流域水库群水资源调度系统开发及应用

陈 鸣，王 钢，郑兴发，郑久兴，雷四华

（1.水利部交通部国家能源局南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.水文水资源及水利工程国家重点试验室，江苏 南京 210029；3.福建宁德市水利局，福建 宁德 352100）

0 引言

我国是水资源十分短缺的国家，人均水资源占有量不到世界人均占有量的 1/4，同时我国又是世界上洪涝灾害发生最频繁的国家之一，有 2/3的国土面积、半数以上的人口、35% 的耕地、2/3的工农业总产值受到洪水的严重威胁。面对亦旱亦涝的水情，研究利用现有水利工程的优化调度，协调缺水与洪灾之间的矛盾，是投资小、回报高，且不破坏生态环境的方法，不失为解决我国水问题的有效途径之一[1]。

结合计算机技术、GIS（地理信息系统）、河流水流仿真技术、流域产汇数学模型为一体的流域水库群水资源调度系统，融入了全流域综合考虑，适度承担风险等现代水库管理、调度理念。系统采用图形界面、自动优化计算、人机交互等途径协调流域内具有防洪、灌溉、发电、航运、养殖、城市及工业供水等多种功能大中型水库的不同用水目标对水库蓄水、泄水量和时间要求所发生的冲突，可避免或减少洪灾损失，有效提高水资源利用率[2-3]。

1 系统结构及功能

流域水库群水资源调度系统采用 C/S（Client/Server）结构，使系统的开放性得以保证。可以嵌入其他相关水动力、水文和水库调度模型，实现与已有模型方法的无缝结合，对整合已有方法、提高工作效率具有明显的促进作用。系统以实时水雨情库、历史水文数据库、空间数据库为基础；数据处理、模型、计算方法、表格、图形为分析工具；GIS为交互界面。

系统功能主要包括：系统维护管理、信息查询、水情预报与水库调度、全球眼水情视频。具体功能与操作菜单对应如表1所示。

2 系统关键技术

2.1 框架结构中的分层处理

将系统分为人机交互控制、计算应用服务、数据基础服务3个层次：

1）系统人机交互控制层（即人机交互界面），基于 GIS 技术的信息查询应用模式和可视化多层次的空间图形操作界面，提供直观、清晰、方便、灵活的系统操作和控制环境。

2）系统计算应用服务层（即系统计算模型、信息服务等），依照系统的应用种类进行功能划分，由水情信息服务系统、水情监测对比分析、水情预报分析模型等部分组成。各组成部分采用模块化开发，以利于进行系统设计和开发的工程化管理，也便于在系统建立过程中进行技术整合、系统总装、调试、测试和运行管理。

表1 系统功能菜单

3）系统数据基础服务层（即支持系统运行的数据环境），提供支持系统运行环境包括硬件、软件环境，数据基础服务层是软件环境组成部分，有水情监测、水雨情、模型参数及成果、系统管理、地理信息空间等数据库，从系统功能层次及其整体结构上看，系统是一个采用多库结构面向水情监测分析的系统。

2.2 GIS 应用

水资源调度系统需要很多基础数据的支持，如水文、河道断面、防洪工程、区域数字地面高程、社会经济等数据。这些数据大多与现实中的某一特定的位置或区域（点、线或面）相联系，而且有些数据还具有空间属性。GIS 是一种综合分析和处理数据空间分布的新技术，能够使空间数据的处理维护更为迅速高效。采用嵌入 GIS 控件 mapobject，使 GIS 与模型计算、数据库等无逢连接。以 GIS 为交互界面轻松实现图形导航、放大、缩小、漫游、标注、图层控制等基本功能。流域水资源调度系统中 GIS 的主要专题图层如表2所示。

2.3 分布式水情预报

准确的水情预报是水库合理调度的前提。水情预报模型采用基于 GIS 分布式模型。分布式水情预报模型是指模型结构中各水文要素具有空间的分布特性和随时间变化的动态特性，其特点是具有物理基础，能描述水情的时空变化过程；能及时地模拟出人类活动或农作物生长变化对水情的影响[5]。

表2 流域水资源调度系统中主要专题图层

分布式水情预报模型的主要思路是：根据 GIS的行政区、地形、土壤分布、土地利用等图层将流域划分成若干子区域，对每个子区域分别输入不同的降雨、蒸发，根据选用的产汇流模型（如新安江模型）计算径流过程[6]。基于 GIS 的分布式水情预报模型框架如图1所示。

2.4 水库调度计算

1）调洪计算基本方程。水库洪水调度通常根据预报入库洪水过程和水库运行规则推求下泄流量过程和库水位过程。水库调洪是在水量平衡和动力平衡的支配下进行的。

图1 基于 GIS 的分布式模型框架

在 Δt时段内，入库与出库水量之差，应等于该时段内水库蓄水量的变化。水库水量平衡方程为：

式中：Q1、Q2分别为时段始末的入库流量；q1、q2分别为时段始末的出库流量；V1、V2分别为时段始末的水库蓄水量；Δt为计算时段长。式 （1）中Q1、Q2均为已知，根据起调条件，调洪起始水位也为已知，即q1、V1为已知，Δt可选定，未知数有q2和V2，因此方程不能独立求解，还需建立第2个方程。

对于某一水库，当泄洪建筑物的型式、尺寸一定时，泄流能力q取决于泄洪设施的水头或水库蓄水量V，故水库泄流方程可写为：

或q-V曲线。从起调条件开始，逐时段连续求解上述2方程，即可完成洪水调度计算。从不同的关注点出发，即有不同的调度模型。

2）泄量控制调度模型。泄量控制调度模型是固定泄量的调洪计算，约束条件是泄洪设备的泄洪能力。计算规则是根据输入的理想泄量，应用水量平衡式计算相应的库水位过程。在该模型中水库的最高水位是自由变量，其目的为在保证水库泄量不超过设定值的前提下，使水库的最高水位最低。

将式（1）改写成：

假设调度期的泄流过程q2逐时段连续计算V2，通过水位-库容（H-V）关系推求库水位过程。

3）水位控制调度模型。水位控制调度模型关注水量平衡中的Vt因子，将控制水位作为控制约束条件，其目标是在保证库水位控制的前提下，使水库的下泄量最小。模型计算的控制条件包括：汛限和调度期最高控制水位。模型求解准则为：a）水库刚涨水时，库水位未达到汛限水位，出库流量等于当前出库流量；b）随着入库流量不段增大库水位也不断增高，当库水位达到汛限水位时，下泄流量等于入库流量；c）当入库流量进一步增加达到并超过调度期最高控制水位时按泄洪能力泄流；d）当库水位回落到控制水位后，来多少泄多少，即泄洪流量等于入库流量。

3 系统应用

3.1 流域水库概况

霍童溪位于福建省东北部，上游主流棠口溪，发源于政和、屏南、周宁3县交界的鹫峰山脉东麓，自西北折向东南流经屏南县的岭头、棠口等地，沿途有金造溪、后垅溪等支流汇入，棠口溪和后垅溪于金钟渡汇合后称霍童溪干流，再向东流经宁德市区及、霍童、九都、八都等乡镇后注入三沙湾。霍童溪主河道长126km，流域面积2244km2，平均坡降 6.2‰[6]。

流域内主要有后垄一二级、溪尾、洪口等大中型水库，设有礼门、岭下等15个遥测雨量站。水情预报调度信息来自于流域内遥测雨水情站网。霍童溪流域大中型水库及遥测雨水情站网如表3所示。

表3 霍童溪流域水情遥测站网表

3.2 预报调度实例

2009年8月7～10日流域内有1次降雨过程累积降雨191mm，流域时段平均最大降雨11mm/h，出现在 2009-08-09T10:00。洪口水库预报作业时（2009-08-09T10:00）水位 158.40m，依据预报结果 2009-08-10T06:00洪口水库水位将达 162.77m 超汛限水位（162.70m），并仍有上涨趋势，按调度规则需弃水泄洪。调整调度方案，提前加大发电流量至253m3/s，进腾库发电，库水在计算时段（24h）内涨至162.09m 未达汛限水位。这样在计算的24h 内可少弃水1093万 m3，多发电2400MW。

4 结语

目前，我国的水库调度多以防洪为重，未考虑洪水的资源性，水库调度仅关注汛期限制水位，在汛期，一旦发生水库超过汛期限制水位即要求水库泄流，降至汛期限制水位。这种粗犷式的调度往往造成洪水后干旱缺水的局面，严重影响水库流域内生产、生活及生态[7]。上述计算实例表明：应用流域水库群水资源调度系统可有效提高水资源利用率。

建国以来，我国建成的大中小型水库总库容约为450多亿 m3。其中许多水库兼有在防洪、灌溉、发电、航运、养殖、城市及工业供水等多种功能。对于综合利用的水库，不同的用水目标对水库蓄水、泄水的水量和时间要求常常会发生冲突。例如，发电希望水库泄流量越稳定越好，在农作物生长期内的农业灌溉需要较多的水量，防洪则需要在预测到洪水到来时提前降低水库的水位。因此，推广使用流域水库群水资源调度系统，可获得兼顾各种需求的水库调度方案，前景广阔。

[1] 纪志国，孙庆艳.我国水资源可持续利用措施研究[J].科技资讯，2010（7）: 137.

[2] 郭生练.水库调度综合自动化系统[M].武汉：武汉水利电力大学出版社，2000.

[3] 王国利，彭勇，何斌，等.基于 B/S+C/S 模式的防洪调度决策支持系统研究及其应用[J].大连理工大学学报，2010,3（2）: 258-263.

[4] 朱新军，王中根，夏军，等.基于分布式模拟的流域水平衡分析研究[J].地理科学进展，2008,28（4）: 23-27.

[5] 孙西欢，张柏治，王志璋.汾河上游流域分布式水文模型的构建[J].水土保持通报，2008,28（3）: 89-92.

[6] 郑华锋，宁德市水电开发[M].北京：水利水电出版社，2008.

[7] 陈鸣，吴永祥，陆卫鲜，等.InfoWorks RS、FloodWorks软件及应用[J].水利水运工程学报，2008,12（4）: 19-24.