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第 23 卷 第 4 期 中 国 水 运 Vol.23 No.4 2023 年 4 月 China Water Transport April 2023 收稿日期：2023-01-03 作者简介：杨光志（1979-），云南省宣威市水利水电勘察设计研究所，高级工程师。MIKE-11 在水库调度管理中的应用 杨光志（云南省宣威市水利水电勘察设计研究所，云南 宣威 655400）摘 要：水库的主要目的是控制坝址以上流域内的防洪、灌溉及发电。由于这些不同的目的，在汛期总是会引起冲突和矛盾，因此需要改进水库的现行运行规程。文中应用 MIKE-11 河流建模工具对水库的运行规则进行了调整。模型建立包括流域的主要河流和支流，以及定义水库调节的逻辑决策树。这些策略将水库释放定义为时间、实际水库水位和河内水位预测的函数。文中采用 10 年汛期数据组成的数据集来评估防洪和水力发电方面的控制策略。对使用完整发电控制系统以及季节调节策略的水库运行进行了评估。结果表明，模型在不同水文情景下表现良好，因此，可以有效地用于短期水库运行。关键词：水库调度；防洪；水力发电；MIKE-11 模型 中图分类号：TV213 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2023）04-0032-03 水库防洪和水力发电系统的运行是一个复杂的决策过程，涉及许多变量和目标，以及相当大的风险和不确定性1。此外，相互冲突的目标给水库运营管理者在做出运营决策时带来了重大挑战。大多数水库系统仍然基于固定规则曲线进行管理2。这些规则通常以图表的形式呈现，根据当前蓄水位、水文气象条件指导水库系统的释放。然而，水库运营管理人员也希望由个人判断来决定目标值，因此选定的目标变得主观。近年来，许多专家指出，使用旧时代的技术和高度主观化的管理做法对现有水库存在无法进行有效运行的问题。因此，有必要建立一种更具分析性和系统性的水库调度方法。这需要计算机建模工具的协助，为合理的运营决策提供信息。一个有效的工具是 MIKE-11 模型，该模型包括决策规则，使决策者能够检查现有水库系统各种情景的后果3。文中将某水库运行规则与 MIKE-11 河流建模工具相结合。MIKE-11 模型包括控制流域的主要河流和支流。该模型提供了一个由 100 多个逻辑语句组成的决策树，以定义当前的水库调度政策4。其目的是调查在汛期（6 月 1 日至 10 月 1 日）通过改变水库水位和河内水位预测方面的水库控制策略来改善防洪的可能性。同时，使发电生产必须达到尽可能高的水平。一、数据与方法 1数据 水文数据包括汛期（6 月 1 日至 10 月 1 日）十年的数据。该水库的水文站负责收集、处理和管理这些数据。根据流域的防洪方案，在 2000 年测量了横截面和纵向河床剖面。此外，高程和地理（如河网）数据已用于建立和校准模型。2MIKE-11 模型介绍 MIKE-11 是一个专业的工程软件包，用于模拟河口、河流、灌溉系统、渠道和其他水体中的一维流动。水动力模块（HD）是模型的核心组件，包含隐式有限差分格式，用于求解圣维南方程5。该公式可应用于分支和环形网络以及洪泛平原。水动力模块有许多附加模块，如结构操作模块（SO）。SO 模块由许多不同的标准结构组成，具有用户定义的操作策略，如水闸、溢流闸门、弧形闸门、泵、水库泄放等6。使用 SO 模块的接口，可通过在任意数量的不同控制策略中进行选择来控制水库，并且可以为每个策略指定任意数量的条件。对于给定的控制策略，如果要执行该策略，则必须满足所有条件7。使用多种控制策略可以模拟多用途水库，其中考虑了大量目标，如防洪、能源生产和供水等。3模型设置 该模型包括属于河流系统的各条支流。该系统的河网，包括水库，按照 436 条链测长度和 15 条支流进行了规划。坝址已布置在网络的水库分支中，6 条溢洪道和 12 个大坝底门已包含在模型的控制结构中。当所有闸门完全打开时，通过溢洪道和底部闸门的排放规定为不同水位。MIKE-11 中包括系统 15 个支流中的 311 个横截面，66 个横截面用于定义水库。对于上游部分，曼宁粗糙度系数设置为 0.038，而河流其余部分使用 0.040。二、结果与分析 1水库的运行 该水库于 1989 年完工，蓄水量为 1.95 亿 m3，有效蓄水量为 1.56 亿 m3。预计河内 1971 年的洪峰水位将降低1.5m（从 14.8m 降至 13.3m）。水电站装机 8 台，年发电量为 78 亿 kwh。它是一个多用途水库，提供防洪、水力发电和供水。为了确保防洪和提高电力效率，规定了三个调节期：次级洪水：6 月 15 日至 7 月 15 日；主要洪水：7 月 16日至 8 月 20 日；最终洪水：8 月 21 日至 9 月 15 日。图 2 显示了蓄洪开始前水库中的分期水位。在最后一个洪水期，根据降雨量预测对运行进行审查，目的是确保在 10月旱季开始前水库满库并实现最大发电量。第 4 期 杨光志：MIKE-11 在水库调度管理中的应用 33 图 1 水库的水位时间曲线 减少下游洪水损害是水库的主要目标。为降低洪水风险，该水库实施了以下行动。减少常规洪水的操作程序：如果预计河内水位在未来 24h 内超过+11.50m，将启动水库的洪水减少操作。目的是将河内水位保持在+11.50m 以下，同时将水库水位保持在+100m 以下。减少下游洪水的操作程序：鉴于河内站的水位为+11.50m，水库的水位+100.00m（即常规洪水调节的最高水位）和未来24h的预测水位迅速上升，然后将正常运行程序更改为减少下游重大洪水的程序。这些程序基于河内水位低于+13.10m 和水库水位低于+120m。水库安全保护的操作程序：如果河内水位达到+13.10m，水库水位为+120m，且河内洪水正在迅速增加（这可能对水库的运行造成危害），则程序更改为水库保护。根据预测水位，开始逐步打开底部和溢洪道闸门，以达到通过水库和水轮机的泄流量不大于流入量的情况。放水通常通过以最大容量运行水轮机来完成，直到必要的水量从蓄水池中排出。在其他时候，必须通过底部闸门或溢洪道释放额外的水，以更快地降低水库水位，并恢复未来洪水事件所需的蓄水能力。2水电站调节 由于水电发电是水库在汛期的第二个目标，因此水库的运行是为了在防洪规则的约束条件下获得尽可能多的水电。10d 规则曲线假设用于定义水力发电模型中的供水量。它由三条曲线（上限、下限和临界极限）组成，如图 2 所示。行动如下：（1）当水位高于上限时，水力发电量最大。（2）当水位处于上限和下限之间时，水力发电通过与最大容量相对应的水轮机流量运行，以满足最低下游流量要求。（3）当水位处于下限和临界限值之间时，水力发电通过涡轮机的流量运行，以满足最低农业需求（680m3/s）。（4）当水位低于临界限值时，水力发电停止。开发和校准模型后，可以研究各种防洪方案。分析了三个备选方案：方案 A：河内 24h水位预测超过+10.50m 时，水库开始正常防洪运行；方案 B：河内 24h 水位预测超过+11.50m 时，水库开始正常防洪运行；方案 C：水库在主汛期蓄水前的水位为+95m（比原规定高 2m）。表 1 水库最大流量和水位 编号 年份 日期 入库最大流量/（m3/s）最大增加水位/m 1 1996 8 月 18 日 22,600 12.43 2 1964 7 月 9 日 17,200 11.58 3 1971 8 月 20 日 16,200 14.05 4 1969 8 月 17 日 15,800 13.20 5 1995 8 月 18 日 13,400 11.73 续表 1 编号 年份 日期 入库最大流量/（m3/s）最大增加水位/m 6 1991 8 月 12 日 13,000 11.49 7 1966 7 月 30 日 12,800 11.77 8 1983 8 月 4 日 12,600 12.07 9 1986 7 月 26 日 12,000 12.35 10 1990 7 月 29 日 11,000 11.94 为了评估控制策略，选择了十个洪水非常大的汛期的历史数据。按照入库洪水的最大流量降序排列（见表 1）。所有这些洪水事件导致河内水位超过三级警报（11.50m）。利用实际调节和实施的控制系统以及三种备选运行策略，对水库的防洪和水力发电运行进行了评估。3调控结果分析 流域下游防洪最重要的问题之一是降低洪峰水位。利用MIKE-11 模型，定量评价了水库调度方案对防洪的影响。图3 给出了河内十年汛期的洪峰水位，分别对应于方案 A、方案 B 和方案 C 水库运行政策，与观测水位（现实）进行了比较，值得一提的是，1990 年后的水位是根据水库的实际调节得出的。图 2 河内最高水位 从图 3 可以看出，水库的调节降低了河内的峰值水位。例如，1971 年（在河内观察到的最大洪水），河内水位将从 14.05m（没有堤坝决口，河内的最高水位将为 14.67m）降至 13.14、13.12 和 13.17m，分别对应于情况 a、情况B 和情况 C。在这些阶段，河内的最高水位低于堤坝的设计水位。水库运行的方案 A、方案 B 和方案 C 策略在降低河内洪峰方面比实际运行实践更有效。在 1996 年的洪水中，河内的最高水位估计为 12.90m。在现有水库调节下减少了0.47m，而在替代水库运行策略下（分别为方案 A、方案 B和方案 C），减少了 0.64、0.71 和 0.56m。应用良好的预测和操作规则时，减少量可高达 1.27m（即河内的峰值水位从 12.90m 减少到 11.63m）。在其他洪水期间，水库调节对洪水削减的影响也可能变得显著。图 3 河内高水位持续时间 图 4 显示，水库对缩短河内高水位期有重大贡献。从这 34 中 国 水 运 第 23 卷 个数字可以看出，在大多数年份，水库运行可以确保河内高水位持续时间最短。因此，采用水库运行政策将增加定期防洪运行开始的次数，这将在流量和水库水位方面对水力发电有利。图 4 水力发电情况 水力发电水库的第二个主要任务是发电。水库有 8 台涡轮机，每台涡轮机的最大容量为 240 MW。现有的水力发电数据不可用，因此文中将使用这三个备选方案来比较发电量。MIKE-11 模型用于模拟每个备选方案的水力发电量。图 5 显示了可从 10 个汛期获得的总水力发电量。从该图可以看出，三种备选策略对水力发电的影响非常相似。这可以通过以下事实来解释：这些汛期的流量非常丰富，因此在大部分时间内，涡轮机可以以最大容量工作。只有在最后汛期，除防洪外，水库还必须为两个相互冲突的目的运行，即水力发电和 10 月开始的旱季蓄水，这种差异才会出现。在这种情况下，方案 C 替代方案似乎占主导地位。然而，在主汛期开始蓄水进行防洪之前，水库水位较高，因此，这种替代策略（方案 C）将降低水库的防洪潜力。三、结论 本研究在 MIKE-11 模拟模型中为水库提供了一条水位时间曲线，并证明该曲线可有效用于调节不同水文情景下的水库。这些规则根据水库水位、来水时间和河内的水位预测来定义水库排放（通过底部闸门、涡轮机和溢洪道）。它们可用于帮助水库运营管理者的决策。在这项研究中，对包含十年汛期的数据集进行了分析。结果表明，与实际运行相比，采用完整控制系统的水库运行可降低河内最高水位，缩短高水位持续时间。关于水力发电，可以通过涡轮机泄洪，以便运行水力涡轮机，使其对供电系统的价值最大化。该研究为进一步研究提高水库的防洪和水力发电效率提供了基础。在下一阶段，将对水库运行进行优化，其中，将使用混合复杂进化优化算法确定规则曲线生成的决策参数。参考文献 1 郑义团，肖合顺，陈东鹏等.基于 MIKE 11 的内河水动力调控方案研究J.市政技术，2021，39（7）：121-126.2 牛亚男.MIKE 11-NAM 耦合模型在小流域洪水模拟中的应用J.浙江水利水电学院学报，2021，33（3）：22-30.3 刘俊萍，郑施涵，吴正中等.基于 MIKE 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