渭河水量調(diào)度模型平臺(tái)的研究與應(yīng)用

◎汪雅梅 劉繼寧

◆1.作者系陜西省江河水庫管理局工程師；2.作者系陜西省江河水庫管理局人事處副處長，工程師。

渭河的水量調(diào)度工作已經(jīng)開展了八年，亟需建立一套水量調(diào)度系統(tǒng)平臺(tái)，利用信息技術(shù)來實(shí)施水量科學(xué)合理的調(diào)度，以促進(jìn)陜西省渭河管理乃至黃河的生態(tài)環(huán)境管理。渭河水量調(diào)度模型平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)是渭河水量調(diào)度系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)，是陜西省水資源管理系統(tǒng)的重要組成部分，模型于2013年正式投入使用，實(shí)現(xiàn)了渭河水量調(diào)度業(yè)務(wù)信息采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)自動(dòng)化，以及來、用水信息統(tǒng)計(jì)查詢、調(diào)度方案編制及生成、調(diào)度效果評價(jià)等功能。渭河水量調(diào)度模型平臺(tái)的開發(fā)基于實(shí)際應(yīng)用的思想理念，引入通用水資源優(yōu)化調(diào)度WROom模型，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)和約束條件，利用GAMS及MFS開發(fā)年、月水量調(diào)度模型，首次實(shí)現(xiàn)了渭河流域水量調(diào)度管理的信息采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)自動(dòng)化，改變了渭河流域水量調(diào)度方案編制和分析靠人工、實(shí)施調(diào)度憑經(jīng)驗(yàn)的落后局面，提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)的辦公智能化，并在實(shí)踐中得到檢驗(yàn)，應(yīng)用效果良好。

1 渭河水量調(diào)度業(yè)務(wù)流程

按照《陜西省渭河水量調(diào)度辦法》、《陜西省渭河水量調(diào)度辦法實(shí)施細(xì)則》的規(guī)定，參與渭河水量調(diào)度的單位包括寶雞、楊凌、咸陽、西安、渭南、銅川、延安、榆林等8市區(qū)水行政主管部門、省水文局、以及流域主要用水單位，包括省寶雞峽、涇惠渠、交口抽渭、石頭河、桃曲坡五個(gè)省屬灌區(qū)，馮家山、羊毛灣、黑河金盆水庫、石堡川、洛惠渠等市屬灌區(qū)。渭河水量調(diào)度管理體系見圖1，渭河水量調(diào)度業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖1 陜西省渭河水量調(diào)度管理體系圖

圖2 陜西省渭河水量調(diào)度工作流程圖

圖3 陜西省渭河流域水量調(diào)度模型系統(tǒng)開發(fā)框架圖

2 系統(tǒng)的需求與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水量調(diào)度是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其調(diào)度方案的確定，需要考慮諸多因素的狀態(tài)和變化一種調(diào)度方案會(huì)涉及多少利益實(shí)體、造成多大影響、帶來的后果是決策者必須關(guān)心的問題。因此，渭河水量調(diào)度模型平臺(tái)必須滿足業(yè)務(wù)需求、信息需求、存儲(chǔ)需求、功能需求、性能需求。

陜西省渭河流域水量調(diào)度模型應(yīng)用系統(tǒng)采用模型開發(fā)與平臺(tái)開發(fā)并重的指導(dǎo)思想，首先通過對渭河流域水量調(diào)度管理情況的深入調(diào)查，設(shè)計(jì)并開發(fā)相應(yīng)的年調(diào)度模型、月調(diào)度模型。然后，通過開發(fā)水量調(diào)度基礎(chǔ)信息平臺(tái)，并基于該平臺(tái)開發(fā)來水、需水、分水指標(biāo)等信息接入的信息匯集平臺(tái)，為水量調(diào)度模型計(jì)算提供支撐。最后通過開發(fā)年、月水量調(diào)度方案制定平臺(tái)調(diào)用調(diào)度模型為渭河流域水量調(diào)度業(yè)務(wù)提供軟件支撐平臺(tái)，系統(tǒng)的開發(fā)框架參見圖3。

3 模型的建立

水量調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)在不斷地提升和完善，模型的開發(fā)從最初的科學(xué)性慢慢向合理性轉(zhuǎn)變。本次將通用水資源優(yōu)化調(diào)度模型WROo m模型應(yīng)用于渭河流域水量調(diào)度系統(tǒng)之中，以滿足控制斷面最小生態(tài)流量的情況下，用戶的需求最大程度得滿足為目標(biāo)函數(shù)，考慮了盡量滿足各用水戶用水計(jì)劃建議、控制斷面流量達(dá)標(biāo)情況,同時(shí)加權(quán)了各用水戶歷史用耗水情況，衡量各目標(biāo)間權(quán)重，以水庫水量平衡、節(jié)點(diǎn)水量平衡、計(jì)算單元水量平衡為基礎(chǔ)，并加以嚴(yán)格的條件進(jìn)行約束。使用了兩種建模工具GAMS及MSF，其中GAMS建模計(jì)算時(shí)通過txt文本進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。使用MSF建立水量優(yōu)化調(diào)度模型，可以方便的在C#搭建的軟件系統(tǒng)中調(diào)用M S F模型提供的A P I接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，完成優(yōu)化模擬計(jì)算，尋找最優(yōu)決策以達(dá)到流域水資源整體的最優(yōu)化分配。

4 系統(tǒng)主要功能

渭河流域水量調(diào)度應(yīng)用系統(tǒng)研究以滿足渭河流域水量調(diào)度管理需求為目的，按照渭河水量調(diào)度工作開展流程，涵蓋了7個(gè)功能模塊:基本信息管理、來水信息管理、用水計(jì)劃建議、用水計(jì)劃上報(bào)、調(diào)度方案編制、實(shí)際用水統(tǒng)計(jì)、水量調(diào)度評價(jià)。

4.1 基本信息管理

本功能模塊屬于基礎(chǔ)信息部分，為用戶提供基本信息的查詢和展示，包括流域概況、流域水資源概況、流域用耗水情況、生態(tài)流量限定參數(shù)四個(gè)部分。主要是展示流域內(nèi)的一些基本信息和水量調(diào)度各個(gè)控制斷面的最小控制流量，方便用戶查詢。

4.2 來水信息管理

來水信息管理主要是對水量調(diào)度的源頭信息進(jìn)行管理，主要是對河道水文預(yù)報(bào)的信息和實(shí)測的信息進(jìn)行展示，預(yù)報(bào)信息為調(diào)度方案的編制提供支撐，河道的實(shí)測信息方便用戶查詢，及時(shí)掌握河道來水情況。具體功能包括：水文預(yù)報(bào)歷史報(bào)表管理、水文預(yù)報(bào)表導(dǎo)入、控制斷面日流量過程錄入、水文預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)處理、預(yù)報(bào)水情分析，以及實(shí)測流量的查看功能。

4.3 用水計(jì)劃管理

用水計(jì)劃管理功能包括相關(guān)地市、灌區(qū)用水計(jì)劃建議的導(dǎo)入和地市、灌區(qū)用水計(jì)劃建議的數(shù)據(jù)查看管理。通過該功能各個(gè)單位可以用導(dǎo)入表格形式或直接填入數(shù)據(jù)形式將用水計(jì)劃建議上報(bào)，數(shù)據(jù)查看功能可以對按照灌區(qū)統(tǒng)計(jì)、按照行政區(qū)統(tǒng)計(jì)的用水計(jì)劃建議進(jìn)行查看，并以表格和柱狀圖的形式展示各灌區(qū)、地市的用水計(jì)劃建議用水過程和歷史數(shù)據(jù)的對比情況。

4.4 用水計(jì)劃建議上報(bào)

用水計(jì)劃建議上報(bào)模塊包括歷史用水計(jì)劃上報(bào)數(shù)據(jù)查詢、用水計(jì)劃編制、用水計(jì)劃上報(bào)報(bào)表查看及生成功能。該模塊的核心功能是用水計(jì)劃編制，是依據(jù)設(shè)定了的初始水庫庫容，確定水庫在調(diào)度期可供水量，結(jié)合來水預(yù)報(bào)結(jié)果和各地市、灌區(qū)的用水計(jì)劃建議，通過優(yōu)化模型進(jìn)行流域水資源的優(yōu)化調(diào)度計(jì)劃編制。數(shù)據(jù)報(bào)表的查詢查看功能可以查編制的用水計(jì)劃詳細(xì)數(shù)據(jù)情況，可以分灌區(qū)、分地市、分行業(yè)、分取水口分別展示。

4.5 調(diào)度方案編制

調(diào)度方案編制是整個(gè)軟件系統(tǒng)核心的部分,是最重要的功能之一。利用根據(jù)實(shí)際需求改進(jìn)后的WROom模型進(jìn)行水量調(diào)度方案的編制，調(diào)度方案包括調(diào)度方案詳細(xì)數(shù)據(jù)查詢功能、調(diào)度計(jì)劃編制功能、調(diào)度方案報(bào)表編制及查詢功能。調(diào)度方案查看功能主要是查看歷史年份編制的調(diào)度計(jì)劃詳細(xì)數(shù)據(jù)情況，可以分行業(yè)、分灌區(qū)、分地市、分取水口進(jìn)行查看，以柱狀圖和表格兩種形式呈現(xiàn)調(diào)度方案的各項(xiàng)結(jié)果。調(diào)度計(jì)劃編制主要是按照設(shè)定的水庫調(diào)度期初始的水庫庫容，確定水庫在調(diào)度期可供水量，結(jié)合來水預(yù)報(bào)結(jié)果和各地市、灌區(qū)的用水計(jì)劃，對流域?qū)嵭锌偭靠刂疲瑖?yán)格按照黃河的控制指標(biāo)，對流域整體調(diào)度方案采用優(yōu)化模型進(jìn)行計(jì)算。調(diào)度方案報(bào)表編制功能種主要是將模型計(jì)算的方案結(jié)果，顯示在格式統(tǒng)一、明晰的表中，可以直接作為文件導(dǎo)出下發(fā)，另外，還可以查看調(diào)度方案執(zhí)行情況下的控制斷面模擬流量情況。

4.6 實(shí)際用水量統(tǒng)計(jì)

實(shí)際用水量統(tǒng)計(jì)模塊與用水計(jì)劃管理模塊功能類似，包括實(shí)際用水量數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能和報(bào)表管理功能。各地市、各灌區(qū)統(tǒng)計(jì)的各自調(diào)度期實(shí)際用水量情況，通過EXCEL文件導(dǎo)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，并能通過系統(tǒng)界面查詢查看已經(jīng)導(dǎo)入年份的各地市、各灌區(qū)分行業(yè)實(shí)際用水量情況。報(bào)表管理功能也提供了歷史用水量報(bào)表的查詢查看刪增功能。

4.7 水量調(diào)度評價(jià)

調(diào)度評價(jià)是對整個(gè)調(diào)度業(yè)務(wù)流程中各個(gè)環(huán)節(jié)的分析評價(jià)，包括水量調(diào)度簡報(bào)管理、水情預(yù)報(bào)評價(jià)、來水評價(jià)、流域用水情況評價(jià)、調(diào)度計(jì)劃執(zhí)行情況評價(jià)五大功能。在水量調(diào)度簡報(bào)管理功能中，可以導(dǎo)入渭河水量調(diào)度簡報(bào)文件。水情預(yù)報(bào)評價(jià)功能可以在預(yù)報(bào)期結(jié)束后，分析水情預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性。來水情況評價(jià)功能在調(diào)度期結(jié)束后，直觀的查看流域當(dāng)前調(diào)度期來水情況與往年情況的對比，確定調(diào)度期工作的水情條件。流域用水情況評價(jià)通過對比分析渭河干流及北洛河流域的往年用水情況、現(xiàn)狀用水情況，估計(jì)流域總體用水發(fā)展趨勢。調(diào)度計(jì)劃評價(jià)功能是分地市、分灌區(qū)進(jìn)行其計(jì)劃用水、調(diào)度指標(biāo)、實(shí)際用水、多年用水情況的對比查看，分析流域總體水量調(diào)度工作執(zhí)行完成情況

5 應(yīng)用的效果和下一步工作目標(biāo)

系統(tǒng)投入運(yùn)行以來，取得良好的效果，發(fā)揮了巨大的社會(huì)效益。特別是基于應(yīng)用的開發(fā)思想，深入分析渭河流域水量調(diào)度工程、用水單元、輸水河道/渠道，概化出基于通用水資源優(yōu)化調(diào)度WROo m模型的渭河流域水資源網(wǎng)路圖；建立集水文預(yù)報(bào)、需水預(yù)報(bào)、年/月方案自動(dòng)生成于一體的水量調(diào)度模型；實(shí)現(xiàn)了渭河流域水量調(diào)度管理的信息采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)自動(dòng)化，具有來用水信息統(tǒng)計(jì)查詢、調(diào)度方案編制及生成、調(diào)度效果評價(jià)等功能，并在實(shí)踐中得到檢驗(yàn)，在2013至2014年度的水量調(diào)度工作中加以應(yīng)用。

本系統(tǒng)目前處于初級階段,僅能滿足當(dāng)前水量調(diào)度管理工作的基本需求。下一步開發(fā)重點(diǎn)主要是：（1）進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的開放性，與相關(guān)的單位能夠互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享，通過網(wǎng)絡(luò)在線傳輸提高水量調(diào)度相關(guān)數(shù)據(jù)、指令文件傳遞的高效性、安全性，提高水量調(diào)度工作的效率和先進(jìn)性；（2）進(jìn)行渭河流域水量應(yīng)急調(diào)度的專題研究。應(yīng)急管理直接體現(xiàn)了工作的水平高低，近年來，頻發(fā)突發(fā)性的水問題。進(jìn)行應(yīng)急情況下的水量調(diào)度研究,可以為渭河流域嚴(yán)重干旱、渭河干支流預(yù)警控制斷面流量降至預(yù)警流量、突發(fā)水污染等緊急情況下的應(yīng)急水量調(diào)度工作提供技術(shù)支撐和應(yīng)對方案決策參考,更能體現(xiàn)渭河水量調(diào)度工作的實(shí)際意義。