))由長潭水庫供應(yīng);玉環(huán)和溫嶺以當(dāng)?shù)刂行⌒退畮旃?yīng)為主。一般水:河網(wǎng)、永寧江閘上以水庫為主,長潭水庫及其他中小型水庫補(bǔ)充。溫黃平原供水現(xiàn)狀:河網(wǎng)水質(zhì)較差,甚至不能滿足灌溉要求。優(yōu)質(zhì)水嚴(yán)重不足,水資源供需緊張。
(4)規(guī)劃供水情況。供水范圍:溫黃平原及玉環(huán)縣。2020年水平年取:朱溪水庫+長潭水庫。
實(shí)例的概化圖如圖2所示。
圖2 椒江流域水資源系統(tǒng)概化網(wǎng)絡(luò)圖
項(xiàng)目的基礎(chǔ)資料有:椒江流域地圖、椒江流域水庫庫容水位曲線、水庫工程特性表、水庫最大下泄流量曲線及調(diào)度規(guī)則、水庫逐日入庫徑流過程等資料。具體內(nèi)容如下。
椒江流域地圖:包括了河流、高速公路、大型水庫、中型水庫、小型水庫、海域面等信息。
椒江流域水庫庫容水位曲線:含流域21座大、中、小型水庫的庫容水位曲線:里林、孟溪、下岸、十三都、碗廠、朱溪、方溪、里石門、龍溪、桐柏、黃龍、牛頭山、溪口、童燎、長潭、佛嶺、秀嶺、太湖、湖漫、小庫、里墩。庫容水位曲線的主要用途是在水庫水位給定時(shí),確定對應(yīng)的容量。此曲線在水庫調(diào)度管理中應(yīng)用非常廣。水庫的調(diào)度規(guī)則一般都是以水位為參考值,而水量平衡計(jì)算都是以庫容表示,二者的相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系曲線是不可缺少的基本數(shù)據(jù)。
水庫工程特性表:包括 21座水庫以下幾個(gè)重要的水位特征值:死水位、正常水位、最高水位、汛前限制水位、設(shè)計(jì)洪水位、興利水位。
庫最大下泄流量曲線及調(diào)度規(guī)則。
水庫逐日入庫徑流過程:包括 16座水庫的1961~2000系列降雨、蒸發(fā)、入庫徑流深過程。
系統(tǒng)的調(diào)試數(shù)據(jù)資料包括三個(gè)部分。
(1) 下岸、里林、朱溪、里石門、桐柏、龍溪、牛頭山、溪口、童燎、長潭、佛嶺、秀嶺、太湖、湖漫、里墩等水庫1961年到2000年的水庫入庫徑流深表格。
(2) 溫黃平原、永寧江北岸、椒北平原、玉環(huán)等地方的1961年到2000年的降雨蒸發(fā)徑流深資料。
(3) 臨海、仙居、天臺(tái)、三門、溫黃、玉環(huán)等地 1961年到 2000年的蒸發(fā)資料(以臨海為典型)。
在第一次調(diào)試計(jì)算分析后,對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行了調(diào)整,主要有。
(1) 分區(qū)(需水用戶)調(diào)整。
由于數(shù)據(jù)的完整性,把研究實(shí)例中8個(gè)需水用戶調(diào)整為7個(gè),即去掉“溫黃平原”。
(2) 河網(wǎng)調(diào)節(jié)調(diào)整。
在系統(tǒng)中增加考慮河網(wǎng)的調(diào)節(jié)問題。并按照如下原則操作:首先,把每個(gè)計(jì)算分區(qū)的河網(wǎng)概化為一個(gè)湖泊,輸入條件是逐日入湖泊的徑流量。其次,供需平衡計(jì)算時(shí),一般工業(yè)和農(nóng)業(yè)灌溉首先由河網(wǎng)供水,河網(wǎng)水位到達(dá)死水位,則由山區(qū)水庫供水。
(3) 個(gè)別水庫的入庫徑流調(diào)整。
規(guī)劃水庫的入庫徑流,建議直接移用周邊水庫的入庫徑流深過程乘以該水庫集水面積代替。
在第一階段調(diào)試成功后,整理輸入第二批資料,主要是13座水庫的特征水位值,包括死水位、臺(tái)汛限水位、梅汛限水位、興利水位、設(shè)計(jì)洪水位等。
同時(shí)還輸入了下述相關(guān)的資料。
方溪水庫泄洪建筑物為大壩溢洪道,設(shè)表層泄洪閘3孔,每孔凈寬為10m,總凈寬為30m。泄洪閘堰頂高程115m,調(diào)洪計(jì)算泄流公式為:
朱溪水庫選用有閘門控制溢流方式,設(shè)3孔單寬為12m、總凈寬36m的泄洪閘,堰頂高程為141m。泄洪閘泄流公式為:在數(shù)據(jù)資料滿足系統(tǒng)調(diào)試的要求后,根據(jù)椒江流域水資源方面的實(shí)際情況進(jìn)行模型修改、邊界條件重置和適應(yīng)性升級,以吻合椒江流域?qū)嶋H運(yùn)行情況。
在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)試完成后,直接應(yīng)用流域水資源規(guī)劃與管理決策支持系統(tǒng)自帶的功能,結(jié)合椒江流域?qū)嶋H情況,建立椒江流域水資源信息數(shù)據(jù)庫及水資源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。
(1) 椒江流域水資源信息數(shù)據(jù)庫:包括空間數(shù)據(jù)庫和時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫。其主要作用是存儲(chǔ)流域的地理信息和有關(guān)水文水資源觀測資料,利用 MS ACCESS管理。時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫選擇支持多用戶遠(yuǎn)程服務(wù)的開放式數(shù)據(jù)管理軟件SQL SERVER。此外,應(yīng)用系統(tǒng)本身功能強(qiáng)大且使用方便的水文數(shù)據(jù)分析工具,快速地對時(shí)間序列進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)分析和處理,為應(yīng)用模型準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)。
(2)水資源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型:根據(jù)預(yù)報(bào)的徑流信息和水庫當(dāng)時(shí)的水位狀態(tài),在滿足河流控制站點(diǎn)最小流量約束以及供水需求的條件下,系統(tǒng)自動(dòng)生成水資源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型制定出最佳的水庫蓄放和供水決策。針對特定的流域,將重點(diǎn)研究長潭水庫與朱溪水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度時(shí),對長潭水庫下游供水能力和保證率的影響。同時(shí),研究朱溪至長潭跨流域調(diào)水后,對朱溪水庫下游徑流過程影響。
本項(xiàng)目主要特點(diǎn)是建立了適合實(shí)例實(shí)際情況的多水庫優(yōu)化模型、水資源優(yōu)化管理和調(diào)度模型和多年模擬演算評估模型等三大模型,基本解決多庫多年水資源優(yōu)化管理調(diào)度的模型建立難題。
多水庫優(yōu)化調(diào)度模型。多水庫優(yōu)化的目的是確定每個(gè)水庫的運(yùn)行方式以期獲得整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)化。該模塊以徑流預(yù)報(bào)模塊的結(jié)果為輸入,包含河流/水庫仿真模塊??赡艿膬?yōu)化目標(biāo)包括:滿足系統(tǒng)內(nèi)所有結(jié)點(diǎn)的供水需求;使水資源短缺達(dá)到最小;滿足最低流量的要求;盡量減少棄水;獲得最大的保證和平均電量。
城市與農(nóng)業(yè)水資源規(guī)劃與管理模型。此模塊根據(jù)土壤的構(gòu)成及當(dāng)?shù)貧庀蟮奶卣?,對不同的農(nóng)作物的生長期制定出最佳的灌溉方案。本模型可以用來估算水資源對農(nóng)業(yè)的回報(bào);確定農(nóng)業(yè)和其他水用戶的權(quán)衡關(guān)系;優(yōu)化土地使用;評估或降低天氣變化對農(nóng)作物的帶來的不利影響。
系統(tǒng)中長期運(yùn)行計(jì)劃模擬技術(shù)。中長期計(jì)劃是制定今后幾個(gè)月或一年內(nèi)每周的運(yùn)行管理方案,短期運(yùn)行是決定今后一天或一周內(nèi)每小時(shí)的控制決策。二者的目標(biāo)一致,但求解手段和所面臨的約束卻不一樣。中長期計(jì)劃的結(jié)果用來指導(dǎo)短期運(yùn)行的操作,短期運(yùn)行的實(shí)施操作的結(jié)果用來對中長期計(jì)劃的調(diào)整和修正。二者相互連接,缺一不可。中長期優(yōu)化管理模型是決策系統(tǒng)的上層,它的優(yōu)化潛力大(時(shí)間和空間)。引進(jìn)項(xiàng)目是一個(gè)將中長期預(yù)報(bào)、中長期計(jì)劃、短期運(yùn)行有機(jī)集于一體的系統(tǒng)。此系統(tǒng)的特點(diǎn)是自適應(yīng)、滾動(dòng)刷新。
自動(dòng)多年模擬演算評估技術(shù)。自動(dòng)評估系統(tǒng)管理方式的合理性;計(jì)算預(yù)報(bào)模型的改善對系統(tǒng)帶來的效益;考慮大氣變化對局部地區(qū)的水資源及其管理的影響;同時(shí)也對不同的系統(tǒng)約束(灌溉,城市供水,水質(zhì)改善,防洪要求等)影響系統(tǒng)運(yùn)行及效益進(jìn)行優(yōu)化;評估大型水利工程和各種水資源分配方案對自然環(huán)境、生態(tài)平衡、地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展的影響。
系統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)庫管理模塊的應(yīng)用也是本項(xiàng)目的主要成果,引進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫包括空間數(shù)據(jù)(土壤構(gòu)成、流域邊界、氣象數(shù)據(jù)、地面觀測點(diǎn)信息、衛(wèi)星圖片等)、系統(tǒng)參數(shù)(水庫參數(shù)、發(fā)電設(shè)備等)及時(shí)間數(shù)據(jù)(徑流、降雨、城市及農(nóng)業(yè)供水、水庫泄流及發(fā)電等)。這些數(shù)據(jù)庫與當(dāng)前流行的各種商業(yè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)兼容。其空間屬性庫可以通過ArcGIS空間數(shù)據(jù)庫引擎進(jìn)行開發(fā)和管理。系統(tǒng)還通過集成這些數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為數(shù)據(jù)維護(hù)、分析及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制提供了簡單直觀的圖形界面和方便的工具。
本項(xiàng)目取得的經(jīng)驗(yàn)有三個(gè)方面。
一是基礎(chǔ)資料是整個(gè)項(xiàng)目成功的關(guān)鍵,也是計(jì)算成果具有可靠精度的基礎(chǔ),因此,需要對資料進(jìn)行認(rèn)真反復(fù)的核查校對,以保證數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性。
二是該系統(tǒng)主要是針對美國當(dāng)?shù)厍闆r開發(fā)的,系統(tǒng)建設(shè)時(shí)要與軟件提供方進(jìn)行及時(shí)的溝通,以保證項(xiàng)目實(shí)施達(dá)到預(yù)計(jì)要求。
三是本引進(jìn)技術(shù)的實(shí)施一方面為全國水資源信息管理系統(tǒng)建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn),另一方面也為其他省市的建設(shè)做出典范。
項(xiàng)目所需收集的數(shù)據(jù)工作量大、周期長,個(gè)別關(guān)鍵參數(shù)如果沒有,必須要進(jìn)行實(shí)測,需要投入相當(dāng)大的人力,花費(fèi)比較多的時(shí)間。這些參數(shù)的缺失雖然也可以由軟件開發(fā)人員根據(jù)實(shí)際情況予以修正、升級軟件系統(tǒng),但為此花費(fèi)的費(fèi)用會(huì)更大。
系統(tǒng)成果的精度一定程度上取決于水文信息和有關(guān)聯(lián)的海洋溫度變化(厄爾尼諾現(xiàn)象),特別是后者的最新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲得需要一定的費(fèi)用。
水資源規(guī)劃與管理決策支持系統(tǒng)經(jīng)過消化、吸收并經(jīng)過二次開發(fā)后能為其他地區(qū)和省份所引用,能很好地融入浙江省長期以來在水資源規(guī)劃設(shè)計(jì)研究工作中積累起來的基礎(chǔ)資料,并有可能無縫鏈接全省水資源發(fā)展規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(宏觀戰(zhàn)略、長遠(yuǎn)規(guī)劃、中長期規(guī)劃和建設(shè)規(guī)劃),資源配置規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(流域綜合規(guī)劃、防洪規(guī)劃、水資源綜合規(guī)劃、區(qū)域水資源配置規(guī)劃)等數(shù)據(jù)平臺(tái)。將水資源的各類信息與成果在引進(jìn)的系統(tǒng)上仿真展示,能使各級政府在一個(gè)模擬真實(shí)的虛擬環(huán)境中了解水資源規(guī)劃和優(yōu)化管理的詳細(xì)內(nèi)容,提高宏觀決策的正確性。
由于浙江省屬經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),人口稠密,洪澇臺(tái)風(fēng)災(zāi)害頻繁,省內(nèi)各流域又是獨(dú)流入海,山區(qū)性、平原河網(wǎng)交錯(cuò),故有其特殊性,本引進(jìn)技術(shù)的實(shí)施一方面為全國水資源信息管理系統(tǒng)建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn),另一方面也為其他省市的建設(shè)做出典范。由于系統(tǒng)成果的精度對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量要求比較高,其適用性目前受到一定的限制,在根據(jù)我國的國情進(jìn)一步升級后可以很好的推廣應(yīng)用。
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1008-1305(2013)02-0027-05
10.3969/j.issn.1008-1305.2013.02.009
謝 放(1956年-),男,副總工程師,教授級高工。