水資源通用調(diào)度軟件模型管理系統(tǒng)在石羊河流域水資源調(diào)度模型構(gòu)建中的應用

周偉達

（甘肅省石羊河流域水資源局，甘肅 武威 733000）

1 通用調(diào)度軟件模型管理系統(tǒng)介紹

水資源通用調(diào)度軟件所述的水資源調(diào)度，是指在流域機構(gòu)、省級開展水量調(diào)度，側(cè)重于資源調(diào)度，即在保證水利工程安全運行的前提下，以盡可能滿足各用水單元的用水需求為目標，制訂水源、水利工程對各用水單元的供水策略［1］。

作為通用調(diào)度軟件的重要組成部分，由中國水利水電科學研究院水資源研究所開發(fā)的水資源通用調(diào)度軟件模型管理系統(tǒng)，可以用于構(gòu)建滿足系統(tǒng)建設區(qū)域水資源調(diào)度需求的模型體系。模型管理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)匯集、網(wǎng)絡概化圖構(gòu)建、模型參數(shù)率定與配置、基本模型倉庫構(gòu)建4個步驟［2］。其中，數(shù)據(jù)匯集通過通用化的數(shù)據(jù)庫訪問接口，能根據(jù)各地的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)資料等的差異，可實現(xiàn)與任意關(guān)系數(shù)據(jù)庫的連接，將水資源調(diào)度模型所需要的數(shù)據(jù)接入模型管理系統(tǒng)，為模型計算提供數(shù)據(jù)支撐。網(wǎng)絡概化圖構(gòu)建模型管理系統(tǒng)提供一套可用于搭建水資源常規(guī)調(diào)度和水資源應急調(diào)度概化圖的可視化建模工具。模型參數(shù)率定與配置在所構(gòu)建模型概化圖的基礎上，配置匯水區(qū)、河道、水庫、閘泵等調(diào)度對象的調(diào)度模型及其參數(shù)，并提供可視化的參數(shù)率定功能［3］。基本模型倉庫可以為模型管理系統(tǒng)提供5類共計18個模型，5個類別的模型分別是徑流預報模型、河道徑流演進模型、水質(zhì)模型、水庫調(diào)度模型和統(tǒng)計分析模型。

2 研究區(qū)域概況及模型應用

2.1 研究區(qū)域概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，烏稍嶺以西，祁連山北麓，地處東經(jīng) 101°41′～104°16′、北緯 36°29′～39°27′。流域全長250 km，覆蓋范圍涉及3市（金昌市、武威市、張掖市）7縣區(qū)（金川區(qū)、永昌縣、涼州區(qū)、民勤縣、古浪縣、天祝藏族自治縣和肅南裕固族自治縣），總面積4.16萬km2，占甘肅省內(nèi)陸河流域總面積的15.4%。全流域建成100萬m3以上水庫15座，其中以大景峽、黃羊河、南營、西馬湖、紅崖山及金川峽等水庫較大。

從水源角度來講，石羊河流域水資源調(diào)度涉及地表水、地下水、外調(diào)水和回用水等多種水源；從用水角度來講，石羊河流域水資源調(diào)度涉及生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水等；從供水規(guī)則來講，石羊河流域水資源調(diào)度優(yōu)先使用回用水、地表水和外調(diào)水，最后使用地下水。

2.2 模型構(gòu)建

在水資源通用調(diào)度軟件模型管理系統(tǒng)中，采用點—線—面結(jié)合的方式，對石羊河流域水資源調(diào)度進行概化。其中，石羊河流域點要素包括9座水庫、1個重要斷面（蔡旗斷面）、16個地下水水源（模型中概化為邊界條件）、2個外調(diào)水源（模型中概化為邊界條件），線要素包括17條天然渠道、10條供水管道、16條退水渠道，面要素包括16個灌區(qū)（用水單元）、7個行政分區(qū)（用水單元），構(gòu)建水庫—河道—用水單元的石羊河流域水資源概化圖。采用模型管理系統(tǒng)對石羊河流域進行水資源調(diào)度包括以下步驟：①采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡，預報9座水庫（3座主要調(diào)度水庫和6座非主要調(diào)度水庫）2017年逐月入庫徑流；②基于徑流預報成果及水庫蓄變量，采用正算法、倒算法或經(jīng)驗公式法計算流域水庫可供水量；③采用基于社會經(jīng)濟指標、用水定額和用水效率的需水預測方法，確定行政分區(qū)的需水量，采用基于用水定額、用水效率和月分配系數(shù)的需水預測方法，確定灌區(qū)的需水量；④綜合考慮灌區(qū)回用水量、外調(diào)水量、水庫水量和地下水量，對流域可供水量和灌區(qū)用水需求進行供需平衡分析，確定灌區(qū)和行政分區(qū)的水量分配；⑤以滿足灌區(qū)和行政分區(qū)水量分配為主要目標進行水庫調(diào)節(jié)計算，從而制訂石羊河流域年調(diào)度計劃；⑥年調(diào)度計劃制訂后，根據(jù)月/旬來水預報及水庫盈虧情況評估水資源形勢，更新預留期需水計劃，滾動修正年調(diào)度計劃。

2.3 模型參數(shù)配置與率定

2.3.1 中長期徑流預報模型。在中長期徑流預報模型中，選取中國氣象局國家氣候中心（http://cmdp.ncccma.net/Monitoring/cn_index_130.php）提供的130項氣候系統(tǒng)指數(shù)（即88項大氣環(huán)流指數(shù)、26項海溫指數(shù)和16項其他指數(shù)）作為待選因子，選擇西營水庫水文站作為研究對象，采用相關(guān)系數(shù)法和主成分分析方法，確定預報因子。

運用水資源調(diào)度通用軟件模型管理系統(tǒng)提供的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型對石羊河流域進行年徑流預報，并將主成分分析方法選定的預報因子作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入條件，對西營水庫進行年徑流模擬預測。將1970—2004年作為模型率定樣本，2005—2016年為模型檢驗樣本。采用合格率QR作為預報精度的評價指標，合格率的定義參照《水文情報預報規(guī)范》，如式（1）所示。

式（1）中，M為預報值合格（預報值與實測值相對誤差在±20%之間為合格）的次數(shù)，N為檢驗期樣本總數(shù)。

2.3.2 水資源調(diào)度模型。在所構(gòu)建的石羊河流域水資源調(diào)度模型中，水庫優(yōu)化調(diào)度模型和用水單元水量平衡模型需要配置模型參數(shù)，涉及模型的參數(shù)配置如表1所示。

表1 石羊河流域水資源調(diào)度模型分類及其參數(shù)設置

2.4 模型結(jié)果分析

2.4.1 流域來水結(jié)果。根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，確定各座水庫月入庫流量。2017年，石羊河流域3座主要調(diào)度水庫（雜木、南營、西營）和6座非主要調(diào)度水庫（皇城、西大河、金川峽、黃羊、紅崖山和古浪）的月入庫徑流如圖1和圖2所示。

2.4.2 需水預測結(jié)果。在灌區(qū)需水預測模型中，采用農(nóng)業(yè)用水定額法，考慮灌溉水利用率、農(nóng)業(yè)灌溉系數(shù)的月分配系數(shù)，對灌區(qū)需水進行預測。

在行政分區(qū)需水預測模型中，根據(jù)社會經(jīng)濟指標，結(jié)合用水定額、用水效率，確定行政分區(qū)生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水量。2017年石羊河流域灌區(qū)/行政區(qū)需水量預測結(jié)果如表2所示。

表2 2017年石羊河流域灌區(qū)/行政分區(qū)需水量預測結(jié)果萬m3

2.4.3 水量調(diào)度結(jié)果。石羊河流域水利工程的一個重要節(jié)點是蔡旗斷面。蔡旗斷面位于民勤縣蔡旗鄉(xiāng)，蔡旗斷面的來水量決定民勤縣城市的生產(chǎn)、生活、生態(tài)水平，而民勤縣的生態(tài)水平又關(guān)系到武威市、石羊河流域甚至甘肅省的生態(tài)水平。

基于2017年石羊河流域來水預報結(jié)果和需水預測結(jié)果，確定石羊河流域水量分配結(jié)果和水量調(diào)度結(jié)果。2017年石羊河流域調(diào)水計劃結(jié)果如表3所示，滿足蔡旗斷面水量目標。2017年石羊河流域灌區(qū)/行政分區(qū)月水量平衡結(jié)果如表4所示。

表3 2017年石羊河流域調(diào)水計劃結(jié)果 萬m3

圖1 2017年石羊河流域主要水庫月入庫徑流過程

圖2 2017年石羊河流域非主要水庫月入庫徑流過程

表4 2017年石羊河流域灌區(qū)/行政分區(qū)水量平衡結(jié)果 萬m3

2.5 結(jié)果分析

從各灌區(qū)/行政分區(qū)水量平衡結(jié)果來看，石羊河流域可以基本保證生活和工業(yè)用水，但是農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水缺水嚴重，流域年缺水量為21 068.73萬m3。此外，3—9月的缺水量為19 038.76萬m3，占年缺水量的90%。

從各水庫水量平衡結(jié)果來看，古浪水庫年棄水量為0；紅崖山水庫、南營水庫、黃羊水庫、雜木水庫、西營水庫、皇城水庫和西大河水庫棄水量依次增加；金川峽水庫年棄水量最大，年棄水量為21 500萬m3。

3 結(jié)論

①應用通用調(diào)度軟件模型管理系統(tǒng)開展石羊河流域水資源調(diào)度研究工作，研究結(jié)果證明模型管理系統(tǒng)生成的水量分配方案和水量調(diào)度計劃，適用于石羊河流域，可為石羊河流域年水量調(diào)度方案編制和水資源調(diào)度管理提供技術(shù)支撐。

②開展石羊河流域水資源調(diào)度模型研究，對落實最嚴格水資源管理制度用水總量控制指標、實現(xiàn)流域水資源高效利用意義重大。