淮河中游枯水期水量配置與調度技術綜合研究

王式成王敬磊劉方周喆王藝晗

淮河中游枯水期水量配置與調度技術綜合研究

王式成1，2王敬磊2劉方3周喆4王藝晗3

一、引言

淮河流域地處我國東部，是南北氣候、高低緯度和海陸相三種氣候過渡帶的典型地區，降水時空分布不均，年內年際變化劇烈，水土資源分布不平衡。近年來，隨著國家和安徽省在淮河流域經濟發展戰略和發展規劃的逐步實施，淮河干流重要河段淮南～蚌埠段經濟社會進入快速發展時期，對水資源利用提出了更高的要求，該河段取用水量明顯增加，供需態勢變化顯著，呈現出枯水期發生頻次增加、持續時間延長、水量交換關系復雜多變的特點，導致干旱災害范圍擴大、損失加重，給受旱區城鎮居民生活、工農業生產及生態環境帶來嚴重影響。同時，由于缺乏淮河枯水期水量配置與調度方案，淮干水資源得不到合理高效使用，更無法實施科學水量調度，解決淮干水資源分配與調度問題已成當務之急。

鑒于研究區域在淮河流域的重要性、典型性以及干旱缺水對區域經濟社會的影響，為使枯水期淮河水資源得到有效利用，解決好上下游、省際間的用水矛盾，提高流域機構水資源管理水平，科學合理地配置與調度枯水期淮河干流水資源，研究開展淮河水系枯水期水資源利用技術及水量調度實施技術，加強枯水期水量調度與管理勢在必行。

二、研究目標與內容

1.研究目標

本研究圍繞提高淮河水系枯水期水資源利用效率這個核心，合理配置枯水期淮河干流水資源，科學調度淮河水量。通過實施淮河水系枯水期水量調度，充分挖掘供水潛力，并協調好地區間、部門間、用水戶間的用水關系，解決好上下游、省際間的用水矛盾，保障枯水期沿淮城市生活用水和重要工業用水的安全，最大限度減少干旱缺水對經濟、社會發展的影響，保障區域經濟安全、淮河干流生態安全，以水資源的可持續利用支持該地區經濟社會的可持續發展，為該河段枯水期水量應急調度、水資源管理提供技術支撐。

2.研究內容

本次研究按照科學的邏輯組織和技術路線展開，主要研究內容如下：

（1）淮河中游枯水期水資源系統解析、多水源演變規律、水資源開發利用及供需態勢研究。

（2）淮河中游枯水期水資源配置及調度水源條件、工程條件研究，淮河中游枯水期各控制斷面不同典型年、不同頻率來水量及可利用量研究。

（3）構建淮河中游枯水期基于分行業用戶滿意度的水資源配置模型；開展多枯水組合情境下，多邊界多控制要素的水資源配置技術研究。

（4）淮河中游枯水期不同水平年、不同保證率的水資源調度技術研究，擬定一般枯水期多維臨界調度與特殊枯水期預警、應急調度實施方案。

（5）開發淮河中游枯水期水資源配置及調度可視化管理系統，制定水資源監測方案、水資源調度管理制度與保障體系。

三、研究成果

1.淮河中游枯水期水資源演變規律

重點解析淮河中游枯水期水資源系統、典型斷面枯水期徑流演變及動態模擬，首次采用時序變化分析法、趨勢性和突變分析法和多尺度周期性檢驗方法，分別對魯臺子、蚌埠站的全年降水、汛期降水、非汛期降水進行分析，揭示淮河中游枯水期水資源演變規律。

（1）降水演變特征

首次采用時序變化分析法、趨勢性和突變分析法和多尺度周期性檢驗方法，分別對魯臺子、蚌埠站的全年降水、汛期降水、非汛期降水進行分析，揭示了降水變化規律。魯臺子站年平均降水量在20世紀70年代和90年代的降雨量偏少，而50年代和21世紀初則偏多，尤以進入21世紀后偏多更甚。蚌埠站年平均降水量在60年代和70年代的降雨量偏少，而90年代和21世紀初則偏多，尤以進入21世紀后更甚。

（2）徑流演變特征

通過三種小波Mexcian hat小波、Morlet小波和cmor2-1小波的比較找到了cmor2-1小波對魯臺子站1951～2012年徑流資料分析周期變化最有效，從趨勢來看整體呈減少趨勢，減少速率為0.68億m3/a，在1986年之前徑流量變化周期為10年左右，1986年之后徑流量變化周期為20年左右。根據蚌埠站歷年年徑流資料，得出其年徑流總體上同樣呈下降趨勢，下降的趨向率為2.47億m3/a。且經分析，兩站徑流系列趨勢一致、變異點一致。

根據蚌埠（吳家渡）水文站1950～2012年年徑流資料，經過季節性Kendall檢驗，分析得出其年徑流量下降趨勢顯著，魯臺子站年平均減少速率為0.68億m3/a，蚌埠站年平均減少速率2.47億m3/a，趨向率為24.76×108m3/10a。采用馬爾科夫（Markov）法分析天然徑流量進行轉移概率，揭示蚌埠站年徑流量豐平枯狀態轉移特性，即淮河蚌埠站年徑流在長期豐枯狀態的概率轉變中，平水年的自轉移概率較大，即平水態自保守性強；概率轉移分析顯示，年徑流處于豐水和偏豐水的初始狀態，向偏枯水年轉移的概率較大；年徑流處于平水、偏枯水年和枯水年的初始狀態，向平水年轉移的概率較大。

2.水資源開發利用及供需態勢狀況

通過剖析不同水平年、不同枯水組合情境下的水資源開發利用情況、可利用量、受旱典型年缺水量及水資源供需態勢，得到結論如下：

（1）淮河中游水資源可利用總量為200.7億m3，可利用率為51.8%；連續3個月枯水期可利用總量39.3億m3，可利用率為72.6%；連續5個月枯水期地表水可利用總量64.5億m3，可利用率為65.5%。

（2）通過對區域受旱典型年分析，蚌埠閘上區域在受旱典型年平均缺水量為5.46億m3，年最大缺水量為1978年10.5億m3，最小缺水量為2000年2.7億m3；蚌埠閘以下供水區域特旱年年平均缺水量2.32億m3，重旱年年平均缺水量0.158億m3。最大缺水為2001年，缺水量2.7億m3，年最小缺水為1988年，缺水量750萬m3。

（3）通過對不同年型需水缺水態勢分析，王蚌區間連續3個月枯水期現狀水平年20%、50%、95%和95%保證率下的缺水量分別為0、0.209億m3、1.265億m3和2.22億m3，連續5個月枯水期現狀水平年20%、50%、95%和95%保證率下的缺水量分別為0、0.399億m3、2.415億m3和4.242億m3。蚌洪區間連續3個月枯水期現狀水平年20%、50%、75%和95%保證率下的缺水量分別為0、0.044億m3、0.627億m3和0.759億m3；蚌洪區間連續5個月枯水期現狀水平年20%、50%、75%和95%保證率下的缺水量分別為0、0.084億m3、1.197億m3和1.449億m3。

3.枯水期水源條件分析

根據對蚌埠閘上區域水庫、湖泊洼地和外調水等水源條件進行分析，干旱期可向蚌埠閘上調水的水源主要為安徽省境內的城東湖、瓦埠湖、高塘湖、芡河等上游沿淮湖泊洼地，蚌埠閘下河道蓄水，以及梅山水庫、響洪甸水庫和佛子嶺水庫；河南省境內的宿鴨湖水庫、南灣水庫和鲇魚山水庫等重點大型水庫；江蘇省境內的洪澤湖、高郵湖和駱馬湖；跨流域調水為南水北調東線工程等水源。根據對洪澤湖區域周邊水源條件分析，干旱期可向洪澤湖調水的水源主要為江蘇省境內駱馬湖、高郵湖等湖泊蓄水；安徽省境內的花園湖和蚌埠閘上蓄水；跨流域調水為南水北調東線工程等水源。

4.淮河中游重點斷面來水量動態預測

根據淮河臨淮崗以上的現狀用水狀況，建立了臨淮崗以上規劃來水分析模型，提出淮河干流臨淮崗以上區域現狀（2012年）和規劃水平年（2020年）50%、75%、95%以及多年平均保證率典型年規劃來水量，同時分析了不同時期不同枯水期頻率組合重點控制斷面規劃年來水量。

（1）現狀水平年2012年主要斷面規劃來水量

依據現狀水平年耗水情況對各典型年實測徑流量進行修正，得到各典型年現狀水平年規劃來水量，2012年淮干蚌埠閘50%的典型年規劃來水為299.9億m3，75%的典型年規劃來水為214.3億m3，95%的典型年規劃來水為43.9億m3。

（2）規劃水平年2020年淮干蚌埠閘斷面規劃來水量

采用各典型年實測徑流量，按規劃水平年耗水情況對其進行修正，得到不同典型年的規劃水平年2020年規劃年來水量，淮干蚌埠閘50%的典型年規劃來水為293.9億m3，75%的典型年規劃來水為208.3億m3，95%的典型年規劃來水為40.6億m3。

（3）特枯年和連續枯水年斷面規劃來水量

現狀水平年淮干蚌埠閘以上特枯年（1965～1966年）規劃來水為25.0億m3，特枯年（1977～1978年）規劃來水為43.9億m3；規劃水平年淮干蚌埠閘以上特枯年（1965～1966年）規劃來水為21.4億m3，特枯年（1977～1978年）規劃來水為40.6億m3。

特枯年1965～1966年和1977～1978年，淮干中渡斷面現狀水平年來水量分別是平水年份的18.8%和16.2%；規劃水平年來水量分別是平水年規劃來水量的17.7%和15.0%。

5.多枯水組合情境下水資源配置

首次利用Mike Basin模型和MOSCEM-UA優化方法實現基于分行業用戶滿意度的枯水期水資源配置，提出不同水平年、不同保證、多枯水組合情境下的水資源配置方案。

（1）多邊界多控制要素水資源配置模型

采用MikeBasin模型對研究區域水資源系統進行了模擬，根據水量平衡原理，建立天然與人工水資源循環的二元水資源模型中各層次、各環節的水資源轉化遷移關系。在此基礎上，進一步形成了二元水循環結構上的降水、蒸發、產流、匯流動態過程以及來水、用水、蓄水的動態過程，為擬定水量配置方案研究提供參考依據。

（2）基于分行業用戶滿意度的水資源配置模式

研究區域水源、工程、用戶、調度方式、控制目標等要素關系，并根據區域水資源特點和各用水部門特點，分析了干流水資源的分配模式和需求，確定了水量配置的優化目標和條件。

（3）枯水期水資源配置方案

依據水量合理配置模型系統，設定系統優化配置方案，現狀水平年來水按實際來水量計算，規劃水平年2020年來水方案按現狀實際來水量扣減10%計算，2030年來水方案按現狀實際來水量扣減20%計算，蚌埠閘上正常蓄水位設定為18.0m，下限水位設為15.5m和16.0m；蚌埠閘下正常蓄水位設定為13.0m，起調水位按各個典型年份汛末實測水位和吳家渡測站多年平均汛末水位14.2m兩種情況考慮；洪澤湖汛限水位設定為12.5m，最低控制水位為11.3m。

6.基于MOSCEM-UA優化的水資源調度模型

水量調度模型是在采用Mike Basin模型模擬不同情景下的水量配置方案基礎上，結合MOSCEM-UA優化方法，將水資源系統中各類控制要素作為水量調度系統模擬分析的控制邊界和條件，建立了水資源量和水資源應用的邏輯關系；根據水資源量和現有水量配置方案，充分考慮河道蓄水、湖泊洼地蓄水和洪澤湖調水情況，采用線性優化計算方法，研發淮河干流（正陽關～洪澤湖）水資源優化調度模型系統。根據淮河干流水量配置情況，擬定一般枯水期多維臨界調度與特殊枯水期預警、應急調度實施方案。

7.枯水期水資源調度方案編制及實施

水量調度方案根據淮河流域水資源特性及國民經濟各部門對水的需求特點，結合淮干水資源調度與展示模型優化計算成果，研究制定一般枯水期多維臨界調度與特殊枯水期預警、應急調度實施方案，為枯水期水資源調度提供依據。

8.枯水期水資源配置及調度管理系統

以水量配置模型為支撐，基于Microsoft Visual Basic 6.0平臺，結合ArcGis，開發水量調度管理平臺。將水資源優化配置模型程序嵌入到水資源可視化展示平臺中，完成淮河干流（正陽關～洪澤湖段）水量調度與展示系統。

9.枯水期水資源監測方案

通過實地查勘、資料收集，進行監測站網布設，包括入（出）河湖控制斷面、重要取水口、農業取水口、重要入河排污口和可利用水源監測斷面這五方面，構建監測數據庫，制定監測管理保障措施，編制水資源監測方案。

10.枯水期水資源調度管理制度及保障體系

就未來時期淮河流域水資源管理所需要的理念和思維方式轉變、流域管理目標體系、注重公眾參與流域管理、協調的工作機制研究、引入公共管理理論、加強與水相關的文化建設、構建流域規劃與研究體系、加強流域水資源監測和管理等方面進行思考與探討。淮河干流水資源工程的建設、防洪工程的綜合利用等，為水資源的統一調度提供了條件，不同條件下的水量配置與調度方案也為水資源的調度與管理提供了依據。成果提出建立一套較為完善的水量調度管理制度和保障措施體系，以確保淮河干流水量配置方案和調度方案的順利實施。

四、成果創新性

1.創新點

（1）創建了淮河中游枯水期水資源系統解析與動態模擬預測技術，揭示了淮河中游枯水期多水源演變規律，剖析了不同水平年、不同枯水組合情境下水資源供需態勢，對淮河干流主要控制斷面枯水期來水量進行了預測。

（2）創建了基于分行業用戶滿意度的枯水期水資源配置模型，科學描述了淮河中游蚌埠閘、沿淮洼地、采煤沉陷區等多邊界多控制要素的復雜調控系統情景，提出了淮河中游多枯水組合情境下水資源配置方案。

（3）研發了一般枯水期多維臨界調度與特殊枯水期預警、應急調度技術。基于淮河流域整體調度規則，提出了淮河中游枯水期調度原則；耦合了MikeBasin模型和時間延遲的MOSCEM-UA優化方法，構建了調度模型，開發了應用平臺。

2.掌握新規律與新特征

通過研究得到了以下新規律與特征：

（1）區域代表站、流域枯水期水文要素的特征與情勢。

（2）枯水期魯臺子、蚌埠閘的徑流演變規律。

（3）典型斷面枯水期不同典型年、不同頻率水量變化特征。

（4）正陽關～蚌埠閘、蚌埠閘～洪澤湖以及洪澤湖周邊枯水期不同枯水組合情境下的缺水量、缺水率、供需態勢。

（5）掌握了淮河中游多枯水組合情境下，多邊界多控制要素控制的水資源配置方案。

（6）枯水期研究區域9個水源的分布、可供水量。

五、結語

（1）本研究以2011年中央一號文件需求為指引，緊扣三條紅線控制指標、淮河流域最嚴格水資源管理制度要求，協調地區間、部門間和用水戶間的用水關系，為淮河流域的城市生活用水和重要工業用水的安全、區域經濟安全、淮河干流生態安全提供技術支撐。成果應用于流域水資源管理、水量調度、流域綜合規劃等多方面，應用對象明確。

（2）成果系統性、創新性較明顯。本成果由科研、管理等多單位協作完成，國內外尚未系統研究，成果內容豐富、內容間關聯好，系統性較強，既是一項填補淮河流域水量調度的系統研究成果，又是一項淮河流域水資源管理、供水安全及生態安全決策的應用性成果。

（3）在水量配置與調度研究方面學術價值較高。系統開展了水量配置參數研究，采用MikeBasin模型模擬不同情景下的水量配置方案，并結合MOSCEM-UA優化方法，使得配置方案適應性更強。結合ARCGIS技術和數據庫技術，建立了水量調度與展示模型平臺，豐富了水量配置與調度理論，學術討論活躍。

（4）成果實用性較強，應用對象明確，應用前景廣。在淮河流域其他類似地區具有較好的適應性，成果已經轉化為生產力，產生了良好的社會經濟效益和環境效益。同時，在水資源學科發展方面應用前景廣闊，新方法和新成果對解決枯水期供水風險和社會經濟協調發展技術的跨越和對城市水利技術的進步具有顯著的促進作用

（作者單位：1.淮河水利委員會水文局（信息中心）2330012.安徽淮河水資源科技有限公司2330003.河海大學水文水資源學院2100984.河海大學港口海岸與近海工程學院2100098）