长江水资源调配推演器构建与推演分析
截至2020年，长江流域已建成水库5.28万座，数量占全国的1/2，外调水工程供水量占全国总外调水量的85%，为长江流域发展和全国重点区域供水保障作出了巨大贡献。从流域整体出发，构建长江水网水资源调配推演器，开展水库工程“点”、河流及调水工程“线”、地市单元“面”、流域综合“体”的“点—线—面—体”一体化水资源科学模拟与开发利用分析，是数字孪生水利“2+N”中水资源调配与管理业务要求之一，也是长江流域水网构建和长江大保护管理决策的重要需求。
01、推演器功能定位和系统架构
功能定位
针对长江流域水资源开发利用全局统筹、综合调配、供水安全保障、发电调度等需求，以长江流域为对象研发长江水资源调配推演器（CJGWAS）。该推演器覆盖长江流域1600余座大中型水库和268个地市用水单元，包含流域产汇流模拟过程、区域取用水和排水过程以及多库联合调度过程，可为长江流域水资源供需双侧配置、断面径流时段变化分析、重大水电站发电多年变化分析等研究提供可靠技术支撑。推演器具有便捷化操作界面，可实现“工区设置与建模—水循环模拟—水资源配置—水情势分析—水电站优化与决策—成果输出与查询”的多功能、全链条可视化操作，为区域水资源高效管理和发电调度线优化提供决策支持和平台工具。
系统架构
CJGWAS系统采用C++语言开发，开发工具有QT Creater、SQlite Export等，数据库为SQLite。系统采用数据层、服务层、业务层三层架构模式，系统整体基于Windows Ribbon设计，以“标签”进行组织分类。每个应用程序对应一个标签组，展示程序所提供的功能，如工区管理、GIS管理、水资源配置建模、水循环模拟建模、模型计算、模型输出。在每组标签里，全部相关程序选项被组在一起，为水利模型构建和调用提供了更高效的方式。
▲CJGWAS平台架构
2、推演器系统模块
在核心算法驱动方面，CJGWAS以中国水利水电科学研究院研发的GWAS（水资源调配与模拟软件系统）为基础，并针对长江水网水资源情势推演模拟需要，在原软件底层架构上研发GIS信息展示、长江流域多源数据库、水电站效益、水电站博弈、模型校验及专题分析等五大模块。
▲CJGWAS系统模型耦合架构
GIS信息展示模块
CJGWAS封装开源QGIS地图处理功能，可实现地理信息数据的显示、编辑和分析。用户可根据实际需求进行底图的更改、编辑，操作界面清晰简洁、可操作性强。如：可对工程拓扑关系、水量供给关系进行筛选、展示，可进行符号自定义等。GIS信息展示模块界面友好，新手用户也能很容易地进行工作。
长江流域多源数据库
根据《水利信息数据库表结构及标识符编制规范》（SL 478—2010），考虑CJGWAS建设的特点，遵循科学性、唯一性、相对稳定性、完整性、简单性及实用性、规范性原则，进行数据库建设，包含长江流域重要水库工程基础库、水库特征参数库、跨流域调水工程库及供水对象库。
水电站效益模块
从流域系统角度，开展水电站发电的推演分析，评估新增工程及用水变化场景下金沙江下游—三峡梯级水电站的发电变化。
水电站博弈模块
根据径流变化和长江经济带发展场景方案，以长江干流乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝、三峡等五大梯级电站作为研究对象，开展发电效益的博弈再分配。
模型校验及专题分析模块
采用“实测—分离—建模—调控”技术进行产汇流和水资源配置过程耦合建模，在分析长江流域现状众多水利工程对径流变化影响的基础上，考虑未来长江流域向外流域调水工程及规模，进行新情势下长江流域径流变化专题分析。
CJGWAS核心模型功能及联动方面，产汇流模拟模块、再生水利用模拟模块和水资源配置模块共同组成“自然-社会”水循环模拟的基础，用于区域水资源数量计算和组成分析；水电站发电采用经典混合发电算法，水电站效益及博弈模块组成长江流域河道内外用水的重要驱动力，进而支撑实现水工程变化及经济发展变化情景下水资源开发利用推演模拟与决策分析。
3、推演模型构建与验证
长江水网水资源调配推演模型构建
针对水资源的流域管理、行政管理需求和特点，在综合水文单元和水资源管理行政单元基础上，采用水资源系统“基本单元-计算单元-水文单元”三级单元划分方法对长江流域进行计算单元划分。具体来说，通过水资源分区叠加行政分区形成基本单元，通过DEM数字高程在基本单元基础上进行加密细化形成计算单元，通过土壤类型和融合农作物分布的土地利用信息形成水文单元。长江流域有45个水资源分区、131个行政分区，采用三级单元划分方法进行计算单元划分，并建立38个干流概化单元用于产汇流模拟，以及5个外流域单元用于外调水模拟，最终划分计算单元268个、水文单元2207个。
▲长江流域水资源调配模型计算单元划分
数据整理和质量提升是开展长江流域水资源调配推演器构建的核心和关键。针对长江流域水工程及经济社会取用水情况，构建长系列供需双侧CJGWAS数据库，具体包括水文、气象、下垫面、水利工程、人工取用水等系列数据。
▲CJGWAS数据底板数据类型
降水与蒸发数据：采用长江流域300个国家气象站点数据，研究面雨量改进泰森多边形算法和双源蒸发数据治理提升算法，构建1980—2020年逐旬268个计算单元面降水蒸发系列数据。
下垫面土地利用数据：依据不同时期土地利用（LUCC）遥感数据以及相应年份的统计年鉴，以LUCC中水浇地类型进一步细化的灌溉作物面积，融合构建出下垫面土地利用类型长系列数据。
水工程数据：包含1600余座水库以及大型引调水工程，其中大型水库273座，中型水库1323座，引调水概化水库12座。引调水工程包含南水北调东线一期工程、南水北调中线一期工程、引江济太工程和引江济汉工程。
人工用水数据：采用各地市的水资源公报数据和经济社会统计年鉴数据，构建268个计算单元的生活、工业、农业及生态1980—2020年逐旬用水数据系列。
汇总以上，CJGWAS数据库总计包含约600万条数据，构成推演器的数据底板。
长江水网水资源推演模型校验
研究选取长江流域32个断面开展模型径流模拟校验，选取1980—1981年作为模型预热期，1982—2000年作为模型调参期，2001—2019年作为模型验证期。根据32个断面调参期与验证期来看，有75%断面的相关系数在0.85以上，Nash系数在0.70以上。其中，宜昌断面调参期相关系数为0.87，Nash系数为0.75；验证期相关系数为0.86，Nash系数为0.71。
▲流域干流和支流断面模拟径流校核情况分布
▲宜昌断面径流模拟与实测对比
选取干流重要水电站发电量开展模型发电校验。CJGWAS融合三峡集团发电经验算法的混合发电算法，其模拟相关系数均大于0.92，Nash系数均大于0.85，模拟准确度较高，且总体效果优于“流量-水位-出力”拟合算法。
4、长江流域水资源演变及调控分析
现状下垫面下径流衰减趋势明显
监测数据显示，近10年长江多地区出现了相同等级的降水基本不产流或径流很小现象，主要由于现状下垫面极大改变了区域径流的水文节律。目前，长江流域已建成堤防9.99万km、水库5.28万座，其中大中型水库1907座，叠加经济社会取用水影响，干支流的径流衰减趋势加剧。空间分布上，汉江径流削减程度最大，其次为沱江、鄱阳湖水系。
水工程群对径流的削峰补枯作用显著
长江降水径流过程时空分布不均，集中在5—10月，极端气候条件下旱涝灾害易发。随着长江流域水网体系建设日渐完善，水工程群削峰补枯作用显著，流域防洪抗旱能力增强。其中，长江干流大通站非汛期径流较天然径流增长11%，汛期洪峰较天然径流削减17%。在空间分布上，相对天然状态下的汛期，汉江流域洪峰削减最为显著。以三峡等梯级水库群为代表的水工程提升了长江径流调节能力，保障经济社会发展的同时，也大大增强了流域应对洪涝和干旱的韧性。
流域极端干旱气候频发，供水安全保障胁迫加大
数据显示，气候变化下长江流域旱灾呈频发重发趋势。相较于15世纪，20世纪长江流域重旱发生次数增长36次，频率增加为5年一遇～15年一遇；极旱次数增加5次，频率增加为25年一遇～50年一遇。同时，流域天然年径流量呈衰减趋势，而人类取耗水量呈增长趋势，对径流扰动将进一步加大。
以当前流域经济社会用水规模叠加特大干旱场景推演显示，长江流域总径流量在枯水年和特枯水年将分别降低约9.5%和10.5%，而全流域均发生极端干旱条件下将下降21.0%。2022年长江流域中下游发生大面积大旱，显示出区域供水安全保障受气候变化胁迫大。随着未来高温干旱及旱涝急转等极端气候频发，全流域的供水安全保障胁迫会进一步加大。
未来调水格局下，流域总调蓄能力显著提高
长江流域是我国主要经济带和粮食主产区，也是水资源的主要调出区。南水北调、引江济淮、引汉济渭等引调水工程建设，进一步影响长江径流过程。中远期规划外调水工程达效后，未来外调水量将占大通站断面多年平均的3.6%。
长江流域基本形成以三峡水库为核心、金沙江下游梯级水库为骨干的流域控制性水库群，长流流域工程群对径流的调蓄能力进一步增强。目前，流域总库容3658亿m3，库径比达38%；规划新增大中型水库49座，总库容新增近100亿m3，流域库径比将进一步增长。在特旱或连旱情况下，干流控制性水库来水减少及蓄水量的压缩，将导致重大水利工程单点受损破坏风险加大，削弱下游的供水保障能力。例如，2022年三峡水库累计来水量较多年均值偏少约25%，为应对长江旱情，三峡水库在消落期累计为下游补水156天，补水总量超过200亿m3，有效缓解了长江下游旱情。2022年11月，三峡水库蓄水总量比正常年份减少约1/3，若发生持续干旱，下游供水安全保障压力将进一步加大。
5、长江流域水网调配与管理决策建议
开展动态调整水库调度规程相关研究，增强水网布局及应对气候变化能力
长江流域水工程群削峰补枯作用显著，以2035年规划工程达效进行推演，宜昌站汛期洪峰削减6.9%，入库径流量衰减11.1%，而非汛期入库径流量增加12.9%；其中4—5月的消落期径流量增加了20.3%，而8—9月的汛末期径流减少了25.0%。可以看出三峡等骨干梯级水库汛期调洪压力得到减轻，同时考虑下游生态及经济用水保障要求，可以适当调整骨干水库的调度规程，提前进入蓄水期。从流域整体来看，是合适的，也是必要的。
细化引调水工程场景预案，构建新情势下长江流域内外联调联控机制
长江流域大中型工程基本拥有调度规程，由于流域的上下游、左右岸传导影响关系，同时现状下垫面和新增水利工程增加了工程调度的复杂性，建议细化水工程应急场景预案和调度规程，推动应急预案体系建设和预案演练。具体包括：①持续研究长江干支流控制性水库的汛期水位动态调控方式，积极推进旱限水位制定的研究工作，细化不同场景下调度预案；②长江流域5.28万座水库中近5万座是小型水库，发生大面积特大干旱或连续干旱时，跨年调蓄能力不足，需要加大对流域1900余座大中型水库群的统筹联合调度；③从引调水工程调出区、流经区、受水区全面开展水资源情势评估和联合分析，构建新情势下长江流域各引调水工程内外联调联控机制。
6、结语
长江流域是“南北调配、东西互济”国家水网大动脉的核心区。长江水网的建设和科学规划将有力推动长江流域生态保护、供水保障、发电等效能综合提升，为国家水网建设提供更有力支撑。以长江流域干支流大中型水库与近期规划水工程为重要节点，研发构建了长江流域水资源调配推演器（CJGWAS），开展了长江水网工程布局下的不同场景水资源统筹调配和推演分析。未来将进一步融合长江流域气候变化模型、碳减排评估模型等，对水网格局变化下的工程调度计划修编、水利支撑碳达峰评估等方面开展深入研究。
