水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

□ 劉 超

2011年中央一號文件《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》（中發(fā)[2011] 1號），第一次提出要實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度，并把嚴(yán)格水資源管理作為加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的戰(zhàn)略舉措。一號文件明確提出水資源管理三條紅線：一是水資源開發(fā)利用控制紅線，嚴(yán)格實(shí)行取用水總量控制；二是用水效率控制紅線，堅(jiān)決遏制用水浪費(fèi)；三是水功能區(qū)限制納污紅線，嚴(yán)格控制入河湖排污總量。然而我國水資源管理基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，監(jiān)控手段缺乏，管理調(diào)度方式落后，直接影響“三條紅線”的劃定和實(shí)施，難以適應(yīng)最嚴(yán)格水資源管理制度的工作要求。為此，水利部提出利用三年左右時(shí)間，開展國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目，初步形成與實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度近期目標(biāo)相適應(yīng)的國家水資源監(jiān)控能力，為支撐水資源管理定量考核工作奠定基礎(chǔ)。水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)是國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目的重要組成部分之一，本文從水資源管理的角度提出了一種水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

水資源管理的重要任務(wù)之一是編制科學(xué)的水量調(diào)度方案，優(yōu)化配置水資源，緩解供需矛盾，使有限的水資源發(fā)揮最大的綜合效益。水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)以基礎(chǔ)信息資源整合為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為依托，以政策法規(guī)與安全體系為保障，充分利用GIS、遙感、GPS、數(shù)據(jù)庫、遠(yuǎn)程監(jiān)控、通信等信息化技術(shù)手段，為水資源管理和決策提供強(qiáng)有力的支持。本文水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)包括水資源規(guī)劃配置決策、水資源調(diào)度決策支持兩大功能模塊。

一、 水資源規(guī)劃配置

（一）模塊結(jié)構(gòu)

水資源規(guī)劃配置模塊主要包括水資源評估、需水預(yù)測預(yù)報(bào)、水量計(jì)劃調(diào)度、決策會商和遠(yuǎn)程調(diào)度五個(gè)部分。水資源規(guī)劃配置模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（二）模塊功能

圖1 水資源規(guī)劃配置管理模塊結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)首先對當(dāng)前水資源進(jìn)行評價(jià)，包括水資源數(shù)量評價(jià)、質(zhì)量評價(jià)、開發(fā)利用評價(jià)及可利用量評價(jià)等，進(jìn)而對未來的需水量預(yù)測、可供水量預(yù)測，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水量供需平衡分析和水資源優(yōu)化配置，并利用優(yōu)化目標(biāo)規(guī)劃模型等專業(yè)技術(shù)進(jìn)行科學(xué)調(diào)度，構(gòu)建以支持多層次數(shù)據(jù)集為特征，以充分挖掘數(shù)據(jù)中蘊(yùn)涵的知識為重點(diǎn)，以方法庫和知識庫的表現(xiàn)形式，模擬出各種條件下水資源的合理配置方案。水資源規(guī)劃配置管理模塊功能流程見圖2。

圖2 水資源規(guī)劃配置管理模塊功能圖

（1）水量分配：按不同頻率來水系列，對用水量和耗損量進(jìn)行分配。

（2）可供水量評價(jià)模型：分兩種情形進(jìn)行考慮，一是在現(xiàn)狀工程條件下，算出可供水量；另一個(gè)是根據(jù)配置好的方案，推出可供水量評價(jià)模型。

（3）需水預(yù)測模型：針對不同水平年，做流域需水預(yù)測成果。

（4）供需平衡分析：將流域缺水量、降水量等數(shù)據(jù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)出來，進(jìn)行供需平衡分析。

（5）對工程布局的影響分析：與流域工程布局結(jié)合起來，能反映供需平衡對工程布局的影響。比如：把概化圖靈活化，把供需平衡對其中某項(xiàng)工程的影響表現(xiàn)出來。

（6）評價(jià)模型：能夠針對某一選定的規(guī)劃配置方案，評價(jià)其對流域未來水資源變化情況的影響。

二、水資源調(diào)度決策支持

水資源調(diào)度決策支持模塊主要包括年度調(diào)度方案、月度調(diào)度方案、實(shí)時(shí)調(diào)度方案的編制等。根據(jù)主要來水區(qū)徑流預(yù)報(bào)、可供水量分配方案、不同時(shí)段最小下泄流量等情況，綜合運(yùn)用骨干水庫聯(lián)合調(diào)度模型、水資源實(shí)時(shí)調(diào)度模型、枯水期徑流演進(jìn)預(yù)報(bào)模型等調(diào)度方案自動生成模型體系，編制多套水資源調(diào)度預(yù)案并進(jìn)行綜合分析評價(jià)，供相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)決策。水資源調(diào)度決策支持模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 水資源調(diào)度決策支持模塊結(jié)構(gòu)圖

水資源調(diào)度決策支持模塊的關(guān)鍵是對水資源管理過程中的特定工作環(huán)節(jié)建立數(shù)學(xué)模型，以綜合計(jì)算各個(gè)因素的變化對方案的影響，模型的建立是進(jìn)行模擬仿真、調(diào)度演算的基礎(chǔ)。主要模型包括：枯水期徑流演進(jìn)預(yù)報(bào)模型、骨干水庫聯(lián)合調(diào)度模型、實(shí)時(shí)調(diào)度模型、河口生態(tài)系統(tǒng)模型、地下水動態(tài)監(jiān)視模型、水資源優(yōu)化配置模型、水資源承載能力多目標(biāo)分析模型、用水單元水量平衡模擬模型等等。

三、調(diào)度實(shí)施

（一）年計(jì)劃調(diào)度模塊

年計(jì)劃調(diào)度方案是在水資源規(guī)劃配置模塊的基礎(chǔ)上，結(jié)合年度來水分析和年度用水上報(bào)計(jì)劃編制而成的，年計(jì)劃調(diào)度方案應(yīng)具體到每月的調(diào)度結(jié)果。每年的年末做出下一個(gè)年度的水資源年計(jì)劃調(diào)度方案。包括年來水分析、年用水計(jì)劃管理、年調(diào)度方案編制、年調(diào)度方案評價(jià)、年計(jì)劃調(diào)度修正、年計(jì)劃調(diào)度總結(jié)等功能模塊。年度調(diào)度流程如圖4所示。

1.來水預(yù)報(bào)：采用多種方式做下一年的來水分析。

2.用水計(jì)劃：針對下一年度各地區(qū)用水計(jì)劃，能實(shí)現(xiàn)逐月按水資源分區(qū)或水功能區(qū)等統(tǒng)計(jì)用水量的功能。

3.用水分配和水量調(diào)度：需要包涵優(yōu)化調(diào)度模型。

4.方案評價(jià)：包括各個(gè)方案比較評價(jià)和上一年度的方案評價(jià)（調(diào)度期完成后）。

5.年計(jì)劃調(diào)度總結(jié)：包括來水預(yù)報(bào)評價(jià)、計(jì)劃用水的評價(jià)和水量結(jié)算（豐增枯減）結(jié)果作為指標(biāo)結(jié)轉(zhuǎn)到下一年。

6.年計(jì)劃調(diào)度修正：一般根據(jù)調(diào)度時(shí)長在汛期前或汛期后做修正，建議要有滾動的調(diào)度方案。比如：全年調(diào)度執(zhí)行過程中，一方面要比較與實(shí)際調(diào)度的偏差，另一方面要根據(jù)后期的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行年計(jì)劃調(diào)度修正。

圖4 年度調(diào)度流程圖

（二）月計(jì)劃調(diào)度

月計(jì)劃調(diào)度傾向于工程控制調(diào)度，要與取水口或用水戶關(guān)聯(lián)起來。與年調(diào)度相似，但區(qū)別在于：年調(diào)度側(cè)重于區(qū)域的分配；月調(diào)度對象的選擇更結(jié)合工程，對重點(diǎn)水庫、河流、閘、泵等工程考慮下個(gè)月的調(diào)度、取水和控制計(jì)劃。

（三）實(shí)時(shí)調(diào)度

實(shí)時(shí)調(diào)度方案的編制需要依賴骨干水庫聯(lián)合模型、實(shí)時(shí)調(diào)度模型等成果。在月計(jì)劃調(diào)度的基礎(chǔ)上，根據(jù)預(yù)報(bào)來水情況，將水資源的旬計(jì)劃調(diào)度細(xì)化到具體時(shí)刻的水資源調(diào)度。包括水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控、旬來水預(yù)測、實(shí)時(shí)調(diào)度和方案評價(jià)等功能模塊。

1.水資源實(shí)時(shí)監(jiān)測：水情、雨情實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)掌握水資源當(dāng)前形勢，為水資源實(shí)時(shí)調(diào)度服務(wù)。

2.旬來水預(yù)測：旬末時(shí)，利用水文預(yù)報(bào)模型，預(yù)測下一個(gè)完整旬區(qū)域的上邊界斷面、區(qū)間來水情況，預(yù)報(bào)時(shí)間步長為日及以下。

3.實(shí)時(shí)調(diào)度：概化本區(qū)域水資源調(diào)度相關(guān)的水系及水利工程，構(gòu)建水資源實(shí)時(shí)調(diào)度模型。根據(jù)水文模型預(yù)報(bào)的來水情況，以及旬調(diào)度方案，結(jié)合水資源調(diào)度相關(guān)規(guī)則，利用水資源實(shí)時(shí)調(diào)度模型對當(dāng)前的水資源進(jìn)行優(yōu)化配置。實(shí)時(shí)調(diào)度考慮各關(guān)鍵水利工程的可執(zhí)行調(diào)度方案，應(yīng)著眼于直接指導(dǎo)實(shí)際調(diào)度。實(shí)時(shí)調(diào)度的結(jié)果包括關(guān)鍵河流斷面、水庫的水文過程，以及取水口的取水流量過程。

4.方案評價(jià)：包括各實(shí)時(shí)調(diào)度方案比較評價(jià)、實(shí)時(shí)調(diào)度方案和旬計(jì)劃調(diào)度對比評價(jià)等。

四、結(jié)束語

從水資源管理需求的角度設(shè)計(jì)水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)，能夠更好的將系統(tǒng)用于水資源的優(yōu)化配置，更科學(xué)合理的調(diào)度水資源，本文所提出的功能結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方案對完善水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)具有參考意義，為全面落實(shí)最嚴(yán)格的水資源管理制度具有一定的積極作用。