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1、MIKE11 模型在长江三峡水库预报调度中的应用 MIKE11 模型在长江三峡水库预报调度中的应用 闵要武1 陈忠贤2 （1长江水利委员会水文局 2.三峡梯级调度通信中心）摘 要摘 要：随着计算机技术的发展，水动力学模型在水文预报领域的应用越来越广泛，也为解决传统水文方法难以解决的水文问题成为可能，三峡水库蓄水后，原有天然河道已演变为河道型水库，回水长度达 600 多 km,三峡区间河段内水流特性发生了较大变化，水库动库容影响巨大，原有的洪水预报方案、水库调洪演算方法存在较大局限性，难以满足预报调度需要，为此，2004 年长江委水文局、三峡梯调中心、丹麦水力研究所合作采用 MIKE11 一维水
2、动力学模型研制适应三峡水库的预报调度算法，为三峡水库的科学调度提供决策依据，经过 2 年多的应用检验，成果合理可靠，并投入生产作业运行。本文以该项目为背景，介绍 MIKE11 模型在三峡水库预报调度应用中的一些技术处理，供借鉴和参考。关键词关键词：MIKE11 水动力学 水库 预报 调度 三峡 1 概述概述 长江三峡水库于 2003 年 6 月蓄水至 135m，蓄水后，库区的水文水力学特性发生了较大的改变，长江中游的江湖关系也面临不断调整，2006 年 6 月，三峡大坝全面挡水，并开始承担荆江河段的防洪任务，2006 年汛后，蓄水至 156m,2007 年汛后将逐步蓄水至 175m，并为中下游
3、承担防洪任务，面对长江巨大洪水、洪量，三峡水库的防洪库容仍显不足，合理的确定水库的下泄过程和补偿错峰调度的时机，进行科学的防洪调度，具有重要意义。目前绝大多数水库的实时调度基本上基于静库容的水量平衡原理进行的，由于三峡动库容影响巨大，传统的水库调洪演算方法存在较大局限性，三峡水库开始防洪调度时，将凸现出许多迫切解决的技术问题，针对三峡库区的水力特性和相关水库的历史经验，开展三峡水库防洪调度技术研究，制定三峡水库的调度预案和研究实时调度方法，进行科学合理调度，为各级防汛机构提供决策依据，是非常必要的。研究经验表明：以传统的水文学预报方法，解决类似三峡水库具有较明显动库容影响的预报调度问题，难度较
4、大；而基于圣维南方程数值解的水动力学模型，能有效地解决复杂水流的计算问题，在水利规划、设计及分洪溃口演进等多方面都有广泛应用。国内外类似的水动力学模型及模拟系统软件较多，但有关水库实时预报调度的完整、系统的水动力学应用软件则较少。丹麦水力研究所（DHI）长期从事水动力学模型研究，开发完成了以 MIKE 11 系列为代表的商业化软件系统，在全球范围各个水利应用领域得到广泛应用，积累了大量应用经验。其 MIKE 11-FF（水动力学洪水预报）模块，具有较强的动态实时校正功能，较好地解决了江河、水库实时洪水预报调度作业问题；其 MIKE 11-SO（泄水建筑物运行）模块，是一个处理堰、管道、闸门等泄
5、水建筑物出流计算的综合性软件包，较好解决水工建筑结构对水流的控制影响。MIKE11 系列软件为商业化软件，功能强大，技术成熟，具备完善的售后服务体系；根据实时预报技术、计算机技术的最新发展，不断推出新的 MIKE11 软件版本，图形处理能力更强、可视化程度更高；具有大量各类应用的成功经验，可有效地解决三峡水库预报调度问题。2 建设方案 2 建设方案 根据三峡水库预报和调度的实际情况，三峡水库预报调度模型系统采用 MIKE FLOOD WATCH 为系统支持软件。MIKE FLOOD WATCH 软件是一个完整的洪水预报决策支持系统，包括数据处理、模型率定、情景分析、信息交换及成果输出管理；系统
6、基于 GIS 技术，功能强大，界面友好。三峡预报调度模型系统由 MIKE 11-NAM、MIKE 11-HD、MIKE 11-SO、MIKE 11-FF 模型组成。MIKE 11-NAM软件用以计算三峡区间流域（寸滩枝城）区间入流；采用寸滩、武隆站流量为上边界，沙市水位/流量关系为下边界，以 MIKE 11-HD 模型进行三峡河道洪水演进计算；根据不同的调度预案（或情景），采用 MIKE 11-SO 模拟计算三峡发电机组、泄流孔、溢洪道等建筑物的水位/流量关系，作为水力学模拟系统的内边界节点，进行水流计算分析；基于实时预报运行环境，由 MIKE 11-FF 软件集成 MIKE 11-NAM、M
7、IKE 11-HD、MIKE 11-SO 功能，实现联机实时作业预报及调度分析。各模块功能如下：（1）MIKE 11-NAM：NAM 模型是一个确定性的概念性集总模型，是由一系列用简单定量形式描述水文循环中各种陆相特征的连续模拟模型。共分四层结构分别模拟流域不同蓄水层（融雪层、地表水、壤中流、地下水）的水流过程。主要完成三峡区间分区流量预报计算。（2）MIKE 11-HD：是基于全解圣维南方程组的 6 点中心隐格式（Abbott Scheme）有限差分模型。进行完全水动力学模拟计算，完成寸滩、武隆沙市河道水力学预报计算。（3）MIKE 11-SO：处理水库模拟系统中堰、管道、闸门等水工建筑物水
8、流计算的专用模型。模拟三峡/葛洲坝水电站发电机组、泄流孔、溢洪道等建筑物的水位/流量关系。（4）MIKE 11-FF:模拟系统实时运行需要的预报系统。由实时管理系统，用以直接管理数据库及用户设计的数据键入系统；流域中子流域面平均雨量计算；水位流量关系转换；区间入流预报计算；HD 河道水流演算；生成预见期内上下边界及其他边界时间序列过程；预见期内定量降雨的处理及边界入流计算；实时预报校正；预报结果表格生成、统计分析。根据以上基本的水流计算模型，开发完善、合理数据流管理体系，集模型率定、检验、运用于一体的为软件系统。软件系统包括：数据预处理与导入；模型边界定义；模型参数率定与检验；模型运行环境建立
9、；成果输入/输出等基本功能及其他配套功能。3 降雨径流计算3 降雨径流计算 长江三峡坝址以上控制面积约 100 万 km2，三峡区间泛指长江寸滩、乌江武隆宜昌区间，区间面积 55907km2（寸滩坝址 53087 km2），河道长 658km（寸滩坝址 596km）。三峡区间呈东西向狭长带状分布，区间支流水系均较短。左岸支流依次有御临河、龙溪河、渠溪河、小江、汤溪河、梅溪河、大宁河、沿渡河、香溪；右岸有木洞河、乌江、龙河、磨刀溪、长滩河、大溪河、清港河等主要支流组成。两岸支流流程短、坡度大，汇流迅速，一般数小时洪峰便到达出口，注入长江。三峡建库之前，洪水从寸滩向宜昌推进的传播时间大约在 546
10、0h 左右，其中寸滩清溪场传播时间 912h，清溪场万县 1824h，万县奉节 912h，奉节三斗坪约为 912h。三峡区Formatted:Bullets and NumberingFormatted:Bullets and Numbering间布置有水情遥测测站 70 多处，提供 1 小时或时段间隔更短的水位、雨量自动观测、传输、处理，三峡区间的水情站网分布见图 1。根据模型要求，建立 NAM 降雨径流模型，模型流域内分区的流量过程，根据三峡区间的水系分布和水文测站的控制情况，将整个区间分为 14 个分区，其中有水文站控制，并可以率定的分区有 8 个，并根据 8 个可率定分区的参数率定情况
11、，综合分析，移用到其他分区中。4 水动力学模型4 水动力学模型 MIKE11-HD 上游边界为寸滩、武隆的入流过程，下边界为沙市的水位流量关系以及三口分流入湖控制站新江口、沙道观、弥沱寺的水位流量关系，并在三峡水库和葛洲坝设置水工建筑物等水力结构 MIKE11-SO 模拟水库的调度，其中三峡水库的水力结构包括泄洪表孔、泄洪深孔、排漂孔、排沙孔、船闸用水、发电机组等。由于三峡水库的水力特征主要有河道断面控制，断面控制的水库水体容积与水库的实际容积存在一定的差异，在断面的处理过程中需要进行容积的平衡计算，具体做法为将断面计算得到的容积与水库设计容积进行比较（并分级考虑），将其差值按断面控制容积分配
12、建立相应断面的蓄水体（Storage Area），使得在相同的水库水位条件下，根据河道中的断面计算的水体体积与设计库容值一致。为确保洪水预报的高精度，在模型的实时校正过程中，采用了一个新的混合数据同化程序，来校正模型，并在测量点处做误差预报。对误差预报模型参数的估计是全自动进行的，该误差预报模型基于模型预报开始时间前的模型误差。由于此参数估计是连续性更新的，因而使得误差预报模型能够适应从一次预报到下一次预报中存在的模型误差结构性差异，这种差异是由水流流态转换而引起的。Deleted:了Deleted:，模型系统于 2005 年 6 月投入试运行，完成了模型的测试、检验、完善等工作，经过 200
13、5 年汛期模拟运行，预报调度效果良好，2005 年 8 月至 11 月的计算值与实际对照图见图 2，最大误差为2997m3/s，最小误差为 25m3/s，平均误差为 924m3/s，达到了规定的各项技术应用指标。三峡坝址流量MIKE11计算与实际对照表-10000010000200003000040000500002005-8-15 0:002005-9-4 0:002005-9-24 0:002005-10-14 0:002005-11-3 0:002005-11-23 0:00时间流量(m3/s)计算实测误差 图 2 2005 年 8 月至 11 月三峡坝址流量 MIKE11 模型计算与实
14、测对照图 5 预报调度应用 图 2 2005 年 8 月至 11 月三峡坝址流量 MIKE11 模型计算与实测对照图 5 预报调度应用（1）入库流量计算 以恒定的水位过程作为三峡水库的下边界，计算三峡水库在当前水位情况下的入库流量过程（平滑），该流量过程不受水库调度的影响。典型计算成果见图 3。图 3 2005 年 8 至 10 月计算三峡入库流量与实测过坝流量对照 图 3 2005 年 8 至 10 月计算三峡入库流量与实测过坝流量对照 （2）区间来水过程 在入库流量过程（平滑）计算的基础上，不考虑寸滩至三峡坝址的区间流域的来水影响，计算仅仅考虑上游来水情况下的入库流量过程，与计算入库流量相
15、减得到区间来水的过程并与实测分割的区间来水过程对照。典型计算成果见图 4。图 4 2005 年 8 月计算区间来水过程与实测分割流量过程对照 图 4 2005 年 8 月计算区间来水过程与实测分割流量过程对照（3）采用水位控制调度水库 输入水位调度目标，未来三峡水库的库水位过程，计算得到水库需要下泄的流量过程和闸门的开启过程。典型计算成果见图 5 图 5 2005 年 8 月以水位过程为期望目标计算的过坝流量与实测对照 图 5 2005 年 8 月以水位过程为期望目标计算的过坝流量与实测对照（4）采用出库流量控制调度水库 输入流量调度目标，未来三峡水库的出库流量过程，计算得到水库水位过程，实现
16、水库的调洪演算。典型计算成果见图 6 图 6 2005 年 10 月以出库流量为期望目标计算的坝上水位过程 图 6 2005 年 10 月以出库流量为期望目标计算的坝上水位过程 5 结语 5 结语 （1）MIKE11 模型是一个商业模型软件系统，有着独立界面系统，在本项目中，开发人员通过利用丹麦水力研究所提供的在再开发工具 TSObject，将模型运算模块集成到用户的应用系统中，通过该开发工具，在用户自己的系统中为 MIKE11 模型的运行提供各种输入条件，如时间序列文件(dfs0)、运行总控文件（sim11）、控制运行模型（mike11.exe）、在从结果文件（res11）读取数据，将计算成果加入到用户的数据库中。通过该开发工具，通过用户编程语言（Visual Basic、.NET）等，可以将整个 MIKE11 模型的功能集成到用户的系统中，并可以使之在后台运行，为模型系统的集成提供很大的方便，大大方便的用户的使用。（2）该系统中区间流域的入流采用 NAM 模型计算，并直接与 HD 相连，当区间入流计算误差较大时，往往通过水量累积（以流量控制时），导致水位误差较大。在水库预报调度中，需要将降雨径流计算（NAM）和水动力模型（HD）计算分开，由用户将降雨径流成果校正后，再加入到水动力模型 HD，确保模型系统中入流边界的准确。