基于生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境用水的水資源配置模型

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     摘　要：從實際需要出發(fā)探討并給出了水資源系統(tǒng)及水資源配置模型的基本概念和定義；研究了水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖的繪制方法；給出了用該圖概化和表示系統(tǒng)中的需水、水源、工程以及水的運動等復(fù)雜關(guān)系的方法；從時間結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)兩個方面介紹了全面考慮生活用水、生產(chǎn)用水和生態(tài)環(huán)境用水要求的、系統(tǒng)反映各種水源及工程供水特點的水資源配置模型的建模思路和技巧，給出了模型的基本任務(wù)和主要約束方程．該模型在河南省安陽市水資源可持續(xù)利用綜合規(guī)劃中進(jìn)行了實際應(yīng)用，推薦的配置方案合理，計算速度很快．該模型可以應(yīng)用于大型復(fù)雜水資源系統(tǒng)．
　　關(guān)鍵詞：水資源系統(tǒng)；水資源配置模型；可持續(xù)利用；安陽市　　

　　當(dāng)前國際上水資源系統(tǒng)規(guī)劃的發(fā)展趨勢，一是對水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、供求關(guān)系的描述更深入和具體，更多地采用水文長系列分析方法；二是從區(qū)域社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及生態(tài)持續(xù)發(fā)展的動態(tài)角度研究水資源工程布局與供需平衡〔1〕．自20世紀(jì)80年代初以來，我國開展了一系列大型水資源項目，有力地推動了水資源系統(tǒng)分析理論方法和模型技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用．這些項目所建立的復(fù)雜水資源配置模型，主要研究的是如何滿足生活、生產(chǎn)需水要求，沒有同時考慮生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的需水要求〔2～6〕．
　　本文模型是在中國水利水電科學(xué)研究院研制的水資源配置模型（它反映的因素相對比較全面，在我國應(yīng)用最廣泛）的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，全面考慮了生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的需水要求．

1　水資源配置模型的基本概念及水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖
1．1　水資源系統(tǒng)及水資源配置模型的概念
1．1．1　水資源系統(tǒng)的定義
　　《中國資源百科全書》（2000年）對水資源系統(tǒng)的定義是：在一定區(qū)域內(nèi)由可為人類利用的各種形態(tài)的水所構(gòu)成的統(tǒng)一體．顯然這一定義是局限于水的范疇定義的．本文從實際需要出發(fā)，給出水資源系統(tǒng)的如下定義：在一定區(qū)域內(nèi)由可為人類及生態(tài)環(huán)境利用的各種形態(tài)的水以及與水存在、運動、演變有關(guān)的物體和社會所構(gòu)成的系統(tǒng)．
1．1．2　水資源配置模型的定義
　　本文對水資源配置模型的定義是：針對以供水為主要目的的水資源系統(tǒng)，以系統(tǒng)分析理論、運籌學(xué)方法、知識規(guī)則、邏輯推理等為技術(shù)基礎(chǔ)，對各種工程措施和非工程措施進(jìn)行適當(dāng)組合和合理的聯(lián)合調(diào)度運用，以追求系統(tǒng)整體的可持續(xù)利用功能最優(yōu)為目標(biāo)的計算機(jī)模型．
　　該定義有幾個要點：首先，水資源配置模型是計算機(jī)模型而不是物理模型，其主要用途是合理地安排和調(diào)度水資源開發(fā)利用的工程措施和非工程措施，配置水資源，使水資源系統(tǒng)的可持續(xù)利用功能最優(yōu)．第二，分析的問題可以是規(guī)劃階段的問題，其重點是進(jìn)行多種水利工程措施和非工程措施組合方案的分析比較，推薦出合理的水利工程布局；也可以是運行管理階段的問題，其重點是在已有水資源系統(tǒng)條件下合理地調(diào)度各種水源和工程使其發(fā)揮最大效益．第三，對“水資源系統(tǒng)整體的可持續(xù)利用功能最優(yōu)為目標(biāo)”要廣義地理解，充分體現(xiàn)實際需要和現(xiàn)實可行性．
1．2　水資源系統(tǒng)概化及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖
　　建立水資源配置模型需要先對實際水資源系統(tǒng)進(jìn)行抽象和概化，并繪制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖．水資源配置模型可概化由五部分構(gòu)成：①基本物理元素（集合）；②各物理元素量度數(shù)據(jù)（參數(shù)及變量）；③物理元素之間的相互關(guān)系（約束條件）和系統(tǒng)協(xié)調(diào)準(zhǔn)則（調(diào)度規(guī)則和目標(biāo)函數(shù)）；④解決問題的方法；⑤各物理元素在此基礎(chǔ)上所處的狀態(tài)（結(jié)果）．
　　水資源系統(tǒng)中各類物理元素（水庫工程、攔河閘、引水工程或揚水站、水資源計算單元、河渠道交匯點等）概化為節(jié)點，各結(jié)點間通過線段（河道或渠道等）連接，形成水資源系統(tǒng)概化網(wǎng)絡(luò)圖．在平面上不方便表示地下水庫，則假定每個計算單元都有一個地下水庫，統(tǒng)一不在網(wǎng)絡(luò)圖中標(biāo)出．如果某單元實際上沒有地下水，則可令其地下水庫的庫容和水量為零．水資源配置系統(tǒng)方案的生成以及對每一方案的詳細(xì)供需平衡分析及流域水循環(huán)分析等都以水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖為基礎(chǔ)．凡是圖上標(biāo)明的水利工程、分區(qū)、河流及控制點或斷面的有關(guān)問題，模型就能夠給出詳細(xì)的分析結(jié)果；如果圖上沒有，一般來說模型就不能給出具體結(jié)果．

2　水資源配置模型
2．1　建模的基本思路
　　在水資源系統(tǒng)描述方面，該模型以系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖為基礎(chǔ)，采用了多水源（地表水、地下水、外調(diào)水及污水處理回用水）、多工程（蓄水工程、引水工程、提水工程、污水處理工程以及閘堰湖泊洼淀等）、多傳輸系統(tǒng)（包括當(dāng)?shù)氐乇硭畟鬏斚到y(tǒng)、外調(diào)水傳輸系統(tǒng)、棄水污水傳輸系統(tǒng)和地下水的側(cè)滲補(bǔ)給與排泄系統(tǒng)）的描述法，使系統(tǒng)中的各種水源、水量在各處的調(diào)蓄情況及來去關(guān)系都能夠得到客觀的、清晰的描述，為得到正確結(jié)果打基礎(chǔ)．
　　從模型的空間結(jié)構(gòu)方面看，要抓住兩條主線索：一條是水資源循環(huán)運動的線索，即沿流域自上而下，整個研究區(qū)域由各個流域及其不同層次的子流域組成．各種水資源的調(diào)查評價也是按照流域分區(qū)進(jìn)行的．另一條是社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的需水線索，人口、經(jīng)濟(jì)、需水、用水、耗水、水利工程等統(tǒng)計資料多是依照各級行政分區(qū)統(tǒng)計的．水資源配置模型需要按照流域分區(qū)和行政分區(qū)獲取資料和出成果．按照這兩條線索相結(jié)合的要求劃分計算單元．
　　從模型的時間結(jié)構(gòu)方面看，也是抓住兩條主線索：一條是反映水文變化規(guī)律的時間線索，也就是歷史水文資料系列，即從哪一年到哪一年以及年內(nèi)的時間層次（如月、旬、日等，根據(jù)精度需要和資料獲得的可能性確定）；另一條是反映水資源利用規(guī)劃與管理需要的時間線索，也就是規(guī)劃水平年以及年內(nèi)的時間層次．按照這兩條線索相結(jié)合的要求確定計算時段（最短的時間層次）．
　　在運行方案上考慮了對各個工程組合方案，各水平年的需水量、來水量的預(yù)測，以及污水處理與回用能力、節(jié)水水平、地下水可開采量、工程運行規(guī)則、各種參數(shù)等．
　　在結(jié)果分析上包括了各系統(tǒng)元素的水平衡分析、系統(tǒng)內(nèi)各分區(qū)的供水能力及供水量分析、供水效益分析、水源利用情況、棄水情況、污水排放情況、工程分水情況、河流與渠道過流情況、河道水質(zhì)狀況、系統(tǒng)發(fā)電量等，并對各模擬計算方案進(jìn)行綜合分析比較，尋找出合理可行的規(guī)劃方案．
　　在軟件實現(xiàn)方面，采用GAMS語言編制分析計算核心模塊，采用Foxpro語言編制用戶界面以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理．
2．2　模型的基本任務(wù)
　　水資源配置模型是研究和解決水資源問題的一種重要模型．它的主要任務(wù)是：①系統(tǒng)配置方案的生成；②每一系統(tǒng)方案的優(yōu)化調(diào)度及供需平衡分析；③每一方案的水平衡分析；④各個系統(tǒng)方案的綜合比較，推薦最佳的配置方案；⑤診斷水資源系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)等等．
2．3　主要約束方程
　　下面給出水資源配置中，任意一年水資源供需平衡設(shè)計的主要約束方程．方程中關(guān)鍵符號的含義為：i代表水庫；j代表計算單元及與單元對應(yīng)的地下水庫；k代表渠道或河流節(jié)點；t代表計算時段；l代表渠道或河流；s代表用水種類，s＝1，2，3，4，5依次為城市用水（包括生活用水和工業(yè)用水）、農(nóng)業(yè)用水、河道外生態(tài)環(huán)境用水、河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水、發(fā)電用水；α為降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)；β為灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)；γ為地表供水河流渠道滲漏補(bǔ)給系數(shù)；φ為潛水蒸發(fā)系數(shù)；ls（），ld（），lo（），lg（）依次為地表水供水河流渠道集合、外調(diào)水供水河流渠道集合、棄水河流渠道集合、地下水聯(lián)系集合，括號內(nèi)有兩個參數(shù)，分別為起點和終點；u（），d（）分別表示上游對象集合和下游對象集合，括號內(nèi)有1個參數(shù)，為對象，如水利工程、計算單元、節(jié)點等．式中沒有被運算符號隔開的連續(xù)幾個字母表示同一個變量，變量名第4個字母A，I，E分別表示農(nóng)業(yè)供水、工業(yè)（包括城鎮(zhèn)生活）供水和生態(tài)供水；V為水庫蓄水庫容；C為有關(guān)系數(shù)．
　　a．地表水庫當(dāng)?shù)厮胶夥匠蹋?br /> 　　　
　

　　c．水庫分水量限制．對于有些向多個計算單元供水的地表水庫，如果各地區(qū)的供水有約定，調(diào)度就必須遵守．
　

　　d．計算單元的城市供水平衡方程：
　　

　　f.計算單元的生態(tài)供水平衡方程.生態(tài)需水分河道內(nèi)需水與河道外需水，要分別進(jìn)行平衡．單元河道外生態(tài)供水采用方程（6）計算．原則上所有地表水、地下水、外調(diào)水、污水回用水及上游棄水、回歸水等均可以參加河道外生態(tài)需水的平衡．河道外生態(tài)需水與生活需水和生產(chǎn)需水要求不一樣，生活需水和生產(chǎn)需水要求每一個時段必須平衡，而河道外生態(tài)需水彈性要大得多，可以每個時段剛好平衡，也可以不平衡，只要每個時段的供需量在允許的上下限之間，而全年或兩三年的供水量與需水量平衡即可．河道內(nèi)需水的供需平衡約束方程主要有：最小流量約束、年最小過水量約束、河道水質(zhì)約束等．本模型在安陽市的規(guī)劃中，對于該市河道內(nèi)需水選擇的是在重點保護(hù)河段上建立水量、水質(zhì)約束方程．方程式比較多、比較復(fù)雜，在此省略．
　　
　
2．4　目標(biāo)函數(shù)
　　模型目標(biāo)函數(shù)為

式中：Ws為權(quán)重；fs為用水效益．其他一些約束方程和效益計算公式，譬如河流渠道節(jié)點的分水約束（包括引、提水）、計算單元河網(wǎng)調(diào)蓄約束、地下水補(bǔ)給、地下水開采限制、地表徑流的利用、灌溉入滲水量、污水排放量、污水處理回用、節(jié)點地表水平衡、節(jié)點外調(diào)水平衡等等，受篇幅限制，在此不作論述．

3　模型在安陽市水資源規(guī)劃中的應(yīng)用
　　河南省安陽市水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見圖1，系統(tǒng)要素及配置模型規(guī)模見表1．在安陽市水資源可持續(xù)利用綜合規(guī)劃中，按照水資源三次平衡的思想應(yīng)用本模型對13個系統(tǒng)方案（每方案又包括1998年、2010年、2015年和2030年四個水平年的子方案）進(jìn)行了長系列模擬計算．一次平衡分別考慮了允許地下水超采和不允許地下水超采兩種情況．一次平衡結(jié)果給出了不采取有效措施的水資源供需平衡動態(tài)趨勢．二次平衡考慮了三種情況：一是保持現(xiàn)狀水平年地下水超采程度，各規(guī)劃水平年都采取了城市污水處理及回用措施，除此之外沒有新建其它供水工程；二是各水平年都不允許超采地下水，都采取了城市污水處理及回用措施，沒有新建其它供水工程；三是各水平年不允許超采地下水，但都采取了城市污水處理及回用措施，新建了當(dāng)?shù)毓┧こ蹋纹胶饨Y(jié)果給出了安陽市只依靠當(dāng)?shù)厮Y源和現(xiàn)有外調(diào)水量情況下的水資源供需動態(tài)平衡趨勢及缺水變化趨勢．三次平衡所擬訂的方案都不允許超采地下水，但都配置了跨流域調(diào)水工程．

　　通過三次平衡計算和多方案分析與對比發(fā)現(xiàn)，該市的最佳配置方案與南水北調(diào)中線方案2010年是否通水有密切關(guān)系．若2010年南水北調(diào)中線工程建成通水，則最佳推薦方案當(dāng)屬F方案；若2015年南水北調(diào)中線工程才能建成通水，則最佳推薦方案為M方案．受篇幅限制，F(xiàn)和M兩方案的節(jié)水及水源配置情況在此省略．與F方案比較，M方案在水資源工程布局上有些重復(fù)建設(shè)，這是為了滿足2015年以前的供水需要．南水北調(diào)中線工程的進(jìn)度不是安陽市所能決定的，因此，我們推薦了F和M兩個方案作為合理配置方案，供安陽市領(lǐng)導(dǎo)根據(jù)今后的實際情況進(jìn)行決策．以F方案2030水平年為例，河道外總供水量22．86億m³，其中生活用水占16．90％，工業(yè)用水占31．75％，農(nóng)業(yè)用水占46．33％，河道外生態(tài)環(huán)境用水占5．02％；不同水源的供水比例為當(dāng)?shù)氐乇硭?0．65％、地下水44．97％、回用水2．62％、外流域調(diào)水21．76％．河道內(nèi)用水表現(xiàn)為年均總過水量和各月過水量過程．河道內(nèi)用水實際上與河道外其它用水有較大程度的重復(fù)利用．
　　本文介紹的方法和模型在安陽市水資源綜合規(guī)劃中經(jīng)受了應(yīng)用檢驗，分析計算結(jié)果合理可靠，計算速度很快．該模型可以推廣應(yīng)用于大型復(fù)雜水資源系統(tǒng)．值得注意的是，水資源配置問題是非常復(fù)雜的，配置模型還需要不斷在實際應(yīng)用中改進(jìn)和完善．

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