跨省江河流域水量调度关键技术研究

刘开磊 王敬磊 汪跃军 陈竹青

一、引言

实施江河流域水量分配和统一调度，是落实最严格水资源管理制度、实施水资源消耗总量和强度双控行动、保障河湖生态流量和水生态环境、合理配置和有效保护水资源、加强水生态文明建设的关键措施。2011年水利部启动了跨省江河流域水量分配工作，截至目前淮河流域已有7 条河流水量分配方案获得批复，组织制定水量调度方案和水量调度计划，保障水量分配方案落实，已成为现阶段重点工作任务之一。

淮河流域介于长江、黄河之间，地处南北气候过渡带，具有显著的来水、用水高不确定性和低工程调蓄能力的特征，同时存在水资源调控能力不足、水量调度的工程与管理手段相对粗放等现实问题，开展面向高不确定性和低工程调蓄能力的流域水资源精细调度关键技术研究势在必行。

本文以沙颍河、涡河、史灌河、沂河、沭河等跨省重点河流为研究对象，按照“机理识别、原理创新、技术集成”总体思路，通过来水时空尺度细化及误差反馈控制技术、用水多层级分时动态管控技术、流域多尺度耦合—序贯决策调度技术、基于纳什均衡理论的水量调度补偿及管理机制四个方面的研究，创建了面向高不确定性和低工程调蓄流域的水量精细调度成套解决方案，可为流域水量调度和水量分配方案落实提供技术支撑和决策支持。

二、技术路线

以淮河流域的沂河、沭河、史灌河、涡河、沙颍河等水量分配河流为典型试验流域，根据需求和总体研究思路，采用以下技术路线与方案（图1）。

（1）通过识别影响来水趋势、周期、随机性的主导因子，建立来水总量预测模型，构建基于贝叶斯的不确定性主导因子识别及总量预测技术，利用多源遥感信息同化与动态连续智能精准获取相关因子信息，基于集合卡尔曼滤波，不断引入地面雨量监测信息进行数据同化，控制误差、保障预报精度。

（2）为保证各行业用水户在月内平稳调整用水量，构建了流域用水量预测与修正、供水安全风险评估模型，创新用水管控的多层次、分时、动态调整技术，创建流域用水预测及管控能力的高不确定性影响下的用水管控机制。

（3）基于串联库群结构的并行优化方法，创建与来水、用水反馈修正协同的水工程调度技术。

（4）基于有限理性假设的水量调度主客体行为解析，演绎并提出了基于纳什均衡理论的水量调度补偿理论方法和水量补偿核算标准，创新了协同调度管理机制。

三、研究成果

1.流域来水时空尺度细化技术

通过识别影响来水趋势、周期、随机性的主导因子，建立来水总量预测模型，构建不确定性主导因子识别及基于贝叶斯理论的总量预测技术。利用多源遥感信息同化与动态连续智能精准获取相关因子信息。本项技术按照“总量预测—尺度细化”的主线，依次实现了如下技术。

（1）流域年月降雨、径流量预测。主要针对流域层面、以一年为预见期的年度降雨、径流量预测研究。基于降雨量影响因素众多的客观认识，为识别影响降雨的趋势性、周期性、随机性特征因子，从130多项大气环流因子及水文情报观测要素中，筛选出与降雨预测显著相关的预报因子，基于KNN、BPNN、LSTM 三种机器学习算法构建降雨预报模型，得到年降雨量的预报数据。进而，通过空间上细分流域下垫面为四种下垫面类型，分别建立不同的预报算法、可以得到对径流的年度预测数值。年度降雨或径流量预测结果直接指导来水频率的确定，是指导水量分配与调度的重要因素，可以根据年总量预报结果及查询相应来水频率，估计年内逐月降雨、径流量。为更好地判别来水预报结果的不确定性，本研究还对不同频率下径流设计值进行简单分析，认为随着来水频率与相应径流量的不确定性呈现显著的负相关关系。

（2）融合遥感、地形及长系列多节点数据信息的分布式径流预报。首先以淮河流域为对象，基于MODIS 数据产品解析流域产流系数与降水、地表覆被之间关系。在此基础上，进一步融合土地利用、土壤类型等专题数据，构建了分布式水文模型，实现对流域径流量的月内尺度预报。该技术可以依据年内逐月降雨进一步细化的对流域各分区或单元的产流量进行计算，同时给出控制断面流量过程。

2.多层级用水分时动态管控技术

针对淮河流域用水高不确定性的特点，提出了对用水量分上下游、分行业的多层级管控，同时结合行业特点及专家系统，提出对用水的分时分配与管控机制。

（1）区域用水量预测与修正方法。分行业、依规模、增长率等因素分别预测各地用水总量及逐月需求。同时根据流域套地市用水预测成果，以面积权重法为基础、结合重点用水户调查等成果，将需水预测细化至地市、用水区间。

（2）用水多层次分时动态管控技术。从准备限制用水开始直到用水管控结束期间，通过逐日监测区间大中型用水单位用水量作为标杆，对比逐日用水及月内余留期平均用水量，提出管控分行业、风险分层次、实施分时段的动态调控技术。

（3）用水高不确定性影响下的用水管控机制。根据流域四省2019年重点监控用水单位名录，针对性提取流域、计算单元主要用水单位、行业用水等信息，融合地方用水定额等专项成果，提出以区域重点用水单位作为标杆的取用水管控机制，解决用水高不确定性条件下，用水管控对象主体缺位的问题。

3.多尺度耦合—序贯决策调度技术

图1 项目研究技术路线图

图2 基于串联库群的并行优化算法图

针对流域水资源系统要素，概化出水量调度配置网络图，提出了基于串联库群的并行优化方法，增强上下游干支流联动和河湖水力联系，实现多尺度正反互馈和调度运算。基于序贯决策理论，构建了与来水和用水滚动修正协同的水工程调度机制。

（1）基于串联库群的并行优化算法。本研究提出基于串联库群的并行优化算法，以串联为主的水资源概化网络为基本研究对象，赋予各单元初始上游来水、下泄流量，可同时对各单元进行并行模拟运算，在逐步调整初始流量使得流域整体平衡误差最小时，优化运算结束。成果相对传统正算、反算方法，无需遵循顺序计算的原则，建模及运算简便。

图2中将水资源系统以树状、串联为主要结构,建立水源—工程—用户之间的关联关系。在并行优化时，各单元可同步向上、向下进行水量调度演算。该方法一定程度上简化了水量调度运算的寻优复杂程度、降低耗时，经模拟试验验证可以提升方案优化效率。

（2）与来水用水滚动修正协同的水工程调度机制。来水、用水的反馈修正与初始边界、约束条件等的修正是余留期序贯调度决策的基础。对于大中型水库，依据水库调度图进行调度方式控制；对于大中型闸坝或无调度图情形，提出以其控制断面最小下泄满足程度的弹性系数、控制断面下泄最小值。

4.基于纳什均衡理论的水量调度补偿及管理机制

基于有限理性假设的水量调度主客体行为解析，演绎并提出了基于纳什均衡理论的水量调度补偿理论方法和水量补偿核算标准，创新了协同调度管理机制。本项专题的主要成果如下：1）流域水量调度补偿参与主体为中央政府（组织者、协调者和仲裁者）、上游和下游的省政府（主要参与者）；2）采用改进的流域水量调度补偿标准测算方法来核算水量调度补偿标准；3）分按量下泄、减量下泄和超量下泄三种情景，核算不同来水频率下不同水量下泄情景的水量补偿标准；4）建立流域政府主导型水量补偿相关配套机制。

四、成果创新性

1.提出了基于高不确定性的流域来水精细预测方法，创立了来水时空尺度细化及误差反馈控制技术

充分考虑降雨、径流预报及尺度细化过程中各类来源不确定性，基于遥感及长系列多节点全要素数据，结合地理信息解译、机器学习、分布式建模等技术优势，通过天—地—空多源数据融合与动态连续精准解译，从来水总量预测到时空尺度细化的技术方面取得突破。

2.创建了低工程调蓄能力下多阶段用水分时动态管控技术，拓展了流域用水预测与管理的理论方法

面向来水、用水、工程调度过程的高不确定性，提出了来水、用水和供水多重嵌套的实时反馈修正技术，实现了年内径流重分配、水资源配置方案重优化和工程调度动态调节，拓展了传统流域用水预测及用水管控理论与方法，突破了面向来水及用水高不确定性的管控技术。

3.面向平原和山丘区流域水资源多元调度需求，研发了多闸坝多用户全过程水资源精细调度序贯决策技术

面向平原和山丘区流域水资源多元调度需求，综合采用串联库群并行调度、来水用水反馈修正和纳什均衡等理论方法，创建了流域水资源多尺度耦合—序贯决策调度技术，支撑了淮河流域水量精细调度业务应用平台。

五、结语

（1）本研究面向来水用水高不确定性、多闸坝低调蓄流域，从技术层面提出了流域水量精细调度成套技术，理论方法与技术创新特色明显。该成果在沙颍河、涡河、史灌河、沂河、沭河流域省市级水行政主管部门水量分配方案制定、水资源优化联合调度与管理、取用水管控等水资源管理和水生态安全保障中得到了应用，经济效益显著。

（2）本研究系统性强、区域创新特色明显，项目研究单位先后与国内各省（市、自治区）的科研院所、高等院校等相关部门的科研人员有长期的合作与交流，为相关设计咨询技术单位开展区域河湖水量调度方案编制、水资源调度配置工程专题论证实践工作提供了技术支撑，取得了显著的应用效果。

（3）随着流域内引江济淮等工程的修建，项目成果需要对所支撑的业务平台做进一步的协调、更新，推广应用的范围仍然有待扩大，项目成果尚有进一步完善的空间■