改進的MIKE BASIN 在水庫調(diào)節(jié)計算中的應(yīng)用

張旭昇，單金紅

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730000）

在水利工程規(guī)劃設(shè)計中，確定研究項目區(qū)已建水利工程可供水量，規(guī)范推薦方法主要為長系列法，計算方法有自編公式方法、編程方法和采用水資源供需分析軟件（如MIKE BASIN模型、WEAP模型、WaterWare模型、Aquarius模型等）。MIKE BASIN軟件界面友好、供用水關(guān)系清晰直觀，被國內(nèi)外水利工程科研設(shè)計人員廣泛采用。目前MIKE BASIN模型在云南省、引漢濟渭受水區(qū)、吉林市、松花江流域、大凌河流域等地區(qū)和流域水資源供需配置分析研究中得到了很好的應(yīng)用[1-5]。對于應(yīng)用MIKE BASIN模型進行水庫的調(diào)節(jié)計算方面，王海潮等[6]、張李萍等[7]建立了官廳、齋堂、珠窩、落坡嶺4座水庫調(diào)度計算模型；杜倩等[8]用EXCEL求解水庫群調(diào)度及各水庫下泄過程，再用MIKE BASIN模型進行水資源配置，研究了水庫群聯(lián)合調(diào)度問題；莫鎧等[9]應(yīng)用VBA及C#等計算機語言完成了高級水庫調(diào)度規(guī)則的程序編制，研究了水庫下游河道用水戶供水及水庫預(yù)警泄流問題。上述研究主要針對應(yīng)用MIKE BASIN模型中的水庫模塊功能，以及補充水庫模塊調(diào)度規(guī)則計算函數(shù)方面，或采用模型成果結(jié)合EXCEL求解方法進行水庫群聯(lián)合調(diào)度演算，但對于應(yīng)用宏或程序改進原模型，實現(xiàn)模型優(yōu)化升級方面的開發(fā)研究較少，尤其是水利規(guī)劃設(shè)計廣泛應(yīng)用的水庫調(diào)節(jié)計算中可供水量自動優(yōu)選計算鮮有人研究。

筆者針對MIKE BASIN軟件在進行水庫供水調(diào)節(jié)計算時不能進行水庫可供水量自動識別計算的問題，基于“二分法”查找算法，結(jié)合MIKE BASIN軟件可被EXCEL宏調(diào)用的特點，對MIKE BASIN模型進行改進擴充，通過EXCEL宏編程增加計算模塊，實現(xiàn)程序自動判斷供水保證率和程序自動修改需水過程，迭代試算滿足設(shè)計保證率要求的水庫可供水量和各用水戶的供水保證率，并將改進的模型應(yīng)用到崆峒水庫可供水量計算過程中進行驗證，結(jié)果表明改進的模型能夠準確計算滿足設(shè)計保證率要求的可供水量，且較原模型減少了人工輸入需水過程試算的盲目性、重復(fù)性，簡化了人工統(tǒng)計保證率的工作步驟，提高了規(guī)劃設(shè)計效率。

1 MIKE BASIN模型簡介

MIKE BASIN是丹麥水利研究院研發(fā)的，在流域或區(qū)域尺度上解決水量的優(yōu)化配置、用水戶連接、水庫調(diào)度規(guī)則以及水質(zhì)模擬等問題的綜合性水資源數(shù)學(xué)模型軟件[8-9]。利用MIKE BASIN進行水資源供需及配置分析時，可以由使用者根據(jù)工程需要設(shè)置不同的時間尺度（年、月、日、小時等），依據(jù)水利工程實際位置關(guān)系定義河流、流域、工程位置等空間關(guān)系，軟件具有計算速度快、數(shù)據(jù)交互、結(jié)果展示功能強等特點。MIKE BASIN在進行水庫可供水量計算時，可以設(shè)置水庫調(diào)度線、限制供水線、限制供水比例、最小下泄量、最大下泄量、下游用水戶取水優(yōu)先級等，但軟件本身沒有供水保證率統(tǒng)計功能，不能進行尋優(yōu)計算。MIKE BASIN軟件計算引擎和對象可被其他軟件調(diào)用。

2 長系列法可供水量計算基本原理

為滿足多個用水部門不同用水需求，水庫蓄水量變化過程的計算稱為綜合利用水庫興利調(diào)節(jié)計算，長系列法興利調(diào)節(jié)計算的基本原理即水量平衡[10]，計算公式為

式中：Vi、Vi+1分別為水庫第i時段初、末的蓄水量；W來i為第i時段來水量；W用i為第i時段各部門用水量之和；W損i為第i時段水庫蒸發(fā)、滲漏損失水量之和。

正常供水保證率計算公式為

式中：P為供水保證率；m為正常供水年數(shù)；n為計算系列年數(shù)。

綜合利用水庫需為不同供水保證率的多個供水對象進行供水，在進行興利計算時，為計算水庫蓄泄過程和水庫可供水量，需要進行多次循環(huán)判斷和迭代試算。

3 MIKE BASIN模型的改進

3.1 主要設(shè)計思路

MIKE BASIN軟件可以根據(jù)用戶定義的水庫調(diào)度規(guī)則和需水過程進行調(diào)節(jié)計算，而不能自動進行可供水量的尋優(yōu)計算，不能自動修改需水過程和統(tǒng)計各需水對象的供水保證率，需要由計算者將數(shù)據(jù)輸出后根據(jù)保證率情況，人工重新輸入需水過程進行試算，費時費力，容易出錯。

針對上述問題，可利用MIKE BASIN模型引擎可以被EXCEL宏調(diào)用的開源特點，補充統(tǒng)計供水保證率、判斷供水保證率、重新修改輸入需水過程試算等模塊。通過EXCEL宏調(diào)用MIKE BASIN中的變量，把MIKE BASIN計算各供水對象的缺水量作為輸出變量賦值給程序，由宏統(tǒng)計得到各供水對象的設(shè)計保證率；再將各供水對象的計算保證率與設(shè)計保證率對比，并利用“二分法”查找算法調(diào)整，直至計算結(jié)果滿足精度要求。

3.2 EXCEL宏調(diào)用MIKE BASIN方法

MIKE BASIN軟件提供其他程序調(diào)用接口，計算引擎和供水對象需水量計算結(jié)果可通過VBA及C#等計算機語言簡單程序語句直接調(diào)用，實現(xiàn)EXCEL數(shù)據(jù)與模型輸入輸出。

在調(diào)用程序前，應(yīng)建立MIKE BASIN水庫調(diào)節(jié)計算模型。主要是將ArcGIS軟件處理好的河流、地區(qū)位置矢量（shp格式）文件導(dǎo)入MIKE BASIN程序中，在程序中定義河流和流域、輸入流域天然來水量、上游調(diào)水量、上游耗用水量、水庫興利庫容、調(diào)度規(guī)則、水庫用水對象、下泄生態(tài)水量等基本參數(shù)，建立MIKE BASIN模型，并確保模型能正確運行。

根據(jù)已建模型，獲取程序中各個變量名稱，便可通過表1中的主要語句利用EXCEL宏調(diào)用MIKE BASIN模型中的變量。

表1 EXCEL宏調(diào)用MIKE BASIN核心語句

將MIKE BASIN模型中的變量讀入到EXCEL宏后，便可統(tǒng)計水庫各供水對象供水保證率，根據(jù)保證率計算成果，調(diào)整各供水對象供水過程，再次代入到MIKE BASIN程序中，調(diào)用計算引擎進行計算，直到計算結(jié)果滿足設(shè)計要求。

3.3 對MIKE BASIN的改進

“二分法”查找又稱折半查找，首先設(shè)定查找范圍的上界、下界，每次迭代以上界、下界中間值作為初值，即每次查找即可縮小50%查找范圍，是一種查找效率較高的算法。

改進程序計算的核心是在水庫來水量和興利庫容確定的情況下，試算水庫滿足設(shè)計保證率條件下的可供水量。已知水庫興利庫容和各供水對象的設(shè)計保證率，求解水庫最大可供水量，可采用“二分法”試算求解。為此，先初步擬定水庫調(diào)節(jié)試算的需水過程的上界、下界，組成需水過程數(shù)據(jù)集。下界可以取0，上界取值應(yīng)略大于水庫供水規(guī)模。

應(yīng)用改進的MIKE BASIN模型計算最大可供水量主要步驟：①結(jié)合水利工程規(guī)劃，擬定水庫不同供水保證 率 供 水 對 象 需 水 上 界 ｛ Wi，非農(nóng)，上、 Wi，農(nóng)90%，上、Wi，農(nóng)50%，上｝和下界｛ Wi，非農(nóng)，下、Wi，農(nóng)90%，下、Wi，農(nóng)50%，下｝，組成解集，并輸入到EXCEL文件指定位置；②以需水上界、需水下界和 0.5×（上界+下界）為初值，由EXCEL宏調(diào)用MIKE BASIN計算引擎，進行逐時段水量平衡計算；③EXCEL宏調(diào)用MIKE BASIN對象，計算出各供水對象的供水量、缺水量、統(tǒng)計保證率；④EXCEL宏判斷各級供水保證率滿足情況，當(dāng)上界、下界同時大于或同時小于設(shè)計保證率時，說明界限設(shè)置不合理，需停止計算，調(diào)整輸入后重新計算；否則，以0.5×（上界+下界）與上界或下界組成新的初值，由EXCEL宏調(diào)用MIKE BASIN模型，回到步驟①循環(huán)計算；⑤經(jīng)多次循環(huán)計算，最終得到符合設(shè)計保證率的需水過程；⑥繼續(xù)增加需水量，直到保證率破壞，最終計算出符合設(shè)計保證率要求的最大可供水量。

4 實例應(yīng)用

4.1 工程實例

崆峒水庫位于甘肅省平?jīng)鍪袥芎痈闪魃?，?971年10月動工興建，1980年完工并投入使用。水庫死水位 1 495.3 m，正常蓄水位1 523.2 m，汛限水位1 502.0 m，設(shè)計洪水位 1 523.34 m，校核洪水位1 524.40 m，總庫容2 970萬m3。根據(jù)最新復(fù)核測量結(jié)果，崆峒水庫調(diào)節(jié)庫容2 379萬m3，汛限水位以下調(diào)節(jié)庫容538萬m3?，F(xiàn)狀條件下，水庫主要為平?jīng)鲭姀S和涇河灌區(qū)8 667 hm2耕地灌溉供水。

涇河干流上游寧夏回族自治區(qū)固原市提出建設(shè)東山坡引水工程（設(shè)計水平年2020年上游引水2 099萬m3），為分析上游引水工程對下游崆峒水庫供水產(chǎn)生的影響，以及水庫加高擴建15 m后（調(diào)節(jié)庫容增大至3 700萬m3）的供水情況，需要對崆峒水庫各種工況下可供水量進行計算，共擬定5種方案（見表2）。前3種方案分別計算現(xiàn)狀水平年水庫供水量、規(guī)劃水平年該流域耗水影響水庫供水量、該流域耗水與外流域調(diào)水共同影響水庫供水量，對比分析調(diào)水影響的供水量；后2種方案分析灌區(qū)節(jié)水條件下水庫供水量和同時實施灌區(qū)節(jié)水和水庫加高擴建后的水庫供水量，分析水庫加高擴建的效益。水庫調(diào)節(jié)計算采用崆峒峽水文站1957年7月至2012年6月共55個水文年逐月資料，庫容曲線為2013年實測1∶1 000地形資料。

表2 水庫供水量計算方案

4.2 計算結(jié)果分析

采用改進的MIKE BASIN模型對崆峒水庫可供水量進行興利調(diào)節(jié)計算，計算結(jié)果見表3和圖1～圖7。

表3 改進的MIKE BASIN模型不同方案計算結(jié)果

圖1 不同方案來水過程

圖2 不同方案供水過程

圖3 方案一水庫水位變化過程

圖4 方案二水庫水位變化過程

圖5 方案三水庫水位變化過程

圖6 方案四水庫水位變化過程

圖7 方案五水庫水位變化過程

由計算結(jié)果可知，方案一、方案二條件下，輸入非農(nóng)業(yè)需水300萬m3、農(nóng)業(yè)灌溉需水5 626萬m3，經(jīng)改進的模型迭代尋優(yōu)計算，農(nóng)業(yè)灌溉（保證率P=50%）可供水量分別優(yōu)化為4 818萬m3和4 638萬m3，相對5 626萬m3分別減少1 108萬 m3和1 288萬 m3，實現(xiàn)了程序自動計算水庫可供水量。方案三條件下，輸入渠灌農(nóng)業(yè)需水3 296萬m3，經(jīng)改進的模型迭代尋優(yōu)計算，P=50%農(nóng)業(yè)供水優(yōu)化為2 459萬m3，說明即使在規(guī)劃水平年節(jié)水條件下，下游水庫不采取擴建措施，仍不能滿足設(shè)計需求。方案四條件下，水庫加高擴建后，根據(jù)初步分析，非農(nóng)業(yè)需水1 500萬m3，經(jīng)模型優(yōu)化分析后，P=95%水庫非農(nóng)業(yè)可供水量僅為1 001萬m3，需要縮減供水量才能滿足設(shè)計保證率要求。

對比前3種方案計算成果，得出規(guī)劃水平年上游寧夏用水影響崆峒水庫供水量1 671萬m3，其中該流域耗水影響供水180萬 m3，外流域調(diào)水影響供水1 491萬m3。對比后2種方案，在同時實行灌區(qū)節(jié)水和崆峒水庫加高條件下，水庫可保證8 667 hm2灌區(qū)灌溉供水3 630萬m3，同時可為非農(nóng)業(yè)供水1 001萬m3，相對于改擴建前水庫增加供水量1 538萬m3（非農(nóng)業(yè)增加供水量701萬m3、農(nóng)業(yè)增加供水量837萬m3），水庫加高擴建效益明顯。由方案四得出下游僅靠農(nóng)業(yè)節(jié)水不能滿足灌區(qū)需水要求，灌區(qū)仍然缺水837萬m3。

綜上所述，改進后的模型不但具備MIKE BASIN模型水量平衡計算，具有面向?qū)ο蟮妮斎?、輸出界面?yōu)勢，而且可以統(tǒng)計各供水對象的保證率，并根據(jù)保證率計算成果改變需水過程，重新計算水庫的供水量，得到符合設(shè)計保證率要求的水庫可供水量，并快速輸出到EXCEL文件中，滿足工程設(shè)計需求。

5 結(jié) 語

本文對MIKE BASIN模型興利調(diào)節(jié)計算求解水庫可供水量進行了程序改進研究。針對MIKE BASIN程序不能直接計算供水保證率和自動調(diào)整需水過程的特點，利用EXCEL宏對MIKE BASIN模型進行改進，實現(xiàn)程序自動求解滿足設(shè)計保證率要求的可供水量，改進后的模型既利用了MIKE BASIN的優(yōu)點，又結(jié)合了EXCEL宏的優(yōu)點，實現(xiàn)二者深度耦合，可大大方便工程設(shè)計人員進行水庫可供水量計算。并以崆峒水庫興利庫容規(guī)模確定為例，進行了1957年7月至2012年6月共55 a的長系列調(diào)節(jié)計算。經(jīng)分析，計算成果合理可靠，數(shù)據(jù)輸入輸出方便，可以滿足工程規(guī)劃設(shè)計需要。該方法為流域及區(qū)域水資源供水平衡分析配置提供了自動實現(xiàn)試算可供水量的算法，可大大提高規(guī)劃設(shè)計工作效率，具有廣闊的應(yīng)用空間。