基于水信息技術的水庫運行調度研究

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]。大多數水庫都是復雜水利設施的一部分：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下游河道的水流，以達到實現下游供水、灌溉、防洪、水力發電等目的[3-4]。大多數水庫具有多種用途，運行規則復雜。由于水庫的運行對環境、社會和經濟的影響十分重要，因此水庫的運行策略是水庫運行必不可少的。

在氣候變化的背景下，應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；當水庫要保證供水和灌溉，特別是在干旱時期，此時水庫應盡可能滿，留夠足量的可用水，以確保必要的水量。應特別注意的是，當水庫被設計主要用于發電時，與其他產出能源相比的方式相比，為水力發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

1.1 水信息學方法

水文信息學(或水信息學)源于建模工具與信息和通信技術 (ICT) 的結合，形成了一種處理可持續水資源管理的物理、社會和經濟方面的單一方法論方法。水文信息學是一個跨學科領域，在水管理的各個領域都有應用[6]，包括：開發和應用決策支持系統，供有關當局和利益相關方在水和環境領域使用；為水工程問題提供解決方案的仿真和優化模型；計算工具和技術及其在管理與水系統相關的風險和不確定性方面的有效應用，特別是在氣候變化的背景下；水資源管理的跨學科復雜系統方法(綜合水資源管理)；提高對水系統功能的了解，包括技術、社會經濟和環境問題。

1.2 水信息學工具

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，甚至局部區域上的水資源熱點問題，都可以利用MIKE HYDRO Basin進行分析。

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，應用范圍廣泛，可模擬計算洪水、航運、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、最強大的河流水動力學和水環境模擬軟件，在全世界被廣泛應用。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結合使用。

HEC-ResPRM水庫系統運行優化軟件包，其旨在幫助規劃人員、操作員和管理人員進行水庫運行規劃和決策。 HEC-ResPRM 使用網絡流優化來提出基于系統目標的任何特定優先級和給定流入時間序列的系統可以預期的最佳結果。

HEC-ResSim 水庫系統仿真軟件用于模擬一個或多個水庫的水庫操作，以實現各種運行目標和約束。該軟件模擬水庫運行以進行洪水管理、供水規劃研究、詳細的水庫調節計劃調查和實時決策支持。該軟件可以通過用戶構建的元素網絡(樞紐、路線河段、導流和水庫)來表示大型、小型水庫和水庫系統。作為一種決策支持工具，可滿足建模人員執行水庫項目研究的需求以及實時事件期間水庫監管機構的需求。

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絡，有利于輸送非常不均勻的粗粉砂量，排放整個水文流域。森林砍伐區的滑坡活動頻繁；森林占集水區的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，設計正常水位為140 m，相應庫容12 000萬m3；1980年經批準后對水庫進行大壩安全加固，按可能最大暴雨(PMP)洪水進行校核，最高洪水位為130 m，相應庫容為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(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，1958年7月竣工。最大蓄水位100 m，相應庫容12 000萬m3。在集水區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庫容關系的曲線。以水位為縱坐標，以庫容為橫坐標繪制而成的。是水庫規劃設計和管理調度的重要依據。橫向對比分析梅山水庫、佛子嶺水庫、響洪甸水庫的地理信息及庫容曲線后發現，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，導致流域面積增大，進而導致水位增速極大放緩。

3 模型計算

為對三個水庫運行模擬分析，MIKE HYDRO Basin的輸入數據有:河流網絡-河流節點、水庫和用水用戶的位置和特點、河流支流集水區特征(面積，土地使用)、降水、水庫蒸發、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點的流量，其中必須指定延遲參數K(線性路由時間延遲)。延遲參數K表示所選河流節點與下游下一個節點之間的洪水增量穿越河流的時間，其值估計為節點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到峰值，然后指數衰減。所用公式(1)為：

Q0=(1-x/(dt/K))·qi+x·s

(1)

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

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。在洪水的前進過程中，流入量超過流出量，從而產生了楔形蓄水池。在洪水衰退期間，流出超過流入，導致負楔形。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；Q為流量；X為形狀參數；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”的循環緩沖區。某個時間步長的流入將被放入當前槽中，而存儲在該槽中的相應的早期流入將被取出。緩沖區中的槽數等于水流延遲的時間步長數。槽數計算為dt/K，其中K的良好估計值可以是所選河流節點和下一個下游節點之間的不同過程線峰值的行程時間。

4 結果分析

MIKE HYDRO的模擬結果如圖4～圖5所示。基于先進水文信息工具的累積操作模擬結果，可以為各種場景(暴雨、快速融雪和干旱)準備操作規程，還可以了解新用戶的可用水量。

圖4 不同節點中未分配的排水量變化曲線

圖5 不同節點進水流量變化曲線

上圖分別為不同水庫不同監測節點在一天中流量和水庫尾部水位變化曲線。分析發現，水庫流量變化呈現出明顯規律性。流量在達到峰值后開始緩慢降低。橫向對比發現，達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計分析，以便對水資源更好地進行調配。水庫尾部水深變化結合上述數據能有效協助工作人員對水庫泥沙淤積有初步的動態了解，幫助水庫實現高效管理及可靠安全運行。

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點未分配、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、用水量等關鍵性信息，幫助水庫快速高效地做出最恰當的運行策略，提高水庫利用率，使水庫安全穩定運行。

5 結 論

制定適當的水庫運行規則對于提高水庫用水效率，保障水庫安全運行十分重要。優化水庫運行策略首要應該明確需要實現的目標，通過對優化策略所依賴的相關因素的綜合分析，最終實現水庫的高效性及穩定性。

本文通過使用目前常用且被證實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果發現，水庫流量隨時間變化具有明顯規律性；不同水庫達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性較強。通過即時定性定量分析水庫各項數據，對各種管理策略做出有效的技術經濟分析，最后，為決策者得出符合可持續發展原則的最高效、最便捷的管理方案提供基本參考。