流域水量调度技术与黄河水量调度

流域水量调度技术与黄河水量调度
[摘要]本文从技术上比较了国内外建立流域水量调度管理模型的优化和模拟两种主要方法的优缺点和适应范围，介绍了目前美国、荷兰和国内典型模型的类型和特点。

对黄河水量调度现状进行了分析，提出了建立黄河水量调度模型的指导思想和应该追寻的目标，并对建立黄河水量调度模型需要考虑的因素和适宜的模型方法提出了建议。

[关键词] 水量调度模型黄河
1 流域水量调度分配技术
水资源科学配置与水量统一调度是合理开发利用全流域水资源的关键措施之一。

在世界上水资源短缺的流域，水量分配制度已经历了几百年，甚至上千年的发展与完善，相应的调度分配技术也一直在不断发展与进步。

目前，在发达国家，水量调度分配注重的是生态、经济、环境和社会的可持续发展。

但历史上形成的水量分配模式多数是以水权为基础的，这种分配模式并不是最理想的模式，但从可操作的角度看，却比基于生态和经济分析的方式容易接受和实施。

随着科学技术的进步和水资源一体化管理的认识的普及，流域水量调度分配技术得到了迅速提高，尤其是现代软件技术的发展，使得许多先进调度分配算法得到了实现，形成了许多流域水量调度分配的计算方法和数学模型。

1.1 优化方法
优化方法是在一些约束条件下推导出单个优化解的线性或动态非线性优化方法。

这种方法在实际应用中有许多限制。

首先，描述实际问题的方程通常是奇异方程，因此问题的解多数是奇异解，有时甚至没有解，因此优化算法通常比其他算法复杂而且十分脆弱。

优化模型的优点是问题的数学概化比其他模型简单。

这种方法只适用于目标明确且容易量化的问题。

所以对流域规划考虑最大经济目标问题是非常有效的。

而对涉及一些不易量化成线性或半线性方程为目标的水量分配问题是困难的。

1.2 模拟方法
也叫仿真方法，是一种把流域的诸多因素概化成数学问题的变数，从某个假设初始状态出发，按照一定的规则以零维、一维、二维或三维的方法反复推演流域的用水过程的方法。

模拟方法最大的优点是程序设计比优化方法简单，各种因子可以在模拟过程中得到考虑，但概化过程相对比较复杂。

该方法几乎对任何情形都可以推导出至少1个可接受（不一定是最优）方案。

它对流域规划和水量分配都是有效的方法。

2 国内外典型的流域水量分配模型
2.1 优化模型AQUARIUS
AQUARIUS 是由美国科罗拉多州立大学土木工程系开发的一个基于优化算法的计算模型。

它是一个致力于流域内用户间水量的时间和空间分配非常成熟的计算模型。

该模型依靠经济效益指标对河道流量反复分配直到所有用户的用水增量的边际净效益增量相等。

这只有利用非线性优化技术，通过对重新分配未用水的可行性分析，比较保留或使用存储水量于不同可选用水目的边际价值后实现。

由于水系统的构成要素可以用流网的对象表示，模型把水系统的所有构成要素看作流网的等效结点或程序环境的结构。

该模型利用面向对象的程序语言开发(C++).
2.2 模拟模型RIBASIM
RIBASIM是由荷兰德尔夫特水力学研究所开发的用于流域管理的流域模拟模型。

RIBASIM以模拟算法为基础，通过对流域用水过程在各种假定条件下的模拟，提供水量调度分配的可接受方案、水利工程或用水工程的规模比选方案，为流域提供一个水资源管理的可持续发展规划。

评价标准是社会经济预测和污染负荷。

根据对规划的资源平衡和相应的社会经济预期状况评价，通过调整目标需求和/或改变规划内容或选择不同的水管理模式来优化预期的社会经济状况。

该模型采用FORTRAN 语言和Visual Basic混合开发。

2.3 混合模型PROCS
PROCS是水利部黄委信息中心为新疆三屯河流域管理局开发的集作物种植规划、地下水地表水统一调度计费的灌区信息管理系统。

PROCS可以根据长期来水预报、库容约束和初始库容、作物效益和面积约束利用优化模型提出作物种植方案。

结合全流域(灌区)的雨量水位遥测系统，PROCS可以实施逐日水量平衡分配方案（充分考虑水权因素）。

PROCS的特点是充分挖掘水资源潜力，增加水资源的社会经济效益，地下水地表水统一调度合理计费。

PROCS分别采用了优化和模拟两种算法。

在规划阶段PROCS利用线性规划方法给出优化的种植结构备选方案，规划的目标是全流域的经济效益最大，时间步长是旬。

规划时以每种作物的种植面积、每时间步长的引水和提水量作为变量，约束条件是累积来水量，使用的水量和剩余库容及提水能力。

在调度分配阶段，PROCS 根据作物种植面积分布、机井分布和能力、作物需水情况，在给定的规则下模拟迭代计算各渠口的把提水任务分配到每眼机井上。

PROCS采用面向对象编程工具(Powerbuilder 和C++ )和关系型数据库(Microsoft SQL Server 6.5)及地理信息系统(ArcView 3.0)混合开发。

3 黄河水量分配调度现状
黄河作为我国西北、华北地区的重要水源，担负着流域内及下游沿黄地区约1.4亿人口、2.5亿亩耕地、50多座大中城市和晋陕蒙能源基地及中原、胜利油田的供水及远距离调水任务。

随着社会经济的迅速发展，水资源供需矛盾日益突出。

进入九十年代以来，黄河下游的频繁断流给沿岸工农业生产带来了严重影响。

1998年12月，经国务院批准，国家发展计划委员会和水利部联合颁布实施了《黄河水量调度管理办法》（计地区[1998]2520号），授权水利部黄河水利委员会统一调度黄河水量。

该办法以国务院1987年批准的黄河可供水量分配方案为依据，以总量控制，以供定需；各省（区、市）年度用水量实行按比例丰增枯减的调度分配原则，而且明确了正常来水年份内各省（区、市）在各月的引水指标和黄河水量调度的工作程序和方法。

在这些调度分配原则中，水权概念体现在各省区年配水比例固定的原则中。

考虑到技术原因及调度分配方案的可操作性，各省区的分配水量参考需水分析并按照指标进行控制。

目前实施省区年用
水定额固定比例可以总结成两句话：1、固定比例只指年用水总量比例固定，各省区的月旬分配水量是根据需水情况进行调整。

2、调度分配方案的落实情况主要通过省际断面的过境水量监督。

3年的水量调度实践不仅使各省区满意，而且流域内的生态问题也初步得到改善。

黄河的水量调度工作是一个复杂的系统工程，涉及水文预报、工农业生产以及电力调度等诸多方面。

然而，迄今为止，在黄河水量调度分配工作中尚没有专用的配水模型软件来模拟流域的水量分配过程以考虑更多分配要求如需水分析，为中短期的水量调度分配提供决策支持。

4 黄河水量调度分配建模分析
4.1 建模目标和指导思想
黄河水量调度的迫切要求是开发一个基于月、旬水分配模拟模型。

该模型必须考虑生活、市政和工业、灌溉、发电、防洪、防凌、输沙、水土保持和生态等多种用水需求，缓解不同用水部门和不同水用途之间在水量分配过程出现的矛盾。

黄河水量统一调度工作刚刚起步，严格的制度还没有建立，信息监测网络还不完善，难以取得调度分配模型必需的实时引水、墒情和地下水信息，科学地进行水量调度的条件尚不具备。

尽管如此，我们在建立模型时不仅要紧密结合黄河实际情况和用户要求、吸取现有水量调度管理经验、考虑水权思想和管理体制，还要吸收国际国内流域水量调度模型的设计思想和方法，高起点设计、分步骤开发实施。

4.2 调度分配因素和模型算法分析
黄河水量调度河段的空间跨度达3300多公里，传播时间25-35天，除了其他流域必须考虑的地表水、地下水、用水、退水、发电、防洪和生态因素外，还要考虑防凌、水土保持、输沙和水权等重要因素，水量调度管理及水量平衡演算相当复杂，在国内外亦属少见。

根据其他流域的调度模型建设经验，黄河水量调度分配模型比较可行的算法应该是模拟方法。

建模工作主要包括将流域内的需水按自然和行政区域划分单元，河段按需水单元、基础工程和行政区域分段，传播时间、沿程损耗、水土保持用水、输沙需水、生态需水、退水和地下水可持续开采能力采用科研试验研究结果并参数化到每个河段或需水单元的各个模拟时段中，引入水权因素到模拟演算过程，预留南水北调跨流域调水接口。

模型运行所需要的实时信息包括来水信息、引水信息、发电需求、实时需水分析和凌汛水量分析信息。

由于流域规模、信息获取难度、模拟复杂性和估计的影响程度，我们可以忽略水库库区的降雨和蒸发因素。

4.3 前景展望
虽然流域水量调度分配是流域水资源管理最困难的工作，黄河又是世界上问题最复杂的河流之一，但流域水量调度模拟方法是建立水量调度模型最成熟的方法，因此只要我们广泛吸取其他模型的建设经验，黄河水量调度模型一定能建成并应用于实际。

科学地调度和调度模型的运用虽然会受到在现行管理体制下各种制约因素的影响，但随着制度的完善，逐步靠水价杠杆、水市场和水权转让等措施，调度模型会发挥越来越重要的作用。

水资源一体化管理思想将在黄河流域得到体现。

参考文献：
1.RIBASIM Technical Reference, ir. Wil N.M. van der Krogt
2.《灌区供用水管理系统技术报告》, 1998, 黄委信息中心
3.The technical report RM-GTR-299, Department of Civil Engineering Colorado State University
作者：
王恒斌于松林马晓
作者简介：
作者单位：
王恒斌马晓：黄委会信息中心高级工程师
于松林：黄委会水量调度管理局工程师。