松花江流域水资源配置与调度系统的开发和应用

2013-11-20莫铠

水利信息化 2013年5期

莫铠

（奥雅纳工程咨询（上海）有限公司，上海 200031）

1 项目背景

进入21世纪以来，随着我国社会经济发展和人口逐步增加，社会对水资源的需求越来越大，造成区域水资源供需不平衡，水资源短缺和人民生产生活用水之间的矛盾日益突出。全国660个城市中有400个供水不足，其中有110个城市严重缺水[1]。水资源已成为制约社会和经济持续、健康发展的瓶颈，为此全国各个流域已逐步开展水资源方面的研究[2-6]。

哈尔滨是我国东北地区北部最大的中心城市，水资源特征是自产水偏少，过境水较丰，时空分布不均。虽然松花江干流由西向东贯穿哈尔滨市中部，是哈尔滨市灌溉量最大的河道，但在过去的几十年中，由于人们的水资源保护意识不强，对生态资源保护力度不够，哈尔滨地下水资源处于超量开采状态，松花江上游大片森林植被逐渐减少，造成水资源量以惊人的速度减少；此外，由于受全球气候变化的影响，松花江流域降雨量和降雪量不断减少，而居民、工业用水等各类用水的总量却在不断增加，客观造成该区域水资源供需矛盾。因此，即便哈尔滨市建设了大型区外引水工程——磨盘山水库供水工程，并且通过松花江上游水库电站蓄水为下游用水户输水，也无法从根本上改变哈尔滨缺水的现状。为了缓解城市供水紧张的状况，有效地解决松花江流域水资源供需矛盾的问题，流域管理机构迫切需要利用综合性管理工具对水资源进行科学、合理地规划和调配，而能够管理海量数据、具有统一应用平台、能够实现方案模拟和预测功能的松花江流域水资源配置和调度系统无疑是非常符合这一要求的。国内多个流域的案例证明水资源模型和综合管理系统在流域规划和水资源配置过程中起着重要的作用[7-13]。

2 研究区概况和数据资料

2.1 研究区概况

松花江流域水资源配置与调度系统的研究范围是松花江流域哈尔滨断面以上的区域，包括嫩江、第二松花江流域，以及松花江干流的上游段（三岔河至哈尔滨区间），地跨黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古4省（自治区）的哈尔滨市，长春市，吉林市，抚顺市，松原市等在内的20个地级市。整个流域两源上中游段为山区、丘陵地带，下游及干流部分为平原，流域内还包括松花江、嫩江、讷漠尔河、双阳河、霍林河等数十条河流，以及许多湖泊、沼泡和水库。

研究区地处东亚大陆东缘中纬度地带，属北温带大陆性气候区。春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季很短，冬季寒冷漫长。多年平均气温 3～5℃，最高 40℃ 以上，最低气温 -42.6℃。多年平均降水量在500mm 左右，东南山区多雨，达 700～900mm，西北干旱地区少雨，仅400mm。年内分配不均，汛期（6—9月）降水占全年降水量的 60%～80%，冬季多雪，降水量占全年降水量的 5% 左右。区域内易发生洪水，分为春汛和夏汛。降雨年际变化较大，最大年降水量约为最小年降水量的3倍，且有连续多年丰水年或枯水年交替出现的情况。无霜期北部较短，一般 110～150d，南部为 150～180d。河流的封冻期一般在10月中旬至11月下旬，解冻期一般在3月中旬至4月中旬，河流封冻时间北部及高寒山区为 130～180d，南部为 85～130d，冰厚一般为 0.5～1.0m，最厚可达 1.5m。冻土深度北部为 1.7～3.0m，南部为 0.9～2.0m。松花江流域多年平均地表水资源量为 734.70亿 m3，地下水资源量和开采量分别 310.04和 116.80亿 m3。

2.2 数据资料

系统包含的水资源和水动力模型的模拟结果需要相关实测数据才能进行率定和验证，因此，项目的数据资料包括降雨、蒸发、温度、水位、流量和用水数据等。由于人类活动的影响，水资源模型的验证需要综合考虑多种因素，因此需要尽可能长系列的流量和用水数据做分析。

本项目采用171个雨量站 1985—2005年的日降水记录，采用14个蒸发站 1985—1998年的日实测蒸发数据，采用11个温度站 1985—1998年的温度观测数据，采用区域内43个水文站 1985—2005年的实测日观测流量数据。水位数据采用10个水文站的数据，数据年份为1998和 2000年，水位观测站属性如表1所示。

表1 实测水位数据的水文站属性表

此外，本项目通过采用水资源四级分区嵌套地级市标准划分用水单元，总共划分了72个用水单元，29个水库上游分区。将每个用水单元的用水户具体划分为城镇生活、农村生活、牲畜、第三产业（主要指服务业）、火核电等16种类型，且对应不同的回水规则，如表2所示，用水户总数为1152个。用水数据包括2000和 2020年50% 和 75% 保证率，2030年50% 和 75% 保证率的用水户需水过程线，以及相应的尾水回水比例系数。

表2 用水单元内的16类用水户类型

研究区共包括22个重点引水和供水工程，河网、水库和重点取水口位置如图1所示，重点引水工程列表如表3所示。

图1 河网、水库和重点取水口位置图

表3 重点引水工程列表

研究区内包括重点水库39个，重点水电站5个。由于本项目采用 2000年为基准年，2000年的数据作为现状数据，用以验证模型和系统的模拟精度。因此，将39个水库分为以下几类：2000年现状水库21个， 2003年规划水库2个，2007年规划水库1个，2020年规划水库12个，2030年规划水库3个，列表如表4所示。每个水库对应有水库特征水位、水库特性曲线、水电站调度曲线等数据；而水电站则对应有尾水水位、出力系数、水头损失等数据。由于缺少规划资料，部分水库总库容采用经验假设值。

3 系统框架

松花江流域水资源配置与调度系统，是集数据分析、方案模拟、趋势预测、结果统计和图表输出等多功能为一体的管理多目标水资源的水利信息化应用平台，主要目的是为了实现松花江流域内水资源的合理配置与科学调度，更有效地进行水资源的日常管理工作，并为今后流域水资源的规划和有效调度提供可靠的技术支持。系统的主要功能是通过链接基础数据库的信息，在率定完成的模型方案基础上修改参数，更新边界条件，在水资源模型和水动力模型之间传输数据及派生模拟方案等，灵活、快速地演算水资源的时间和空间分布情况，得到不同规划方案的模拟结果，并且根据流域水资源管理的需要，输出各类统计图表，以进行多方案比较与分析。

3.1 系统功能结构

松花江流域水资源配置与调度系统以国内广泛应用的 DHI MIKE 系列（2008版）的 MIKE BASIN，MIKE11和 NAM 数学模型[14-27]，数据库Microsoft SQL Server 2000，ArcGIS9.2为基础，进行系统开发，构建了水资源配置、水资源调度、规划方案模拟和结果统计展示4大功能，如图2所示。在4个功能结构中，最重要的核心功能是水资源配置和调度，这2个功能将水资源配置和调度模型与降雨径流模型、基础数据库、规划方案编辑器相联系，进行实时数据、文件的交换，既可以独立地进行水资源配置或调度的方案模拟，也可以将宏观水资源配置规划的模拟结果作为水资源调度模型的用水边界数据，与调度方案整合成一体，最终输出研究结果，规划方案流程示意图如图3所示。

3.2 系统框架组成

系统框架包括4个组成部分（框架如图4所示），具体如下：1）模型部分。是整个系统的核心计算层，担负着所有相关水资源输入数据模拟计算的功能。该部分是将已经完成率定的模型作为模版放入系统中，以便规划方案在该模型的基础上进行修改。2）方案编辑部分。在已有率定模型的基础上，根据客户的规划方案要求，进行各种方案的编辑和设定。并通过内部系统的连接，在 MIKE BASIN 与MIKE11之间进行数据传输。3）基础数据部分。将基础数据和模型中的图形要素相关联，或者根据规划方案要求，对已有基础数据进行修改、提取或插补延长等批处理。4）结果后统计部分。根据输出结果的具体要求，订制结果的表示形式，例如表格、图形、报告等。系统的各个部分都具有相对独立的功能和运算方式。最终系统按照客户的需要将模型计算的各类结果综合通过图形和表格等形式，直观地展示出来，为水资源管理提供技术支持。

表4 水库和水电站列表

图2 系统功能结构示意图

3.2.1 水资源配置模型

图3 系统规划方案流程示意图

图4 系统框架图

水资源配置模型是在哈尔滨断面以上的嫩江、第二松花江流域，以及松花江干流上游段（三岔河至哈尔滨区间）的范围内，搭建包含主干河道、用水单元、水库、用水户在内的综合性水资源模型，主要研究水资源量的分配和供需平衡问题，能够模拟降雨径流陆相水文循环过程，将得到的子流域产汇流过程的结果作为天然径流的边界输入条件，并且利用水资源配置模型研究水资源量变化趋势的预测，根据用水户取水优先规则进行用水户水量分配，研究地下水水位的变化趋势，模拟水库的运行调度，此外，还可以帮助流域机构进行日常水资源信息整理和流域规划等工作。水资源配置的系统设置主要包括：子流域来水边界、用水数据排频计算、取水优先级规则、重点取水口设置、水库特征曲线、综合水库调度规则、面水资源损失量、地下水补给和方案结果统计分析等。

3.2.2 水资源调度模型

水资源调度模型是实现水量分配的具体方式，是执行和落实水资源分配方案的过程，除了考虑水量从上游到下游的传播时间、槽蓄作用等水动力因素的影响之外，还考虑主干河道沿程主要用水户取水过程、取水优先顺序、水库的调度规则等情况。水资源调度模型包括15个干流重点的和7个区间的取水口，而11个支流取水口的数据，则需要将水资源配置模型方案结果的用水户取水过程线作为边界输入条件，通过系统平台导入至水资源调度方案中。调水前与调水后模拟结果可以进行对比，多个不同调水方案之间也可以进行分析和评价。

3.2.3 率定和验证

模型的率定是模型搭建过程中一个非常重要的步骤，目的是为了调整模型的各种设置和参数，从而达到令人满意的结果再现，即使得模拟值与实测值的误差和精度在可接受范围内。模型的验证，是在完成参数率定的基础上，采用实测的边界输入数据进行运算，发现模型的不足和问题，进一步检验模拟结果的准确性。

对于水资源配置模型，根据数据收集情况，选择 2000年的数据进行验证，采用该年的降雨、用水等边界数据作为输入条件，进行方案模拟并得到结果。之后，采用白山、丰满、石头口门、太平池、星星哨、新立城和音河等各水库的入流，水位和出流，以及另外17个水文站的实测流量数据进行模型验证。考虑到实测数据的质量情况，模型验证结果整体达到项目预期，部分用水单元的模拟结果由于受到降雨数据缺失、水库调度规则的人工干预，以及区间误差传递等因素的影响，与实测值存在一定误差。

对于水资源调度模型，根据资料和研究区内已有水动力模型的率定信息，选择 1998年的数据进行水动力和水文模型的率定，以及选择 2000年的数据进行取水口用水数据和水动力模型的验证。总体上模拟值与实测值趋势一致，但部分率定点由于实测流量数据的不确定性和缺少支流取水口信息，造成两者的误差。

综上所述，水资源配置和水动力等模型的率定和验证结果，在研究区内现有实测资料的条件下，整体上与实测数据接近。如要进一步减小两者之间的误差，则需要相关单位提高实测数据的质量。

4 结语

为解决松花江流域的水资源供需矛盾，流域水资源规划管理机构建立的综合性水资源管理平台，即松花江流域水资源配置与调度系统，集成了水文、水资源和水动力数学模拟软件，利用计算机编程、GIS 和数据库等技术，实现了流域内多用户的水资源配置方案的模拟，动态反映了水资源供需情况，并且能够对不同调度方案进行分析和评价，大大提高了松花江流域的水利信息化水平。此外，该系统对于解决流域内水利工程的调度、城市群水资源的再分配、地下水可利用资源的开采等问题，也具有非常重要的意义。

鉴于研究区内收集到的实测数据和水利工程信息的实际情况，系统中水资源配置和调度模型的率定和验证结果整体上符合流域水资源管理的要求。现阶段松花江流域水资源配置与调度系统开发已经完成了拟定的各项工作任务，为今后松花江流域水资源规划和配置，特别是哈尔滨市的水资源区域化调度提供了强大的技术支持和应用平台，从而能够

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