基于水库群多目标调度的黑河流域复杂水资源系统配置研究

Heihe River basin is the second largest inland river basin in northwest China, this study considers the great need of the integrated water resources management decision for the whole basin, taking the reservoirs operation and water resources allocation as the core configuration. With the establishment of water resources allocation index system for the basin, to build reservoirs scheduling model and the water resources allocation model, which are based on the mid-and-long term prediction of runoff. With artificial intelligence and parallel computing based on the cloud technology, proposed a optimization algorithm for solving the reservoir group scheduling model and water resources allocation model, and this algorithm combined the iterative optimization of successive approximation method with gradual optimization algorithm, and is a parallel optimization method. On the basis of integration of the water consumption model, ecological effects model and hydrology model, with data-driven and scale conversion technology, propose the coupling method of cascade reservoirs scheduling model and water resources allocation model, to reveal the variation of the eco-hydrological processes under different water resources allocation scheme. Get scientific and reasonable water resources allocation scheme through the water resources allocation effect evaluation model, which can be used to solve the contradictions of unified management of water resources scheduling and allocation, and the coordination of economic and social and ecological environment, and contradictions between upstream and downstream during the development and utilization of water resources in the Heihe River basin. The study can provide a scientific basis for the Heihe River research project integration, and also provide technical support for the Heihe River basin integrated water resources management.

本项目以黑河流域为研究对象，以黑河流域水资源综合管理决策的重大需求为牵引，以水库群调度与水资源配置为核心，在构建流域水资源调配指标体系的基础上，建立基于径流中长期预报的水库群调度模型和水资源配置模型。采用基于云计算的人工智能与并行计算技术，提出逐次逼近法(DPSA)迭代优化和逐步优化算法(POA)相结合的、可并行优化搜索的水资源优化调度和配置模型求解优化算法；在集成生态-水文过程模型的基础上，采用数据驱动、尺度转换等技术，提出梯级水库群调度与水资源配置模型的耦合嵌套方法，揭示水库群调配模式下的生态水文过程变化规律，提出科学合理的流域水资源合理配置方案；提出黑河黑河分水曲线的优化方案。研究成果可为黑河重大计划项目集成提供科学依据，为黑河流域水资源综合管理提技术支撑。

本项目依据国家自然基金黑河重大计划“黑河生态水文过程”总体研究目标，针对黑河水资源管理中灌溉和调水矛盾十分突出、生态输水方案缺乏具体的水量配置模式、社会经济用水与生态用水协调性差等问题，以水库群调度和水资源配置为主线，集成并耦合经济社会生态需水模型、耗水模型、经济社会生态效应评估模型和流域水文过程模拟模型，构建基于水库群调度的黑河水资源调配模型，建立流域水资源调配评价指标体系，提出科学合理的流域水资源配置方案，并完善“97”分水方案，为黑河流域水资源管理提供技术支撑。通过4年的研究，获得以下重要结果：（1）构建了黑河流域“模拟—调度配置－评价－措施”为基本环节的流域水资源调配方法体系，为流域水资源调配研究提供较为完整的研究框架。（2）分析了黑河“97”分水方案的适应性，在此基础上提出了“97”分水方案的优化方案。（3）提出了现状年和未来不同水平年黑河经济社会生态协调发展的水资源调控策略。获得以下重要数据：（1）经济社会需水预测数据。在“三条红线”和“97”分水曲线的制约下，对黑河中下游经济社会需水进行了预测，总需水量可由现状的13.7亿m3减少到2030年水平的11亿m3多，农田灌溉需水比重由现状水平的58%减小到2030年水平的49%左右；生态需水比重由现状水平的25%增加到2030年水平的39%，中游各部门的用水结构趋于合理，为需水零增长或负增长提供科学依据。（2）水资源合理配置方案数据。根据水资源配置方案集的优化方案，得到了水资源在各计算单元的配置及各主要控制断面的水量分配，为各计算分区水资源进一步优化配置提供数据支撑。（3） “97”分水方案优化方案。该方案根据“97”分水方案实施过程中遇到的困难及“97”分水分水方案自身存在问题提出来的，具有一定客观性，可促进黑河中下游经济社会与生态协调发展，为水资源管理进行“97”分水方案优化提供重要技术支撑。