淮河中游枯水期水量配置與調(diào)度技術(shù)綜合研究

王式成王敬磊劉方周喆王藝晗

淮河中游枯水期水量配置與調(diào)度技術(shù)綜合研究

王式成1，2王敬磊2劉方3周喆4王藝晗3

一、引言

淮河流域地處我國東部，是南北氣候、高低緯度和海陸相三種氣候過渡帶的典型地區(qū)，降水時空分布不均，年內(nèi)年際變化劇烈，水土資源分布不平衡。近年來，隨著國家和安徽省在淮河流域經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略和發(fā)展規(guī)劃的逐步實施，淮河干流重要河段淮南～蚌埠段經(jīng)濟社會進入快速發(fā)展時期，對水資源利用提出了更高的要求，該河段取用水量明顯增加，供需態(tài)勢變化顯著，呈現(xiàn)出枯水期發(fā)生頻次增加、持續(xù)時間延長、水量交換關(guān)系復(fù)雜多變的特點，導(dǎo)致干旱災(zāi)害范圍擴大、損失加重，給受旱區(qū)城鎮(zhèn)居民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境帶來嚴重影響。同時，由于缺乏淮河枯水期水量配置與調(diào)度方案，淮干水資源得不到合理高效使用，更無法實施科學(xué)水量調(diào)度，解決淮干水資源分配與調(diào)度問題已成當務(wù)之急。

鑒于研究區(qū)域在淮河流域的重要性、典型性以及干旱缺水對區(qū)域經(jīng)濟社會的影響，為使枯水期淮河水資源得到有效利用，解決好上下游、省際間的用水矛盾，提高流域機構(gòu)水資源管理水平，科學(xué)合理地配置與調(diào)度枯水期淮河干流水資源，研究開展淮河水系枯水期水資源利用技術(shù)及水量調(diào)度實施技術(shù)，加強枯水期水量調(diào)度與管理勢在必行。

二、研究目標與內(nèi)容

1.研究目標

本研究圍繞提高淮河水系枯水期水資源利用效率這個核心，合理配置枯水期淮河干流水資源，科學(xué)調(diào)度淮河水量。通過實施淮河水系枯水期水量調(diào)度，充分挖掘供水潛力，并協(xié)調(diào)好地區(qū)間、部門間、用水戶間的用水關(guān)系，解決好上下游、省際間的用水矛盾，保障枯水期沿淮城市生活用水和重要工業(yè)用水的安全，最大限度減少干旱缺水對經(jīng)濟、社會發(fā)展的影響，保障區(qū)域經(jīng)濟安全、淮河干流生態(tài)安全，以水資源的可持續(xù)利用支持該地區(qū)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，為該河段枯水期水量應(yīng)急調(diào)度、水資源管理提供技術(shù)支撐。

2.研究內(nèi)容

本次研究按照科學(xué)的邏輯組織和技術(shù)路線展開，主要研究內(nèi)容如下：

（1）淮河中游枯水期水資源系統(tǒng)解析、多水源演變規(guī)律、水資源開發(fā)利用及供需態(tài)勢研究。

（2）淮河中游枯水期水資源配置及調(diào)度水源條件、工程條件研究，淮河中游枯水期各控制斷面不同典型年、不同頻率來水量及可利用量研究。

（3）構(gòu)建淮河中游枯水期基于分行業(yè)用戶滿意度的水資源配置模型；開展多枯水組合情境下，多邊界多控制要素的水資源配置技術(shù)研究。

（4）淮河中游枯水期不同水平年、不同保證率的水資源調(diào)度技術(shù)研究，擬定一般枯水期多維臨界調(diào)度與特殊枯水期預(yù)警、應(yīng)急調(diào)度實施方案。

（5）開發(fā)淮河中游枯水期水資源配置及調(diào)度可視化管理系統(tǒng)，制定水資源監(jiān)測方案、水資源調(diào)度管理制度與保障體系。

三、研究成果

1.淮河中游枯水期水資源演變規(guī)律

重點解析淮河中游枯水期水資源系統(tǒng)、典型斷面枯水期徑流演變及動態(tài)模擬，首次采用時序變化分析法、趨勢性和突變分析法和多尺度周期性檢驗方法，分別對魯臺子、蚌埠站的全年降水、汛期降水、非汛期降水進行分析，揭示淮河中游枯水期水資源演變規(guī)律。

（1）降水演變特征

首次采用時序變化分析法、趨勢性和突變分析法和多尺度周期性檢驗方法，分別對魯臺子、蚌埠站的全年降水、汛期降水、非汛期降水進行分析，揭示了降水變化規(guī)律。魯臺子站年平均降水量在20世紀70年代和90年代的降雨量偏少，而50年代和21世紀初則偏多，尤以進入21世紀后偏多更甚。蚌埠站年平均降水量在60年代和70年代的降雨量偏少，而90年代和21世紀初則偏多，尤以進入21世紀后更甚。

（2）徑流演變特征

通過三種小波Mexcian hat小波、Morlet小波和cmor2-1小波的比較找到了cmor2-1小波對魯臺子站1951～2012年徑流資料分析周期變化最有效，從趨勢來看整體呈減少趨勢，減少速率為0.68億m3/a，在1986年之前徑流量變化周期為10年左右，1986年之后徑流量變化周期為20年左右。根據(jù)蚌埠站歷年年徑流資料，得出其年徑流總體上同樣呈下降趨勢，下降的趨向率為2.47億m3/a。且經(jīng)分析，兩站徑流系列趨勢一致、變異點一致。

根據(jù)蚌埠（吳家渡）水文站1950～2012年年徑流資料，經(jīng)過季節(jié)性Kendall檢驗，分析得出其年徑流量下降趨勢顯著，魯臺子站年平均減少速率為0.68億m3/a，蚌埠站年平均減少速率2.47億m3/a，趨向率為24.76×108m3/10a。采用馬爾科夫（Markov）法分析天然徑流量進行轉(zhuǎn)移概率，揭示蚌埠站年徑流量豐平枯狀態(tài)轉(zhuǎn)移特性，即淮河蚌埠站年徑流在長期豐枯狀態(tài)的概率轉(zhuǎn)變中，平水年的自轉(zhuǎn)移概率較大，即平水態(tài)自保守性強；概率轉(zhuǎn)移分析顯示，年徑流處于豐水和偏豐水的初始狀態(tài)，向偏枯水年轉(zhuǎn)移的概率較大；年徑流處于平水、偏枯水年和枯水年的初始狀態(tài)，向平水年轉(zhuǎn)移的概率較大。

2.水資源開發(fā)利用及供需態(tài)勢狀況

通過剖析不同水平年、不同枯水組合情境下的水資源開發(fā)利用情況、可利用量、受旱典型年缺水量及水資源供需態(tài)勢，得到結(jié)論如下：

（1）淮河中游水資源可利用總量為200.7億m3，可利用率為51.8%；連續(xù)3個月枯水期可利用總量39.3億m3，可利用率為72.6%；連續(xù)5個月枯水期地表水可利用總量64.5億m3，可利用率為65.5%。

（2）通過對區(qū)域受旱典型年分析，蚌埠閘上區(qū)域在受旱典型年平均缺水量為5.46億m3，年最大缺水量為1978年10.5億m3，最小缺水量為2000年2.7億m3；蚌埠閘以下供水區(qū)域特旱年年平均缺水量2.32億m3，重旱年年平均缺水量0.158億m3。最大缺水為2001年，缺水量2.7億m3，年最小缺水為1988年，缺水量750萬m3。

（3）通過對不同年型需水缺水態(tài)勢分析，王蚌區(qū)間連續(xù)3個月枯水期現(xiàn)狀水平年20%、50%、95%和95%保證率下的缺水量分別為0、0.209億m3、1.265億m3和2.22億m3，連續(xù)5個月枯水期現(xiàn)狀水平年20%、50%、95%和95%保證率下的缺水量分別為0、0.399億m3、2.415億m3和4.242億m3。蚌洪區(qū)間連續(xù)3個月枯水期現(xiàn)狀水平年20%、50%、75%和95%保證率下的缺水量分別為0、0.044億m3、0.627億m3和0.759億m3；蚌洪區(qū)間連續(xù)5個月枯水期現(xiàn)狀水平年20%、50%、75%和95%保證率下的缺水量分別為0、0.084億m3、1.197億m3和1.449億m3。

3.枯水期水源條件分析

根據(jù)對蚌埠閘上區(qū)域水庫、湖泊洼地和外調(diào)水等水源條件進行分析，干旱期可向蚌埠閘上調(diào)水的水源主要為安徽省境內(nèi)的城東湖、瓦埠湖、高塘湖、芡河等上游沿淮湖泊洼地，蚌埠閘下河道蓄水，以及梅山水庫、響洪甸水庫和佛子嶺水庫；河南省境內(nèi)的宿鴨湖水庫、南灣水庫和鲇魚山水庫等重點大型水庫；江蘇省境內(nèi)的洪澤湖、高郵湖和駱馬湖；跨流域調(diào)水為南水北調(diào)東線工程等水源。根據(jù)對洪澤湖區(qū)域周邊水源條件分析，干旱期可向洪澤湖調(diào)水的水源主要為江蘇省境內(nèi)駱馬湖、高郵湖等湖泊蓄水；安徽省境內(nèi)的花園湖和蚌埠閘上蓄水；跨流域調(diào)水為南水北調(diào)東線工程等水源。

4.淮河中游重點斷面來水量動態(tài)預(yù)測

根據(jù)淮河臨淮崗以上的現(xiàn)狀用水狀況，建立了臨淮崗以上規(guī)劃來水分析模型，提出淮河干流臨淮崗以上區(qū)域現(xiàn)狀（2012年）和規(guī)劃水平年（2020年）50%、75%、95%以及多年平均保證率典型年規(guī)劃來水量，同時分析了不同時期不同枯水期頻率組合重點控制斷面規(guī)劃年來水量。

（1）現(xiàn)狀水平年2012年主要斷面規(guī)劃來水量

依據(jù)現(xiàn)狀水平年耗水情況對各典型年實測徑流量進行修正，得到各典型年現(xiàn)狀水平年規(guī)劃來水量，2012年淮干蚌埠閘50%的典型年規(guī)劃來水為299.9億m3，75%的典型年規(guī)劃來水為214.3億m3，95%的典型年規(guī)劃來水為43.9億m3。

（2）規(guī)劃水平年2020年淮干蚌埠閘斷面規(guī)劃來水量

采用各典型年實測徑流量，按規(guī)劃水平年耗水情況對其進行修正，得到不同典型年的規(guī)劃水平年2020年規(guī)劃年來水量，淮干蚌埠閘50%的典型年規(guī)劃來水為293.9億m3，75%的典型年規(guī)劃來水為208.3億m3，95%的典型年規(guī)劃來水為40.6億m3。

（3）特枯年和連續(xù)枯水年斷面規(guī)劃來水量

現(xiàn)狀水平年淮干蚌埠閘以上特枯年（1965～1966年）規(guī)劃來水為25.0億m3，特枯年（1977～1978年）規(guī)劃來水為43.9億m3；規(guī)劃水平年淮干蚌埠閘以上特枯年（1965～1966年）規(guī)劃來水為21.4億m3，特枯年（1977～1978年）規(guī)劃來水為40.6億m3。

特枯年1965～1966年和1977～1978年，淮干中渡斷面現(xiàn)狀水平年來水量分別是平水年份的18.8%和16.2%；規(guī)劃水平年來水量分別是平水年規(guī)劃來水量的17.7%和15.0%。

5.多枯水組合情境下水資源配置

首次利用Mike Basin模型和MOSCEM-UA優(yōu)化方法實現(xiàn)基于分行業(yè)用戶滿意度的枯水期水資源配置，提出不同水平年、不同保證、多枯水組合情境下的水資源配置方案。

（1）多邊界多控制要素水資源配置模型

采用MikeBasin模型對研究區(qū)域水資源系統(tǒng)進行了模擬，根據(jù)水量平衡原理，建立天然與人工水資源循環(huán)的二元水資源模型中各層次、各環(huán)節(jié)的水資源轉(zhuǎn)化遷移關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，進一步形成了二元水循環(huán)結(jié)構(gòu)上的降水、蒸發(fā)、產(chǎn)流、匯流動態(tài)過程以及來水、用水、蓄水的動態(tài)過程，為擬定水量配置方案研究提供參考依據(jù)。

（2）基于分行業(yè)用戶滿意度的水資源配置模式

研究區(qū)域水源、工程、用戶、調(diào)度方式、控制目標等要素關(guān)系，并根據(jù)區(qū)域水資源特點和各用水部門特點，分析了干流水資源的分配模式和需求，確定了水量配置的優(yōu)化目標和條件。

（3）枯水期水資源配置方案

依據(jù)水量合理配置模型系統(tǒng)，設(shè)定系統(tǒng)優(yōu)化配置方案，現(xiàn)狀水平年來水按實際來水量計算，規(guī)劃水平年2020年來水方案按現(xiàn)狀實際來水量扣減10%計算，2030年來水方案按現(xiàn)狀實際來水量扣減20%計算，蚌埠閘上正常蓄水位設(shè)定為18.0m，下限水位設(shè)為15.5m和16.0m；蚌埠閘下正常蓄水位設(shè)定為13.0m，起調(diào)水位按各個典型年份汛末實測水位和吳家渡測站多年平均汛末水位14.2m兩種情況考慮；洪澤湖汛限水位設(shè)定為12.5m，最低控制水位為11.3m。

6.基于MOSCEM-UA優(yōu)化的水資源調(diào)度模型

水量調(diào)度模型是在采用Mike Basin模型模擬不同情景下的水量配置方案基礎(chǔ)上，結(jié)合MOSCEM-UA優(yōu)化方法，將水資源系統(tǒng)中各類控制要素作為水量調(diào)度系統(tǒng)模擬分析的控制邊界和條件，建立了水資源量和水資源應(yīng)用的邏輯關(guān)系；根據(jù)水資源量和現(xiàn)有水量配置方案，充分考慮河道蓄水、湖泊洼地蓄水和洪澤湖調(diào)水情況，采用線性優(yōu)化計算方法，研發(fā)淮河干流（正陽關(guān)～洪澤湖）水資源優(yōu)化調(diào)度模型系統(tǒng)。根據(jù)淮河干流水量配置情況，擬定一般枯水期多維臨界調(diào)度與特殊枯水期預(yù)警、應(yīng)急調(diào)度實施方案。

7.枯水期水資源調(diào)度方案編制及實施

水量調(diào)度方案根據(jù)淮河流域水資源特性及國民經(jīng)濟各部門對水的需求特點，結(jié)合淮干水資源調(diào)度與展示模型優(yōu)化計算成果，研究制定一般枯水期多維臨界調(diào)度與特殊枯水期預(yù)警、應(yīng)急調(diào)度實施方案，為枯水期水資源調(diào)度提供依據(jù)。

8.枯水期水資源配置及調(diào)度管理系統(tǒng)

以水量配置模型為支撐，基于Microsoft Visual Basic 6.0平臺，結(jié)合ArcGis，開發(fā)水量調(diào)度管理平臺。將水資源優(yōu)化配置模型程序嵌入到水資源可視化展示平臺中，完成淮河干流（正陽關(guān)～洪澤湖段）水量調(diào)度與展示系統(tǒng)。

9.枯水期水資源監(jiān)測方案

通過實地查勘、資料收集，進行監(jiān)測站網(wǎng)布設(shè)，包括入（出）河湖控制斷面、重要取水口、農(nóng)業(yè)取水口、重要入河排污口和可利用水源監(jiān)測斷面這五方面，構(gòu)建監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，制定監(jiān)測管理保障措施，編制水資源監(jiān)測方案。

10.枯水期水資源調(diào)度管理制度及保障體系

就未來時期淮河流域水資源管理所需要的理念和思維方式轉(zhuǎn)變、流域管理目標體系、注重公眾參與流域管理、協(xié)調(diào)的工作機制研究、引入公共管理理論、加強與水相關(guān)的文化建設(shè)、構(gòu)建流域規(guī)劃與研究體系、加強流域水資源監(jiān)測和管理等方面進行思考與探討?；春痈闪魉Y源工程的建設(shè)、防洪工程的綜合利用等，為水資源的統(tǒng)一調(diào)度提供了條件，不同條件下的水量配置與調(diào)度方案也為水資源的調(diào)度與管理提供了依據(jù)。成果提出建立一套較為完善的水量調(diào)度管理制度和保障措施體系，以確保淮河干流水量配置方案和調(diào)度方案的順利實施。

四、成果創(chuàng)新性

1.創(chuàng)新點

（1）創(chuàng)建了淮河中游枯水期水資源系統(tǒng)解析與動態(tài)模擬預(yù)測技術(shù)，揭示了淮河中游枯水期多水源演變規(guī)律，剖析了不同水平年、不同枯水組合情境下水資源供需態(tài)勢，對淮河干流主要控制斷面枯水期來水量進行了預(yù)測。

（2）創(chuàng)建了基于分行業(yè)用戶滿意度的枯水期水資源配置模型，科學(xué)描述了淮河中游蚌埠閘、沿淮洼地、采煤沉陷區(qū)等多邊界多控制要素的復(fù)雜調(diào)控系統(tǒng)情景，提出了淮河中游多枯水組合情境下水資源配置方案。

（3）研發(fā)了一般枯水期多維臨界調(diào)度與特殊枯水期預(yù)警、應(yīng)急調(diào)度技術(shù)?；诨春恿饔蛘w調(diào)度規(guī)則，提出了淮河中游枯水期調(diào)度原則；耦合了MikeBasin模型和時間延遲的MOSCEM-UA優(yōu)化方法，構(gòu)建了調(diào)度模型，開發(fā)了應(yīng)用平臺。

2.掌握新規(guī)律與新特征

通過研究得到了以下新規(guī)律與特征：

（1）區(qū)域代表站、流域枯水期水文要素的特征與情勢。

（2）枯水期魯臺子、蚌埠閘的徑流演變規(guī)律。

（3）典型斷面枯水期不同典型年、不同頻率水量變化特征。

（4）正陽關(guān)～蚌埠閘、蚌埠閘～洪澤湖以及洪澤湖周邊枯水期不同枯水組合情境下的缺水量、缺水率、供需態(tài)勢。

（5）掌握了淮河中游多枯水組合情境下，多邊界多控制要素控制的水資源配置方案。

（6）枯水期研究區(qū)域9個水源的分布、可供水量。

五、結(jié)語

（1）本研究以2011年中央一號文件需求為指引，緊扣三條紅線控制指標、淮河流域最嚴格水資源管理制度要求，協(xié)調(diào)地區(qū)間、部門間和用水戶間的用水關(guān)系，為淮河流域的城市生活用水和重要工業(yè)用水的安全、區(qū)域經(jīng)濟安全、淮河干流生態(tài)安全提供技術(shù)支撐。成果應(yīng)用于流域水資源管理、水量調(diào)度、流域綜合規(guī)劃等多方面，應(yīng)用對象明確。

（2）成果系統(tǒng)性、創(chuàng)新性較明顯。本成果由科研、管理等多單位協(xié)作完成，國內(nèi)外尚未系統(tǒng)研究，成果內(nèi)容豐富、內(nèi)容間關(guān)聯(lián)好，系統(tǒng)性較強，既是一項填補淮河流域水量調(diào)度的系統(tǒng)研究成果，又是一項淮河流域水資源管理、供水安全及生態(tài)安全決策的應(yīng)用性成果。

（3）在水量配置與調(diào)度研究方面學(xué)術(shù)價值較高。系統(tǒng)開展了水量配置參數(shù)研究，采用MikeBasin模型模擬不同情景下的水量配置方案，并結(jié)合MOSCEM-UA優(yōu)化方法，使得配置方案適應(yīng)性更強。結(jié)合ARCGIS技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立了水量調(diào)度與展示模型平臺，豐富了水量配置與調(diào)度理論，學(xué)術(shù)討論活躍。

（4）成果實用性較強，應(yīng)用對象明確，應(yīng)用前景廣。在淮河流域其他類似地區(qū)具有較好的適應(yīng)性，成果已經(jīng)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，產(chǎn)生了良好的社會經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。同時，在水資源學(xué)科發(fā)展方面應(yīng)用前景廣闊，新方法和新成果對解決枯水期供水風(fēng)險和社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展技術(shù)的跨越和對城市水利技術(shù)的進步具有顯著的促進作用

（作者單位：1.淮河水利委員會水文局（信息中心）2330012.安徽淮河水資源科技有限公司2330003.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院2100984.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院2100098）