流域水资源规划与管理决策支持系统应用研究

谢 放

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002）

流域水资源规划与管理决策支持系统应用研究

谢 放

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002）

为尽快解决水资源合理开发利用和优化配置问题，提高水资源保障能力。可以引进国外先进的技术。本文结合实例，分析、总结和验证了流域水资源规划与管理决策支持系统在浙江省的实用性，提出了进一步工作的建议。

水资源；规划管理；决策支持；系统；引进

随着经济社会的快速发展，水资源已成为最基础、最具有全局和长远影响的重要战略性要素资源。浙江省许多经济较发达地区都存在缺水现象[1]，水资源已成为影响浙江部分区域经济发展、人民生活水平提高制约要素之一。如何采用国内外先进的科学技术方法，提高水资源综合利用的效益，保障社会经济对水资源的要求，成为水利部门的重要工作之一。本项目是水利部“948”项目，在引进流域水资源规划与管理决策支持系统后，通过消化吸收、典型示范和二次开发，在解决水资源合理开发利用、优化配置和提高水资源保障能力等问题方面做了有益的工作。

1 项目目的

由于水资源信息应用的迅速增加，工作深度的大幅度加大，对水资源信息的质量和数量等的要求越来越高，再采用传统的方法很难满足各级政府和社会发展的需要，迫切要求依靠现代高新技术，建立高效的水资源信息共享平台，提高水资源信息应用的科学性、合理性、可操作性，以及与其他行业如国土利用、环境保护、城市交通等的协调性，进而尽快解决水资源合理开发利用和优化配置问题，提高水资源保障能力。

国内许多科研院所已经展开了这方面的工作[2]，浙江省在省水利厅领导下，一直在努力开发建设水资源优化配置管理方面的信息系统和平台，但与国外先进系统相比，尚存在一定的差距。在水利部引进国际先进水利科学技术项目推荐会上，全世界这一领域著名的美国乔治亚理工学院乔治亚水资源研究所推出了基于GIS开发的流域水资源规划与管理决策支持系统。

通过学习调研分析，可以看出，该系统在许多方面是我们能了解到的最先进的、最符合浙江省实际情况的水资源信息管理系统。为此，在水利部的支持下，浙江省以“948”项目立项引进流域水资源规划与管理决策支持系统。

2 项目概况

本项目的主要工作内容为，在对流域水资源规划与管理决策支持系统进行消化、吸收基础上，结合台州市温黄平原水利规划，建立椒江流域水资源信息管理数据库，对椒江流域相关水资源数据进行集成管理，建立水资源系统优化调度模型，重点研究朱溪水库与长潭水库联合优化调度模型，提高长潭水库下游供水能力和保证率，为椒江流域水资源可持续发展控制和可持续防洪规划提供决策依据。然后在此基础上，总结经验，升级系统，进行二次开发后，在全省推广应用。

2.1 系统功能

流域水资源规划与管理决策支持系统包含了几乎所有水资源规划与管理方面的主要功能。本项目的主要应用有：一是对不同需求、约束、规则、政策进行评估，为制定本区域水资源规划与管理的中长期计划提供科学依据。二是对选定的中长期计划，制定对应的最优短期实施方案。同时解决四个方面技术难点：一是中长期径流预报技术可靠。二是系统随机优化算法实用快速。三是合理的模块分层结构和模块间独特的连接与集成技术。四是自动多年模拟演算评估技术。

流域水资源规划与管理决策支持系统中建立了一些先进的分析计算模型，其中“历史相似扩展径流预报法”利用当前水文信息和有关联的海洋温度变化（厄尔尼诺现象），对流域最有可能的来水进行预报，使其预报时间提前 3～6个月。该方法是目前世界上最先进的中长期径流预报方法[3]。此方法在全世界多个地区均有应用，可靠性超过 70%。同时，本项目结合了中长期预报的自适应调度模型，在分析研究后初步确定流域减少弃水、降低洪涝灾害、增加洪水转化水资源的数量。

2.2 系统的先进性

水资源规划与管理决策支持系统能适应水资源管理和应用的各个阶段，能很好地融入浙江省长期以来在水资源规划设计研究工作中积累起来的基础资料，并有可能无缝链接全省水资源发展规划数据库（宏观战略、长远规划、中长期规划和建设规划），资源配置规划数据库（流域综合规划、防洪规划、水资源综合规划、区域水资源配置规划）等数据平台，将水资源的各类信息与成果在引进的系统上仿真展示，使各个层次的用户都能在一个模拟真实的虚拟环境中了解水资源规划和优化管理的详细内容，提高宏观决策的正确性。

2.3 解决的关键问题

本引进项目主要解决的关键问题有：浙江省全省有关水资源方面的巨量空间数据、属性数据的存贮与处理；各类水资源基础数据分析计算模型的建立与实现；水资源规划和优化管理决策支持系统的建立；多水库优化调度系统。

图1 计算范围图（台州市椒江流域）

3 实 例

项目的研究分析实例选择了浙江省台州市椒江流域，根据该流域的供水特点、现状及规划供水基本情况，展开调试分析，并验证系统的适应性。

3.1 主要内容

（1）研究范围。主要是台州市椒江流域的温黄平原、椒北平原。包括台州市区、温岭市、玉环市、临海市。永安溪和始丰溪上游水资源丰富，不作为水资源研究的重点。见图1。

（2）供水特点。生活和重要工业用水由水库供应（通过管道）；农业灌溉和一般工业用水以河网为主，不足由水库补充。

（3）现状供水基本情况。优质水：台州市区（含黄岩区、路桥区、椒江区）由长潭水库供应；玉环和温岭以当地中小型水库供应为主。一般水：河网、永宁江闸上以水库为主，长潭水库及其他中小型水库补充。温黄平原供水现状：河网水质较差，甚至不能满足灌溉要求。优质水严重不足，水资源供需紧张。

（4）规划供水情况。供水范围：温黄平原及玉环县。2020年水平年取：朱溪水库+长潭水库。

实例的概化图如图2所示。

图2 椒江流域水资源系统概化网络图

3.2 基础资料

项目的基础资料有：椒江流域地图、椒江流域水库库容水位曲线、水库工程特性表、水库最大下泄流量曲线及调度规则、水库逐日入库径流过程等资料。具体内容如下。

椒江流域地图：包括了河流、高速公路、大型水库、中型水库、小型水库、海域面等信息。

椒江流域水库库容水位曲线：含流域21座大、中、小型水库的库容水位曲线：里林、孟溪、下岸、十三都、碗厂、朱溪、方溪、里石门、龙溪、桐柏、黄龙、牛头山、溪口、童燎、长潭、佛岭、秀岭、太湖、湖漫、小库、里墩。库容水位曲线的主要用途是在水库水位给定时，确定对应的容量。此曲线在水库调度管理中应用非常广。水库的调度规则一般都是以水位为参考值，而水量平衡计算都是以库容表示，二者的相互转换的关系曲线是不可缺少的基本数据。

水库工程特性表：包括 21座水库以下几个重要的水位特征值：死水位、正常水位、最高水位、汛前限制水位、设计洪水位、兴利水位。

库最大下泄流量曲线及调度规则。

水库逐日入库径流过程：包括 16座水库的1961～2000系列降雨、蒸发、入库径流深过程。

系统的调试数据资料包括三个部分。

（1） 下岸、里林、朱溪、里石门、桐柏、龙溪、牛头山、溪口、童燎、长潭、佛岭、秀岭、太湖、湖漫、里墩等水库1961年到2000年的水库入库径流深表格。

（2） 温黄平原、永宁江北岸、椒北平原、玉环等地方的1961年到2000年的降雨蒸发径流深资料。

（3） 临海、仙居、天台、三门、温黄、玉环等地 1961年到 2000年的蒸发资料（以临海为典型）。

在第一次调试计算分析后，对上述数据进行了调整，主要有。

（1） 分区（需水用户）调整。

由于数据的完整性，把研究实例中8个需水用户调整为7个，即去掉“温黄平原”。

（2） 河网调节调整。

在系统中增加考虑河网的调节问题。并按照如下原则操作：首先，把每个计算分区的河网概化为一个湖泊，输入条件是逐日入湖泊的径流量。其次，供需平衡计算时，一般工业和农业灌溉首先由河网供水，河网水位到达死水位，则由山区水库供水。

（3） 个别水库的入库径流调整。

规划水库的入库径流，建议直接移用周边水库的入库径流深过程乘以该水库集水面积代替。

在第一阶段调试成功后，整理输入第二批资料，主要是13座水库的特征水位值，包括死水位、台汛限水位、梅汛限水位、兴利水位、设计洪水位等。

同时还输入了下述相关的资料。

方溪水库泄洪建筑物为大坝溢洪道，设表层泄洪闸3孔，每孔净宽为10m，总净宽为30m。泄洪闸堰顶高程115m，调洪计算泄流公式为：

朱溪水库选用有闸门控制溢流方式，设3孔单宽为12m、总净宽36m的泄洪闸，堰顶高程为141m。泄洪闸泄流公式为：在数据资料满足系统调试的要求后，根据椒江流域水资源方面的实际情况进行模型修改、边界条件重置和适应性升级，以吻合椒江流域实际运行情况。

3.3 数据库和模型建立

在基础数据调试完成后，直接应用流域水资源规划与管理决策支持系统自带的功能，结合椒江流域实际情况，建立椒江流域水资源信息数据库及水资源系统优化调度模型。

（1） 椒江流域水资源信息数据库：包括空间数据库和时间序列数据库。其主要作用是存储流域的地理信息和有关水文水资源观测资料，利用 MS ACCESS管理。时间序列数据库选择支持多用户远程服务的开放式数据管理软件SQL SERVER。此外，应用系统本身功能强大且使用方便的水文数据分析工具，快速地对时间序列进行各种统计分析和处理，为应用模型准备输入数据和参数。

（2）水资源系统优化调度模型：根据预报的径流信息和水库当时的水位状态，在满足河流控制站点最小流量约束以及供水需求的条件下，系统自动生成水资源系统优化调度模型制定出最佳的水库蓄放和供水决策。针对特定的流域，将重点研究长潭水库与朱溪水库联合优化调度时，对长潭水库下游供水能力和保证率的影响。同时，研究朱溪至长潭跨流域调水后，对朱溪水库下游径流过程影响。

4 主要成果

4.1 项目特点

本项目主要特点是建立了适合实例实际情况的多水库优化模型、水资源优化管理和调度模型和多年模拟演算评估模型等三大模型，基本解决多库多年水资源优化管理调度的模型建立难题。

多水库优化调度模型。多水库优化的目的是确定每个水库的运行方式以期获得整个系统的最优化。该模块以径流预报模块的结果为输入,包含河流/水库仿真模块。可能的优化目标包括：满足系统内所有结点的供水需求；使水资源短缺达到最小；满足最低流量的要求；尽量减少弃水；获得最大的保证和平均电量。

城市与农业水资源规划与管理模型。此模块根据土壤的构成及当地气象的特征，对不同的农作物的生长期制定出最佳的灌溉方案。本模型可以用来估算水资源对农业的回报；确定农业和其他水用户的权衡关系；优化土地使用；评估或降低天气变化对农作物的带来的不利影响。

系统中长期运行计划模拟技术。中长期计划是制定今后几个月或一年内每周的运行管理方案，短期运行是决定今后一天或一周内每小时的控制决策。二者的目标一致，但求解手段和所面临的约束却不一样。中长期计划的结果用来指导短期运行的操作，短期运行的实施操作的结果用来对中长期计划的调整和修正。二者相互连接，缺一不可。中长期优化管理模型是决策系统的上层，它的优化潜力大（时间和空间）。引进项目是一个将中长期预报、中长期计划、短期运行有机集于一体的系统。此系统的特点是自适应、滚动刷新。

自动多年模拟演算评估技术。自动评估系统管理方式的合理性；计算预报模型的改善对系统带来的效益；考虑大气变化对局部地区的水资源及其管理的影响；同时也对不同的系统约束（灌溉，城市供水，水质改善，防洪要求等）影响系统运行及效益进行优化；评估大型水利工程和各种水资源分配方案对自然环境、生态平衡、地方经济的发展的影响。

系统的GIS数据库管理模块的应用也是本项目的主要成果，引进系统的数据库包括空间数据（土壤构成、流域边界、气象数据、地面观测点信息、卫星图片等）、系统参数（水库参数、发电设备等）及时间数据（径流、降雨、城市及农业供水、水库泄流及发电等）。这些数据库与当前流行的各种商业数据库管理系统兼容。其空间属性库可以通过ArcGIS空间数据库引擎进行开发和管理。系统还通过集成这些数据库管理系统为数据维护、分析及数据质量控制提供了简单直观的图形界面和方便的工具。

4.2 主要经验

本项目取得的经验有三个方面。

一是基础资料是整个项目成功的关键，也是计算成果具有可靠精度的基础，因此，需要对资料进行认真反复的核查校对，以保证数据的完整性、准确性。

二是该系统主要是针对美国当地情况开发的，系统建设时要与软件提供方进行及时的沟通，以保证项目实施达到预计要求。

三是本引进技术的实施一方面为全国水资源信息管理系统建设提供经验，另一方面也为其他省市的建设做出典范。

4.3 主要问题

项目所需收集的数据工作量大、周期长，个别关键参数如果没有，必须要进行实测，需要投入相当大的人力，花费比较多的时间。这些参数的缺失虽然也可以由软件开发人员根据实际情况予以修正、升级软件系统，但为此花费的费用会更大。

系统成果的精度一定程度上取决于水文信息和有关联的海洋温度变化（厄尔尼诺现象），特别是后者的最新实时数据的获得需要一定的费用。

5 结 论

水资源规划与管理决策支持系统经过消化、吸收并经过二次开发后能为其他地区和省份所引用，能很好地融入浙江省长期以来在水资源规划设计研究工作中积累起来的基础资料，并有可能无缝链接全省水资源发展规划数据库（宏观战略、长远规划、中长期规划和建设规划），资源配置规划数据库（流域综合规划、防洪规划、水资源综合规划、区域水资源配置规划）等数据平台。将水资源的各类信息与成果在引进的系统上仿真展示，能使各级政府在一个模拟真实的虚拟环境中了解水资源规划和优化管理的详细内容，提高宏观决策的正确性。

由于浙江省属经济发达地区，人口稠密，洪涝台风灾害频繁，省内各流域又是独流入海，山区性、平原河网交错，故有其特殊性，本引进技术的实施一方面为全国水资源信息管理系统建设提供经验，另一方面也为其他省市的建设做出典范。由于系统成果的精度对基础数据质量要求比较高，其适用性目前受到一定的限制，在根据我国的国情进一步升级后可以很好的推广应用。

[1] 王士武,郑世宗等.浙江省部分缺水地区缺水程度分析[J].节水灌溉,2006,（02）:43～45

[2] 李中志.基于WebGIS水资源管理信息系统的开发[J].计算机与现代化,2008,（06）:106～109

[3] 周国良,张建云.厄尔尼诺现象及其对我国水文气候的重大影响.[J].水文,2002,（03）:14～17

TV212.4

A

1008-1305（2013）02-0027-05

10.3969/j.issn.1008-1305.2013.02.009

谢 放（1956年-），男，副总工程师，教授级高工。