王文浩 申 瑜 張 薔

（1.長(zhǎng)治市水文水資源勘測(cè)站 山西長(zhǎng)治 046000；2.山西省水文水資源勘測(cè)總站 山西太原 030000）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，用水量不斷地增加，水資源供需矛盾日益突顯。為了有效發(fā)揮水庫效益，有必要開展水庫興利調(diào)度研究。在大數(shù)據(jù)的時(shí)代，從海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)事物演變過程，尋找其變化規(guī)律，水庫興利調(diào)度系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)理念，通過收集大量數(shù)據(jù)，建立模型預(yù)測(cè)水庫來水量，以滿足水庫興利需求，提高水資源利用率。

1 概況

漳澤水庫位于山西省長(zhǎng)治市潞州區(qū)，屬于海河流域南運(yùn)河水系。水庫自投入運(yùn)用以來，在保障工農(nóng)業(yè)用水方面發(fā)揮了重要作用，主要承擔(dān)了長(zhǎng)治鋼鐵廠、漳澤發(fā)電廠、王曲發(fā)電廠等主要工業(yè)企業(yè)的供水任務(wù)。建庫近五十年來，向長(zhǎng)治地區(qū)工業(yè)供水總量達(dá)15 億m3，農(nóng)業(yè)灌溉供水2.0 億m3。水庫共攔蓄了6 次較大洪水，減免損失共計(jì)1.45 億元。水庫下游防洪保護(hù)范圍為11.5 km2，2018 年以來，漳澤水庫平均蓄水量不足1億m3，水庫改建后設(shè)計(jì)總庫容為4.27 億m3，蓄水庫容不到總庫容的1/4。漳澤水庫興利調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)就是建立具有數(shù)據(jù)處理、中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)和水庫興利調(diào)度等功能、完整而實(shí)用的預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)，為水庫的興利服務(wù)。

圖1 漳澤水庫控制流域河流水系圖

2 中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)方法

傳統(tǒng)的中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)方法主要有成因分析和水文統(tǒng)計(jì)方法[1]。近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和新的數(shù)學(xué)方法的不斷涌現(xiàn)，為中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)拓展了新的途徑。隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也逐漸被引進(jìn)到水文預(yù)報(bào)中，提高了預(yù)報(bào)精度。

2.1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可用于處理復(fù)雜非線性系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)非線性關(guān)系的識(shí)別和映射。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的非線性信息并行處理能力，可以避免其他人工智能方法依賴于直覺的缺陷[2]。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論本身的不斷發(fā)展，以及對(duì)相關(guān)理論和技術(shù)的不斷探索，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水文行業(yè)。本文采用三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，主要包括輸入層、隱含層和輸出層，層與層之間的神經(jīng)元通過全互連型方式連接。神經(jīng)元模型見圖2。

圖2 神經(jīng)元模型

可以認(rèn)為神經(jīng)元模型包括6 個(gè)部分：1）一組輸入，即x1，x2，……，共R 個(gè)，作為神經(jīng)元的輸入信號(hào)，輸入的影響因子；2）一組連接，即w1，……，神經(jīng)元對(duì)應(yīng)每個(gè)輸入信號(hào)的連接權(quán)值；3）一個(gè)神經(jīng)元閾值即b，b 值的變化可以相應(yīng)地增加或者降低激活函數(shù)的模型輸入，使神經(jīng)元更加敏感而去影響下一神經(jīng)元；4）一個(gè)加法器即∑=∑WiXi，用于計(jì)算輸入信號(hào)對(duì)神經(jīng)元的加權(quán)之和，具有反映神經(jīng)元時(shí)空整合功能的作用，是神經(jīng)元的凈輸入；5）一個(gè)激活函數(shù)也稱之為傳遞函數(shù)、響應(yīng)函數(shù)，即f，用于限制神經(jīng)元的輸出到有限范圍內(nèi)，它決定了神經(jīng)元的輸出方式，本文選用正切S 型函數(shù)；6）一個(gè)輸出即a，作為神經(jīng)元的目標(biāo)輸出，輸出的徑流量預(yù)報(bào)值。

2.2 秩相關(guān)秩相似模型[3]

秩相關(guān)秩相似模型是物理統(tǒng)計(jì)方法，利用求秩相關(guān)系數(shù)的方法去查找出相似因子，并且對(duì)秩相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，最終選取相似預(yù)報(bào)因子，建立預(yù)報(bào)方程。

3 枯季徑流預(yù)報(bào)

枯季徑流量主要受氣候、土壤、植被、地質(zhì)等自然因素，以及水利工程調(diào)蓄等人為因素影響?？菁緩搅髁恐饕獊碓从诤泳W(wǎng)退水，降雨量影響較小。枯季徑流預(yù)報(bào)方法主要包括退水曲線法、前后期徑流相關(guān)法、河網(wǎng)蓄水量法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。本文漳澤水庫枯季徑流預(yù)報(bào)（1-5 月）模型主要采用秩相關(guān)秩相似法與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

采用BP 模型預(yù)測(cè)1-5 月份徑流量，由于枯季徑流主要是地下蓄水，和降雨相關(guān)性較小，本文選擇上年6-11 月徑流量作為影響因子，預(yù)報(bào)本年1-5 月徑流量，詳見圖3。

圖3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬圖

3.2 秩相關(guān)秩相似模型

首先利用秩相關(guān)系數(shù)篩選出顯著因子，然后將篩選出的相似預(yù)報(bào)因子建立預(yù)報(bào)方程。影響因子為上年6-11 月徑流量，預(yù)報(bào)1-5 月徑流量。6 月份秩相關(guān)系數(shù)為4.511 2，7 月份秩相關(guān)系數(shù)為4.724 5，8 月份秩相關(guān)系數(shù)為7.431 4，9 月份秩相關(guān)系數(shù)為6.966 9，10 月份秩相關(guān)系數(shù)為10.409 2，11 月份秩相關(guān)系數(shù)為11.665 1。選取秩相關(guān)系數(shù)較大的10 月、11 月作為預(yù)報(bào)因子，預(yù)報(bào)2021 年1-5 月份徑流量為3 438 萬m3。

采用BP 模型預(yù)測(cè)1-5 月份徑流量，漳澤水庫2021 年1-5 月份徑流量為3 257 萬m3。2017 年開始二賢莊水文站受施工影響停測(cè)，因此入庫徑流資料缺少部分徑流量，同時(shí)整編資料目前缺少2020 年12 月徑流資料，上述因素均可能對(duì)模型精度造成一定的影響。

3 水庫興利調(diào)度

興利調(diào)度為水庫工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活水使用策略提供最大的供水保障，不同用水對(duì)象供水保證率不相同，興利調(diào)度調(diào)節(jié)尺度為月，除對(duì)工業(yè)農(nóng)業(yè)與生活提供用水，還考慮了水庫蒸發(fā)、生態(tài)基流。在保障各方用水的情況下，提供最佳用水量調(diào)度。漳澤水庫的供水對(duì)象為工業(yè)、生態(tài)用水。

水量平衡方程：S（t+1）=S（t）+IWQ（t）-TWV（t）-EWV（t）-RLC（t）-SU（t）

其中：S（t）、S（t+1）分別為t 時(shí)段初、末水庫蓄水量；IWQ（t）為t 時(shí)段的入庫徑流量；TWV（t）、IWV（t）分別為t 時(shí)段的城市生活供水量（此項(xiàng)為零）、工業(yè)需水量；EWV（t）、RLC（t）分別為t 時(shí)段的環(huán)境生態(tài)用水量、水庫損失；SU（t）為t 時(shí)段的棄水量。

采用POA 算法[3]，在滿足各個(gè)用水需求的條件下，盡量使水庫水位保持在較高，即棄水量最小。逐步優(yōu)化法是將調(diào)度過程劃分為若干個(gè)時(shí)段，對(duì)各個(gè)時(shí)段進(jìn)行滑動(dòng)尋優(yōu)，從而達(dá)到全局最優(yōu)。這樣的過程使每一次的尋優(yōu)對(duì)于它的初值和終止值來說都是最優(yōu)的，且算法本身收斂，能得到整體最優(yōu)解，但這種算法對(duì)于初始調(diào)度線的要求較高。在采用POA 算法求解漳澤水庫優(yōu)化調(diào)度模型時(shí)，目標(biāo)函數(shù)為效益函數(shù)（其中目標(biāo)函數(shù)主要為蓄水量最大），約束條件為水量平衡方程、泄流能力和水位約束，然后將調(diào)度期設(shè)為24 h，且調(diào)度期初始時(shí)刻的水庫水位為實(shí)時(shí)水位，經(jīng)過一個(gè)調(diào)度周期后，得到終止時(shí)刻的水庫水位。

漳澤水庫供水對(duì)象為工業(yè)供水和生態(tài)用水，供水保證率為95%。統(tǒng)計(jì)得到2014-2018 年漳澤水庫供水情況，預(yù)計(jì)2021 年供水量為3 257～3 438 萬m3，按照每月工業(yè)供水量為258 萬m3，10 月至次年5 月份非汛期最小生態(tài)基流10%為0.50 m3/s。供水對(duì)象確定后，設(shè)置水位控制約束條件，優(yōu)化調(diào)節(jié)參數(shù)，從而找到最優(yōu)供水方案，詳見圖4 及表1。

表1 漳澤水庫預(yù)測(cè)調(diào)度結(jié)果

圖4 水庫出入流流量與水位變化圖

4 結(jié)論

采用漳澤水庫興利調(diào)度模型，預(yù)測(cè)2021 年1-5月份水庫入庫徑流量，通過監(jiān)測(cè)1-5 月份漳澤水庫實(shí)際入庫徑流量為3 766 萬m3，相對(duì)誤差為9%，為水庫興利調(diào)度提供理論依據(jù)，能夠保證在不超過汛限水位下多蓄水的目標(biāo)要求。重大水旱災(zāi)害一直是制約我國流域用水安全、沿岸人民安康的重要因素，科學(xué)高效地實(shí)現(xiàn)水庫興利調(diào)度意義重大。漳澤水庫興利調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了水庫徑流量趨勢(shì)性預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)水庫是處于豐水年還是枯水年，提前規(guī)劃水庫調(diào)度方案，在不超過汛限水位前提下，達(dá)到水庫多蓄水的目的。該系統(tǒng)的建設(shè)將水文預(yù)報(bào)與水庫調(diào)度深度耦合，并實(shí)現(xiàn)了以興利為主的工程調(diào)度。