基于GWAS 模型研究的沙潁河生態(tài)流量調(diào)度淺析

白璐璐

（阜陽市水資源管理處，安徽 阜陽 236035）

1 概況

沙潁河是淮河最大的支流，流經(jīng)河南和安徽兩省。全長561km，總面積36651km2，其中河南省占89%以上。流域?qū)俦睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫14～16℃，多年平均年降水量在650～1400mm之間[1]。沙潁河流域降水量在空間上分布很不均勻，總的趨勢是南部大、北部小，山丘區(qū)大于平原區(qū)，在時間上呈現(xiàn)年內(nèi)分配不均勻、年際變化大的特點，汛期6—9 月降水量往往占全年總降水的65%左右。隨著人類活動加劇和經(jīng)濟社會快速發(fā)展，流域生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水的競爭逐漸劇烈，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境退化嚴重，因此評估沙潁河流域的生態(tài)流量、模擬主要河段生態(tài)調(diào)度流量傳播過程具有重要意義。

目前有關(guān)生態(tài)流量已有較多研究，較為通用的調(diào)度模型軟件為MIKEHYDRO、AquaveoSMS、GWAS 等，也有學(xué)者根據(jù)河流調(diào)度全過程，通過VB語言等自行開發(fā)調(diào)度軟件。國內(nèi)主要針對大型水庫及河流重要控制工程展開調(diào)度。有學(xué)者通過建立調(diào)度模型，并利用水循環(huán)模擬及參數(shù)率定對模型可行性進行分析，實現(xiàn)精準(zhǔn)化調(diào)度。如喬鈺等針對黃河下游生態(tài)流量調(diào)度方案進行分析，并對其影響效果進行評價[2]；康玲等通過建立丹江口水庫生態(tài)模型，對需水用水量進行調(diào)度研究[3]。生態(tài)流量調(diào)度研究已較為成熟，但針對年度生態(tài)流量調(diào)度計劃的逐月滾動修正研究較少。本次研究基于水資源通用配置與模擬軟件（GWAS）的研究，將沙潁河流域劃分為4 個分區(qū)16 個單元，分析流域全年水庫、引調(diào)水、防洪等工程調(diào)度情況制定調(diào)度方案，為生態(tài)調(diào)度方案及水資源配置方案的制定提供技術(shù)支撐。

2 生態(tài)流量調(diào)度模型

2.1 生態(tài)流量調(diào)度模型構(gòu)建

利用GWAS 軟件建立了沙潁河生態(tài)流量調(diào)度模型?！八Y源動態(tài)配置與模擬通用系統(tǒng)平臺”（Gene ralWaterAllocationandSimulationModel，簡稱GWAS），對區(qū)域/流域水資源水量水質(zhì)模擬、評價、水資源配置及研究區(qū)水資源狀況進行評價，同時根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況進行動態(tài)修正，以期為區(qū)域水資源的高效管理和優(yōu)化配置提供決策支持[4]。

GWAS 調(diào)度模型構(gòu)建流程如圖1 所示。通過獲得沙潁河流域各種基礎(chǔ)信息，包括水庫信息、用水單元信息等；在基礎(chǔ)信息的基礎(chǔ)上，經(jīng)GIS 信息提取，創(chuàng)建各水庫、單元間的相互拓撲關(guān)系，完成模型構(gòu)建。依次根據(jù)沙潁河流域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)情況以及計算需求，補充各類動態(tài)信息、供用水信息、產(chǎn)匯流信息等，并設(shè)置參數(shù)，進行模型計算得到結(jié)果。根據(jù)結(jié)果顯示，再進行模型計算參數(shù)調(diào)整，從而獲得最終成果。

圖1 生態(tài)流量調(diào)度模型構(gòu)建工作流程圖

2.2 流域單元劃分

2.2.1 單元劃分

設(shè)置行政區(qū)劃和流域分層，將沙潁河流域劃分為四個水資源分區(qū)，即賈魯河、沙潁河、北汝河、沙河，見圖2。

圖2 基本計算單元結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 單元提取

完成計算單元劃分之后，根據(jù)水資源分區(qū)與行政分區(qū)，采用GIS 疊加剖分原理，生成水資源配置基本計算單元（共16 個），并將單元屬性提取到數(shù)據(jù)庫。

2.2.3 單元、水庫間拓撲關(guān)系

完成單元劃分后，根據(jù)沙潁河干、支流上下游關(guān)系生成的計算單元，以此構(gòu)建單元、水庫拓撲關(guān)系。

2.2.4 模型校驗

通過引入實測數(shù)據(jù)對模型進行檢驗，并根據(jù)檢驗結(jié)果對參數(shù)進行調(diào)整，直至最優(yōu)。

在年預(yù)測入庫流量和蓄水量的基礎(chǔ)上，以年用水量控制指標(biāo)和流量控制指標(biāo)為邊界條件，采用生態(tài)流量調(diào)度模型進行模擬運行，在對各省年用水量計劃和工程運行計劃進行審查和協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，制定出沙潁河流域年度水量調(diào)度計劃，沙潁河年度生態(tài)流量調(diào)度計劃的制定流程見圖3。

圖3 沙潁河年度生態(tài)流量調(diào)度計劃制定流程圖

3 工程調(diào)度分析

3.1 工程調(diào)度條件

各工程調(diào)度應(yīng)堅持統(tǒng)一協(xié)同調(diào)度原則，在服從防洪調(diào)度的基礎(chǔ)上，以實現(xiàn)調(diào)度目標(biāo)為前提進行協(xié)調(diào)，并適當(dāng)兼顧各行業(yè)用水需求，保證各行業(yè)用水的最低要求。

在確保防洪安全的前提下，應(yīng)根據(jù)正常年份和高水位年份調(diào)水任務(wù)的主次關(guān)系和不同特點，進行水量優(yōu)化配置，以滿足上游或下游、左右兩岸生活、生產(chǎn)和生態(tài)的合理用水需求。

在枯水年，要協(xié)調(diào)上下游、左右岸和各行業(yè)的用水需求，兼顧其他生產(chǎn)用水，確保流域日常生活用水需求，盡量減少干旱造成的損失。

3.2 水庫等工程水量調(diào)度

按照對徑流過程的影響較大、庫容較大、分布均衡等原則甄別重要水利工程，重要水利工程不僅應(yīng)包括控制斷面對應(yīng)的工程，還應(yīng)包括大型水庫和大型水閘以及干流、主要支流上的控制性水利工程。

經(jīng)過分析和篩選，沙潁河流域水資源綜合管理的重要水利工程包括昭平臺水庫、白龜山水庫、孤石灘水庫、白沙水庫、燕山水庫、前坪水庫、大陳閘、馬灣攔河閘、周口閘、賈魯河閘、槐店閘、李墳閘、阜陽閘和潁上閘（詳見圖4）。

圖4 沙潁河流域重要水利工程概化圖

4 月水量調(diào)度計劃逐期修正

當(dāng)來水情況或用水需求等出現(xiàn)較大變化，以月為控制時段，根據(jù)實際來水、用水、蓄水情況，逐月修正水量調(diào)度計劃[5]。

4.1 來水年型修正

中長期降雨預(yù)報存在一定的不確定性，在制定調(diào)度方案的過程中，為保守估計通常采用預(yù)測的下限值，以滿足流域用水和生態(tài)流量的調(diào)度需求。但在干旱年份仍有較大誤差。因此為實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)度，在中長期水文預(yù)報的基礎(chǔ)上，以提前一年的徑流量數(shù)據(jù)作為修正系數(shù)，以需要修正的月份作為基礎(chǔ)進行滾動修正。結(jié)合已經(jīng)發(fā)生的徑流量數(shù)據(jù)，得到全新的全年徑流量值，重新進行來水年型判斷[5]。

4.2 調(diào)度控制指標(biāo)修正

調(diào)度控制指標(biāo)包括年取用水量、年下泄水量和生態(tài)流量，其中生態(tài)流量不需要修正，取用水總量和生態(tài)水量實行年內(nèi)總量控制。

根據(jù)修訂后的年度用水模式，參考水資源分配計劃，修訂了全年總用水指數(shù)和全年生態(tài)用水插值指數(shù)。結(jié)合已經(jīng)發(fā)生的月份實際用水量和修正后的年取用水總量控制指標(biāo)，計算剩余月份取用水量控制指標(biāo)。根據(jù)已發(fā)生月份的實測數(shù)據(jù)及經(jīng)修訂的年度控制指數(shù)，計算余下月份的控制指數(shù)。

4.3 調(diào)度計劃修正

以修正后的預(yù)測來水量、水庫蓄水量為基礎(chǔ)，以剩余月份水量控制指標(biāo)和下泄控制指標(biāo)為邊界條件，基于水量調(diào)度模型進行模擬調(diào)度，對剩余月份用水計劃及工程運行計劃進行滾動修正。

4.4 水資源調(diào)度計劃執(zhí)行

按照逐月用水計劃指標(biāo)控制當(dāng)月用水量，各工程按照年度供水調(diào)度計劃建議方案進行調(diào)度，月供水量按照各工程核定后的用水計劃建議進行控制，下泄應(yīng)滿足最小下泄流量要求。當(dāng)水庫水位降至死水位且入庫流量小于最小下泄流量時，按入庫流量下泄。調(diào)度實施過程中，根據(jù)實時滾動來水預(yù)報，應(yīng)及時修正用水計劃和工程調(diào)度計劃。因年度預(yù)測來水與實際來水相差較大等原因，出現(xiàn)較大偏差時，視情況對水資源調(diào)度計劃進行調(diào)整。

5 結(jié)果與討論

根據(jù)水資源通用配置與模擬軟件（GWAS）分區(qū)配置分析及年度調(diào)度模型校核，該模型通過創(chuàng)建沙潁河流域各水庫、單元間的相互拓撲關(guān)系，并利用水循環(huán)模擬確保模型的可信度，可有效分析復(fù)核沙潁河年度用水計劃建議水量，并根據(jù)不同水資源分區(qū)和計算單元劃分，及水庫工程、引調(diào)水工程、防洪應(yīng)急等工程調(diào)度等，分行業(yè)分區(qū)域配置下年度水資源建議值，同時可依照生態(tài)流量控制目標(biāo)，對下泄水量進行核定，根據(jù)核定值制定下泄水量建議值，為保障河流生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定提供技術(shù)依據(jù)■