松花江流域水資源配置與調度系統(tǒng)的開發(fā)和應用

莫 鎧

（奧雅納工程咨詢（上海）有限公司，上海 200031）

1 項目背景

進入21世紀以來，隨著我國社會經濟發(fā)展和人口逐步增加，社會對水資源的需求越來越大，造成區(qū)域水資源供需不平衡，水資源短缺和人民生產生活用水之間的矛盾日益突出。全國660個城市中有400個供水不足，其中有110個城市嚴重缺水[1]。水資源已成為制約社會和經濟持續(xù)、健康發(fā)展的瓶頸，為此全國各個流域已逐步開展水資源方面的研究[2-6]。

哈爾濱是我國東北地區(qū)北部最大的中心城市，水資源特征是自產水偏少，過境水較豐，時空分布不均。雖然松花江干流由西向東貫穿哈爾濱市中部，是哈爾濱市灌溉量最大的河道，但在過去的幾十年中，由于人們的水資源保護意識不強，對生態(tài)資源保護力度不夠，哈爾濱地下水資源處于超量開采狀態(tài)，松花江上游大片森林植被逐漸減少，造成水資源量以驚人的速度減少；此外，由于受全球氣候變化的影響，松花江流域降雨量和降雪量不斷減少，而居民、工業(yè)用水等各類用水的總量卻在不斷增加，客觀造成該區(qū)域水資源供需矛盾。因此，即便哈爾濱市建設了大型區(qū)外引水工程——磨盤山水庫供水工程，并且通過松花江上游水庫電站蓄水為下游用水戶輸水，也無法從根本上改變哈爾濱缺水的現(xiàn)狀。為了緩解城市供水緊張的狀況，有效地解決松花江流域水資源供需矛盾的問題，流域管理機構迫切需要利用綜合性管理工具對水資源進行科學、合理地規(guī)劃和調配，而能夠管理海量數(shù)據(jù)、具有統(tǒng)一應用平臺、能夠實現(xiàn)方案模擬和預測功能的松花江流域水資源配置和調度系統(tǒng)無疑是非常符合這一要求的。國內多個流域的案例證明水資源模型和綜合管理系統(tǒng)在流域規(guī)劃和水資源配置過程中起著重要的作用[7-13]。

2 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)資料

2.1 研究區(qū)概況

松花江流域水資源配置與調度系統(tǒng)的研究范圍是松花江流域哈爾濱斷面以上的區(qū)域，包括嫩江、第二松花江流域，以及松花江干流的上游段（三岔河至哈爾濱區(qū)間），地跨黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古4省（自治區(qū)）的哈爾濱市，長春市，吉林市，撫順市，松原市等在內的20個地級市。整個流域兩源上中游段為山區(qū)、丘陵地帶，下游及干流部分為平原，流域內還包括松花江、嫩江、訥漠爾河、雙陽河、霍林河等數(shù)十條河流，以及許多湖泊、沼泡和水庫。

研究區(qū)地處東亞大陸東緣中緯度地帶，屬北溫帶大陸性氣候區(qū)。春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季很短，冬季寒冷漫長。多年平均氣溫 3～5℃，最高 40℃ 以上，最低氣溫 -42.6℃。多年平均降水量在500mm 左右，東南山區(qū)多雨，達 700～900mm，西北干旱地區(qū)少雨，僅400mm。年內分配不均，汛期（6—9月）降水占全年降水量的 60%～80%，冬季多雪，降水量占全年降水量的 5% 左右。區(qū)域內易發(fā)生洪水，分為春汛和夏汛。降雨年際變化較大，最大年降水量約為最小年降水量的3倍，且有連續(xù)多年豐水年或枯水年交替出現(xiàn)的情況。無霜期北部較短，一般 110～150d，南部為 150～180d。河流的封凍期一般在10月中旬至11月下旬，解凍期一般在3月中旬至4月中旬，河流封凍時間北部及高寒山區(qū)為 130～180d，南部為 85～130d，冰厚一般為 0.5～1.0m，最厚可達 1.5m。凍土深度北部為 1.7～3.0m，南部為 0.9～2.0m。松花江流域多年平均地表水資源量為 734.70億 m3，地下水資源量和開采量分別 310.04和 116.80億 m3。

2.2 數(shù)據(jù)資料

系統(tǒng)包含的水資源和水動力模型的模擬結果需要相關實測數(shù)據(jù)才能進行率定和驗證，因此，項目的數(shù)據(jù)資料包括降雨、蒸發(fā)、溫度、水位、流量和用水數(shù)據(jù)等。由于人類活動的影響，水資源模型的驗證需要綜合考慮多種因素，因此需要盡可能長系列的流量和用水數(shù)據(jù)做分析。

本項目采用171個雨量站 1985—2005年的日降水記錄，采用14個蒸發(fā)站 1985—1998年的日實測蒸發(fā)數(shù)據(jù)，采用11個溫度站 1985—1998年的溫度觀測數(shù)據(jù)，采用區(qū)域內43個水文站 1985—2005年的實測日觀測流量數(shù)據(jù)。水位數(shù)據(jù)采用10個水文站的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)年份為1998和 2000年，水位觀測站屬性如表1所示。

表1 實測水位數(shù)據(jù)的水文站屬性表

此外，本項目通過采用水資源四級分區(qū)嵌套地級市標準劃分用水單元，總共劃分了72個用水單元，29個水庫上游分區(qū)。將每個用水單元的用水戶具體劃分為城鎮(zhèn)生活、農村生活、牲畜、第三產業(yè)（主要指服務業(yè)）、火核電等16種類型，且對應不同的回水規(guī)則，如表2所示，用水戶總數(shù)為1152個。用水數(shù)據(jù)包括2000和 2020年50% 和 75% 保證率，2030年50% 和 75% 保證率的用水戶需水過程線，以及相應的尾水回水比例系數(shù)。

表2 用水單元內的16類用水戶類型

研究區(qū)共包括22個重點引水和供水工程，河網、水庫和重點取水口位置如圖1所示，重點引水工程列表如表3所示。

圖1 河網、水庫和重點取水口位置圖

表3 重點引水工程列表

研究區(qū)內包括重點水庫39個，重點水電站5個。由于本項目采用 2000年為基準年，2000年的數(shù)據(jù)作為現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，用以驗證模型和系統(tǒng)的模擬精度。因此，將39個水庫分為以下幾類：2000年現(xiàn)狀水庫21個， 2003年規(guī)劃水庫2個，2007年規(guī)劃水庫1個，2020年規(guī)劃水庫12個，2030年規(guī)劃水庫3個，列表如表4所示。每個水庫對應有水庫特征水位、水庫特性曲線、水電站調度曲線等數(shù)據(jù)；而水電站則對應有尾水水位、出力系數(shù)、水頭損失等數(shù)據(jù)。由于缺少規(guī)劃資料，部分水庫總庫容采用經驗假設值。

3 系統(tǒng)框架

松花江流域水資源配置與調度系統(tǒng)，是集數(shù)據(jù)分析、方案模擬、趨勢預測、結果統(tǒng)計和圖表輸出等多功能為一體的管理多目標水資源的水利信息化應用平臺，主要目的是為了實現(xiàn)松花江流域內水資源的合理配置與科學調度，更有效地進行水資源的日常管理工作，并為今后流域水資源的規(guī)劃和有效調度提供可靠的技術支持。系統(tǒng)的主要功能是通過鏈接基礎數(shù)據(jù)庫的信息，在率定完成的模型方案基礎上修改參數(shù)，更新邊界條件，在水資源模型和水動力模型之間傳輸數(shù)據(jù)及派生模擬方案等，靈活、快速地演算水資源的時間和空間分布情況，得到不同規(guī)劃方案的模擬結果，并且根據(jù)流域水資源管理的需要，輸出各類統(tǒng)計圖表，以進行多方案比較與分析。

3.1 系統(tǒng)功能結構

松花江流域水資源配置與調度系統(tǒng)以國內廣泛應用的 DHI MIKE 系列（2008版）的 MIKE BASIN，MIKE11和 NAM 數(shù)學模型[14-27]，數(shù)據(jù)庫Microsoft SQL Server 2000，ArcGIS9.2為基礎，進行系統(tǒng)開發(fā)，構建了水資源配置、水資源調度、規(guī)劃方案模擬和結果統(tǒng)計展示4大功能，如圖2所示。在4個功能結構中，最重要的核心功能是水資源配置和調度，這2個功能將水資源配置和調度模型與降雨徑流模型、基礎數(shù)據(jù)庫、規(guī)劃方案編輯器相聯(lián)系，進行實時數(shù)據(jù)、文件的交換，既可以獨立地進行水資源配置或調度的方案模擬，也可以將宏觀水資源配置規(guī)劃的模擬結果作為水資源調度模型的用水邊界數(shù)據(jù)，與調度方案整合成一體，最終輸出研究結果，規(guī)劃方案流程示意圖如圖3所示。

3.2 系統(tǒng)框架組成

系統(tǒng)框架包括4個組成部分（框架如圖4所示），具體如下：1）模型部分。是整個系統(tǒng)的核心計算層，擔負著所有相關水資源輸入數(shù)據(jù)模擬計算的功能。該部分是將已經完成率定的模型作為模版放入系統(tǒng)中，以便規(guī)劃方案在該模型的基礎上進行修改。2）方案編輯部分。在已有率定模型的基礎上，根據(jù)客戶的規(guī)劃方案要求，進行各種方案的編輯和設定。并通過內部系統(tǒng)的連接，在 MIKE BASIN 與MIKE11之間進行數(shù)據(jù)傳輸。3）基礎數(shù)據(jù)部分。將基礎數(shù)據(jù)和模型中的圖形要素相關聯(lián)，或者根據(jù)規(guī)劃方案要求，對已有基礎數(shù)據(jù)進行修改、提取或插補延長等批處理。4）結果后統(tǒng)計部分。根據(jù)輸出結果的具體要求，訂制結果的表示形式，例如表格、圖形、報告等。系統(tǒng)的各個部分都具有相對獨立的功能和運算方式。最終系統(tǒng)按照客戶的需要將模型計算的各類結果綜合通過圖形和表格等形式，直觀地展示出來，為水資源管理提供技術支持。

表4 水庫和水電站列表

圖2 系統(tǒng)功能結構示意圖

3.2.1 水資源配置模型

圖3 系統(tǒng)規(guī)劃方案流程示意圖

圖4 系統(tǒng)框架圖

水資源配置模型是在哈爾濱斷面以上的嫩江、第二松花江流域，以及松花江干流上游段（三岔河至哈爾濱區(qū)間）的范圍內，搭建包含主干河道、用水單元、水庫、用水戶在內的綜合性水資源模型，主要研究水資源量的分配和供需平衡問題，能夠模擬降雨徑流陸相水文循環(huán)過程，將得到的子流域產匯流過程的結果作為天然徑流的邊界輸入條件，并且利用水資源配置模型研究水資源量變化趨勢的預測，根據(jù)用水戶取水優(yōu)先規(guī)則進行用水戶水量分配，研究地下水水位的變化趨勢，模擬水庫的運行調度，此外，還可以幫助流域機構進行日常水資源信息整理和流域規(guī)劃等工作。水資源配置的系統(tǒng)設置主要包括：子流域來水邊界、用水數(shù)據(jù)排頻計算、取水優(yōu)先級規(guī)則、重點取水口設置、水庫特征曲線、綜合水庫調度規(guī)則、面水資源損失量、地下水補給和方案結果統(tǒng)計分析等。

3.2.2 水資源調度模型

水資源調度模型是實現(xiàn)水量分配的具體方式，是執(zhí)行和落實水資源分配方案的過程，除了考慮水量從上游到下游的傳播時間、槽蓄作用等水動力因素的影響之外，還考慮主干河道沿程主要用水戶取水過程、取水優(yōu)先順序、水庫的調度規(guī)則等情況。水資源調度模型包括15個干流重點的和7個區(qū)間的取水口，而11個支流取水口的數(shù)據(jù)，則需要將水資源配置模型方案結果的用水戶取水過程線作為邊界輸入條件，通過系統(tǒng)平臺導入至水資源調度方案中。調水前與調水后模擬結果可以進行對比，多個不同調水方案之間也可以進行分析和評價。

3.2.3 率定和驗證

模型的率定是模型搭建過程中一個非常重要的步驟，目的是為了調整模型的各種設置和參數(shù)，從而達到令人滿意的結果再現(xiàn)，即使得模擬值與實測值的誤差和精度在可接受范圍內。模型的驗證，是在完成參數(shù)率定的基礎上，采用實測的邊界輸入數(shù)據(jù)進行運算，發(fā)現(xiàn)模型的不足和問題，進一步檢驗模擬結果的準確性。

對于水資源配置模型，根據(jù)數(shù)據(jù)收集情況，選擇 2000年的數(shù)據(jù)進行驗證，采用該年的降雨、用水等邊界數(shù)據(jù)作為輸入條件，進行方案模擬并得到結果。之后，采用白山、豐滿、石頭口門、太平池、星星哨、新立城和音河等各水庫的入流，水位和出流，以及另外17個水文站的實測流量數(shù)據(jù)進行模型驗證。考慮到實測數(shù)據(jù)的質量情況，模型驗證結果整體達到項目預期，部分用水單元的模擬結果由于受到降雨數(shù)據(jù)缺失、水庫調度規(guī)則的人工干預，以及區(qū)間誤差傳遞等因素的影響，與實測值存在一定誤差。

對于水資源調度模型，根據(jù)資料和研究區(qū)內已有水動力模型的率定信息，選擇 1998年的數(shù)據(jù)進行水動力和水文模型的率定，以及選擇 2000年的數(shù)據(jù)進行取水口用水數(shù)據(jù)和水動力模型的驗證。總體上模擬值與實測值趨勢一致，但部分率定點由于實測流量數(shù)據(jù)的不確定性和缺少支流取水口信息，造成兩者的誤差。

綜上所述，水資源配置和水動力等模型的率定和驗證結果，在研究區(qū)內現(xiàn)有實測資料的條件下，整體上與實測數(shù)據(jù)接近。如要進一步減小兩者之間的誤差，則需要相關單位提高實測數(shù)據(jù)的質量。

4 結語

為解決松花江流域的水資源供需矛盾，流域水資源規(guī)劃管理機構建立的綜合性水資源管理平臺，即松花江流域水資源配置與調度系統(tǒng)，集成了水文、水資源和水動力數(shù)學模擬軟件，利用計算機編程、GIS 和數(shù)據(jù)庫等技術，實現(xiàn)了流域內多用戶的水資源配置方案的模擬，動態(tài)反映了水資源供需情況，并且能夠對不同調度方案進行分析和評價，大大提高了松花江流域的水利信息化水平。此外，該系統(tǒng)對于解決流域內水利工程的調度、城市群水資源的再分配、地下水可利用資源的開采等問題，也具有非常重要的意義。

鑒于研究區(qū)內收集到的實測數(shù)據(jù)和水利工程信息的實際情況，系統(tǒng)中水資源配置和調度模型的率定和驗證結果整體上符合流域水資源管理的要求。現(xiàn)階段松花江流域水資源配置與調度系統(tǒng)開發(fā)已經完成了擬定的各項工作任務，為今后松花江流域水資源規(guī)劃和配置，特別是哈爾濱市的水資源區(qū)域化調度提供了強大的技術支持和應用平臺，從而能夠

[1] 張利平，夏軍，胡志芳.中國水資源狀況與水資源安全問題分析[J].長江流域資源與環(huán)境，2009,18（2）: 116-120.

[2] 戴仕寶，楊世倫.近 50年來長江水資源特征變化分析[J].自然資源學報，2006,21（4）: 501-506.

[3] 姚章民，張建云，賀瑞敏.珠江水資源預警體系的建立及應用研究[J].水文，2009,29（3）: 46-49.

[4] 胡國芬，梅愛冰，林德才.漢江中下游地區(qū)水資源管理問題初探[J].人民長江，2007,38（8）:91-93.

[5] 孫長江，王磊，吳俊秀.大凌河流域水資源現(xiàn)狀分析與可持續(xù)利用對策[J].南水北調與水利科技，2007,5（2）:46-49.

[6] 石磊，董平國.石羊河流域水資源管理與生態(tài)修復成效、問題與對策措施研究[J].水利與建筑工程學報，2012,10（4）:156-159.

[7] 賈仰文，王浩，周祖昊，等.海河流域二元水循環(huán)模型開發(fā)及其應用——I.模型開發(fā)與驗證[J].水科學進展，2010,21（1）: 1-8.

[8] 張平，趙敏，鄭垂勇.南水北調東線受水區(qū)水資源優(yōu)化配置模型[J].資源科學，2006,28（5）: 88-97.

[9] 裴源生，趙勇，王建華.流域水資源實時調度研究——以黑河流域為例[J].水科學進展，2006,17（3）: 395-401.

[10] 閆大鵬，馮久成，王玉明.黃河水量統(tǒng)一調度水資源配置效果評估[J].人民黃河，2007,29（5）: 11-12.

[11] 魏加華，王光謙，劉榮華.塔里木河流域水量調度決策支持系統(tǒng)[J].南水北調與水利科技，2009,7（1）: 17-21.

[12] 陶潔，左其亭.中原城市群水資源系統(tǒng)轉化關系及調配途徑研究[J].水電能源科學，2011,29（8）: 10-13.

[13] 陳曉宏，陳永勤，賴國友.東江流域水資源優(yōu)化配置研究[J].自然資源學報，2002,17（3）: 366-372.

[14] 顧世祥，李遠華，何大明，等.以 MIKE BASIN 實現(xiàn)流域水資源三次供需平衡[J].水資源與水工程學報，2007,18（1）: 5-10.

[15] 王瑞蘭.基于 Mikebasin 的仁化縣數(shù)字抗旱預案編制技術[J].人民珠江，2007（4）:95-97.

[16] 熊瑩，張洪剛，徐長江，等.漢江流域水資源配置模型研究[J].人民長江，2008,39（17）:99-102.

[17] 吳俊秀，郭清.大凌河流域 MIKE BASIN 水資源模型[J].水文，2011,31（1）: 70-75.

[18] 王海潮，來海亮，尚靜石，等.基于 MIKE BASIN 的水庫供水調度模型構建[J].水利水電技術，2012,43（2）:94-98.

[19] 陳欣，顧世祥，謝波，等.MIKE BASIN 在水資源論證中的應用研究[J].中國農村水利水電，2009（10）: 8-11.

[20] 伍遠康，盧衛(wèi)，應聰惠，等.數(shù)值模擬在配水改善河道水質中的應用[J].水文，2011,31（3）: 56-59.

[21] 陳德敏，何建京，陳鳴.天然河道洪水演進數(shù)值模擬及動態(tài)可視化研究[J].人民長江，2012,43（2）: 54-57.

[22] 梁靈君，楊忠山，劉超.基于 MIKE11的北京市典型區(qū)域降雨徑流特征研究[J].水文，2012,32（1）: 39-42..

[23] 徐照明，何勇，吳良冰.深圳河防洪能力的研究[J].人民長江，2011,42（1）: 10-12.

[24] 蔣宏偉，董立巖.MIKE11模型在水資源管理中的應用[J].東北水利水電，2009，27（9）:42-43.

[25] 張洪剛，熊瑩，邴建平，等.NAM 模型與水資源配置模型耦合研究[J].人民長江，2008,39（17）: 15-17.

[26] 佘有貴.NAM 模型在珠江流域初步應用實踐[J].人民珠江，2005（3）: 34-37.

[27] 孫映宏，姬戰(zhàn)生，周蔚.基于 MIKE11HD 和 NAM 耦合模型在河流施工圍堰對防洪安全影響分析中的應用與研究[J].浙江水利科技，2009（2）: 30-34.