水資源通用調度軟件模型管理系統在石羊河流域水資源調度模型構建中的應用

周偉達

（甘肅省石羊河流域水資源局，甘肅 武威 733000）

1 通用調度軟件模型管理系統介紹

水資源通用調度軟件所述的水資源調度，是指在流域機構、省級開展水量調度，側重于資源調度，即在保證水利工程安全運行的前提下，以盡可能滿足各用水單元的用水需求為目標，制訂水源、水利工程對各用水單元的供水策略［1］。

作為通用調度軟件的重要組成部分，由中國水利水電科學研究院水資源研究所開發的水資源通用調度軟件模型管理系統，可以用于構建滿足系統建設區域水資源調度需求的模型體系。模型管理系統包括數據匯集、網絡概化圖構建、模型參數率定與配置、基本模型倉庫構建4個步驟［2］。其中，數據匯集通過通用化的數據庫訪問接口，能根據各地的數據結構、數據存儲、數據資料等的差異，可實現與任意關系數據庫的連接，將水資源調度模型所需要的數據接入模型管理系統，為模型計算提供數據支撐。網絡概化圖構建模型管理系統提供一套可用于搭建水資源常規調度和水資源應急調度概化圖的可視化建模工具。模型參數率定與配置在所構建模型概化圖的基礎上，配置匯水區、河道、水庫、閘泵等調度對象的調度模型及其參數，并提供可視化的參數率定功能［3］。基本模型倉庫可以為模型管理系統提供5類共計18個模型，5個類別的模型分別是徑流預報模型、河道徑流演進模型、水質模型、水庫調度模型和統計分析模型。

2 研究區域概況及模型應用

2.1 研究區域概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，烏稍嶺以西，祁連山北麓，地處東經 101°41′～104°16′、北緯 36°29′～39°27′。流域全長250 km，覆蓋范圍涉及3市（金昌市、武威市、張掖市）7縣區（金川區、永昌縣、涼州區、民勤縣、古浪縣、天祝藏族自治縣和肅南裕固族自治縣），總面積4.16萬km2，占甘肅省內陸河流域總面積的15.4%。全流域建成100萬m3以上水庫15座，其中以大景峽、黃羊河、南營、西馬湖、紅崖山及金川峽等水庫較大。

從水源角度來講，石羊河流域水資源調度涉及地表水、地下水、外調水和回用水等多種水源；從用水角度來講，石羊河流域水資源調度涉及生活用水、工業用水、農業用水和生態用水等；從供水規則來講，石羊河流域水資源調度優先使用回用水、地表水和外調水，最后使用地下水。

2.2 模型構建

在水資源通用調度軟件模型管理系統中，采用點—線—面結合的方式，對石羊河流域水資源調度進行概化。其中，石羊河流域點要素包括9座水庫、1個重要斷面（蔡旗斷面）、16個地下水水源（模型中概化為邊界條件）、2個外調水源（模型中概化為邊界條件），線要素包括17條天然渠道、10條供水管道、16條退水渠道，面要素包括16個灌區（用水單元）、7個行政分區（用水單元），構建水庫—河道—用水單元的石羊河流域水資源概化圖。采用模型管理系統對石羊河流域進行水資源調度包括以下步驟：①采用BP神經網絡，預報9座水庫（3座主要調度水庫和6座非主要調度水庫）2017年逐月入庫徑流；②基于徑流預報成果及水庫蓄變量，采用正算法、倒算法或經驗公式法計算流域水庫可供水量；③采用基于社會經濟指標、用水定額和用水效率的需水預測方法，確定行政分區的需水量，采用基于用水定額、用水效率和月分配系數的需水預測方法，確定灌區的需水量；④綜合考慮灌區回用水量、外調水量、水庫水量和地下水量，對流域可供水量和灌區用水需求進行供需平衡分析，確定灌區和行政分區的水量分配；⑤以滿足灌區和行政分區水量分配為主要目標進行水庫調節計算，從而制訂石羊河流域年調度計劃；⑥年調度計劃制訂后，根據月/旬來水預報及水庫盈虧情況評估水資源形勢，更新預留期需水計劃，滾動修正年調度計劃。

2.3 模型參數配置與率定

2.3.1 中長期徑流預報模型。在中長期徑流預報模型中，選取中國氣象局國家氣候中心（http://cmdp.ncccma.net/Monitoring/cn_index_130.php）提供的130項氣候系統指數（即88項大氣環流指數、26項海溫指數和16項其他指數）作為待選因子，選擇西營水庫水文站作為研究對象，采用相關系數法和主成分分析方法，確定預報因子。

運用水資源調度通用軟件模型管理系統提供的BP神經網絡模型對石羊河流域進行年徑流預報，并將主成分分析方法選定的預報因子作為BP神經網絡的輸入條件，對西營水庫進行年徑流模擬預測。將1970—2004年作為模型率定樣本，2005—2016年為模型檢驗樣本。采用合格率QR作為預報精度的評價指標，合格率的定義參照《水文情報預報規范》，如式（1）所示。

式（1）中，M為預報值合格（預報值與實測值相對誤差在±20%之間為合格）的次數，N為檢驗期樣本總數。

2.3.2 水資源調度模型。在所構建的石羊河流域水資源調度模型中，水庫優化調度模型和用水單元水量平衡模型需要配置模型參數，涉及模型的參數配置如表1所示。

表1 石羊河流域水資源調度模型分類及其參數設置

2.4 模型結果分析

2.4.1 流域來水結果。根據BP神經網絡模型，確定各座水庫月入庫流量。2017年，石羊河流域3座主要調度水庫（雜木、南營、西營）和6座非主要調度水庫（皇城、西大河、金川峽、黃羊、紅崖山和古浪）的月入庫徑流如圖1和圖2所示。

2.4.2 需水預測結果。在灌區需水預測模型中，采用農業用水定額法，考慮灌溉水利用率、農業灌溉系數的月分配系數，對灌區需水進行預測。

在行政分區需水預測模型中，根據社會經濟指標，結合用水定額、用水效率，確定行政分區生活用水、工業用水、農業用水和生態用水量。2017年石羊河流域灌區/行政區需水量預測結果如表2所示。

表2 2017年石羊河流域灌區/行政分區需水量預測結果萬m3

2.4.3 水量調度結果。石羊河流域水利工程的一個重要節點是蔡旗斷面。蔡旗斷面位于民勤縣蔡旗鄉，蔡旗斷面的來水量決定民勤縣城市的生產、生活、生態水平，而民勤縣的生態水平又關系到武威市、石羊河流域甚至甘肅省的生態水平。

基于2017年石羊河流域來水預報結果和需水預測結果，確定石羊河流域水量分配結果和水量調度結果。2017年石羊河流域調水計劃結果如表3所示，滿足蔡旗斷面水量目標。2017年石羊河流域灌區/行政分區月水量平衡結果如表4所示。

表3 2017年石羊河流域調水計劃結果 萬m3

圖1 2017年石羊河流域主要水庫月入庫徑流過程

圖2 2017年石羊河流域非主要水庫月入庫徑流過程

表4 2017年石羊河流域灌區/行政分區水量平衡結果 萬m3

2.5 結果分析

從各灌區/行政分區水量平衡結果來看，石羊河流域可以基本保證生活和工業用水，但是農業用水和生態用水缺水嚴重，流域年缺水量為21 068.73萬m3。此外，3—9月的缺水量為19 038.76萬m3，占年缺水量的90%。

從各水庫水量平衡結果來看，古浪水庫年棄水量為0；紅崖山水庫、南營水庫、黃羊水庫、雜木水庫、西營水庫、皇城水庫和西大河水庫棄水量依次增加；金川峽水庫年棄水量最大，年棄水量為21 500萬m3。

3 結論

①應用通用調度軟件模型管理系統開展石羊河流域水資源調度研究工作，研究結果證明模型管理系統生成的水量分配方案和水量調度計劃，適用于石羊河流域，可為石羊河流域年水量調度方案編制和水資源調度管理提供技術支撐。

②開展石羊河流域水資源調度模型研究，對落實最嚴格水資源管理制度用水總量控制指標、實現流域水資源高效利用意義重大。