王快—西大洋水库联合调度研究

史长莹，简新平，李丽英

（1．黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080；2．河北工程大学 水电学院，河北 邯郸 056021；3．邯郸县水利局，河北 邯郸 056100）

0 引 言

河北省的白洋淀是中国北方现存的最大的半封闭式淡水水体。它位于大清河水系中部，最终经由渤海湾汇入黄海。流域总面积为31 500km2，其中上游流域大部分位于保定境内，整个白洋淀淀区位于保定市安新县和雄县境内［1］。淀区面积366 km2，包括一系列的自然低洼地和芦苇湿地。虽然有9条河流注入白洋淀，但是只有府河和拒马河有定期却逐渐减少的水流［2］。

历史上的白洋淀水域面积曾经达到1 000km2以上，水量丰富，上游潴龙河、孝义河、唐河、府河、漕河、瀑河、清水河、萍河和白沟河等河流注入，史称 “九河入梢”；下游湖水则经淀东的赵北口东流，与海河相通。

自上世纪80年代起，气候干旱、上游断流、大量水库修建、上游和周边城镇工业的兴起等等，诸种复合因素，使得白洋淀陷入了持续近20a的干淀和污染的恶性循环。从2000年开始，白洋淀死鱼事件频频见诸报端，爆发于2006年的，只不过是最新一轮污染恶果而已。

2005年底，河北省提出 《白洋淀及上游地区生态环境建设总体规划》。规划提出，从2005～2014年，历时10a，将投资80．5亿元，实施26项治理工程，彻底改变 “华北之肾”白洋淀及其上游脆弱的生态环境。到2010年，使保定全市森林覆盖率达到28%，治理水土流失面积将达到3 200 km2。保定市区污水集中处理率达到92%以上，县级城镇达到60%；建立白洋淀补水机制，确保白洋淀水位枯水年≥7．3m；在水位≥8．4m的情况下，淀内大部分水质达到并好于国家Ⅲ级水类标准［3］。

在这个总体规划中，最被看好的是保定市与亚洲开发银行的合作项目。该项目又称白洋淀流域生态环境综合管理和环境保护工程，包括绿色输水廊道建设、污水处理厂、供水建设等24个子项目，项目总投资超过15亿元。其中利用亚行贷款$1亿，全球环境基金赠款$350万。

该合作项目的核心子项目之一，即王快—西大洋水库连通工程，通过王快水库经由西大洋水库向白洋淀及保定市一亩泉水源地补水的跨流域引水工程。该工程横跨曲阳、唐县、顺平、保定市和清苑，自王快水库向西大洋水库调水，再经唐河灌区总干渠至魏村渡槽分为南北两线：南线经曲逆河、白草沟、保定市区内河流 （包括西环堤河、一亩泉河、候河、护城河）及府河，形成向白洋淀补水的绿色通道，遏制白洋淀湿地萎缩，改善淀区生态环境；提高西大洋水库的供水保证率，确保保定市供水安全；改善保定市区地上、地下水环境。北线仍沿唐河总干渠至蒲阳河渡槽，通过扩建、新建部分引水渠至南伍侯回补入渗场，相机回补一亩泉地下水，缓解由于一亩泉水源区地下水超采过量造成的水文地质环境恶化问题。王快水库至白洋淀供水线路总长140km，魏村渡槽至一亩泉回补入渗区长度为20．75km［4］。工程建设总体布置见图1。

图1 王快—西大洋水库连通工程总体布置图Fig．1 General arrangement plan for the connection of Wangkuai Reservoir and Xidayang Reservoir

1 王快—西大洋水库连通工程系统动力学模型

系统动力学分析的系统行为是基于系统内部要素相互作用而产生的，并假定系统外部环境的变化不给系统行为产生本质的影响，也不受系统内部因素的控制。因此，系统边界应规定哪一部分要划入模型，哪一部分不应划入模型，在边界内部凡涉及与所研究的动态问题有重要关系的概念模型与变量均应考虑进模型；反之，在界限外部的那些概念与变量应排除在模型之外。

根据以上原则，确定王快—西大洋水库连通工程系统组成结构图见图2，据此建立系统动力学模型。

系统动力学的研究重点在于自反馈机制的系统动力学问题。为了研究系统的反馈结构，首先要分析系统整体与局部的关系，进而追索因果与相互关系，然后把它们重新联结一起形成回路。回路的概念最简单的表示方法是图形，系统动力学中常用的是因果关系图［5］。

图2 王快—西大洋水库连通工程系统组成结构图Fig．2 System composition structural plan of the connection of Wangkuai Reservoir and Xidayang Reservoir

系统由相互联系、相互影响的元素组成。在系统动力学中，元素之间的联系或关系可以概括为因果关系，正是这种因果关系的相互作用，最终形成系统的功能和行为［6］。

应该说明的是，简单地把变量之间的因果关系定义为正相关关系和负相关关系，似乎缺乏科学方法验证的严谨性，好在系统动力学的目的不在于证明变量之间的关系，而是设法提供一种协助解决问题的工具，进一步的还有数量化的函数关系，以取代这些 “不那么严格”的定性分析［7］。王快—西大洋水库连通工程系统因果关系简图见图3。

图3 王快—西大洋水库连通工程系统因果关系简图Fig．3 System causal relations for the connection of Wangkuai Reservoir and Xidayang Reservoir

建立好王快—西大洋水库连通工程系统动力学模型，并通过有效性检验后即可进行仿真模拟。

模型的仿真运行主要有以下几种情况：

1）直接用历史径流系列作为王快—西大洋连通SD模型的输入变量，根据历史数据仿真王快—西大洋水库连通工程的运行情况。

2）根据历史径流系列的统计特性，产生基于统计样本的超长纯随机水文模拟径流系列 （18 000个月径流系列），作为王快—西大洋连通SD模型的输入变量，研究工程在径流不变的情况下的长期运行特性。

3）将2）中的超长纯随机水文模拟径流系列值减少10%，以研究工程在径流不利情况下的运行特性。

4）根据目前径流变化趋势，用本文在前面建立AR（1）子系统预测性的生成未来超长随机径流系列 （为便于对比、分析，也用AR （1）子系统生成18 000个月径流系列），预估工程未来可能的运行特性。

在Vensim中运行王快—西大洋水库连通工程系统动力学模型，经过仿真，可以得到大量的模型仿真结果数据。图4就是采用超长纯随机水文模拟径流系列作为模型输入时连通渠段月流量仿真结果图［8］。

应该承认，图4由于数据点多达18 000个，图片由于受显示器和打印设备的限制而不能过大，图形中曲线的变化规律已经难以清晰辨认。另一方面，采用超长纯随机水文模拟径流系列作为模型输入进行仿真，其本质是蒙特卡罗法。从理论上来说，蒙特卡罗方法需要大量的实验。实验次数越多，所得到的结果才越精确［9－10］。并且，蒙特卡罗方法主要关系到数据的统计结果。所以，长达18 000个月的仿真时间，是有利于问题的精确求解的。

图4 采用超长纯随机水文模拟径流系列作为模型输入时连通渠段月流量仿真结果Fig．4 Monthly discharge simulation result taking long pure random hydrological simulation runoff series as model to input in connected canal section

2 模型仿真及结果分析

经过仿真和数据分析，结果显示：

1）直接用历史径流系列作为模型的输入变量时，王快—西大洋两库联合运用，P＝50%、75%保证率向白洋淀及保定市可供水量均为2．0×108m3／a；在P＝50%保证率下，两库连通引水渠段王快水库供水量为2．0×108m3／a，白洋淀入淀净水量为1．28×108m3／a；一亩泉引水渠段引水量为0．9×108m3／a。

2）用基于统计样本的超长纯随机水文模拟径流系列 （18 000个月径流系列）作为模型的输入变量时，王快—西大洋两库联合运用，50%、75%保证率向白洋淀及保定市可供水量分别为2．01×108m3／a和1．98×108m3／a；在P＝50%保证率下，两库连通引水渠段王快水库供水量为2．01×108m3／a，白洋淀入淀净水量为1．30×108m3／a；一亩泉引水渠段引水量为0．901×108m3／a。

3）将2）中的超长纯随机水文模拟径流系列值减少10%，作为模型的输入变量时，王快—西大洋两库联合运用，50%、75%保证率向白洋淀及保定市可供水量分别为1．61×108m3／a和1．50×108m3／a；在P＝50%保证率下，两库连通引水渠段王快水库供水量为1．60×108m3／a，白洋淀入淀净水量为0．99×108m3／a；一亩泉引水渠段引水量为0．708 1×108m3／a。

4）用AR（1）子系统预测性的生成未来超长随机径流系列 （18 000个月径流系列）作为模型的输入变量，预估工程未来可能的运行特性是：王快—西大洋两库联合运用，50%、75%保证率向白洋淀及保定市可供水量分别为1．97×108m3／a和1．88×108m3／a；在P＝50%保证率下，两库连通引水渠段王快水库供水量为1．96×108m3／a，白洋淀入淀净水量为1．25×108m3／a；一亩泉引水渠段引水量为0．887 9×108m3／a。

可见，用历史径流系列作为模型的输入变量，与用基于统计样本的超长纯随机水文模拟径流系列（18 000个月径流系列）作为模型的输入变量相比较，二者的仿真结果基本一致，可以理解为现状海河流域年径流特性不发生改变情况下，王快—西大洋水库连通工程的效益情况。前者由于来自实测数据而可信度高，而后者由于计算量大而似乎更准确一些。

将超长纯随机水文模拟径流系列值减少10%，作为模型的输入变量时的仿真结果说明，在减少入库径流量≤10%时，王快—西大洋水库连通工程效益下降不多。

用AR（1）子系统预测性的生成未来超长随机径流系列作为模型的输入变量时的仿真结果说明，在未来情况下，王快—西大洋水库连通工程运行效益将略有下降，但下降不多。这一结果与相关参考文献中指出的海河流域年径流量将可能减少的结论基本一致。王快—西大洋水库连通工程运行特性稳定。

［1］保定市水利水电勘测设计院．王快—西大洋水库连通工程可研报告 ［R］．保定：保定市水利水电勘测设计院，2006．

［2］袁军鹏，袁吉栋，史长莹，等．王快—西大洋水库跨流域调水工程研究 ［J］．南水北调与水利科技，2007，5 （5）：151－153．

［3］朴丽芬．实施王快西大洋两库联通对保定市区经济环境社会发展的影响 ［J］．河北水利水电技术，2004，（2）：3－4．

［4］魏秀英，张慧军，王欣安，等．保定市一亩泉水源区地下水回补可行性分析 ［J］．河北水利水电技术，2003，（2）：15－17．

［5］韩宇平，阮本清，解建仓，等．串联水库联合供水的风险分析 ［J］．水利学报，2003，（6）：14－21．

［6］王其藩．系统动力学 ［M］．北京：清华大学出版社，1994．

［7］苏懋康．系统动力学原理及应用 ［M］．上海：上海交通大学出版社，1988．

［8］简新平．基于系统动力学的王快—西大洋水库联通工程研究 ［D］．邯郸：河北工程大学，2009．

［9］MARQUEZ AC，BIANCHI C，GUPTA JND．Operational and financial effectiveness of collaboration tools in supply chain integration ［J］．European Journal of Operational Research，2004，159 （2）：348－363．

［10］DISNEY S M，POTTER A T，GARDNER B M．The impact of vendor managed inventory on transport operation ［J］．Transportation Research E，2003．39 （5）：363－380．