張旭昇，單金紅

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730000）

在水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中，確定研究項(xiàng)目區(qū)已建水利工程可供水量，規(guī)范推薦方法主要為長(zhǎng)系列法，計(jì)算方法有自編公式方法、編程方法和采用水資源供需分析軟件（如MIKE BASIN模型、WEAP模型、WaterWare模型、Aquarius模型等）。MIKE BASIN軟件界面友好、供用水關(guān)系清晰直觀，被國(guó)內(nèi)外水利工程科研設(shè)計(jì)人員廣泛采用。目前MIKE BASIN模型在云南省、引漢濟(jì)渭受水區(qū)、吉林市、松花江流域、大凌河流域等地區(qū)和流域水資源供需配置分析研究中得到了很好的應(yīng)用[1-5]。對(duì)于應(yīng)用MIKE BASIN模型進(jìn)行水庫(kù)的調(diào)節(jié)計(jì)算方面，王海潮等[6]、張李萍等[7]建立了官?gòu)d、齋堂、珠窩、落坡嶺4座水庫(kù)調(diào)度計(jì)算模型；杜倩等[8]用EXCEL求解水庫(kù)群調(diào)度及各水庫(kù)下泄過(guò)程，再用MIKE BASIN模型進(jìn)行水資源配置，研究了水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度問(wèn)題；莫鎧等[9]應(yīng)用VBA及C#等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言完成了高級(jí)水庫(kù)調(diào)度規(guī)則的程序編制，研究了水庫(kù)下游河道用水戶供水及水庫(kù)預(yù)警泄流問(wèn)題。上述研究主要針對(duì)應(yīng)用MIKE BASIN模型中的水庫(kù)模塊功能，以及補(bǔ)充水庫(kù)模塊調(diào)度規(guī)則計(jì)算函數(shù)方面，或采用模型成果結(jié)合EXCEL求解方法進(jìn)行水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度演算，但對(duì)于應(yīng)用宏或程序改進(jìn)原模型，實(shí)現(xiàn)模型優(yōu)化升級(jí)方面的開(kāi)發(fā)研究較少，尤其是水利規(guī)劃設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用的水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算中可供水量自動(dòng)優(yōu)選計(jì)算鮮有人研究。

筆者針對(duì)MIKE BASIN軟件在進(jìn)行水庫(kù)供水調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)不能進(jìn)行水庫(kù)可供水量自動(dòng)識(shí)別計(jì)算的問(wèn)題，基于“二分法”查找算法，結(jié)合MIKE BASIN軟件可被EXCEL宏調(diào)用的特點(diǎn)，對(duì)MIKE BASIN模型進(jìn)行改進(jìn)擴(kuò)充，通過(guò)EXCEL宏編程增加計(jì)算模塊，實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)判斷供水保證率和程序自動(dòng)修改需水過(guò)程，迭代試算滿足設(shè)計(jì)保證率要求的水庫(kù)可供水量和各用水戶的供水保證率，并將改進(jìn)的模型應(yīng)用到崆峒水庫(kù)可供水量計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明改進(jìn)的模型能夠準(zhǔn)確計(jì)算滿足設(shè)計(jì)保證率要求的可供水量，且較原模型減少了人工輸入需水過(guò)程試算的盲目性、重復(fù)性，簡(jiǎn)化了人工統(tǒng)計(jì)保證率的工作步驟，提高了規(guī)劃設(shè)計(jì)效率。

1 MIKE BASIN模型簡(jiǎn)介

MIKE BASIN是丹麥水利研究院研發(fā)的，在流域或區(qū)域尺度上解決水量的優(yōu)化配置、用水戶連接、水庫(kù)調(diào)度規(guī)則以及水質(zhì)模擬等問(wèn)題的綜合性水資源數(shù)學(xué)模型軟件[8-9]。利用MIKE BASIN進(jìn)行水資源供需及配置分析時(shí)，可以由使用者根據(jù)工程需要設(shè)置不同的時(shí)間尺度（年、月、日、小時(shí)等），依據(jù)水利工程實(shí)際位置關(guān)系定義河流、流域、工程位置等空間關(guān)系，軟件具有計(jì)算速度快、數(shù)據(jù)交互、結(jié)果展示功能強(qiáng)等特點(diǎn)。MIKE BASIN在進(jìn)行水庫(kù)可供水量計(jì)算時(shí)，可以設(shè)置水庫(kù)調(diào)度線、限制供水線、限制供水比例、最小下泄量、最大下泄量、下游用水戶取水優(yōu)先級(jí)等，但軟件本身沒(méi)有供水保證率統(tǒng)計(jì)功能，不能進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算。MIKE BASIN軟件計(jì)算引擎和對(duì)象可被其他軟件調(diào)用。

2 長(zhǎng)系列法可供水量計(jì)算基本原理

為滿足多個(gè)用水部門(mén)不同用水需求，水庫(kù)蓄水量變化過(guò)程的計(jì)算稱為綜合利用水庫(kù)興利調(diào)節(jié)計(jì)算，長(zhǎng)系列法興利調(diào)節(jié)計(jì)算的基本原理即水量平衡[10]，計(jì)算公式為

式中：Vi、Vi+1分別為水庫(kù)第i時(shí)段初、末的蓄水量；W來(lái)i為第i時(shí)段來(lái)水量；W用i為第i時(shí)段各部門(mén)用水量之和；W損i為第i時(shí)段水庫(kù)蒸發(fā)、滲漏損失水量之和。

正常供水保證率計(jì)算公式為

式中：P為供水保證率；m為正常供水年數(shù)；n為計(jì)算系列年數(shù)。

綜合利用水庫(kù)需為不同供水保證率的多個(gè)供水對(duì)象進(jìn)行供水，在進(jìn)行興利計(jì)算時(shí)，為計(jì)算水庫(kù)蓄泄過(guò)程和水庫(kù)可供水量，需要進(jìn)行多次循環(huán)判斷和迭代試算。

3 MIKE BASIN模型的改進(jìn)

3.1 主要設(shè)計(jì)思路

MIKE BASIN軟件可以根據(jù)用戶定義的水庫(kù)調(diào)度規(guī)則和需水過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，而不能自動(dòng)進(jìn)行可供水量的尋優(yōu)計(jì)算，不能自動(dòng)修改需水過(guò)程和統(tǒng)計(jì)各需水對(duì)象的供水保證率，需要由計(jì)算者將數(shù)據(jù)輸出后根據(jù)保證率情況，人工重新輸入需水過(guò)程進(jìn)行試算，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易出錯(cuò)。

針對(duì)上述問(wèn)題，可利用MIKE BASIN模型引擎可以被EXCEL宏調(diào)用的開(kāi)源特點(diǎn)，補(bǔ)充統(tǒng)計(jì)供水保證率、判斷供水保證率、重新修改輸入需水過(guò)程試算等模塊。通過(guò)EXCEL宏調(diào)用MIKE BASIN中的變量，把MIKE BASIN計(jì)算各供水對(duì)象的缺水量作為輸出變量賦值給程序，由宏統(tǒng)計(jì)得到各供水對(duì)象的設(shè)計(jì)保證率；再將各供水對(duì)象的計(jì)算保證率與設(shè)計(jì)保證率對(duì)比，并利用“二分法”查找算法調(diào)整，直至計(jì)算結(jié)果滿足精度要求。

3.2 EXCEL宏調(diào)用MIKE BASIN方法

MIKE BASIN軟件提供其他程序調(diào)用接口，計(jì)算引擎和供水對(duì)象需水量計(jì)算結(jié)果可通過(guò)VBA及C#等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言簡(jiǎn)單程序語(yǔ)句直接調(diào)用，實(shí)現(xiàn)EXCEL數(shù)據(jù)與模型輸入輸出。

在調(diào)用程序前，應(yīng)建立MIKE BASIN水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算模型。主要是將ArcGIS軟件處理好的河流、地區(qū)位置矢量（shp格式）文件導(dǎo)入MIKE BASIN程序中，在程序中定義河流和流域、輸入流域天然來(lái)水量、上游調(diào)水量、上游耗用水量、水庫(kù)興利庫(kù)容、調(diào)度規(guī)則、水庫(kù)用水對(duì)象、下泄生態(tài)水量等基本參數(shù)，建立MIKE BASIN模型，并確保模型能正確運(yùn)行。

根據(jù)已建模型，獲取程序中各個(gè)變量名稱，便可通過(guò)表1中的主要語(yǔ)句利用EXCEL宏調(diào)用MIKE BASIN模型中的變量。

表1 EXCEL宏調(diào)用MIKE BASIN核心語(yǔ)句

將MIKE BASIN模型中的變量讀入到EXCEL宏后，便可統(tǒng)計(jì)水庫(kù)各供水對(duì)象供水保證率，根據(jù)保證率計(jì)算成果，調(diào)整各供水對(duì)象供水過(guò)程，再次代入到MIKE BASIN程序中，調(diào)用計(jì)算引擎進(jìn)行計(jì)算，直到計(jì)算結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 對(duì)MIKE BASIN的改進(jìn)

“二分法”查找又稱折半查找，首先設(shè)定查找范圍的上界、下界，每次迭代以上界、下界中間值作為初值，即每次查找即可縮小50%查找范圍，是一種查找效率較高的算法。

改進(jìn)程序計(jì)算的核心是在水庫(kù)來(lái)水量和興利庫(kù)容確定的情況下，試算水庫(kù)滿足設(shè)計(jì)保證率條件下的可供水量。已知水庫(kù)興利庫(kù)容和各供水對(duì)象的設(shè)計(jì)保證率，求解水庫(kù)最大可供水量，可采用“二分法”試算求解。為此，先初步擬定水庫(kù)調(diào)節(jié)試算的需水過(guò)程的上界、下界，組成需水過(guò)程數(shù)據(jù)集。下界可以取0，上界取值應(yīng)略大于水庫(kù)供水規(guī)模。

應(yīng)用改進(jìn)的MIKE BASIN模型計(jì)算最大可供水量主要步驟：①結(jié)合水利工程規(guī)劃，擬定水庫(kù)不同供水保證 率 供 水 對(duì) 象 需 水 上 界 ｛ Wi，非農(nóng)，上、 Wi，農(nóng)90%，上、Wi，農(nóng)50%，上｝和下界｛ Wi，非農(nóng)，下、Wi，農(nóng)90%，下、Wi，農(nóng)50%，下｝，組成解集，并輸入到EXCEL文件指定位置；②以需水上界、需水下界和 0.5×（上界+下界）為初值，由EXCEL宏調(diào)用MIKE BASIN計(jì)算引擎，進(jìn)行逐時(shí)段水量平衡計(jì)算；③EXCEL宏調(diào)用MIKE BASIN對(duì)象，計(jì)算出各供水對(duì)象的供水量、缺水量、統(tǒng)計(jì)保證率；④EXCEL宏判斷各級(jí)供水保證率滿足情況，當(dāng)上界、下界同時(shí)大于或同時(shí)小于設(shè)計(jì)保證率時(shí)，說(shuō)明界限設(shè)置不合理，需停止計(jì)算，調(diào)整輸入后重新計(jì)算；否則，以0.5×（上界+下界）與上界或下界組成新的初值，由EXCEL宏調(diào)用MIKE BASIN模型，回到步驟①循環(huán)計(jì)算；⑤經(jīng)多次循環(huán)計(jì)算，最終得到符合設(shè)計(jì)保證率的需水過(guò)程；⑥繼續(xù)增加需水量，直到保證率破壞，最終計(jì)算出符合設(shè)計(jì)保證率要求的最大可供水量。

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 工程實(shí)例

崆峒水庫(kù)位于甘肅省平?jīng)鍪袥芎痈闪魃?，?971年10月動(dòng)工興建，1980年完工并投入使用。水庫(kù)死水位 1 495.3 m，正常蓄水位1 523.2 m，汛限水位1 502.0 m，設(shè)計(jì)洪水位 1 523.34 m，校核洪水位1 524.40 m，總庫(kù)容2 970萬(wàn)m3。根據(jù)最新復(fù)核測(cè)量結(jié)果，崆峒水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容2 379萬(wàn)m3，汛限水位以下調(diào)節(jié)庫(kù)容538萬(wàn)m3?，F(xiàn)狀條件下，水庫(kù)主要為平?jīng)鲭姀S和涇河灌區(qū)8 667 hm2耕地灌溉供水。

涇河干流上游寧夏回族自治區(qū)固原市提出建設(shè)東山坡引水工程（設(shè)計(jì)水平年2020年上游引水2 099萬(wàn)m3），為分析上游引水工程對(duì)下游崆峒水庫(kù)供水產(chǎn)生的影響，以及水庫(kù)加高擴(kuò)建15 m后（調(diào)節(jié)庫(kù)容增大至3 700萬(wàn)m3）的供水情況，需要對(duì)崆峒水庫(kù)各種工況下可供水量進(jìn)行計(jì)算，共擬定5種方案（見(jiàn)表2）。前3種方案分別計(jì)算現(xiàn)狀水平年水庫(kù)供水量、規(guī)劃水平年該流域耗水影響水庫(kù)供水量、該流域耗水與外流域調(diào)水共同影響水庫(kù)供水量，對(duì)比分析調(diào)水影響的供水量；后2種方案分析灌區(qū)節(jié)水條件下水庫(kù)供水量和同時(shí)實(shí)施灌區(qū)節(jié)水和水庫(kù)加高擴(kuò)建后的水庫(kù)供水量，分析水庫(kù)加高擴(kuò)建的效益。水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算采用崆峒峽水文站1957年7月至2012年6月共55個(gè)水文年逐月資料，庫(kù)容曲線為2013年實(shí)測(cè)1∶1 000地形資料。

表2 水庫(kù)供水量計(jì)算方案

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

采用改進(jìn)的MIKE BASIN模型對(duì)崆峒水庫(kù)可供水量進(jìn)行興利調(diào)節(jié)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3和圖1～圖7。

表3 改進(jìn)的MIKE BASIN模型不同方案計(jì)算結(jié)果

圖1 不同方案來(lái)水過(guò)程

圖2 不同方案供水過(guò)程

圖3 方案一水庫(kù)水位變化過(guò)程

圖4 方案二水庫(kù)水位變化過(guò)程

圖5 方案三水庫(kù)水位變化過(guò)程

圖6 方案四水庫(kù)水位變化過(guò)程

圖7 方案五水庫(kù)水位變化過(guò)程

由計(jì)算結(jié)果可知，方案一、方案二條件下，輸入非農(nóng)業(yè)需水300萬(wàn)m3、農(nóng)業(yè)灌溉需水5 626萬(wàn)m3，經(jīng)改進(jìn)的模型迭代尋優(yōu)計(jì)算，農(nóng)業(yè)灌溉（保證率P=50%）可供水量分別優(yōu)化為4 818萬(wàn)m3和4 638萬(wàn)m3，相對(duì)5 626萬(wàn)m3分別減少1 108萬(wàn) m3和1 288萬(wàn) m3，實(shí)現(xiàn)了程序自動(dòng)計(jì)算水庫(kù)可供水量。方案三條件下，輸入渠灌農(nóng)業(yè)需水3 296萬(wàn)m3，經(jīng)改進(jìn)的模型迭代尋優(yōu)計(jì)算，P=50%農(nóng)業(yè)供水優(yōu)化為2 459萬(wàn)m3，說(shuō)明即使在規(guī)劃水平年節(jié)水條件下，下游水庫(kù)不采取擴(kuò)建措施，仍不能滿足設(shè)計(jì)需求。方案四條件下，水庫(kù)加高擴(kuò)建后，根據(jù)初步分析，非農(nóng)業(yè)需水1 500萬(wàn)m3，經(jīng)模型優(yōu)化分析后，P=95%水庫(kù)非農(nóng)業(yè)可供水量?jī)H為1 001萬(wàn)m3，需要縮減供水量才能滿足設(shè)計(jì)保證率要求。

對(duì)比前3種方案計(jì)算成果，得出規(guī)劃水平年上游寧夏用水影響崆峒水庫(kù)供水量1 671萬(wàn)m3，其中該流域耗水影響供水180萬(wàn) m3，外流域調(diào)水影響供水1 491萬(wàn)m3。對(duì)比后2種方案，在同時(shí)實(shí)行灌區(qū)節(jié)水和崆峒水庫(kù)加高條件下，水庫(kù)可保證8 667 hm2灌區(qū)灌溉供水3 630萬(wàn)m3，同時(shí)可為非農(nóng)業(yè)供水1 001萬(wàn)m3，相對(duì)于改擴(kuò)建前水庫(kù)增加供水量1 538萬(wàn)m3（非農(nóng)業(yè)增加供水量701萬(wàn)m3、農(nóng)業(yè)增加供水量837萬(wàn)m3），水庫(kù)加高擴(kuò)建效益明顯。由方案四得出下游僅靠農(nóng)業(yè)節(jié)水不能滿足灌區(qū)需水要求，灌區(qū)仍然缺水837萬(wàn)m3。

綜上所述，改進(jìn)后的模型不但具備MIKE BASIN模型水量平衡計(jì)算，具有面向?qū)ο蟮妮斎搿⑤敵鼋缑鎯?yōu)勢(shì)，而且可以統(tǒng)計(jì)各供水對(duì)象的保證率，并根據(jù)保證率計(jì)算成果改變需水過(guò)程，重新計(jì)算水庫(kù)的供水量，得到符合設(shè)計(jì)保證率要求的水庫(kù)可供水量，并快速輸出到EXCEL文件中，滿足工程設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)MIKE BASIN模型興利調(diào)節(jié)計(jì)算求解水庫(kù)可供水量進(jìn)行了程序改進(jìn)研究。針對(duì)MIKE BASIN程序不能直接計(jì)算供水保證率和自動(dòng)調(diào)整需水過(guò)程的特點(diǎn)，利用EXCEL宏對(duì)MIKE BASIN模型進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)求解滿足設(shè)計(jì)保證率要求的可供水量，改進(jìn)后的模型既利用了MIKE BASIN的優(yōu)點(diǎn)，又結(jié)合了EXCEL宏的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)二者深度耦合，可大大方便工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行水庫(kù)可供水量計(jì)算。并以崆峒水庫(kù)興利庫(kù)容規(guī)模確定為例，進(jìn)行了1957年7月至2012年6月共55 a的長(zhǎng)系列調(diào)節(jié)計(jì)算。經(jīng)分析，計(jì)算成果合理可靠，數(shù)據(jù)輸入輸出方便，可以滿足工程規(guī)劃設(shè)計(jì)需要。該方法為流域及區(qū)域水資源供水平衡分析配置提供了自動(dòng)實(shí)現(xiàn)試算可供水量的算法，可大大提高規(guī)劃設(shè)計(jì)工作效率，具有廣闊的應(yīng)用空間。