水资源通用调度软件模型管理系统在石羊河流域水资源调度模型构建中的应用

周伟达

（甘肃省石羊河流域水资源局，甘肃 武威 733000）

1 通用调度软件模型管理系统介绍

水资源通用调度软件所述的水资源调度，是指在流域机构、省级开展水量调度，侧重于资源调度，即在保证水利工程安全运行的前提下，以尽可能满足各用水单元的用水需求为目标，制订水源、水利工程对各用水单元的供水策略［1］。

作为通用调度软件的重要组成部分，由中国水利水电科学研究院水资源研究所开发的水资源通用调度软件模型管理系统，可以用于构建满足系统建设区域水资源调度需求的模型体系。模型管理系统包括数据汇集、网络概化图构建、模型参数率定与配置、基本模型仓库构建4个步骤［2］。其中，数据汇集通过通用化的数据库访问接口，能根据各地的数据结构、数据存储、数据资料等的差异，可实现与任意关系数据库的连接，将水资源调度模型所需要的数据接入模型管理系统，为模型计算提供数据支撑。网络概化图构建模型管理系统提供一套可用于搭建水资源常规调度和水资源应急调度概化图的可视化建模工具。模型参数率定与配置在所构建模型概化图的基础上，配置汇水区、河道、水库、闸泵等调度对象的调度模型及其参数，并提供可视化的参数率定功能［3］。基本模型仓库可以为模型管理系统提供5类共计18个模型，5个类别的模型分别是径流预报模型、河道径流演进模型、水质模型、水库调度模型和统计分析模型。

2 研究区域概况及模型应用

2.1 研究区域概况

石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部，乌稍岭以西，祁连山北麓，地处东经 101°41′～104°16′、北纬 36°29′～39°27′。流域全长250 km，覆盖范围涉及3市（金昌市、武威市、张掖市）7县区（金川区、永昌县、凉州区、民勤县、古浪县、天祝藏族自治县和肃南裕固族自治县），总面积4.16万km2，占甘肃省内陆河流域总面积的15.4%。全流域建成100万m3以上水库15座，其中以大景峡、黄羊河、南营、西马湖、红崖山及金川峡等水库较大。

从水源角度来讲，石羊河流域水资源调度涉及地表水、地下水、外调水和回用水等多种水源；从用水角度来讲，石羊河流域水资源调度涉及生活用水、工业用水、农业用水和生态用水等；从供水规则来讲，石羊河流域水资源调度优先使用回用水、地表水和外调水，最后使用地下水。

2.2 模型构建

在水资源通用调度软件模型管理系统中，采用点—线—面结合的方式，对石羊河流域水资源调度进行概化。其中，石羊河流域点要素包括9座水库、1个重要断面（蔡旗断面）、16个地下水水源（模型中概化为边界条件）、2个外调水源（模型中概化为边界条件），线要素包括17条天然渠道、10条供水管道、16条退水渠道，面要素包括16个灌区（用水单元）、7个行政分区（用水单元），构建水库—河道—用水单元的石羊河流域水资源概化图。采用模型管理系统对石羊河流域进行水资源调度包括以下步骤：①采用BP神经网络，预报9座水库（3座主要调度水库和6座非主要调度水库）2017年逐月入库径流；②基于径流预报成果及水库蓄变量，采用正算法、倒算法或经验公式法计算流域水库可供水量；③采用基于社会经济指标、用水定额和用水效率的需水预测方法，确定行政分区的需水量，采用基于用水定额、用水效率和月分配系数的需水预测方法，确定灌区的需水量；④综合考虑灌区回用水量、外调水量、水库水量和地下水量，对流域可供水量和灌区用水需求进行供需平衡分析，确定灌区和行政分区的水量分配；⑤以满足灌区和行政分区水量分配为主要目标进行水库调节计算，从而制订石羊河流域年调度计划；⑥年调度计划制订后，根据月/旬来水预报及水库盈亏情况评估水资源形势，更新预留期需水计划，滚动修正年调度计划。

2.3 模型参数配置与率定

2.3.1 中长期径流预报模型。在中长期径流预报模型中，选取中国气象局国家气候中心（http://cmdp.ncccma.net/Monitoring/cn_index_130.php）提供的130项气候系统指数（即88项大气环流指数、26项海温指数和16项其他指数）作为待选因子，选择西营水库水文站作为研究对象，采用相关系数法和主成分分析方法，确定预报因子。

运用水资源调度通用软件模型管理系统提供的BP神经网络模型对石羊河流域进行年径流预报，并将主成分分析方法选定的预报因子作为BP神经网络的输入条件，对西营水库进行年径流模拟预测。将1970—2004年作为模型率定样本，2005—2016年为模型检验样本。采用合格率QR作为预报精度的评价指标，合格率的定义参照《水文情报预报规范》，如式（1）所示。

式（1）中，M为预报值合格（预报值与实测值相对误差在±20%之间为合格）的次数，N为检验期样本总数。

2.3.2 水资源调度模型。在所构建的石羊河流域水资源调度模型中，水库优化调度模型和用水单元水量平衡模型需要配置模型参数，涉及模型的参数配置如表1所示。

表1 石羊河流域水资源调度模型分类及其参数设置

2.4 模型结果分析

2.4.1 流域来水结果。根据BP神经网络模型，确定各座水库月入库流量。2017年，石羊河流域3座主要调度水库（杂木、南营、西营）和6座非主要调度水库（皇城、西大河、金川峡、黄羊、红崖山和古浪）的月入库径流如图1和图2所示。

2.4.2 需水预测结果。在灌区需水预测模型中，采用农业用水定额法，考虑灌溉水利用率、农业灌溉系数的月分配系数，对灌区需水进行预测。

在行政分区需水预测模型中，根据社会经济指标，结合用水定额、用水效率，确定行政分区生活用水、工业用水、农业用水和生态用水量。2017年石羊河流域灌区/行政区需水量预测结果如表2所示。

表2 2017年石羊河流域灌区/行政分区需水量预测结果万m3

2.4.3 水量调度结果。石羊河流域水利工程的一个重要节点是蔡旗断面。蔡旗断面位于民勤县蔡旗乡，蔡旗断面的来水量决定民勤县城市的生产、生活、生态水平，而民勤县的生态水平又关系到武威市、石羊河流域甚至甘肃省的生态水平。

基于2017年石羊河流域来水预报结果和需水预测结果，确定石羊河流域水量分配结果和水量调度结果。2017年石羊河流域调水计划结果如表3所示，满足蔡旗断面水量目标。2017年石羊河流域灌区/行政分区月水量平衡结果如表4所示。

表3 2017年石羊河流域调水计划结果 万m3

图1 2017年石羊河流域主要水库月入库径流过程

图2 2017年石羊河流域非主要水库月入库径流过程

表4 2017年石羊河流域灌区/行政分区水量平衡结果 万m3

2.5 结果分析

从各灌区/行政分区水量平衡结果来看，石羊河流域可以基本保证生活和工业用水，但是农业用水和生态用水缺水严重，流域年缺水量为21 068.73万m3。此外，3—9月的缺水量为19 038.76万m3，占年缺水量的90%。

从各水库水量平衡结果来看，古浪水库年弃水量为0；红崖山水库、南营水库、黄羊水库、杂木水库、西营水库、皇城水库和西大河水库弃水量依次增加；金川峡水库年弃水量最大，年弃水量为21 500万m3。

3 结论

①应用通用调度软件模型管理系统开展石羊河流域水资源调度研究工作，研究结果证明模型管理系统生成的水量分配方案和水量调度计划，适用于石羊河流域，可为石羊河流域年水量调度方案编制和水资源调度管理提供技术支撑。

②开展石羊河流域水资源调度模型研究，对落实最严格水资源管理制度用水总量控制指标、实现流域水资源高效利用意义重大。