淮河中游枯水期水量配置与调度技术综合研究

王式成王敬磊刘方周喆王艺晗

淮河中游枯水期水量配置与调度技术综合研究

王式成1，2王敬磊2刘方3周喆4王艺晗3

一、引言

淮河流域地处我国东部，是南北气候、高低纬度和海陆相三种气候过渡带的典型地区，降水时空分布不均，年内年际变化剧烈，水土资源分布不平衡。近年来，随着国家和安徽省在淮河流域经济发展战略和发展规划的逐步实施，淮河干流重要河段淮南～蚌埠段经济社会进入快速发展时期，对水资源利用提出了更高的要求，该河段取用水量明显增加，供需态势变化显著，呈现出枯水期发生频次增加、持续时间延长、水量交换关系复杂多变的特点，导致干旱灾害范围扩大、损失加重，给受旱区城镇居民生活、工农业生产及生态环境带来严重影响。同时，由于缺乏淮河枯水期水量配置与调度方案，淮干水资源得不到合理高效使用，更无法实施科学水量调度，解决淮干水资源分配与调度问题已成当务之急。

鉴于研究区域在淮河流域的重要性、典型性以及干旱缺水对区域经济社会的影响，为使枯水期淮河水资源得到有效利用，解决好上下游、省际间的用水矛盾，提高流域机构水资源管理水平，科学合理地配置与调度枯水期淮河干流水资源，研究开展淮河水系枯水期水资源利用技术及水量调度实施技术，加强枯水期水量调度与管理势在必行。

二、研究目标与内容

1.研究目标

本研究围绕提高淮河水系枯水期水资源利用效率这个核心，合理配置枯水期淮河干流水资源，科学调度淮河水量。通过实施淮河水系枯水期水量调度，充分挖掘供水潜力，并协调好地区间、部门间、用水户间的用水关系，解决好上下游、省际间的用水矛盾，保障枯水期沿淮城市生活用水和重要工业用水的安全，最大限度减少干旱缺水对经济、社会发展的影响，保障区域经济安全、淮河干流生态安全，以水资源的可持续利用支持该地区经济社会的可持续发展，为该河段枯水期水量应急调度、水资源管理提供技术支撑。

2.研究内容

本次研究按照科学的逻辑组织和技术路线展开，主要研究内容如下：

（1）淮河中游枯水期水资源系统解析、多水源演变规律、水资源开发利用及供需态势研究。

（2）淮河中游枯水期水资源配置及调度水源条件、工程条件研究，淮河中游枯水期各控制断面不同典型年、不同频率来水量及可利用量研究。

（3）构建淮河中游枯水期基于分行业用户满意度的水资源配置模型；开展多枯水组合情境下，多边界多控制要素的水资源配置技术研究。

（4）淮河中游枯水期不同水平年、不同保证率的水资源调度技术研究，拟定一般枯水期多维临界调度与特殊枯水期预警、应急调度实施方案。

（5）开发淮河中游枯水期水资源配置及调度可视化管理系统，制定水资源监测方案、水资源调度管理制度与保障体系。

三、研究成果

1.淮河中游枯水期水资源演变规律

重点解析淮河中游枯水期水资源系统、典型断面枯水期径流演变及动态模拟，首次采用时序变化分析法、趋势性和突变分析法和多尺度周期性检验方法，分别对鲁台子、蚌埠站的全年降水、汛期降水、非汛期降水进行分析，揭示淮河中游枯水期水资源演变规律。

（1）降水演变特征

首次采用时序变化分析法、趋势性和突变分析法和多尺度周期性检验方法，分别对鲁台子、蚌埠站的全年降水、汛期降水、非汛期降水进行分析，揭示了降水变化规律。鲁台子站年平均降水量在20世纪70年代和90年代的降雨量偏少，而50年代和21世纪初则偏多，尤以进入21世纪后偏多更甚。蚌埠站年平均降水量在60年代和70年代的降雨量偏少，而90年代和21世纪初则偏多，尤以进入21世纪后更甚。

（2）径流演变特征

通过三种小波Mexcian hat小波、Morlet小波和cmor2-1小波的比较找到了cmor2-1小波对鲁台子站1951～2012年径流资料分析周期变化最有效，从趋势来看整体呈减少趋势，减少速率为0.68亿m3/a，在1986年之前径流量变化周期为10年左右，1986年之后径流量变化周期为20年左右。根据蚌埠站历年年径流资料，得出其年径流总体上同样呈下降趋势，下降的趋向率为2.47亿m3/a。且经分析，两站径流系列趋势一致、变异点一致。

根据蚌埠（吴家渡）水文站1950～2012年年径流资料，经过季节性Kendall检验，分析得出其年径流量下降趋势显著，鲁台子站年平均减少速率为0.68亿m3/a，蚌埠站年平均减少速率2.47亿m3/a，趋向率为24.76×108m3/10a。采用马尔科夫（Markov）法分析天然径流量进行转移概率，揭示蚌埠站年径流量丰平枯状态转移特性，即淮河蚌埠站年径流在长期丰枯状态的概率转变中，平水年的自转移概率较大，即平水态自保守性强；概率转移分析显示，年径流处于丰水和偏丰水的初始状态，向偏枯水年转移的概率较大；年径流处于平水、偏枯水年和枯水年的初始状态，向平水年转移的概率较大。

2.水资源开发利用及供需态势状况

通过剖析不同水平年、不同枯水组合情境下的水资源开发利用情况、可利用量、受旱典型年缺水量及水资源供需态势，得到结论如下：

（1）淮河中游水资源可利用总量为200.7亿m3，可利用率为51.8%；连续3个月枯水期可利用总量39.3亿m3，可利用率为72.6%；连续5个月枯水期地表水可利用总量64.5亿m3，可利用率为65.5%。

（2）通过对区域受旱典型年分析，蚌埠闸上区域在受旱典型年平均缺水量为5.46亿m3，年最大缺水量为1978年10.5亿m3，最小缺水量为2000年2.7亿m3；蚌埠闸以下供水区域特旱年年平均缺水量2.32亿m3，重旱年年平均缺水量0.158亿m3。最大缺水为2001年，缺水量2.7亿m3，年最小缺水为1988年，缺水量750万m3。

（3）通过对不同年型需水缺水态势分析，王蚌区间连续3个月枯水期现状水平年20%、50%、95%和95%保证率下的缺水量分别为0、0.209亿m3、1.265亿m3和2.22亿m3，连续5个月枯水期现状水平年20%、50%、95%和95%保证率下的缺水量分别为0、0.399亿m3、2.415亿m3和4.242亿m3。蚌洪区间连续3个月枯水期现状水平年20%、50%、75%和95%保证率下的缺水量分别为0、0.044亿m3、0.627亿m3和0.759亿m3；蚌洪区间连续5个月枯水期现状水平年20%、50%、75%和95%保证率下的缺水量分别为0、0.084亿m3、1.197亿m3和1.449亿m3。

3.枯水期水源条件分析

根据对蚌埠闸上区域水库、湖泊洼地和外调水等水源条件进行分析，干旱期可向蚌埠闸上调水的水源主要为安徽省境内的城东湖、瓦埠湖、高塘湖、芡河等上游沿淮湖泊洼地，蚌埠闸下河道蓄水，以及梅山水库、响洪甸水库和佛子岭水库；河南省境内的宿鸭湖水库、南湾水库和鲇鱼山水库等重点大型水库；江苏省境内的洪泽湖、高邮湖和骆马湖；跨流域调水为南水北调东线工程等水源。根据对洪泽湖区域周边水源条件分析，干旱期可向洪泽湖调水的水源主要为江苏省境内骆马湖、高邮湖等湖泊蓄水；安徽省境内的花园湖和蚌埠闸上蓄水；跨流域调水为南水北调东线工程等水源。

4.淮河中游重点断面来水量动态预测

根据淮河临淮岗以上的现状用水状况，建立了临淮岗以上规划来水分析模型，提出淮河干流临淮岗以上区域现状（2012年）和规划水平年（2020年）50%、75%、95%以及多年平均保证率典型年规划来水量，同时分析了不同时期不同枯水期频率组合重点控制断面规划年来水量。

（1）现状水平年2012年主要断面规划来水量

依据现状水平年耗水情况对各典型年实测径流量进行修正，得到各典型年现状水平年规划来水量，2012年淮干蚌埠闸50%的典型年规划来水为299.9亿m3，75%的典型年规划来水为214.3亿m3，95%的典型年规划来水为43.9亿m3。

（2）规划水平年2020年淮干蚌埠闸断面规划来水量

采用各典型年实测径流量，按规划水平年耗水情况对其进行修正，得到不同典型年的规划水平年2020年规划年来水量，淮干蚌埠闸50%的典型年规划来水为293.9亿m3，75%的典型年规划来水为208.3亿m3，95%的典型年规划来水为40.6亿m3。

（3）特枯年和连续枯水年断面规划来水量

现状水平年淮干蚌埠闸以上特枯年（1965～1966年）规划来水为25.0亿m3，特枯年（1977～1978年）规划来水为43.9亿m3；规划水平年淮干蚌埠闸以上特枯年（1965～1966年）规划来水为21.4亿m3，特枯年（1977～1978年）规划来水为40.6亿m3。

特枯年1965～1966年和1977～1978年，淮干中渡断面现状水平年来水量分别是平水年份的18.8%和16.2%；规划水平年来水量分别是平水年规划来水量的17.7%和15.0%。

5.多枯水组合情境下水资源配置

首次利用Mike Basin模型和MOSCEM-UA优化方法实现基于分行业用户满意度的枯水期水资源配置，提出不同水平年、不同保证、多枯水组合情境下的水资源配置方案。

（1）多边界多控制要素水资源配置模型

采用MikeBasin模型对研究区域水资源系统进行了模拟，根据水量平衡原理，建立天然与人工水资源循环的二元水资源模型中各层次、各环节的水资源转化迁移关系。在此基础上，进一步形成了二元水循环结构上的降水、蒸发、产流、汇流动态过程以及来水、用水、蓄水的动态过程，为拟定水量配置方案研究提供参考依据。

（2）基于分行业用户满意度的水资源配置模式

研究区域水源、工程、用户、调度方式、控制目标等要素关系，并根据区域水资源特点和各用水部门特点，分析了干流水资源的分配模式和需求，确定了水量配置的优化目标和条件。

（3）枯水期水资源配置方案

依据水量合理配置模型系统，设定系统优化配置方案，现状水平年来水按实际来水量计算，规划水平年2020年来水方案按现状实际来水量扣减10%计算，2030年来水方案按现状实际来水量扣减20%计算，蚌埠闸上正常蓄水位设定为18.0m，下限水位设为15.5m和16.0m；蚌埠闸下正常蓄水位设定为13.0m，起调水位按各个典型年份汛末实测水位和吴家渡测站多年平均汛末水位14.2m两种情况考虑；洪泽湖汛限水位设定为12.5m，最低控制水位为11.3m。

6.基于MOSCEM-UA优化的水资源调度模型

水量调度模型是在采用Mike Basin模型模拟不同情景下的水量配置方案基础上，结合MOSCEM-UA优化方法，将水资源系统中各类控制要素作为水量调度系统模拟分析的控制边界和条件，建立了水资源量和水资源应用的逻辑关系；根据水资源量和现有水量配置方案，充分考虑河道蓄水、湖泊洼地蓄水和洪泽湖调水情况，采用线性优化计算方法，研发淮河干流（正阳关～洪泽湖）水资源优化调度模型系统。根据淮河干流水量配置情况，拟定一般枯水期多维临界调度与特殊枯水期预警、应急调度实施方案。

7.枯水期水资源调度方案编制及实施

水量调度方案根据淮河流域水资源特性及国民经济各部门对水的需求特点，结合淮干水资源调度与展示模型优化计算成果，研究制定一般枯水期多维临界调度与特殊枯水期预警、应急调度实施方案，为枯水期水资源调度提供依据。

8.枯水期水资源配置及调度管理系统

以水量配置模型为支撑，基于Microsoft Visual Basic 6.0平台，结合ArcGis，开发水量调度管理平台。将水资源优化配置模型程序嵌入到水资源可视化展示平台中，完成淮河干流（正阳关～洪泽湖段）水量调度与展示系统。

9.枯水期水资源监测方案

通过实地查勘、资料收集，进行监测站网布设，包括入（出）河湖控制断面、重要取水口、农业取水口、重要入河排污口和可利用水源监测断面这五方面，构建监测数据库，制定监测管理保障措施，编制水资源监测方案。

10.枯水期水资源调度管理制度及保障体系

就未来时期淮河流域水资源管理所需要的理念和思维方式转变、流域管理目标体系、注重公众参与流域管理、协调的工作机制研究、引入公共管理理论、加强与水相关的文化建设、构建流域规划与研究体系、加强流域水资源监测和管理等方面进行思考与探讨。淮河干流水资源工程的建设、防洪工程的综合利用等，为水资源的统一调度提供了条件，不同条件下的水量配置与调度方案也为水资源的调度与管理提供了依据。成果提出建立一套较为完善的水量调度管理制度和保障措施体系，以确保淮河干流水量配置方案和调度方案的顺利实施。

四、成果创新性

1.创新点

（1）创建了淮河中游枯水期水资源系统解析与动态模拟预测技术，揭示了淮河中游枯水期多水源演变规律，剖析了不同水平年、不同枯水组合情境下水资源供需态势，对淮河干流主要控制断面枯水期来水量进行了预测。

（2）创建了基于分行业用户满意度的枯水期水资源配置模型，科学描述了淮河中游蚌埠闸、沿淮洼地、采煤沉陷区等多边界多控制要素的复杂调控系统情景，提出了淮河中游多枯水组合情境下水资源配置方案。

（3）研发了一般枯水期多维临界调度与特殊枯水期预警、应急调度技术。基于淮河流域整体调度规则，提出了淮河中游枯水期调度原则；耦合了MikeBasin模型和时间延迟的MOSCEM-UA优化方法，构建了调度模型，开发了应用平台。

2.掌握新规律与新特征

通过研究得到了以下新规律与特征：

（1）区域代表站、流域枯水期水文要素的特征与情势。

（2）枯水期鲁台子、蚌埠闸的径流演变规律。

（3）典型断面枯水期不同典型年、不同频率水量变化特征。

（4）正阳关～蚌埠闸、蚌埠闸～洪泽湖以及洪泽湖周边枯水期不同枯水组合情境下的缺水量、缺水率、供需态势。

（5）掌握了淮河中游多枯水组合情境下，多边界多控制要素控制的水资源配置方案。

（6）枯水期研究区域9个水源的分布、可供水量。

五、结语

（1）本研究以2011年中央一号文件需求为指引，紧扣三条红线控制指标、淮河流域最严格水资源管理制度要求，协调地区间、部门间和用水户间的用水关系，为淮河流域的城市生活用水和重要工业用水的安全、区域经济安全、淮河干流生态安全提供技术支撑。成果应用于流域水资源管理、水量调度、流域综合规划等多方面，应用对象明确。

（2）成果系统性、创新性较明显。本成果由科研、管理等多单位协作完成，国内外尚未系统研究，成果内容丰富、内容间关联好，系统性较强，既是一项填补淮河流域水量调度的系统研究成果，又是一项淮河流域水资源管理、供水安全及生态安全决策的应用性成果。

（3）在水量配置与调度研究方面学术价值较高。系统开展了水量配置参数研究，采用MikeBasin模型模拟不同情景下的水量配置方案，并结合MOSCEM-UA优化方法，使得配置方案适应性更强。结合ARCGIS技术和数据库技术，建立了水量调度与展示模型平台，丰富了水量配置与调度理论，学术讨论活跃。

（4）成果实用性较强，应用对象明确，应用前景广。在淮河流域其他类似地区具有较好的适应性，成果已经转化为生产力，产生了良好的社会经济效益和环境效益。同时，在水资源学科发展方面应用前景广阔，新方法和新成果对解决枯水期供水风险和社会经济协调发展技术的跨越和对城市水利技术的进步具有显著的促进作用

（作者单位：1.淮河水利委员会水文局（信息中心）2330012.安徽淮河水资源科技有限公司2330003.河海大学水文水资源学院2100984.河海大学港口海岸与近海工程学院2100098）