改進的MIKE BASIN 在水庫調節(jié)計算中的應用

張旭昇，單金紅

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅蘭州730000）

在水利工程規(guī)劃設計中，確定研究項目區(qū)已建水利工程可供水量，規(guī)范推薦方法主要為長系列法，計算方法有自編公式方法、編程方法和采用水資源供需分析軟件（如MIKE BASIN模型、WEAP模型、WaterWare模型、Aquarius模型等）。MIKE BASIN軟件界面友好、供用水關系清晰直觀，被國內外水利工程科研設計人員廣泛采用。目前MIKE BASIN模型在云南省、引漢濟渭受水區(qū)、吉林市、松花江流域、大凌河流域等地區(qū)和流域水資源供需配置分析研究中得到了很好的應用[1-5]。對于應用MIKE BASIN模型進行水庫的調節(jié)計算方面，王海潮等[6]、張李萍等[7]建立了官廳、齋堂、珠窩、落坡嶺4座水庫調度計算模型；杜倩等[8]用EXCEL求解水庫群調度及各水庫下泄過程，再用MIKE BASIN模型進行水資源配置，研究了水庫群聯(lián)合調度問題；莫鎧等[9]應用VBA及C#等計算機語言完成了高級水庫調度規(guī)則的程序編制，研究了水庫下游河道用水戶供水及水庫預警泄流問題。上述研究主要針對應用MIKE BASIN模型中的水庫模塊功能，以及補充水庫模塊調度規(guī)則計算函數(shù)方面，或采用模型成果結合EXCEL求解方法進行水庫群聯(lián)合調度演算，但對于應用宏或程序改進原模型，實現(xiàn)模型優(yōu)化升級方面的開發(fā)研究較少，尤其是水利規(guī)劃設計廣泛應用的水庫調節(jié)計算中可供水量自動優(yōu)選計算鮮有人研究。

筆者針對MIKE BASIN軟件在進行水庫供水調節(jié)計算時不能進行水庫可供水量自動識別計算的問題，基于“二分法”查找算法，結合MIKE BASIN軟件可被EXCEL宏調用的特點，對MIKE BASIN模型進行改進擴充，通過EXCEL宏編程增加計算模塊，實現(xiàn)程序自動判斷供水保證率和程序自動修改需水過程，迭代試算滿足設計保證率要求的水庫可供水量和各用水戶的供水保證率，并將改進的模型應用到崆峒水庫可供水量計算過程中進行驗證，結果表明改進的模型能夠準確計算滿足設計保證率要求的可供水量，且較原模型減少了人工輸入需水過程試算的盲目性、重復性，簡化了人工統(tǒng)計保證率的工作步驟，提高了規(guī)劃設計效率。

1 MIKE BASIN模型簡介

MIKE BASIN是丹麥水利研究院研發(fā)的，在流域或區(qū)域尺度上解決水量的優(yōu)化配置、用水戶連接、水庫調度規(guī)則以及水質模擬等問題的綜合性水資源數(shù)學模型軟件[8-9]。利用MIKE BASIN進行水資源供需及配置分析時，可以由使用者根據(jù)工程需要設置不同的時間尺度（年、月、日、小時等），依據(jù)水利工程實際位置關系定義河流、流域、工程位置等空間關系，軟件具有計算速度快、數(shù)據(jù)交互、結果展示功能強等特點。MIKE BASIN在進行水庫可供水量計算時，可以設置水庫調度線、限制供水線、限制供水比例、最小下泄量、最大下泄量、下游用水戶取水優(yōu)先級等，但軟件本身沒有供水保證率統(tǒng)計功能，不能進行尋優(yōu)計算。MIKE BASIN軟件計算引擎和對象可被其他軟件調用。

2 長系列法可供水量計算基本原理

為滿足多個用水部門不同用水需求，水庫蓄水量變化過程的計算稱為綜合利用水庫興利調節(jié)計算，長系列法興利調節(jié)計算的基本原理即水量平衡[10]，計算公式為

式中：Vi、Vi+1分別為水庫第i時段初、末的蓄水量；W來i為第i時段來水量；W用i為第i時段各部門用水量之和；W損i為第i時段水庫蒸發(fā)、滲漏損失水量之和。

正常供水保證率計算公式為

式中：P為供水保證率；m為正常供水年數(shù)；n為計算系列年數(shù)。

綜合利用水庫需為不同供水保證率的多個供水對象進行供水，在進行興利計算時，為計算水庫蓄泄過程和水庫可供水量，需要進行多次循環(huán)判斷和迭代試算。

3 MIKE BASIN模型的改進

3.1 主要設計思路

MIKE BASIN軟件可以根據(jù)用戶定義的水庫調度規(guī)則和需水過程進行調節(jié)計算，而不能自動進行可供水量的尋優(yōu)計算，不能自動修改需水過程和統(tǒng)計各需水對象的供水保證率，需要由計算者將數(shù)據(jù)輸出后根據(jù)保證率情況，人工重新輸入需水過程進行試算，費時費力，容易出錯。

針對上述問題，可利用MIKE BASIN模型引擎可以被EXCEL宏調用的開源特點，補充統(tǒng)計供水保證率、判斷供水保證率、重新修改輸入需水過程試算等模塊。通過EXCEL宏調用MIKE BASIN中的變量，把MIKE BASIN計算各供水對象的缺水量作為輸出變量賦值給程序，由宏統(tǒng)計得到各供水對象的設計保證率；再將各供水對象的計算保證率與設計保證率對比，并利用“二分法”查找算法調整，直至計算結果滿足精度要求。

3.2 EXCEL宏調用MIKE BASIN方法

MIKE BASIN軟件提供其他程序調用接口，計算引擎和供水對象需水量計算結果可通過VBA及C#等計算機語言簡單程序語句直接調用，實現(xiàn)EXCEL數(shù)據(jù)與模型輸入輸出。

在調用程序前，應建立MIKE BASIN水庫調節(jié)計算模型。主要是將ArcGIS軟件處理好的河流、地區(qū)位置矢量（shp格式）文件導入MIKE BASIN程序中，在程序中定義河流和流域、輸入流域天然來水量、上游調水量、上游耗用水量、水庫興利庫容、調度規(guī)則、水庫用水對象、下泄生態(tài)水量等基本參數(shù)，建立MIKE BASIN模型，并確保模型能正確運行。

根據(jù)已建模型，獲取程序中各個變量名稱，便可通過表1中的主要語句利用EXCEL宏調用MIKE BASIN模型中的變量。

表1 EXCEL宏調用MIKE BASIN核心語句

將MIKE BASIN模型中的變量讀入到EXCEL宏后，便可統(tǒng)計水庫各供水對象供水保證率，根據(jù)保證率計算成果，調整各供水對象供水過程，再次代入到MIKE BASIN程序中，調用計算引擎進行計算，直到計算結果滿足設計要求。

3.3 對MIKE BASIN的改進

“二分法”查找又稱折半查找，首先設定查找范圍的上界、下界，每次迭代以上界、下界中間值作為初值，即每次查找即可縮小50%查找范圍，是一種查找效率較高的算法。

改進程序計算的核心是在水庫來水量和興利庫容確定的情況下，試算水庫滿足設計保證率條件下的可供水量。已知水庫興利庫容和各供水對象的設計保證率，求解水庫最大可供水量，可采用“二分法”試算求解。為此，先初步擬定水庫調節(jié)試算的需水過程的上界、下界，組成需水過程數(shù)據(jù)集。下界可以取0，上界取值應略大于水庫供水規(guī)模。

應用改進的MIKE BASIN模型計算最大可供水量主要步驟：①結合水利工程規(guī)劃，擬定水庫不同供水保證 率 供 水 對 象 需 水 上 界 ｛ Wi，非農，上、 Wi，農90%，上、Wi，農50%，上｝和下界｛ Wi，非農，下、Wi，農90%，下、Wi，農50%，下｝，組成解集，并輸入到EXCEL文件指定位置；②以需水上界、需水下界和 0.5×（上界+下界）為初值，由EXCEL宏調用MIKE BASIN計算引擎，進行逐時段水量平衡計算；③EXCEL宏調用MIKE BASIN對象，計算出各供水對象的供水量、缺水量、統(tǒng)計保證率；④EXCEL宏判斷各級供水保證率滿足情況，當上界、下界同時大于或同時小于設計保證率時，說明界限設置不合理，需停止計算，調整輸入后重新計算；否則，以0.5×（上界+下界）與上界或下界組成新的初值，由EXCEL宏調用MIKE BASIN模型，回到步驟①循環(huán)計算；⑤經多次循環(huán)計算，最終得到符合設計保證率的需水過程；⑥繼續(xù)增加需水量，直到保證率破壞，最終計算出符合設計保證率要求的最大可供水量。

4 實例應用

4.1 工程實例

崆峒水庫位于甘肅省平涼市涇河干流上，于1971年10月動工興建，1980年完工并投入使用。水庫死水位 1 495.3 m，正常蓄水位1 523.2 m，汛限水位1 502.0 m，設計洪水位 1 523.34 m，校核洪水位1 524.40 m，總庫容2 970萬m3。根據(jù)最新復核測量結果，崆峒水庫調節(jié)庫容2 379萬m3，汛限水位以下調節(jié)庫容538萬m3。現(xiàn)狀條件下，水庫主要為平涼電廠和涇河灌區(qū)8 667 hm2耕地灌溉供水。

涇河干流上游寧夏回族自治區(qū)固原市提出建設東山坡引水工程（設計水平年2020年上游引水2 099萬m3），為分析上游引水工程對下游崆峒水庫供水產生的影響，以及水庫加高擴建15 m后（調節(jié)庫容增大至3 700萬m3）的供水情況，需要對崆峒水庫各種工況下可供水量進行計算，共擬定5種方案（見表2）。前3種方案分別計算現(xiàn)狀水平年水庫供水量、規(guī)劃水平年該流域耗水影響水庫供水量、該流域耗水與外流域調水共同影響水庫供水量，對比分析調水影響的供水量；后2種方案分析灌區(qū)節(jié)水條件下水庫供水量和同時實施灌區(qū)節(jié)水和水庫加高擴建后的水庫供水量，分析水庫加高擴建的效益。水庫調節(jié)計算采用崆峒峽水文站1957年7月至2012年6月共55個水文年逐月資料，庫容曲線為2013年實測1∶1 000地形資料。

表2 水庫供水量計算方案

4.2 計算結果分析

采用改進的MIKE BASIN模型對崆峒水庫可供水量進行興利調節(jié)計算，計算結果見表3和圖1～圖7。

表3 改進的MIKE BASIN模型不同方案計算結果

圖1 不同方案來水過程

圖2 不同方案供水過程

圖3 方案一水庫水位變化過程

圖4 方案二水庫水位變化過程

圖5 方案三水庫水位變化過程

圖6 方案四水庫水位變化過程

圖7 方案五水庫水位變化過程

由計算結果可知，方案一、方案二條件下，輸入非農業(yè)需水300萬m3、農業(yè)灌溉需水5 626萬m3，經改進的模型迭代尋優(yōu)計算，農業(yè)灌溉（保證率P=50%）可供水量分別優(yōu)化為4 818萬m3和4 638萬m3，相對5 626萬m3分別減少1 108萬 m3和1 288萬 m3，實現(xiàn)了程序自動計算水庫可供水量。方案三條件下，輸入渠灌農業(yè)需水3 296萬m3，經改進的模型迭代尋優(yōu)計算，P=50%農業(yè)供水優(yōu)化為2 459萬m3，說明即使在規(guī)劃水平年節(jié)水條件下，下游水庫不采取擴建措施，仍不能滿足設計需求。方案四條件下，水庫加高擴建后，根據(jù)初步分析，非農業(yè)需水1 500萬m3，經模型優(yōu)化分析后，P=95%水庫非農業(yè)可供水量僅為1 001萬m3，需要縮減供水量才能滿足設計保證率要求。

對比前3種方案計算成果，得出規(guī)劃水平年上游寧夏用水影響崆峒水庫供水量1 671萬m3，其中該流域耗水影響供水180萬 m3，外流域調水影響供水1 491萬m3。對比后2種方案，在同時實行灌區(qū)節(jié)水和崆峒水庫加高條件下，水庫可保證8 667 hm2灌區(qū)灌溉供水3 630萬m3，同時可為非農業(yè)供水1 001萬m3，相對于改擴建前水庫增加供水量1 538萬m3（非農業(yè)增加供水量701萬m3、農業(yè)增加供水量837萬m3），水庫加高擴建效益明顯。由方案四得出下游僅靠農業(yè)節(jié)水不能滿足灌區(qū)需水要求，灌區(qū)仍然缺水837萬m3。

綜上所述，改進后的模型不但具備MIKE BASIN模型水量平衡計算，具有面向對象的輸入、輸出界面優(yōu)勢，而且可以統(tǒng)計各供水對象的保證率，并根據(jù)保證率計算成果改變需水過程，重新計算水庫的供水量，得到符合設計保證率要求的水庫可供水量，并快速輸出到EXCEL文件中，滿足工程設計需求。

5 結 語

本文對MIKE BASIN模型興利調節(jié)計算求解水庫可供水量進行了程序改進研究。針對MIKE BASIN程序不能直接計算供水保證率和自動調整需水過程的特點，利用EXCEL宏對MIKE BASIN模型進行改進，實現(xiàn)程序自動求解滿足設計保證率要求的可供水量，改進后的模型既利用了MIKE BASIN的優(yōu)點，又結合了EXCEL宏的優(yōu)點，實現(xiàn)二者深度耦合，可大大方便工程設計人員進行水庫可供水量計算。并以崆峒水庫興利庫容規(guī)模確定為例，進行了1957年7月至2012年6月共55 a的長系列調節(jié)計算。經分析，計算成果合理可靠，數(shù)據(jù)輸入輸出方便，可以滿足工程規(guī)劃設計需要。該方法為流域及區(qū)域水資源供水平衡分析配置提供了自動實現(xiàn)試算可供水量的算法，可大大提高規(guī)劃設計工作效率，具有廣闊的應用空間。