mikebin水资源模型在水库调度中的应用

mikebin水资源模型在水库调度中的应用

0水资源供需平衡的预测水库是重要的水工建筑物，其运营、规划和控制规则关系到城市乃至流域生产生活用水的保障。因而,使用专业的数学模型软件,准确模拟水库的现行规则,并在此基础上运算、分析,制定未来若干规划方案,预测某个或多个流域(区域)内水资源供需平衡的变化趋势及时空分布过程,是十分必要的。本文主要介绍基于ESRI公司ArcGIS9.1平台的2007版MikeBasin水资源数学模型软件,利用VBA或者C#等计算机语言进行模型的二次开发,可用于解决从水库直接取水的用水户供水问题,及水库预警泄流的复杂水库调度问题。1模型融合与计算方法MikeBasin是由丹麦水利研究院研发,在流域或区域尺度基础上,解决水量的优化配置、用水户连接、水库调度规则,以及水质模拟等问题的综合性水资源数学模型软件。MikeBasin可借助ArcGIS的平台管理数据的输入输出,并且可以灵活地进行模型结果的可视化处理。MikeBasin在模拟过程中,既考虑到了空间要素的影响,也考虑到了时间要素的影响。它可以使用不同的时间尺度(年、月、日、小时等)、空间尺度(用水户、工程点、河流、流域)对若干方案进行研究,计算速度快,具有强大的数据交互、结果分析展示等功能,可移植性和可扩展性强。在水文学方面,模型通过空间分析功能可以在已有的数字高程图DEM的基础上,在流域中自上游至下游自动追踪河流并生成河道,从而建立河网。此外也可以根据流域出口点所在位置自动划分子流域,MikeBasin模型概化图见图1。MikeBasin模型中的河网分为两大要素:(1)概括各种天然河道的河流及连接渠道;(2)代表汇流点、分流点、水库或用水户的河流节点。此外,MikeBasin采用稳态的水量平衡方程,可以模拟一定程度的河道演算。WQ水质模拟可以模拟污染物传输过程中的一阶衰减情况,地下水模拟则是采用了线性水库方程。MikeBasin还包括TemporalAnalyst和集总式概念的NAM降雨径流两种模块。在2008版本中,模型还加入了灌溉模拟,与FAO56模型相对应,可以作为CropWat模型的数据进行运算,可以直接使用联合国标准中的各项经验参数,具有很强的操作性及实用性。基于MikeBasin长期以来在世界多个流域(区域)水资源规划管理项目中所取得的成果及丰富的经验,近年国内也逐步接触并利用此软件,用以研究水资源优化配置及制定合理的规划方案。通过其强大的运算功能,进行多方案的计算和分析,为项目或规划方案的最终决策提供有力的技术支持。2高级水库调度程序设计所谓复杂水库调度规则是指在操作、运行某一调度规则时,必须同时考虑若干相互联系、相互限制的判断条件和调度因素。基于MikeBasin的计算引擎,使用macro及编程等方式进行二次开发,计算复杂水库调度方案,意义在于:(1)对水库的现行规则进行模拟和检验;(2)根据特殊的调度规则设置灵活的限制曲线。用户可以参照此方法,通过使用VBAmacro或C#等程序设置特定的调度规则。一般情况下,MikeBasin水库设置对话框中可以输入很多控制规则,例如:特征水位,库容曲线,汛限水位,最小泄量(环境/生态流量),最大泄量,坝顶溢洪道过水能力曲线,下游用水户取水优先级与消落曲线,水库间双向调水,远程控制流量等等。需要注意的是,模型中水电站的上游必须与水库相联接,因而也需要在水库属性对话框中设定水电站的取水优先级与消落曲线,MikeBasin模型水库概念示意图见图2。在一些特殊情况下,除常规控制规则外,水库实际供水情况还需要考虑其他的限制条件,如输水渠道的渠首过水能力曲线。因此,用户可以使用模型中的宏助手功能生成与水库调度规则相关的VB代码,其中包含有MikeBasin计算引擎及所调用的对象。其核心计算引擎和调用对象Object利用了MikeBasin模型的算法及DHI的时间序列对象(DHI.MikeBasinEngine和DHI.TimeSeries),MikeBasin高级水库调度程序调用对象核心语句介绍见表1。在此基础上,根据MikeBasin的算法,及各个计算节点模拟的优先顺序,对此代码进行适当的修改,加入需要的判断语句或限制规则,进而用于编辑高级水库调度规则程序,也可将VB语言转换为其他语言,例如C#。此程序主要包括两部分:(1)水库信息,包含水库的上游控制点(选填项)及其调用的Excel参数文件(选填项);(2)用水户信息,包括水库的供水水位限制曲线(消落水位曲线)及对应的优先级和Excel参数文件。Excel参数文件包括水位限制曲线和用水户需水量、用水户渠首过水能力、强制需水量等3类参数。还可以借用数据库程序语言开始二次开发,通过数据库编辑和存放模型所需要的参数及曲线数值,可以一定程度地优化程序语句。当模拟多个直接向用水户供水的水库或者模拟过程中使用日步长计算的情况下,这种方法可以加快程序运行的速度,提高效率,节省模型读取参数文件的时间。高级程序设置完成运算后,除了生成一个与MikeBasin相关联的包含所有模型运算结果的dfs0结果文件之外,还会生成1个txt格式的结果文件。目的是能够将高级程序的结果数据直接显示出来,可以使用户迅速检查模拟结果的合理性。txt格式的结果文件包含以下几项:程序运行开始时间,模拟步长时间,水库和用水户名称,当前水库水位,用户取水量,上游远程控制点流量Qp,修改后的泄洪道底高程。此程序设计原理是:读取某一时刻模型计算的水库水位,根据Excel参数设置文件的限制水位区域,判断相应的用水户需水量,并将其与渠首过水能力曲线中此时刻水位所对应的最大过水流量比较,二者取最小值。此外,还可以设置绝对取水量,即不考虑任何水库调度规则,根据取水优先级顺序,按照设定数值向用水户供水,直到水库水位降到死水位,则停止供水。高级水库调度程序用水户需水量计算流程见图3。另外,该程序还可设置水库预警泄量,即在某一时刻读取上游某一计算节点的流量值,根据Excel参数文件中的Qp~Hp(远程控制点流量~水库水位)关系曲线,判断当水库上游控制点的流量处在某一限定范围内,水库相对应允许达到的最高预警水位。高级水库调度程序水库预警泄流计算流程图见图4。将使用复杂水库调度程序之前与之后所得的结果分别称为:模型结果和程序结果。根据MikeBasin高级水库调度程序,某一水库两用户W5、W6和水库水位的模型和程序结果对比曲线见图5。从图5(a)、(b)中可以看到2~6月,显示的程序结果的实际取水量比模型结果的用水户W5实际取水量减少约30%,类似地,用水户W6的两种不同计算结果的实际取水量数值之间相差约29.9%,而7月份以后程序结果的W6实际取水量大幅减少。上述变化是由于渠首过水能力在水库低水位运行的状态下,对用水户的实际取水量影响很大。此时即使水库水位在死水位以上,有部分库容依然可以供水,但由于受渠首水位~流量关系曲线的过水能力限制,用水户的取水量已经受到部分削减,甚至在极端情况下有可能完全停止供水。水库水位由于要考虑上游控制点来水情况,并根据Qp~Hp关系曲线进行预警泄流,将水库水位维持在一定范围内,避免因上游汛期洪水到来造成下游水库无法及时泄洪,导致水库及下游防汛出现危险。在此情况下,当控制点流量超过一定等级的时候,水库的库水位曲线会有较大的变化。6~10月,由于上游控制点的流量变化范围在2419.355~3699.970m3/s之间,根据Qp~Hp曲线及线性内插原理,水库水位的变化范围保持在39.7454~142.4409m之间。在此情况下水库水位的计算结果更符合现行规则,即可以计算中水量平衡,又可以模拟水库的防洪运行规则。3基于模型的调度优化设计MikeBasin水资源模型软件不仅可以进行某个流域、区域乃至城市的水资源分配和水量平衡的计算,还可以对水库的调度规则进行综合模拟,将水资源分配和水库调度有机结合起来。由于综合水库调度本身就是一门比较复杂,需要熟悉及掌握大量相关信息的学科,再加上基于高级程序语言调用模型软件引擎,通过