張仁貢，錢鏡林，黃林根，廖亞洲，巫地祿，鮑 敏

（1.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310009；2.浙江水利水電學院，浙江 杭州 310000）

1 總述

1.1 水系概況

衢江為錢塘江南源的干流，發(fā)源于安徽省休寧縣青芝埭尖（海拔1 144 m）東麓，東南流至齊溪進入我省，開化縣馬金以下稱馬金溪；與池淮溪在華埠匯合后，稱常山港；常山港由西向東行，左納芳村溪，至衢州市柯城區(qū)雙港口與江山港匯合后稱衢江；衢江沿東北方向下泄，接納了眾多支流，呈羽狀水系，其中較大的有右岸的烏溪江和靈山港，左岸的銅山源、芝溪，至蘭溪市上華，右納金華江后稱蘭江；蘭溪市以下折向北流，至建德市梅城與新安江匯合（表1）。

表1 主要河流特征值

1.2 工程概況

衢州市水庫眾多，到目前為止，全市共有小（二）型以上水庫458座（表2），其中大型水庫有湖南鎮(zhèn)、銅山源、碗窯、白水坑、沐塵5座，中型水庫有黃壇口、周公畈、社陽、峽口、芙蓉、千家排、獅子口、齊溪、茅崗9座，小（一）型水庫73座，?。ǘ┬退畮?71座。全市有1～10萬m3山塘1 687座，1萬m3以下山塘約2.2萬座，堰壩3 011條。各主要江河上都興建了水利樞紐工程，其中常山港上有長風、天馬、恒豐等水利樞紐工程，江山港上有雙塔、棠村水利樞紐工程，衢江上有塔底、安仁鋪、紅船豆、小溪灘水利樞紐工程。另外，衢州市建有防洪堤480多km，其中50年一遇標準城市防洪堤88.16 km。

表2 大中型水庫工程

1.3 水雨情觀測系統(tǒng)

衢州市自2003年7月開始建設衢州市中小型水庫自動測報系統(tǒng)工程，2004年5月完成工程建設。2007年年初開始建設重要?。ǘ┬退畮旌椭匾×饔蜃詣訙y報系統(tǒng)。到目前為止，已經(jīng)建成251個自動雨量站，146個自動水位站，形成了一個較為完善的水雨情觀測體系。

1.4 各主要支流洪水情況

各主要支流一般洪水情況下，洪峰傳播時間大致如下：

烏溪江：湖南鎮(zhèn)水庫至黃壇口水庫為1 h，黃壇口水庫至樟樹潭為2.5 h；

江山港：白水坑水庫至峽口水庫為3 h，峽口水庫至江山雙塔底水文站為5 h，碗窯水庫至江山雙塔底水文站為3 h；

常山港：齊溪水庫至開化水文站為3 h，開化水文站至常山水文站為6 h；

衢江：常山水文站至衢州水文站為6 h，江山水文站至衢州水文站為6.5 h，衢州水文站至樟樹潭為2.5 h，樟樹潭至龍游水文站為5.5 h。

衢江最不利的洪水組合有：常山港與江山港最大洪峰疊加；烏溪江與衢江最大洪峰疊加；暴雨中心隨洪峰向下游移動和復峰洪水等。如1992年“7.4”洪水、1998年“7.24”洪水等災情較重的洪災，均由上游兩港洪峰疊加和暴雨中心長時間跟著洪峰移動所形成，使下游洪峰越來越大，且難以用常規(guī)的水文預報方法作出準確的洪水預報。而1955年“6.20”洪水是復峰洪水，對大中型水庫防洪調度極為不利。

1.5 歷史洪水

衢州市是洪災多發(fā)地區(qū)，歷史上曾發(fā)生1895、1915、1942年特大洪水，其中1895年洪水衢江衢州市水文站洪峰流量11 600 m3/s，超過百年一遇洪水標準。1915、1942年洪水達到或接近50年一遇洪水標準。建國后衢江出現(xiàn)超危急水位洪水的共有13 次，分別為 1952（6.1 m）年、1955 年（6.20 m）、1967年（6.20 m）、1971 年（6.3 m）、1973 年（6.26 m）、1982 年（6.21 m）、1992 年（7.4 m）、1993 年（6.20 m）、1994 年（6.11 m）、1995年（6.24 m）、1997年（7.9 m）和 1998年（6.19 m、8.24 m）。其中1955年洪水為最大，衢江（衢州市水文站）實測的洪峰流量為8 500 m3/s（包括德坪壩、亭川分洪流量880 m3/s），洪峰水位達65.68 m（吳淞高程67.56 m），超過衢州危急水位2.06 m，超過20年一遇洪水標準。其次是1967年“6.20”洪水和1998年“7.24”洪水，衢州市水文站洪峰流量分別為7 070 m3/s和7 080 m3/s，略高于10年一遇洪水標準。

1.6 必要性分析

（1）“防洪水”是“五水共治”中的主要內容，也是歷來水利工作的重要部分。本項目從非工程措施出發(fā)，以衢江流域為研究對象，開發(fā)衢江流域實時水雨情信息共享系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)對流域的防洪形勢進行分析，對未來的洪水形勢進行實時預報，建立一套統(tǒng)一的衢江流域防洪調度方案，為“防洪水、排澇水”決策提供有力的技術支持。

（2）實時水雨情信息存在行政區(qū)劃內“壁壘”。在過去較長時間內，水文資料按《水文專業(yè)有償服務收費管理試行辦法》進行收費，盡管2001年9月17日，水利部頒發(fā)了《關于公開提供公益性水文資料的通知》，規(guī)定了提供公益性水文資料的范圍和收取印刷工本費的原則，但總的來說比較籠統(tǒng)，具體實施還有一定的困難，縣與縣之間水文數(shù)據(jù)還不能有效共享。因此，建立一套衢江流域實時水雨情信息共享系統(tǒng)，讓客觀上互聯(lián)互通的衢江水，通過互聯(lián)網(wǎng)的形式達到上下游水雨情情勢互聯(lián)互通，真正意義上實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+衢江流域防洪調度”。

（3）目前衢江上已建的水文數(shù)據(jù)信息還不夠完善。近年來，通過不斷投入，一些大中型水庫、?。?）型水庫、重要的?。?）型水庫和重要小流域內均建立了自動水雨情測報設施。但由于流域綜合開發(fā)，在河道內建設了大量的橡膠壩或翻板門型堰壩，這些工程中的絕大部分均未建設配套的水雨情設施。由于這些工程泄放水過程對下游影響較大，甚至會危及到下游工程以及人民生命財產安全。因此，有必要補充建設相應的水雨情設施提供實時水雨情信息和預警信息。

（4）經(jīng)過多年建設，流域內水利工程梯級開發(fā)已初具規(guī)模，大大促進了當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展。這些水利工程雖然也制定了相應的調度原則，但由于開發(fā)具有先后性，到目前為止并未形成一個統(tǒng)一的蓄放水調度原則。上游水庫放水往往具有隨意性，這使得下游水庫的調度非常困難。這種調度方式，不僅不能達到整體水利工程興利效益最優(yōu)，而且還可能危及到下游水庫的防洪安全。因此，有必要以整個衢江流域為研究對象，制定一套衢江流域綜合調度方案，建立衢江流域洪水預報及防洪調度系統(tǒng)，在對各重要防洪工程和控制斷面進行實時洪水預報的前提下，以綜合調度方案為依據(jù)進行科學調度、整體調度。

（5）衢江上經(jīng)過梯級開發(fā)，修建了多座電站，發(fā)電調度從計劃制定到實時調度均采用經(jīng)驗調度，上游電站放水發(fā)電往往以“友情提示”的方式告知下游電站，下游電站因此作出相應的蓄放水決策。這種調度方式不僅預見期較短、而且難以從流域的角度綜合考慮。同時，由于信息的“不可強制性”，也為下游的水利工程埋下了嚴重的安全隱患。因此，有必要建立一套興利調度信息共享和決策系統(tǒng)，以規(guī)范各工程的興利調度方式。

（6）本項目的實施可以提高水利工程科學管理及調度水平，為流域充分利用水資源、促進流域或地區(qū)社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，進一步為“治污水、保供水”提供重要的技術支持。

2 研究目標

補充完善重要控制斷面的水雨情監(jiān)測設施，整合已有水雨情監(jiān)測設施，建設衢江流域實時水雨情信息共享系統(tǒng)；建立重要水利工程（14座大中型水庫以及塔底、安仁鋪、紅船豆、小溪灘水利樞紐）及水文站（江山站、常山站、衢州站和龍游站）洪水預報系統(tǒng)；開展衢江流域水庫群聯(lián)合調度研究，制定統(tǒng)一的流域防洪調度原則和興利調度原則。通過上述研究，以達到衢江流域統(tǒng)一調度，科學調度，從而充分保障衢江流域防洪安全。

3 研究內容

3.1 實時水雨情信息共享系統(tǒng)建設

本系統(tǒng)建設主要包括兩方面內容：①接入已建的實時水雨情監(jiān)測信息；②通過現(xiàn)場調研，掌握已建的翻板門和橡膠壩等水利工程，建立可以反映其運行特征的實時水情監(jiān)測設施，同時具備預警功能。

3.2 開發(fā)洪水預報系統(tǒng)

開發(fā)洪水預報系統(tǒng)的基本出發(fā)點是致力于提高洪水預報精度、增長洪水預報的有效預見期、擴大預報范圍，提高預報作業(yè)速度，為各級防汛抗旱部門提供預報精度和預見期均滿足防洪調度決策要求的洪水預報成果。

本次進行系統(tǒng)研究、開發(fā)的目標，是在相對獨立的計算機網(wǎng)絡環(huán)境下，開發(fā)衢江流域內14座大中型水庫、塔底、安仁鋪、紅船豆、小溪灘水利樞紐以及江山水文站、常山水文站、衢州水文站和龍游水文站洪水預報系統(tǒng)，以達到及時準確地提供流域的實時暴雨洪水情報，更好地為防洪決策提供支持。

洪水預報系統(tǒng)的功能組成如下：

（1）預報模型。預報模型是預報系統(tǒng)的核心，目前在實時洪水預報方面，比較實用的是確定性概念模型。按照模型對象的不同可分為流域產流模型、流域匯流模型、河道匯流模型等。

（2）模型參數(shù)率定。基于建立的預報模型，選用一定時間的連續(xù)資料進行模擬計算，根據(jù)計算結果與實測結果進行比較，求出誤差。再調整參數(shù)值，比較其結果和誤差，直到誤差滿足精度要求。

（3）實時預報。洪水預報涉及信息讀取、處理、計算、分析、發(fā)布等各環(huán)節(jié)，實時預報就是在計算機上完成洪水預報各環(huán)節(jié)，加快預報作業(yè)速度。

（4）實用模塊。完成洪水預報、提高預報精度，需要許多輔助實用模塊，如數(shù)據(jù)查錯、數(shù)據(jù)等時段化處理、數(shù)學優(yōu)化方法、實時校正方法、圖形交互技術等。

3.3 建立水庫群聯(lián)合防洪調度方案

防洪調度系統(tǒng)的主要任務是在保證防洪工程安全的前提下，以損失最小、可操作性好為原則，根據(jù)單個水庫防洪最優(yōu)、從而分析流域整體防洪最優(yōu)的原則，確定流域整體調度方案。

以設計洪水為研究依據(jù)，以歷史典型洪水確定洪水地區(qū)組成，建立數(shù)學模型，通過優(yōu)化算法計算出水庫群最優(yōu)調度方案。

對于n個水庫，n個防洪點，考慮區(qū)間來水的防洪系統(tǒng)的最大削峰準則的目標函數(shù)為：

qi(t)為第i庫第t時段的出庫流量演算到防洪斷面的過程；

Q區(qū),i(t)為第i庫到自身防洪點之間的區(qū)間流量過程；

βi為第i庫到自身防洪點的重要性系數(shù)；

αi為第i庫調度模式指示變量。

考慮如下約束條件：

（1）水量平衡約束

式中：T為調度期時段數(shù)；

式中：V(t)、V(t? 1 )為第t時段始末的水庫蓄水量；Q(t)、Q(t? 1 )為第t時段始末的入庫流量；q(t)、q(t? 1 )為第t時段始末的出庫流量；?t為時段長。

（2）水庫最高水位約束

式中：Z(t)為第t時段末的計算水庫水位；Zm(t)為第t時段末的允許最高庫水位。

（3）調度期末水位約束

式中：Zend為調度期末計算庫水位；Ze為調度期末的控制水位。

（4）水庫泄流能力約束

式中：q(t)為第t時段末的出庫流量；q(Z(t))為第t時段末相應于水位Z(t)的下泄流量；（5）上下庫之間的水力聯(lián)系

式中：Qj(t)為下游水庫的入庫流量；qz(t)為上游水庫的下泄流量；Q區(qū)，Z(t)為區(qū)間流量。

3.4 建立水庫群聯(lián)合興利調度方案

為建立梯級水庫群優(yōu)化調度模型，要把實際的流域水資源系統(tǒng)概化為由節(jié)點和有向線段等元素構成的網(wǎng)絡。計算單元是基本而重要的節(jié)點，各種水源的供水都是在計算單元的基礎上進行的。有向線段則代表了河道或渠道，它們反映了節(jié)點之間的水流傳輸關系。本項目概化原則是以水庫為計算單位，以衢江干流為主線，涵蓋整個興利調度研究范圍。

（1）目標函數(shù)

根據(jù)梯級水庫調度實際，以供水量和發(fā)電效益最大為目標：

2）發(fā)電目標：

式中：gsit、gdit、fdit分別為水庫t時段的供水量、谷電量和峰電量；

qi(t)、gi(t)、ri(t)分別為第i水庫第t時段的入庫量、供水量和下泄量；

TN=Ta×T0，TN為分析計算的總時段數(shù)，Ta為分析計算年數(shù)，T0為每年內的時段數(shù)，確定每天為一個時段；

a為峰電單價；b為谷電電價。

（2）約束條件

2）水電站出力約束

3）水量平衡約束

Qi(t)、EFi(t)分別為第i水庫第t時段入庫總水量、蒸發(fā)滲漏量。蒸發(fā)損失由壩址以上流域蒸發(fā)及水庫水面面積求得，滲漏損失采用經(jīng)驗公式求得。

4）保證率約束

式中：p(k)、p0(k)分別為第k行業(yè)供水計算保證率和設計保證率。

5）非負約束

上述各式中的各決策變量大于等于零。

4 結論

通過探索和研究，筆者認為建設該系統(tǒng)是可行的，也是必要的，可以達到以下成果：

（1）可以建立衢江流域實時水雨情共享系統(tǒng)。

（2）可以建立衢江流域重點控制斷面洪水預報系統(tǒng)。

（3）可以建立衢江流域水庫群聯(lián)合防洪調度系統(tǒng)。

（4）可以建立衢江流域水庫群聯(lián)合興利調度系統(tǒng)。