改进的MIKE BASIN 在水库调节计算中的应用

张旭昇，单金红

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃兰州730000）

在水利工程规划设计中，确定研究项目区已建水利工程可供水量，规范推荐方法主要为长系列法，计算方法有自编公式方法、编程方法和采用水资源供需分析软件（如MIKE BASIN模型、WEAP模型、WaterWare模型、Aquarius模型等）。MIKE BASIN软件界面友好、供用水关系清晰直观，被国内外水利工程科研设计人员广泛采用。目前MIKE BASIN模型在云南省、引汉济渭受水区、吉林市、松花江流域、大凌河流域等地区和流域水资源供需配置分析研究中得到了很好的应用[1-5]。对于应用MIKE BASIN模型进行水库的调节计算方面，王海潮等[6]、张李萍等[7]建立了官厅、斋堂、珠窝、落坡岭4座水库调度计算模型；杜倩等[8]用EXCEL求解水库群调度及各水库下泄过程，再用MIKE BASIN模型进行水资源配置，研究了水库群联合调度问题；莫铠等[9]应用VBA及C#等计算机语言完成了高级水库调度规则的程序编制，研究了水库下游河道用水户供水及水库预警泄流问题。上述研究主要针对应用MIKE BASIN模型中的水库模块功能，以及补充水库模块调度规则计算函数方面，或采用模型成果结合EXCEL求解方法进行水库群联合调度演算，但对于应用宏或程序改进原模型，实现模型优化升级方面的开发研究较少，尤其是水利规划设计广泛应用的水库调节计算中可供水量自动优选计算鲜有人研究。

笔者针对MIKE BASIN软件在进行水库供水调节计算时不能进行水库可供水量自动识别计算的问题，基于“二分法”查找算法，结合MIKE BASIN软件可被EXCEL宏调用的特点，对MIKE BASIN模型进行改进扩充，通过EXCEL宏编程增加计算模块，实现程序自动判断供水保证率和程序自动修改需水过程，迭代试算满足设计保证率要求的水库可供水量和各用水户的供水保证率，并将改进的模型应用到崆峒水库可供水量计算过程中进行验证，结果表明改进的模型能够准确计算满足设计保证率要求的可供水量，且较原模型减少了人工输入需水过程试算的盲目性、重复性，简化了人工统计保证率的工作步骤，提高了规划设计效率。

1 MIKE BASIN模型简介

MIKE BASIN是丹麦水利研究院研发的，在流域或区域尺度上解决水量的优化配置、用水户连接、水库调度规则以及水质模拟等问题的综合性水资源数学模型软件[8-9]。利用MIKE BASIN进行水资源供需及配置分析时，可以由使用者根据工程需要设置不同的时间尺度（年、月、日、小时等），依据水利工程实际位置关系定义河流、流域、工程位置等空间关系，软件具有计算速度快、数据交互、结果展示功能强等特点。MIKE BASIN在进行水库可供水量计算时，可以设置水库调度线、限制供水线、限制供水比例、最小下泄量、最大下泄量、下游用水户取水优先级等，但软件本身没有供水保证率统计功能，不能进行寻优计算。MIKE BASIN软件计算引擎和对象可被其他软件调用。

2 长系列法可供水量计算基本原理

为满足多个用水部门不同用水需求，水库蓄水量变化过程的计算称为综合利用水库兴利调节计算，长系列法兴利调节计算的基本原理即水量平衡[10]，计算公式为

式中：Vi、Vi+1分别为水库第i时段初、末的蓄水量；W来i为第i时段来水量；W用i为第i时段各部门用水量之和；W损i为第i时段水库蒸发、渗漏损失水量之和。

正常供水保证率计算公式为

式中：P为供水保证率；m为正常供水年数；n为计算系列年数。

综合利用水库需为不同供水保证率的多个供水对象进行供水，在进行兴利计算时，为计算水库蓄泄过程和水库可供水量，需要进行多次循环判断和迭代试算。

3 MIKE BASIN模型的改进

3.1 主要设计思路

MIKE BASIN软件可以根据用户定义的水库调度规则和需水过程进行调节计算，而不能自动进行可供水量的寻优计算，不能自动修改需水过程和统计各需水对象的供水保证率，需要由计算者将数据输出后根据保证率情况，人工重新输入需水过程进行试算，费时费力，容易出错。

针对上述问题，可利用MIKE BASIN模型引擎可以被EXCEL宏调用的开源特点，补充统计供水保证率、判断供水保证率、重新修改输入需水过程试算等模块。通过EXCEL宏调用MIKE BASIN中的变量，把MIKE BASIN计算各供水对象的缺水量作为输出变量赋值给程序，由宏统计得到各供水对象的设计保证率；再将各供水对象的计算保证率与设计保证率对比，并利用“二分法”查找算法调整，直至计算结果满足精度要求。

3.2 EXCEL宏调用MIKE BASIN方法

MIKE BASIN软件提供其他程序调用接口，计算引擎和供水对象需水量计算结果可通过VBA及C#等计算机语言简单程序语句直接调用，实现EXCEL数据与模型输入输出。

在调用程序前，应建立MIKE BASIN水库调节计算模型。主要是将ArcGIS软件处理好的河流、地区位置矢量（shp格式）文件导入MIKE BASIN程序中，在程序中定义河流和流域、输入流域天然来水量、上游调水量、上游耗用水量、水库兴利库容、调度规则、水库用水对象、下泄生态水量等基本参数，建立MIKE BASIN模型，并确保模型能正确运行。

根据已建模型，获取程序中各个变量名称，便可通过表1中的主要语句利用EXCEL宏调用MIKE BASIN模型中的变量。

表1 EXCEL宏调用MIKE BASIN核心语句

将MIKE BASIN模型中的变量读入到EXCEL宏后，便可统计水库各供水对象供水保证率，根据保证率计算成果，调整各供水对象供水过程，再次代入到MIKE BASIN程序中，调用计算引擎进行计算，直到计算结果满足设计要求。

3.3 对MIKE BASIN的改进

“二分法”查找又称折半查找，首先设定查找范围的上界、下界，每次迭代以上界、下界中间值作为初值，即每次查找即可缩小50%查找范围，是一种查找效率较高的算法。

改进程序计算的核心是在水库来水量和兴利库容确定的情况下，试算水库满足设计保证率条件下的可供水量。已知水库兴利库容和各供水对象的设计保证率，求解水库最大可供水量，可采用“二分法”试算求解。为此，先初步拟定水库调节试算的需水过程的上界、下界，组成需水过程数据集。下界可以取0，上界取值应略大于水库供水规模。

应用改进的MIKE BASIN模型计算最大可供水量主要步骤：①结合水利工程规划，拟定水库不同供水保证 率 供 水 对 象 需 水 上 界 ｛ Wi，非农，上、 Wi，农90%，上、Wi，农50%，上｝和下界｛ Wi，非农，下、Wi，农90%，下、Wi，农50%，下｝，组成解集，并输入到EXCEL文件指定位置；②以需水上界、需水下界和 0.5×（上界+下界）为初值，由EXCEL宏调用MIKE BASIN计算引擎，进行逐时段水量平衡计算；③EXCEL宏调用MIKE BASIN对象，计算出各供水对象的供水量、缺水量、统计保证率；④EXCEL宏判断各级供水保证率满足情况，当上界、下界同时大于或同时小于设计保证率时，说明界限设置不合理，需停止计算，调整输入后重新计算；否则，以0.5×（上界+下界）与上界或下界组成新的初值，由EXCEL宏调用MIKE BASIN模型，回到步骤①循环计算；⑤经多次循环计算，最终得到符合设计保证率的需水过程；⑥继续增加需水量，直到保证率破坏，最终计算出符合设计保证率要求的最大可供水量。

4 实例应用

4.1 工程实例

崆峒水库位于甘肃省平凉市泾河干流上，于1971年10月动工兴建，1980年完工并投入使用。水库死水位 1 495.3 m，正常蓄水位1 523.2 m，汛限水位1 502.0 m，设计洪水位 1 523.34 m，校核洪水位1 524.40 m，总库容2 970万m3。根据最新复核测量结果，崆峒水库调节库容2 379万m3，汛限水位以下调节库容538万m3。现状条件下，水库主要为平凉电厂和泾河灌区8 667 hm2耕地灌溉供水。

泾河干流上游宁夏回族自治区固原市提出建设东山坡引水工程（设计水平年2020年上游引水2 099万m3），为分析上游引水工程对下游崆峒水库供水产生的影响，以及水库加高扩建15 m后（调节库容增大至3 700万m3）的供水情况，需要对崆峒水库各种工况下可供水量进行计算，共拟定5种方案（见表2）。前3种方案分别计算现状水平年水库供水量、规划水平年该流域耗水影响水库供水量、该流域耗水与外流域调水共同影响水库供水量，对比分析调水影响的供水量；后2种方案分析灌区节水条件下水库供水量和同时实施灌区节水和水库加高扩建后的水库供水量，分析水库加高扩建的效益。水库调节计算采用崆峒峡水文站1957年7月至2012年6月共55个水文年逐月资料，库容曲线为2013年实测1∶1 000地形资料。

表2 水库供水量计算方案

4.2 计算结果分析

采用改进的MIKE BASIN模型对崆峒水库可供水量进行兴利调节计算，计算结果见表3和图1～图7。

表3 改进的MIKE BASIN模型不同方案计算结果

图1 不同方案来水过程

图2 不同方案供水过程

图3 方案一水库水位变化过程

图4 方案二水库水位变化过程

图5 方案三水库水位变化过程

图6 方案四水库水位变化过程

图7 方案五水库水位变化过程

由计算结果可知，方案一、方案二条件下，输入非农业需水300万m3、农业灌溉需水5 626万m3，经改进的模型迭代寻优计算，农业灌溉（保证率P=50%）可供水量分别优化为4 818万m3和4 638万m3，相对5 626万m3分别减少1 108万 m3和1 288万 m3，实现了程序自动计算水库可供水量。方案三条件下，输入渠灌农业需水3 296万m3，经改进的模型迭代寻优计算，P=50%农业供水优化为2 459万m3，说明即使在规划水平年节水条件下，下游水库不采取扩建措施，仍不能满足设计需求。方案四条件下，水库加高扩建后，根据初步分析，非农业需水1 500万m3，经模型优化分析后，P=95%水库非农业可供水量仅为1 001万m3，需要缩减供水量才能满足设计保证率要求。

对比前3种方案计算成果，得出规划水平年上游宁夏用水影响崆峒水库供水量1 671万m3，其中该流域耗水影响供水180万 m3，外流域调水影响供水1 491万m3。对比后2种方案，在同时实行灌区节水和崆峒水库加高条件下，水库可保证8 667 hm2灌区灌溉供水3 630万m3，同时可为非农业供水1 001万m3，相对于改扩建前水库增加供水量1 538万m3（非农业增加供水量701万m3、农业增加供水量837万m3），水库加高扩建效益明显。由方案四得出下游仅靠农业节水不能满足灌区需水要求，灌区仍然缺水837万m3。

综上所述，改进后的模型不但具备MIKE BASIN模型水量平衡计算，具有面向对象的输入、输出界面优势，而且可以统计各供水对象的保证率，并根据保证率计算成果改变需水过程，重新计算水库的供水量，得到符合设计保证率要求的水库可供水量，并快速输出到EXCEL文件中，满足工程设计需求。

5 结 语

本文对MIKE BASIN模型兴利调节计算求解水库可供水量进行了程序改进研究。针对MIKE BASIN程序不能直接计算供水保证率和自动调整需水过程的特点，利用EXCEL宏对MIKE BASIN模型进行改进，实现程序自动求解满足设计保证率要求的可供水量，改进后的模型既利用了MIKE BASIN的优点，又结合了EXCEL宏的优点，实现二者深度耦合，可大大方便工程设计人员进行水库可供水量计算。并以崆峒水库兴利库容规模确定为例，进行了1957年7月至2012年6月共55 a的长系列调节计算。经分析，计算成果合理可靠，数据输入输出方便，可以满足工程规划设计需要。该方法为流域及区域水资源供水平衡分析配置提供了自动实现试算可供水量的算法，可大大提高规划设计工作效率，具有广阔的应用空间。