韓 鵬，張 銳

（水利部海河水利委員會，天津 300170）

海河流域水資源調(diào)度模型的設(shè)計及應(yīng)用

韓 鵬，張 銳

（水利部海河水利委員會，天津 300170）

闡述海河流域水資源監(jiān)控平臺中水資源調(diào)度模型的建立意義、設(shè)計目標(biāo)、工作方式。以引灤水資源調(diào)度模型為例，通過分析區(qū)域水量調(diào)度基本情況和特點(diǎn)，率定水資源調(diào)度模型中的輸入和輸出參數(shù)，分析資源調(diào)度模型設(shè)計，例舉出在信息查詢、方案管理、方案后評估方面的實際調(diào)度，監(jiān)控中心和分中心會商，信息查詢和管理、模擬仿真方面的決策支持等應(yīng)用功能。針對模型現(xiàn)存問題，提出增強(qiáng)模型應(yīng)用的貼合性、實時性和交互性等應(yīng)用建議。水資源調(diào)配模型將為流域開展水資源計劃、實時調(diào)度等提供決策支持，使流域水資源調(diào)度的運(yùn)行管理更趨于科學(xué)合理。

流域；水資源；調(diào)度模型；監(jiān)控平臺；會商；決策支持

0 引言

海河流域在我國七大流域中水資源開發(fā)程度最高，水資源短缺嚴(yán)重，流域生態(tài)環(huán)境惡化形勢嚴(yán)峻。流域水資源和用水系統(tǒng)十分復(fù)雜，要解決流域或區(qū)域的水資源聯(lián)合調(diào)度和優(yōu)化配置問題，目前尚無完全通用的模型或方法。因此，根據(jù)流域或區(qū)域特點(diǎn)開發(fā)水資源調(diào)度模型十分重要。

為推進(jìn)落實最嚴(yán)格水資源管理制度，2011年水利部啟動國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目。通過 3 a 建設(shè)，基本建立起覆蓋海河水利委員會（以下簡稱海委）和委直屬各管理局的，以水資源管理業(yè)務(wù)為核心的海河流域水資源監(jiān)控管理信息平臺。該平臺以水資源管理“紅線能顯、現(xiàn)狀能監(jiān)、管理有措、決策有助和應(yīng)急有策”為核心，其中水資源調(diào)配決策支持系統(tǒng)實現(xiàn)“決策有助”，為海河流域開展水資源計劃、實時調(diào)度等提供決策支持，在計劃層面進(jìn)行調(diào)控。

1 水資源調(diào)度模型的設(shè)計

國際上對水資源系統(tǒng)調(diào)度的研究，始于 20 世紀(jì)40年代 Masse[1]提出的水庫優(yōu)化調(diào)度問題。1985年，G.Yeh[2]把系統(tǒng)分析法在水資源系統(tǒng)調(diào)度中的研究和應(yīng)用歸納為線性、動態(tài)、非線性規(guī)劃及模擬技術(shù) 4種類型。我國在水資源系統(tǒng)調(diào)度方案研究方面起步較晚，但發(fā)展很快，20 世紀(jì) 60年代就開始進(jìn)行以水庫優(yōu)化調(diào)度為先導(dǎo)的水資源系統(tǒng)調(diào)度研究[3]。

水資源調(diào)度模型設(shè)計目標(biāo)為：面向水資源管理決策者需要，針對流域管理和調(diào)度決策特點(diǎn)，在地理信息系統(tǒng)環(huán)境支持下，實現(xiàn)調(diào)度形式分析、預(yù)案生產(chǎn)、方案評估和輔助決策等功能，使流域水資源調(diào)度的運(yùn)行管理和調(diào)度決策更趨于科學(xué)合理。

水資源調(diào)度模型提供模型語言工具和執(zhí)行模塊的存取、組合和運(yùn)行，通過與數(shù)據(jù)庫連接，實現(xiàn)模型的輸入、輸出和中間結(jié)果存取自動化，通過與方法庫聯(lián)結(jié)，實現(xiàn)目標(biāo)搜索、靈敏度分析和仿真運(yùn)行自動化等。調(diào)度模型依托系統(tǒng)的支撐平臺，采用數(shù)據(jù)緊密、應(yīng)用分散等集成方式，以系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，利用信息交換服務(wù)獲取支撐模型運(yùn)行的基礎(chǔ)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)設(shè)置模擬方案的各種參數(shù)，并調(diào)用相關(guān)模型，模型在后臺運(yùn)行結(jié)束后將模型結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。水資源調(diào)度模型通過模擬不同情景下的水資源調(diào)度方案，提供方案優(yōu)選功能，輔助業(yè)務(wù)管理人員制定應(yīng)急水量調(diào)度方案，為水資源管理提供輔助決策支持。

海委直屬各管理局根據(jù)各自的業(yè)務(wù)內(nèi)容，分別利用引灤、漳河上游、漳衛(wèi)南運(yùn)河等水資源調(diào)度模型，以及海河下游重要閘壩調(diào)度模型，模擬引灤、漳河上游、漳衛(wèi)南運(yùn)河、海河下游重要閘壩的水資源調(diào)度過程，輔助調(diào)度方案的編制，為水資源調(diào)配提供全面的輔助決策支持。在此基礎(chǔ)上，海委對直屬局管轄范圍內(nèi)的水資源調(diào)度方案進(jìn)行宏觀指導(dǎo)。

以引灤水資源調(diào)度模型為例，引灤水資源調(diào)度模型是對津冀地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)、水文、氣象、水資源等因子及其相互關(guān)系進(jìn)行概化，在此基礎(chǔ)上，對灤河上游來水、天津市和河北省需水等情況進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)一步提出供水、防洪和發(fā)電等調(diào)度的建議方案，以促進(jìn)灤河水資源的有效使用，使其發(fā)揮更大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

在灤河徑流預(yù)報的基礎(chǔ)上，可預(yù)測分析灤河上游不同時期的來水量，根據(jù)《國務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)水利電力部關(guān)于引灤工程管理問題的報告的通知》（國辦發(fā)〔1983〕44 號）中規(guī)定的引灤水量分配意見，確定天津市和河北省的預(yù)分年供水量、汛期（7—9 月）和枯水期（10 月—翌年 6 月）的供水等指標(biāo)，并根據(jù)天津市和河北省的人口規(guī)模、產(chǎn)業(yè)類型和規(guī)模（引灤供水范圍內(nèi)），分析供需水平衡狀況，形成月度供水建議方案。同時，根據(jù)來水預(yù)測結(jié)果和洪水調(diào)度原則，模擬洪水調(diào)度過程中的閘門啟閉情況、下泄水量。

引灤水資源調(diào)度模型各模塊的輸入?yún)?shù)可以默認(rèn)系統(tǒng)給出的數(shù)據(jù)，也可以進(jìn)行人工輸入。模型輸入?yún)?shù)率定如下：以模擬起止時間為參數(shù)模擬總體設(shè)定；以灤河流域水文參數(shù)模擬來水預(yù)報；以人口規(guī)模、生活用水系數(shù)、工業(yè)類型和規(guī)模及用水系數(shù)、種植作物類型和面積為參數(shù)模擬需水預(yù)測；以烏龍磯、柳河橋、清河口、瀑河口、灑河橋斷面預(yù)測來水量；以天津市、唐山市及河北省其他引灤灌溉地區(qū)用水指標(biāo)為參數(shù)模擬水量分配；以分水時間、下泄水量、灤河下游重要水利工程防洪等級、發(fā)電調(diào)度水量為參數(shù)模擬閘門控制。模型輸出參數(shù)率定如下：根據(jù)烏龍磯、柳河橋、清河口、瀑河口、灑河橋斷面不同時段的預(yù)測來水量及頻率；以天津市和河北省汛期、年、枯水期需水量，以及枯水期逐月工業(yè)、農(nóng)業(yè)需水量等預(yù)測需水量；通過天津市和河北省全年、汛期、枯水期水量分配模擬結(jié)果，利用枯水期工業(yè)、農(nóng)業(yè)水量逐月分配情況模擬結(jié)果進(jìn)行水量分配，形成兼顧防洪、供水、發(fā)電等調(diào)度的閘門控制方案。

2 水資源調(diào)度模型應(yīng)用功能

2.1 調(diào)度模型應(yīng)用

水資源調(diào)度是按年、月、實時等不同時間尺度，通過調(diào)用不同的水資源調(diào)度模型，模擬海河流域內(nèi)灤河、漳河及重要閘壩工程在不同情景條件下的水資源調(diào)度過程，輔助生成水資源調(diào)度方案，通過評估各方案的效益或直接對比各調(diào)度方案的可行性對水資源調(diào)度方案進(jìn)行優(yōu)選，確定水資源調(diào)度方案，提供輔助決策支持。

水資源調(diào)度包括以下3 部分：

1）信息查詢。信息查詢調(diào)用水資源監(jiān)控管理信息平臺所有信息查詢子模塊，通過設(shè)置單項或組合查詢的方式，對水資源調(diào)度所需的基礎(chǔ)、監(jiān)測和業(yè)務(wù)等信息進(jìn)行分類查詢，查詢結(jié)果以表格形式輸出，也可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出；通過設(shè)置關(guān)鍵詞對模擬、實際調(diào)度方案進(jìn)行查詢，并提供方案的瀏覽功能。

2）調(diào)度方案管理。通過設(shè)置模型的輸入?yún)?shù)，調(diào)用水資源調(diào)控模型，模擬不同情景下水資源調(diào)度方案，并對模擬方案進(jìn)行優(yōu)選，可人工調(diào)整模擬方案結(jié)果，輔助生成水資源調(diào)度方案。調(diào)度方案得出應(yīng)用引灤樞紐水資源調(diào)度模型計算的不同方案的計算結(jié)果，潘家口和大黑汀 2個水庫的來水和可供水量情況，以及天津、唐山、灤下灌區(qū)的需水量情況，并利用水庫調(diào)度模擬展示模型計算的潘家口和大黑汀等水庫迭代調(diào)度過程，調(diào)度界面如圖1所示。

3）方案后評估。通過對比水資源實時調(diào)度模擬和實際調(diào)度的方案，分析模擬方案的準(zhǔn)確性及誤差產(chǎn)生的原因，提高模型的模擬精度。

2.2 水資源決策會商

通過海河流域水資源監(jiān)控中心，可以監(jiān)控省界控制斷面的水量水質(zhì)信息，掌握相關(guān)河流、工程、取水口等的水量水質(zhì)及突發(fā)事件發(fā)生時現(xiàn)場的監(jiān)測信息，輔助制定調(diào)度方案，同時為海委直屬各管理局實時獲取相關(guān)業(yè)務(wù)信息，進(jìn)行決策分析，召開異地視頻會議，實現(xiàn)水資源調(diào)度、決策、應(yīng)急事件處置等提供會商環(huán)境與技術(shù)手段。

水資源決策會商是通過對實時、歷史和預(yù)報、管理、調(diào)度等各類信息進(jìn)行重組和加工處理，為討論和分析水資源的豐枯形勢，最終確定水資源調(diào)度方案提供全面的支持。

圖1 模擬潘家口水庫和大黑汀水庫迭代調(diào)度界面

水資源決策會商包括以下4 部分：

1）信息查詢。通過調(diào)用水資源監(jiān)控管理信息平臺中的信息查詢子模塊，組合查詢水資源會商所需的基礎(chǔ)、監(jiān)測和業(yè)務(wù)等信息。

2）會商信息管理。對會商時間、人員、目的、結(jié)果等進(jìn)行管理，包括會商過程信息的錄入、查詢。

3）模擬仿真。根據(jù)水資源調(diào)度模型模擬結(jié)果情況，對模擬范圍內(nèi)水資源信息進(jìn)行仿真展示，以顏色標(biāo)示水資源調(diào)度路徑，并動態(tài)展示重要控制斷面的水位、流量變化。

4）方案實施。根據(jù)決策會商結(jié)果，下達(dá)水資源調(diào)度命令，并及時反饋調(diào)度現(xiàn)場信息，以供決策人員進(jìn)行調(diào)度評估。

3 水資源調(diào)度模型存在的應(yīng)用問題

海河流域水資源監(jiān)控管理信息平臺初步建成，目前實際運(yùn)行管理與水利現(xiàn)代化的要求尚有一定差距，水資源調(diào)度模型的設(shè)計和應(yīng)用仍有很多不足，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）調(diào)度所需信息提供不及時、全面，無法動態(tài)掌握區(qū)域水情、工情信息，難以根據(jù)當(dāng)時情況變化迅速對調(diào)度運(yùn)行做出及時調(diào)整，尚未實現(xiàn)“預(yù)報、決策、實施、再預(yù)報、再決策和再實施”[4]的循環(huán)往復(fù)向前滾動的實時調(diào)度分析。

2）目前水資源調(diào)度模塊利用實際數(shù)據(jù)模擬調(diào)度結(jié)果的實例較少，另外模塊參數(shù)設(shè)定下的調(diào)度結(jié)果與實際情況的貼合度有待提高。

3）雖然有不同方案的輸出結(jié)果可供對比，但決策人員在進(jìn)行重大調(diào)度決策時仍缺乏方便快捷、便于使用的決策手段。

4）調(diào)度方案制定和常規(guī)調(diào)度運(yùn)行仍主要依靠調(diào)度人員的經(jīng)驗。定性分析多，定量指標(biāo)少，科學(xué)性還不夠，還不能主動或交互地生成調(diào)度方案。

5）在日常運(yùn)行管理中，各節(jié)點(diǎn)的用水監(jiān)控手段仍需加強(qiáng)。

4 結(jié)語

以引灤水資源調(diào)度模型為例，分析了模型設(shè)計，以及在實際調(diào)度、會商、決策支持等方面的應(yīng)用功能，并指出當(dāng)前水資源調(diào)度模型在設(shè)計和應(yīng)用方面的不足之處。在今后的實際應(yīng)用中，將根據(jù)應(yīng)用區(qū)域的特點(diǎn)、水資源情勢、管理實際工作需要等諸多因素，對水資源調(diào)度模塊不斷調(diào)整和完善，增強(qiáng)模型應(yīng)用的貼合性、實時性和交互性，同時注意借鑒其他相關(guān)模型的優(yōu)勢，宏觀總控、長短嵌套、實時決策、滾動修正[5]，使其在水資源調(diào)度決策中更好地發(fā)揮作用，不斷提升海河流域水資源調(diào)度管理能力。

[1] MAASS A, HUFSCHMIDT M M, DORFMAN R, et al. Design of water-resource systems[M]. New York: Harvard University Press, 1962.

[2] YEH W W. Reservoir management and operations models: A state-of-the art review[J]. Water resources research, 1985, 21 (12): 1797-1818.

[3] 王娟，馬曉麗. 水資源系統(tǒng)調(diào)度研究進(jìn)展[J]. 價值工程，2006 (3): 15.

[4] 邱林，陳守煜. 水電站水庫實時優(yōu)化調(diào)度模型及其應(yīng)用[J]. 水利學(xué)報，1997，28 (3): 74.

[5] 趙勇，裴源生，于福亮. 黑河流域水資源實時調(diào)度系統(tǒng)[J]. 水利學(xué)報，2006，37 (1): 82-83.

Design and application water resource transfer modeling in Haihe River basin

HAN Peng, ZHANG Rui
(Haihe River Conservancy Commission, the Ministry of Water Resources, Tianjin 300170, China)

The article expounds the construction significance, design objective and working mechanism of water resource transfer modeling in Haihe Rever basin water resources monitoring platform. Taking Luanhe-Tianjin Water Diversion Project as an example, through analyzing the status quo and features of reginal water resource transfer, the article rates input and output indices in water resource transfer modeling, analyzes the design of resource scheduling model, lists the application functions, such as actual scheduling in terms of information query, plan management, after solution measures, consultation of monitoring center and sub-center, decision-making of information query and management, simulation. Aiming at the existing problem of the model, it puts forward the proposal of strengthening conformability, real-time and interaction of model application. Water resource transfer models provide decision-making support in water resource planning and real-time scheduling, make the operation and management of water resources scheduling tend to be more scientific and reasonable.

drainage basin; water resources; scheduling modeling; consultation; dicision-making

TV213

A

1674-9405(2017)01-0026-03

10.19364/j.1674-9405.2017.01.006

2016-09-02

韓 鵬（1981-），男，天津人，高級工程師，從事流域水資源管理工作。