mike-ba-c#程序語言在水資源調(diào)度中的應(yīng)用

mike-ba-c#程序語言在水資源調(diào)度中的應(yīng)用

1用量-地域分布庫水庫作為重要的引水利用場所，其運(yùn)營、規(guī)劃和控制規(guī)則關(guān)系到城市乃至特定流域生活和生產(chǎn)所需的水能力平衡。如果能夠使用專業(yè)的數(shù)學(xué)模型軟件,較準(zhǔn)確地模擬現(xiàn)有水庫的運(yùn)行規(guī)則,或者為將來的規(guī)劃方案服務(wù),使之能夠比較多套方案,并預(yù)測今后某個(gè)或多個(gè)流域(區(qū)域)內(nèi)的用水戶供需水趨勢變化及時(shí)空分布過程,是非常必要且十分重要的。文中將介紹基于ESRI公司ArcGIS9.1平臺(tái)的2007版MIKEBASIN水資源數(shù)學(xué)模型軟件,利用VBA或者C#等計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行模型的二次開發(fā),用于解決從水庫直接取水的用水戶供水問題及水庫預(yù)警泄流問題的研究,可方便的使用MIKEBASIN來模擬復(fù)雜水庫調(diào)度過程。2基于空間組織的水資源的及其優(yōu)化配置MIKEBASIN是由丹麥水利研究院開發(fā),在流域(區(qū)域)尺度基礎(chǔ)上,解決水量的優(yōu)化配置、用水戶連接、水庫調(diào)度規(guī)則及水質(zhì)模擬等問題的綜合性水資源數(shù)學(xué)模型軟件。無論是在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段還是在現(xiàn)行方案的檢驗(yàn)過程中,MIKEBASIN借助ArcGIS的平臺(tái)來管理數(shù)據(jù)的輸入輸出并且可以方便地進(jìn)行模型結(jié)果的可視化處理。MIKEBASIN在模擬過程中,既考慮了空間要素的影響,也考慮了時(shí)間要素的影響,適合于不同時(shí)間尺度(年、月、日、小時(shí)等)、空間尺度(用水戶、工程點(diǎn)、河流、流域)上對(duì)大量的方案進(jìn)行研究,具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)交互、結(jié)果分析展示、計(jì)算速度快、可移植性和可擴(kuò)展性強(qiáng)等功能。在水文學(xué)方面,模型通過空間分析功能可以在已有的數(shù)字高程圖DEM的基礎(chǔ)上,在流域中自上游至下游自動(dòng)地追蹤河流并生成河道,從而建立河網(wǎng)。此外也可以根據(jù)流域出口點(diǎn)的所在位置自動(dòng)地劃分子流域。MIKEBASIN模型中的河網(wǎng)分為兩大要素:(1)概括各種天然河道的河流及連接渠道。(2)代表匯流點(diǎn)、分流點(diǎn)、水庫或用水戶的河流節(jié)點(diǎn)。此外,MIKEBASIN采用穩(wěn)態(tài)的水量平衡方程,可以模擬一定程度的河道演算;WQ水質(zhì)模擬可以模擬污染物傳輸過程中的一階衰減情況;地下水模擬則是采用了線性水庫方程。MIKEBASIN還包括TemporalAnalyst模塊和集總式概念的NAM降雨徑流模塊。在最新發(fā)布的2008版本中,還增加了灌溉模擬。它與FAO56模型相對(duì)應(yīng),可以作為CropWat模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,可以直接使用聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)中的各項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)參數(shù),具有很強(qiáng)的操作性及實(shí)用性?；贛IKEBASIN長期以來在世界多個(gè)流域(區(qū)域)水資源規(guī)劃管理項(xiàng)目中所取得的令人滿意的成果及成熟豐富的經(jīng)驗(yàn)[5~6],近年國內(nèi)各主要水利研究機(jī)構(gòu)及大專院校逐步接觸并利用此軟件用以研究水資源優(yōu)化配置及制定合理的規(guī)劃方案[7~10]。通過模擬功能,對(duì)規(guī)劃方案或現(xiàn)狀情況通過數(shù)學(xué)建模并進(jìn)行多方案的運(yùn)算和比較,最終為項(xiàng)目或規(guī)劃的決策提供有力的技術(shù)支持。3高級(jí)水庫調(diào)度規(guī)則程序所謂復(fù)雜水庫調(diào)度規(guī)則是指在操作、運(yùn)行某一規(guī)則時(shí),必須同時(shí)考慮若干個(gè)相互聯(lián)系、相互限制的判斷條件和調(diào)度因素。文中將會(huì)介紹基于MIKEBASIN的計(jì)算引擎,使用macro及編程等方式二次開發(fā)有關(guān)復(fù)雜水庫調(diào)度的計(jì)算程序。它的意義在于:(1)對(duì)現(xiàn)有水庫的調(diào)度規(guī)則模擬和檢驗(yàn);(2)對(duì)根據(jù)特殊的調(diào)度規(guī)則設(shè)置靈活的限制曲線。用戶可以按照此文中介紹的方法,通過VBAmacro或者C#等程序來編輯自己需要的調(diào)度規(guī)則。一般情況下,用戶在MIKEBASIN模型中針對(duì)水庫可以輸入很多控制規(guī)則,例如:特征水位、庫容曲線、汛限水位、最小泄量(環(huán)境流量)、最大泄量、壩頂溢洪道過水能力曲線、下游用水戶取水優(yōu)先級(jí)與消落曲線、水庫間雙向調(diào)水、遠(yuǎn)程控制流量等。其中,比較重要的控制曲線是汛限水位、最小泄量(環(huán)境流量)、下游用水戶取水優(yōu)先級(jí)及消落曲線的設(shè)定。需要注意的是,水電站的上游必須與水庫相聯(lián)接,因而也需要在水庫屬性對(duì)話框中設(shè)定水電站的取水優(yōu)先級(jí)與消落曲線,見圖1。根據(jù)現(xiàn)有水庫的調(diào)度資料,在設(shè)定水庫各種屬性的過程中,發(fā)現(xiàn)用水戶的實(shí)際取水情況除了要考慮水庫的水位限制之外,還需要考慮輸水渠道的渠首過水能力曲線。由于MIKEBASIN的水庫調(diào)度規(guī)則中,只考慮了消落水位、消落系數(shù)及供水渠道的恒定過水能力,而過水能力曲線尚未包含在模型中。因此,借助模型中的宏助手功能首先生成VB程序代碼,其中包含有MIKEBASIN引擎及所調(diào)用的對(duì)象,然后將此代碼轉(zhuǎn)移到Excel中或者轉(zhuǎn)換成其他計(jì)算機(jī)語言,例如C#,并進(jìn)行適當(dāng)修改,添加判斷語句或限制規(guī)則,進(jìn)而用于編輯高級(jí)水庫調(diào)度規(guī)則程序。此程序設(shè)定了兩大部分:(1)水庫信息,包含水庫的上游控制點(diǎn)(選填項(xiàng))及其調(diào)用的Excel參數(shù)文件(選填項(xiàng));(2)用水戶信息,包括水庫的供水水位限制曲線(消落水位曲線)及其所對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)和Excel參數(shù)文件,水位限制曲線和用水戶需水量、用水戶渠首過水能力、強(qiáng)制需水量3類參數(shù)。高級(jí)程序經(jīng)過設(shè)置并模擬運(yùn)算之后,除了生成一個(gè)與MIKEBASIN相關(guān)聯(lián)的包含所有模型運(yùn)算結(jié)果的dfs0結(jié)果文件之外,還會(huì)生成一個(gè)txt格式的結(jié)果文件。這樣做的目的是更能直觀地反映根據(jù)高級(jí)程序設(shè)置的參數(shù)對(duì)結(jié)果的影響,能讓用戶在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)所作修改之后模型運(yùn)行的結(jié)果是否合理。在此文本格式結(jié)果文件里包含有:程序運(yùn)行開始時(shí)間、時(shí)間、水庫名稱、用水戶名稱、當(dāng)前水庫水位、用戶取水量、遠(yuǎn)程控制點(diǎn)及修改后的泄洪道底高程。值得注意的是,雖然用的二次開發(fā)的高級(jí)水庫調(diào)度規(guī)則程序,且使用的是C#語言及Excel工具,不過其核心計(jì)算引擎和調(diào)用對(duì)象Object還是利用了MIKEBASIN模型的算法以及DHI的時(shí)間序列對(duì)象(DHI.MikeBasin.Engine和DHI.TimeSeries,見表1。這樣可以從編輯高級(jí)程序所使用的C#程序中調(diào)用由MIKEBASIN宏助手自動(dòng)生成的代碼上就可以看出。不過僅調(diào)用宏助手生成的代碼即使用MIKEBASIN自身的用水戶或水庫限制條件還不能完全滿足一部分客戶的要求,因此必須根據(jù)MIKEBASIN的算法及各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)模擬的優(yōu)先順序,對(duì)原有的程序代碼進(jìn)行調(diào)整,并加入新的限制條件和判斷語句。本例程序原理是:讀取某一時(shí)刻模型計(jì)算的水庫水位,根據(jù)Excel參數(shù)設(shè)置文件的限制水位區(qū)域,判斷相應(yīng)的用水戶需水量,并將其與渠首過水能力曲線中此時(shí)刻水位所對(duì)應(yīng)的最大過水流量做比較,二者取最小值。此外,還可以設(shè)置絕對(duì)取水量,即不考慮任何的水庫調(diào)度規(guī)則,根據(jù)取水優(yōu)先級(jí)順序按照設(shè)定的數(shù)值向用水戶供水,直到水庫水位降到死水位則停止供水。高級(jí)調(diào)度程序還可以設(shè)置水庫預(yù)警泄量,即讀取上游某一計(jì)算節(jié)點(diǎn)的流量值,根據(jù)Excel參數(shù)文件中的上游控制點(diǎn)流量Qp~水庫水位Hp關(guān)系,判斷當(dāng)水庫上游某一控制點(diǎn)的流量處在某一限定范圍內(nèi)的時(shí)刻,水庫允許達(dá)到的最高預(yù)警水位。使MIKEBASIN模型在原有的計(jì)算基礎(chǔ)上功能更加強(qiáng)化,能夠模擬預(yù)警泄流,見圖2、圖3。4模型結(jié)果與程序結(jié)果對(duì)比根據(jù)上述的程序設(shè)計(jì)流程,建立一個(gè)高級(jí)水庫調(diào)度程序?？紤]到用戶普遍對(duì)于Excel的文件格式比較熟悉,并且日常的數(shù)據(jù)整理和保存都是在Excel中完成的。因而,將Excel文件格式做為高級(jí)程序中用水戶及水庫參數(shù)的文件類型。用戶可以將所需要的數(shù)據(jù)和關(guān)系曲線數(shù)值放入已建立好的Excel模板中,最終生成獨(dú)立的可被高級(jí)程序所調(diào)用的參數(shù)文件。當(dāng)然,對(duì)于熟悉數(shù)據(jù)庫格式,例如MicrosoftAccess的專業(yè)人員,可以借用數(shù)據(jù)庫和程序語言進(jìn)行二次開發(fā),通過數(shù)據(jù)庫編輯和存放模型所需要的參數(shù)及曲線數(shù)值,從而可以一定程度地優(yōu)化程序語句。這種方法當(dāng)模擬多個(gè)直接向用水戶供水的水庫或者模擬過程中使用日步長來計(jì)算的情況時(shí),可以加快程序運(yùn)行的速度、提高效率,節(jié)省模型讀取參數(shù)文件的時(shí)間。根據(jù)同一套模型數(shù)據(jù)及模型參數(shù)設(shè)置進(jìn)行比較:(1)僅獨(dú)立使用MIKEBASIN模型引擎所得到的計(jì)算結(jié)果(下稱“模型結(jié)果”);(2)既使用模型引擎又實(shí)用復(fù)雜水庫調(diào)度程序所得的結(jié)果(下稱“程序結(jié)果”)。首先,研究只是考慮用水戶取水而不考慮水庫預(yù)警泄流的情況,見表2和圖4?？梢钥吹皆?、3、4、6月,實(shí)線所示的程序結(jié)果中用水戶W5實(shí)際取水量比虛線所示的模型結(jié)果中的用水戶實(shí)際取水量減少30%。其中,2、3、4、6月份模型結(jié)果的W5實(shí)際取水量分別從1.2117m3/s、1.8176m3/s、2.4234m3/s、3.6352m3/s變?yōu)槌绦蚪Y(jié)果的0.8482m3/s、1.2723m3/s、1.6964m3/s、2.5446m3/s。同樣在這4個(gè)月中,用水戶W6的兩種不同計(jì)算結(jié)果的實(shí)際取水量數(shù)值之間相差29.9%,程序結(jié)果中W6實(shí)際取水量大幅減少。同一套模型數(shù)據(jù)在相同的模型參數(shù)下模擬出的結(jié)果出現(xiàn)較大的差別,是因?yàn)榍走^水能力在水庫低水位運(yùn)行的狀態(tài)下,對(duì)用水戶的實(shí)際取水量影響很大。此時(shí)即使水庫水位在死水位以上,有部分庫容依然可以供水,但由于受渠首水位~流量關(guān)系曲線的過水能力限制,用水戶的取水量已經(jīng)受到部分削減甚至在極端情況下有可能完全停止供水。因此,我們可以認(rèn)為考慮輸水管道的渠首過水能力曲線的程序結(jié)果較好的反映現(xiàn)實(shí)的調(diào)度規(guī)則,使水庫在整個(gè)供水過程是按照調(diào)度手冊的要求進(jìn)行,相對(duì)于模型結(jié)果,水庫庫水位略微上升,用水戶實(shí)際取水量的數(shù)值大幅減小。而模型結(jié)果,只是在模擬豐水年或平水年時(shí)段比較符合調(diào)度規(guī)則。然后,研究另一種同時(shí)考慮用水戶取水及水庫預(yù)警泄流的情況,見表3和圖5。在此情況下,由于用水戶的取水限制規(guī)則沒有任何的改動(dòng),通過結(jié)果圖5(a)、(b)的曲線對(duì)比可以看到用水戶的實(shí)際取水量與第1種情況中的結(jié)果相同。而庫水位由于要考慮上游控制點(diǎn)來水情況,并根據(jù)所制定的Qp~Hp關(guān)系曲線的限制規(guī)則進(jìn)行預(yù)警泄流,將水庫中的水位維持在一個(gè)比較安全的范圍內(nèi),從而避免因上游汛期洪水到來造成下游水庫無法及時(shí)泄洪,導(dǎo)致水庫及下游防汛出現(xiàn)危險(xiǎn)的情況發(fā)生。因此相對(duì)于前一種情況,當(dāng)控制點(diǎn)流量超過一定等級(jí)的時(shí)候,水庫的庫水位曲線會(huì)有較大的變化。比如,從6月到10月,由于上游控制點(diǎn)的流量變化范圍是從2419.36m3/s到3699.97m3/s,因而程序根據(jù)Qp~Hp曲線規(guī)則及線性內(nèi)插原理設(shè)定預(yù)警泄流的庫水位,最終使庫水位變化范圍保持在139.74m和142.44m之間。此時(shí),計(jì)算結(jié)果曲線更接近現(xiàn)實(shí)運(yùn)行情況下的水位變化,即可以在計(jì)算水資源模型中水量平衡的同時(shí)又可以模擬水庫的防洪運(yùn)行規(guī)則,見圖5(c)。5基于arcdis9.x的反滲透水資源模型分析軟件以及其它設(shè)備的應(yīng)用,有利于二次開發(fā)和完善我國高校的水(1)MIKEBASIN水資源模型軟件不光可以進(jìn)行某個(gè)流域、區(qū)域甚至城市的水資源分配和水量平衡的計(jì)算,還可以對(duì)水庫的調(diào)度規(guī)則進(jìn)行綜合模擬,將水資源分配和水庫調(diào)度有機(jī)的聯(lián)合起來;(2)由于綜合水庫調(diào)