漢江流域引調水工程及水庫統一調度模型研究

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　　摘要：針對漢江流域調度對象多、調度規則復雜的問題，建立了漢江流域引調水工程及水庫統一調度模型。模型將漢江流域概化為由干支流控制性水庫、引調水工程、沿線用水地市、控制斷面組成的水資源調度系統。模型由信息服務模塊、漢江干支流控制性水庫群調度模塊、漢江干流分段水資源調度配置模塊組成，各模塊間通過數據關聯的形式進行耦合。模型采用模塊化結構，可擴展性強，集成了最嚴格水資源管理制度中用水總量控制指標體系和水量分配方案等約束條件，可分河段、分區域實現水資源調度配置目標。模型對人工經驗計算方式進行了優化，為規范化、智能化地開展漢江流域水資源調度管理提供技術支撐。
　　關鍵詞：水資源調度;調度模型;漢江流域;南水北調中線工程;水庫
　　中圖分類號：TV213 文獻標志碼：A
　　Abstract：The Hanjiang River is the water source of the Middle Route of the South-to-North Water Transfers Project and other important diversion projects.A integrated water regulation of the Hanjiang River Basin is of great interests for the optimal allocation and regulation of water resources. This paper introduced a integrated water regulation model for water transfers projects and reservoir management to address this problem.The model divided the Hanjiang River Basin into a water resources regulation system，consisting of reservoirs on main stream and branches，water transfers projects，cities and control sections.The model was composed of three modules：information service module，controlling reservoir of Hanjiang main stream and tributary operation module，and subsection water resources dispatching and allocation module.Each module was then coupled to form the model.The model was modularized and can be easily extended.It also integrated the total water consumption，control index，water resources management system，and water quantity allocation program，and realized subsection and sub region water resource allocation and regulation targets.The model，optimization of artificial experiences，provided technical support for water resources regulation and management of Hanjiang River Basin.
　　
　　Key words：water resources regulation;water regulation model;Hanjiang River Basin;Middle Route of South-to-North Water Transfers Project;reservoir management
　　
　　
　　漢江流域地處我國中部腹地，是長江中游最大支流，也是南水北調中線工程等重要引調水工程的水源地。漢江流域水資源開發利用與保護對保障流域內外國民經濟發展用水安全至關重要。目前，南水北調中線一期工程已于2014年12月建成通水并發揮供水效益[1]，陜西省引漢濟渭工程已開工建設，引江濟漢工程已建成通水。漢江流域水量調度需統籌考慮引調水工程與流域控制性水庫的統一調度，調度對象眾多，調度規則復雜，協調難度較大[2]。
　　流域水資源統一調度需要開展流域尺度的水資源供需平衡分析，并統籌考慮流域內外用水和流域內控制性水庫、引調水工程等眾多因素和調度主體，需要從全局的角度考慮問題，已不再局限為單一水利工程或局部地區，調度決策影響范圍呈現多區域、流域性特征。20世紀40年代以來，水資源系統調度技術得到了快速的發展，國內逐步開展了黃河數字流域模型的研究[3-5]、黑河水量調度方案編制[6]及水資源實時調度系統的開發[7]、塔里木河流域水量優化調度模型研究[8]等多項水資源調度工作，針對漢江流域已形成了梯級水庫群優化調度模型[9-10]、丹江口水庫調度規程[11-13]、南水北調中線一期工程水量調度方案[14-15]等成果。目前，我國以流域為單位的水資源統一管理和調度的格局已初步形成[16]，但仍存在一些不足，如長期水文預報的精度有限[17-18]、調度多目標尋優困難，特別是缺乏規范化、智能化的調度決策平臺等，無法快速形成標準化的流域水資源統一調度方案，增加了調度實施的難度。 　　針對漢江流域水資源調度管理特點，本文擬建立漢江流域引調水工程及水庫統一調度模型，并分析模型在漢江全流域及區域水資源調度配置工作中的應用效果。
　　1 調度研究對象
　　根據大系統分解協調原理[19-20]，將漢江流域水資源調度系統進行概化（圖1）。調度研究對象分為4類：漢江沿線用水區域、干支流控制性水庫、引調水工程、控制斷面。
　　1.1 漢江沿線用水地市
　　漢江流域共涉及河南、湖北、重慶、四川、陜西、甘肅六個省（直轄市），其中重慶、四川、甘肅在漢江流域用水量很小。因此主要考慮陜西、湖北、河南三個省的用水，以地級行政區為調度配置基本單元。各省涉及的地級行政區如下。
　　陜西省：寶雞市、漢中市、安康市、西安市、商洛市。
　　河南?。耗详柺?、鄧州市、洛陽市、三門峽市、駐馬店市。
　　湖北省：十堰市、襄陽市、荊門市、荊州市、潛江市、仙桃市、天門市、孝感市、武漢市。
　　1.2 干支流控制性水庫
　　參與調度的工程包括漢江干支流調節能力較大或涉及重要引調水工程的8座水庫。
　　干流4座：黃金峽、石泉、安康、丹江口。
　　支流4座：三河口、潘口、黃龍灘、鴨河口。
　　1.3 引調水工程
　　引調水工程包括南水北調中線一期工程、清泉溝、引漢濟渭工程、引江濟漢工程、陜西省引紅濟石和引乾濟石工程。
　　1.4 控制斷面
　　為對流域水量調度情況進行監控，在流域內選擇10個重要控制斷面納入研究對象。
　　干流7個：漢中、石泉、安康、白河、黃家港、皇莊、仙桃。
　　支流3個：黃龍灘（堵河）、新店鋪（白河）、郭灘（唐河））。
　　以上研究對象中，黃金峽、三河口水庫及引漢濟渭工程在建期間，在模型中保留工程計算模塊，待工程建成后可設置調度參數開展計算。
　　
　　2 模型理論體系
　　2.1 模型簡介
　　漢江流域引調水工程及水庫統一調度模型是一個水資源綜合調度模擬模型。模型將漢江流域干支流控制性水庫、控制斷面、漢江沿線用水地市、重點引調水工程概化成一個完整的水資源調度系統，將流域內具有不同調度任務的水庫、引調水工程等復雜的調度規則及河道內、外水量約束條件進行集成，可實現水庫、引調水工程、漢江沿線各地市供水的統一調度。模型采用數學規劃的思想，將水資源系統中各調度對象的調度規則、水力聯系等采用約束方程的方式進行描述，進而開展流域自上游向下游的逐級模擬計算。
　　2.2 模型結構
　　漢江流域引調水工程及水庫統一調度模型包括信息服務模塊、漢江干支流控制性水庫群調度模塊、漢江干流分段水資源調度配置模塊。3個模塊間通過數據關聯的形式進行耦合。
　?。?）信息服務模塊。
　　信息服務模塊涉及漢江流域地理信息服務及模型的輸入輸出數據管理。建立水量調度信息服務數據庫，將漢江流域地理信息、水文數據（水庫的來水過程、控制斷面來水過程）、水庫信息、控制斷面信息、漢江沿線各地市用水信息、引調水工程信息等存入數據庫中進行統一管理，方便計算模塊的調用及結果整理。
　　（2） 漢江干支流控制性水庫群調度模塊。
　　模型的目標函數通常為水庫棄水量最小、供水量最大等[21]。漢江干支流控制性水庫群調度模塊的目標函數為在滿足防洪、生態、航運等約束條件下，通過水庫水量調度，滿足供水（含灌溉）、發電等興利用水需求。
　?。?）漢江干流分段水資源調度配置模塊。
　　根據漢江流域水資源特點和管理需要，以流域主要控制斷面為基礎，將漢江以河段的形式開展分區供用水平衡。模塊核心為河段水量供需平衡，根據河段來水量、漢江沿線耗水等開展河道內、外水量調度計算。
　　目標函數為在滿足控制斷面最小下泄流量指標要求的條件下，通過流域供需平衡配置，滿足漢江沿線各地市、引調水工程等用水對象的用水需求。
　?。?）模塊耦合。
　　模型的3個模塊中，信息服務模塊是其他2個計算模塊的基礎，為計算模塊提供必要的輸入數據，并對輸出結果進行存儲及處理。
　　考慮水庫來水受河道外用水影響，同時水庫調蓄會引起河段徑流過程的變化，從而對河段水資源供需平衡產生影響。為綜合考慮水庫調蓄、河道外用水對調度的整體作用，將干支流[HJ1.94mm]控制性水庫群調度模塊與漢江干流分段水資源調度配置模塊進行耦合，即在漢江干支流控制性水庫群調度模塊中，以漢江沿線地市用水量作為計算水庫來水的邊界條件，在漢江干流分段水資源調度配置模塊中，以水庫蓄水量的變化作為河段供需平衡計算的邊界條件。在滿足控制斷面最小下泄流量的基礎上，合理配置河道內用水和河道外用水，形成完整的漢江流域引調水工程及水庫統一調度模型。模塊耦合示意圖見圖2。
　　2.3 模型特點
　?。?）采用模塊化結構，有利于模型功能擴展。
　　模型各模塊的功能獨立，同時又相互耦合。模塊內部由各類子模塊構成。例如漢江流域控制性水庫的調節性能涉及日調節、年調節、多年調節，水庫的主要任務涉及防洪、供水、發電、航運等，水庫調度規則復雜。漢江干支流控制性水庫群調度模塊中針對不同的水庫調度規則進行調度子模塊的編制，很好地適應了每座水庫的特點。在實際應用中，各模塊可獨立進行功能擴展，既保證了模型的整體性，又具有很強的擴展性。
　　
　　 （2）集成了最嚴格水資源管理制度中用水總量控制指標體系和水量分配方案等約束條件。
　　將最嚴格水資源管理制度中用水總量控制指標體系和水量分配方案等作為約束條件集成到調度模型中，使調度方案結果有效的體現了水量調度管理需求。 　　用水總量控制指標方面，模型對流域及流域內各省級行政區的用水總量進行限制，使其不超過用水總量控制指標及流域水量分配方案中各省級行政區分配的水量。
　　控制斷面指標方面，模型通過開展水利工程水量統一調度，對控制斷面最小下泄流量、下泄水量進行調控，有效保障了水量分配方案中明確的控制斷面調度指標的實現。
　?。?）分河段、分區域實現水資源調度配置目標。
　　模型按照控制斷面將漢江干流分為若干河段。各河段以控制斷面下泄流量、下泄水量等要求為調度的邊界條件，根據流域用水、水庫及引調水工程調度計劃和控制斷面管理指標要求進行區域供用水平衡，在考慮水利工程調度的基礎上，實現流域分河段、分區域水資源調度配置目標。
　　3 模型應用效果分析
　　漢江流域引調水工程及水庫統一調度模型具有控制性水庫群調節計算和分省級行政區、分河段水資源調度配置功能，可適應長系列或中、短期流域水量調度。模型可應用于漢江全流域及區域水資源調度配置，提高了水量調度計算的效率及科學性。
　　模型在每年的漢江年度水量調度計劃的編制中發揮了重要的技術支撐作用。隨著流域水資源管理工作的不斷深入，自2014年以來，水利部每年組織長江水利委員會編制漢江年度水量調度計劃，根據下一年度漢江來水預報，漢江沿線各省級行政區上報的用水計劃、控制性水庫上報的調度計劃等開展計算，確定下一年度漢江流域沿線供水計劃、水庫及引調水工程的水量調度計劃、控制斷面下泄流量過程等。漢江年度水量調度計劃的編制需統籌流域內外用水和各大型水利水電工程的調度，涉及大量基礎數據的處理和計算、分析工作。采用人工經驗編制的方式比較耗時費力。
　　為檢驗模型的可靠性和科學性，將人工經驗編制的方式與采用模型計算兩種方法進行對比。以《漢江2015-2016年度水量調度計劃》[22]中漢江上游4座控制性水庫調度計劃計算為例，采用兩種方法進行計算，其結果見表1。通過對比，各水庫調度過程有所差異。采用人工經驗編制方法，石泉、安康、潘口水庫在3月末水庫水位均降至死水位附近，黃龍灘水庫4月末水位降至死水位，這使得后續時段如果漢江來水偏枯，水庫持續在低水位運行，不利于區域供水安全及電站經濟運行，同時上游水庫對丹江口水庫補償作用減弱，進一步給丹江口水庫供水安全造成不利影響，而采用模型計算避免了這一現象。另外，采用人工經驗編制的方式，各月間水庫水位變幅較大，例如黃龍灘水庫從3月末到4月末，水庫水位降低10.2 m，4月末到5月末，水庫水位升高15.7 m，而采用模型計算方式結果中水庫各月間水位變幅較小。
　　針對漢江流域來水豐枯變化較大的情況，模型在輸入條件中增加了水庫水位控制，有效避免了枯水期末各水庫運行水位同時下降至死水位附近的現象，防止流域供水能力被過度挖掘。模型采用逐旬計算方式，避免了水庫水位在月內變幅過大的問題。模型在編制過程中對人工經驗編制方法進行了優化，更符合流域水資源統一調度的實際需要，因而更為科學可行。
　　根據漢江年度水量調度計劃的編制要求，模型對輸入、輸出數據格式進行標準化整理，使得調度計算生成的結果可直接服務于漢江年度水量調度計劃編制工作。經過不斷完善，模型可快速適應漢江年度水量調度的計算，極大提高了漢江流域水資源調度信息化水平。
　　4 結語
　　漢江流域引調水工程及水庫統一調度模型將信息服務模塊、漢江干支流控制性水庫群調度模塊、漢江干流分段水資源調度配置模塊進行有機集成，模塊間通過數據關聯的形式進行耦合。模型具有控制性水庫群調節計算、分省級行政區、分河段水資源調度配置功能，在漢江流域年度水量調度計劃的編制中得到了有效的應用。通過與人工經驗編制的結果進行對比，證明了模型的科學性和有效性。模型的建立提高了流域水資源管理信息化水平，為流域水資源調度管理提供了重要的技術支撐。
　　為更好地落實最嚴格水資源管理制度，高效開展流域水資源統一調度管理工作，下一步重點研究方向包括：（1）在漢江流域引調水工程及水庫統一調度模型的基礎上，開發基于B/S 架構的漢江流域水資源調度管理系統[23]，將漢江水資源調度各項工作模塊化、流程化;（2）進一步優化模型，開展水庫群及引調水工程聯合調度研究及水量應急調度研究，使其更好地滿足流域綜合調度的需要。
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