基于水信息技術(shù)的水庫運(yùn)行調(diào)度研究

高昌飛

(安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽 馬鞍山 238200)

水庫的布置是為了平衡河流集水區(qū)的流量，在高流量時保持水量，在低流量時釋放水量[1]。大多數(shù)水庫都是復(fù)雜水利設(shè)施的一部分：不同類型的水庫、地表徑流、土壤侵蝕和泥沙輸移控制工程及措施、溢流槽、天然和人工渠道，堤防和河流控制工程等[2]。水庫主要用于控制流經(jīng)下游河道的水流，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)下游供水、灌溉、防洪、水力發(fā)電等目的[3-4]。大多數(shù)水庫具有多種用途，運(yùn)行規(guī)則復(fù)雜。由于水庫的運(yùn)行對環(huán)境、社會和經(jīng)濟(jì)的影響十分重要，因此水庫的運(yùn)行策略是水庫運(yùn)行必不可少的。

在氣候變化的背景下，應(yīng)特別注意水庫的以下功能：通過在高降雨事件期間蓄水來控制洪水，以防止或減少下游洪水。此時，水庫應(yīng)盡可能留出充足空間，以便從降水和徑流中截留更多的水；當(dāng)水庫要保證供水和灌溉，特別是在干旱時期，此時水庫應(yīng)盡可能滿，留夠足量的可用水，以確保必要的水量。應(yīng)特別注意的是，當(dāng)水庫被設(shè)計主要用于發(fā)電時，與其他產(chǎn)出能源相比的方式相比，為水力發(fā)電建造的水庫可以減少大氣污染，降低碳的凈排放量[5]。

1 水信息學(xué)

1.1 水信息學(xué)方法

水文信息學(xué)(或水信息學(xué))源于建模工具與信息和通信技術(shù) (ICT) 的結(jié)合，形成了一種處理可持續(xù)水資源管理的物理、社會和經(jīng)濟(jì)方面的單一方法論方法。水文信息學(xué)是一個跨學(xué)科領(lǐng)域，在水管理的各個領(lǐng)域都有應(yīng)用[6]，包括：開發(fā)和應(yīng)用決策支持系統(tǒng)，供有關(guān)當(dāng)局和利益相關(guān)方在水和環(huán)境領(lǐng)域使用；為水工程問題提供解決方案的仿真和優(yōu)化模型；計算工具和技術(shù)及其在管理與水系統(tǒng)相關(guān)的風(fēng)險和不確定性方面的有效應(yīng)用，特別是在氣候變化的背景下；水資源管理的跨學(xué)科復(fù)雜系統(tǒng)方法(綜合水資源管理)；提高對水系統(tǒng)功能的了解，包括技術(shù)、社會經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問題。

1.2 水信息學(xué)工具

MIKE HYDRO Basin是一種多用途、以地圖為中心的決策支持工具，用于綜合流域分析、規(guī)劃和管理，是一款多功能的、基于地圖建模的決策支持軟件，無論是國際還是國內(nèi)，甚至局部區(qū)域上的水資源熱點(diǎn)問題，都可以利用MIKE HYDRO Basin進(jìn)行分析。

MIKE HYDRO River是新一代河流建模軟件包。該工具作為頂級的河流模型，應(yīng)用范圍廣泛，可模擬計算洪水、航運(yùn)、泥沙等項目，也能計算其中幾項的組合。同時MIKE HYDRO River是最全面、最強(qiáng)大的河流水動力學(xué)和水環(huán)境模擬軟件，在全世界被廣泛應(yīng)用。MIKE HYDRO River可與分布式水文模型(MIKE SHE)耦合，也可以與城市排水模型MIKE URBAN結(jié)合使用。

HEC-ResPRM水庫系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化軟件包，其旨在幫助規(guī)劃人員、操作員和管理人員進(jìn)行水庫運(yùn)行規(guī)劃和決策。 HEC-ResPRM 使用網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化來提出基于系統(tǒng)目標(biāo)的任何特定優(yōu)先級和給定流入時間序列的系統(tǒng)可以預(yù)期的最佳結(jié)果。

HEC-ResSim 水庫系統(tǒng)仿真軟件用于模擬一個或多個水庫的水庫操作，以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行目標(biāo)和約束。該軟件模擬水庫運(yùn)行以進(jìn)行洪水管理、供水規(guī)劃研究、詳細(xì)的水庫調(diào)節(jié)計劃調(diào)查和實(shí)時決策支持。該軟件可以通過用戶構(gòu)建的元素網(wǎng)絡(luò)(樞紐、路線河段、導(dǎo)流和水庫)來表示大型、小型水庫和水庫系統(tǒng)。作為一種決策支持工具，可滿足建模人員執(zhí)行水庫項目研究的需求以及實(shí)時事件期間水庫監(jiān)管機(jī)構(gòu)的需求。

2 案例研究

梅山水庫(圖1) 梅山水庫位于鄂、豫、皖三省交界處的大別山腹地、淮河支流史河上游，大壩建于1954年。梅山水庫集雨面積1970 km2。設(shè)計正常蓄水位85 m，防洪庫容10.65億m3。其中一些是活躍的永久性和臨時性河谷網(wǎng)絡(luò)，有利于輸送非常不均勻的粗粉砂量，排放整個水文流域。森林砍伐區(qū)的滑坡活動頻繁；森林占集水區(qū)的80%。

圖1 梅山水庫總體方案及庫容曲線

佛子嶺水庫(圖2) 是淮河流域第一座水電站。該水庫集雨區(qū)面積1270 km2，多年平均降雨量1578.4 mm。1952年1月動工，1954年11月基本完工，設(shè)計正常水位為140 m，相應(yīng)庫容12 000萬m3；1980年經(jīng)批準(zhǔn)后對水庫進(jìn)行大壩安全加固，按可能最大暴雨(PMP)洪水進(jìn)行校核，最高洪水位為130 m，相應(yīng)庫容為11 316萬m3，加固后正常水位提高到145 m。被植被覆蓋的洪泛區(qū)(覆蓋流域的70%)存在活躍的滑坡，包括分離的溝壑。

圖2 佛子嶺水庫總體方案及庫容曲線

響洪甸水庫(圖3) 位于安徽省六安市金寨縣，水庫集雨面積為 1431 km2，1956年4月開工建設(shè)，1958年7月竣工。最大蓄水位100 m，相應(yīng)庫容12 000萬m3。在集水區(qū)可能遇到泥沙淤積和退化侵蝕，岸堤崩塌和沖積錐延伸，造林面積達(dá)85%。

圖3 響洪甸水庫總體方案及庫容曲線

庫容曲線是表示水庫水位與其相應(yīng)庫容關(guān)系的曲線。以水位為縱坐標(biāo)，以庫容為橫坐標(biāo)繪制而成的。是水庫規(guī)劃設(shè)計和管理調(diào)度的重要依據(jù)。橫向?qū)Ρ确治雒飞剿畮臁⒎鹱訋X水庫、響洪甸水庫的地理信息及庫容曲線后發(fā)現(xiàn)，三個水庫的庫容曲線大致趨勢相似。梅山水庫及響洪甸水庫在庫容初期，水位增長速度較快。后期三個水庫水位高度趨于平緩，可能由于水位的增高，導(dǎo)致流域面積增大，進(jìn)而導(dǎo)致水位增速極大放緩。

3 模型計算

為對三個水庫運(yùn)行模擬分析，MIKE HYDRO Basin的輸入數(shù)據(jù)有:河流網(wǎng)絡(luò)-河流節(jié)點(diǎn)、水庫和用水用戶的位置和特點(diǎn)、河流支流集水區(qū)特征(面積，土地使用)、降水、水庫蒸發(fā)、需水量的時間序列所選擇的降雨徑流模型為UHM (單位線法)，水庫選路方法為線性水庫法。

3.1 線性水庫演算

在所有時間步驟中分配離開河流節(jié)點(diǎn)的流量，其中必須指定延遲參數(shù)K(線性路由時間延遲)。延遲參數(shù)K表示所選河流節(jié)點(diǎn)與下游下一個節(jié)點(diǎn)之間的洪水增量穿越河流的時間，其值估計為節(jié)點(diǎn)間洪峰移動時間的觀測值。對于一個脈沖流入，流出在給定的時間后達(dá)到峰值，然后指數(shù)衰減。所用公式(1)為：

Q0=(1-x/(dt/K))·qi+x·s

(1)

式中：x=1-e(-dt/K)；Q0為節(jié)點(diǎn)的流出；dt為時間步長；qi為節(jié)點(diǎn)的流入；s為地下的存儲；K為線性路線時滯(或延遲)參數(shù)。

3.2 Muskingum演算

該方法通過楔形和棱柱形蓄水的組合來模擬河道中洪水的蓄水量。在洪水的前進(jìn)過程中，流入量超過流出量，從而產(chǎn)生了楔形蓄水池。在洪水衰退期間，流出超過流入，導(dǎo)致負(fù)楔形。此外，還有一個存儲棱柱，它由沿著棱柱通道長度的恒定橫截面的體積形成。 假設(shè)洪流截面積與斷面流量成正比，總存儲量S是兩個分量的總和，如式(2)：

S=KQ+KX(1-Q)

(2)

式中：KQ為棱柱蓄水容積；K為比例系數(shù)；Q為流量；X為形狀參數(shù)；KX(1-Q)為楔形蓄水容積。

3.3 波形平移演算

在每個時間步中使用帶有“槽”的循環(huán)緩沖區(qū)。某個時間步長的流入將被放入當(dāng)前槽中，而存儲在該槽中的相應(yīng)的早期流入將被取出。緩沖區(qū)中的槽數(shù)等于水流延遲的時間步長數(shù)。槽數(shù)計算為dt/K，其中K的良好估計值可以是所選河流節(jié)點(diǎn)和下一個下游節(jié)點(diǎn)之間的不同過程線峰值的行程時間。

4 結(jié)果分析

MIKE HYDRO的模擬結(jié)果如圖4～圖5所示?；谙冗M(jìn)水文信息工具的累積操作模擬結(jié)果，可以為各種場景(暴雨、快速融雪和干旱)準(zhǔn)備操作規(guī)程，還可以了解新用戶的可用水量。

圖4 不同節(jié)點(diǎn)中未分配的排水量變化曲線

圖5 不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)水流量變化曲線

上圖分別為不同水庫不同監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在一天中流量和水庫尾部水位變化曲線。分析發(fā)現(xiàn)，水庫流量變化呈現(xiàn)出明顯規(guī)律性。流量在達(dá)到峰值后開始緩慢降低。橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，達(dá)到峰值的時間略有差異。而通過軟件分析得到的各水庫中未分配、流入和流出的流量變化曲線，能有效幫助決策人員相對容易地對凈流量和損耗量統(tǒng)計分析，以便對水資源更好地進(jìn)行調(diào)配。水庫尾部水深變化結(jié)合上述數(shù)據(jù)能有效協(xié)助工作人員對水庫泥沙淤積有初步的動態(tài)了解，幫助水庫實(shí)現(xiàn)高效管理及可靠安全運(yùn)行。

綜合以上分析可知，通過MIKE HYDRO Basin分析軟件對河流沿線不同節(jié)點(diǎn)未分配、流入和流出流量的變化，以及各水庫尾部水深變化曲線的分析研究，可快速了解水庫庫容、高程、用水量等關(guān)鍵性信息，幫助水庫快速高效地做出最恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)行策略，提高水庫利用率，使水庫安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié) 論

制定適當(dāng)?shù)乃畮爝\(yùn)行規(guī)則對于提高水庫用水效率，保障水庫安全運(yùn)行十分重要。優(yōu)化水庫運(yùn)行策略首要應(yīng)該明確需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，通過對優(yōu)化策略所依賴的相關(guān)因素的綜合分析，最終實(shí)現(xiàn)水庫的高效性及穩(wěn)定性。

本文通過使用目前常用且被證實(shí)可信的水文信息工具，對不同水庫的水文信息展開研究。比較使用這些工具所得到的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水庫流量隨時間變化具有明顯規(guī)律性；不同水庫達(dá)到流量峰值時間及最大水深的時間略有差異，相互之間相差1 h左右，且最大峰值流量和最大水深時間相關(guān)性較強(qiáng)。通過即時定性定量分析水庫各項數(shù)據(jù)，對各種管理策略做出有效的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，最后，為決策者得出符合可持續(xù)發(fā)展原則的最高效、最便捷的管理方案提供基本參考。