代化水網(wǎng)理論體系研究

1、-水資源研究第24卷 第3期(總第88期)2003年9月-現(xiàn)代化水網(wǎng)理論體系研究王維平1,3范 明 元1趙 紅 兵2黃 繼 文1張 志 新1(1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013； 2.山東省水利廳水保處，山東 濟(jì)南250013； 3.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院， 湖北 武漢 430072） 摘 要： 以我國水利發(fā)展的背景為基礎(chǔ)，在給出現(xiàn)代化水網(wǎng)的內(nèi)涵之后，分別就其構(gòu)成要素以及各要素之間的關(guān)系、特點(diǎn)、功能和建設(shè)過程中面臨的關(guān)鍵問題進(jìn)行了系統(tǒng)的探討，最終形成了一套完整的理論體系。 關(guān)鍵詞： 現(xiàn)代化水網(wǎng)； 理論體系； 水網(wǎng)系統(tǒng)特點(diǎn)； 水網(wǎng)系統(tǒng)功能自上世紀(jì)中葉以來，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需水

2、量的增加，我國先后進(jìn)行了諸如江水北調(diào)、引灤入津、引灤人唐、引黃濟(jì)青、引碧入大等大型跨流域調(diào)水工程，而隨著南水北調(diào)工程的開工建設(shè)，我國水資源工程骨干網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。由于水資源自身屬性的復(fù)雜性，水網(wǎng)較其它的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)更賦有社會(huì)特性，因此，傳統(tǒng)的相對(duì)封閉的流域管理理論和孤立的水資源優(yōu)化配置理論在水網(wǎng)的建設(shè)、運(yùn)行及管理面前顯得力不從心。所以，一套完整的賦有我國特色的現(xiàn)代化水網(wǎng)理論的建立成為我國目前水利建設(shè)的當(dāng)務(wù)之需。1 現(xiàn)代化水網(wǎng)的內(nèi)涵 現(xiàn)代化水網(wǎng)，就是采用現(xiàn)代工程技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)，以聯(lián)成網(wǎng)狀的水利工程為基礎(chǔ)、以水資源優(yōu)化配置方案為指導(dǎo)、以法制法規(guī)為保障，建立起來的現(xiàn)代化系統(tǒng)工程體系。它可

3、以實(shí)現(xiàn)水資源在時(shí)間、空間以及部門間的重新分配，進(jìn)而按照社會(huì)發(fā)展的需求達(dá)到水資源的高效利用。2 現(xiàn)代化水網(wǎng)構(gòu)成要素 現(xiàn)代化水網(wǎng)構(gòu)成的外在要素包括水源、工程、水傳輸系統(tǒng)、用戶等，內(nèi)在要素包括水資源優(yōu)化配置方案、相關(guān)法制法規(guī)等，前者即傳統(tǒng)的水資源系統(tǒng)，而后者又稱現(xiàn)代管理系統(tǒng)。在現(xiàn)代化水網(wǎng)建設(shè)及運(yùn)行過程中，總體上后者引導(dǎo)前者，內(nèi)因決定外因，“神決定形”。2.1 水 源 現(xiàn)代化水網(wǎng)中水源包括當(dāng)?shù)氐乇硭⒌叵滤?、外調(diào)水、污水處理回用水、非常規(guī)水等。而各類水源都包含水量和水質(zhì)兩個(gè)重要屬性，其中水質(zhì)是前提，水量是基礎(chǔ)，兩者相輔相承，缺一不可。水質(zhì)方面，作為某行業(yè)的供水水源必須達(dá)到其相應(yīng)的供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；水量方面

4、，各類水源量的總和必須能夠分別滿足各部門及其行業(yè)一定程度的需水要求，水量嚴(yán)重不足，水網(wǎng)建設(shè)形同虛設(shè)。2.1.1 地下水資源 地下水資源可分為淺層地下水和深層地下水兩種，而在現(xiàn)代化水網(wǎng)中通常所說的地下水實(shí)際上均屬于淺層地下水的范疇。 （1） 深層地下水。 深層地下水，通常視為一種靜態(tài)資源，補(bǔ)給十分緩慢，開采以后在很長時(shí)間內(nèi)難于回充補(bǔ)給，容易造成地下水環(huán)境問題，所以不宜作為長期穩(wěn)定的供水水源。目前，有些地區(qū)由于水資源嚴(yán)重不足，為使區(qū)域經(jīng)濟(jì)保持應(yīng)有的發(fā)展水平，被迫大量提取深層地下水，引起了不少的水環(huán)境問題。隨著水資源條件的改善，深層地下水應(yīng)當(dāng)逐漸限制開采，直至停止開采。 （2） 淺層地下水。 淺層地

5、下水是一種可再生資源，它有多種補(bǔ)給來源，其中降雨入滲補(bǔ)給占主要部分。由于淺層地下水可動(dòng)態(tài)再生，具有強(qiáng)大的調(diào)蓄作用，故而在水資源系統(tǒng)中具有較大的運(yùn)用前景。2.1.2 地表水資源 地表水資源可分為當(dāng)?shù)乜衫玫乇韽搅?、有庫或無庫調(diào)節(jié)的山區(qū)徑流、用水區(qū)河網(wǎng)調(diào)蓄水等。 （1） 當(dāng)?shù)乜衫玫乇韽搅鳌．?dāng)?shù)乜衫玫乇韽搅髦饕杆诘挠盟畢^(qū)中，各類大、中、小型水利工程及湖泊洼淀等可提供的，能被直接利用的地表徑流。這類水源量的多少?zèng)Q定于水利工程的發(fā)達(dá)程度，但需、引、供等都較為容易。 （2） 山區(qū)徑流。 山區(qū)徑流指的是流經(jīng)所在地域的河流在上游入口處的河川徑流。這部分徑流是平原地區(qū)地表水資源的主體部分，需要重點(diǎn)研究其

6、利用方式。當(dāng)山區(qū)徑流的無水庫控制部分所占比重不宜忽略時(shí)，則必須整理概化出其入流系列，參與供需平衡的長系列計(jì)算。但山區(qū)徑流有其經(jīng)過當(dāng)?shù)氐淖钚×髁康募s束，并非所有的水量都可被當(dāng)?shù)亻_發(fā)引用。（3） 河網(wǎng)水量。河網(wǎng)水量是指分區(qū)內(nèi)眾多河流渠道和田間存儲(chǔ)的水資源量，主要包括以下2類： 河網(wǎng)調(diào)蓄庫容，由于平原地區(qū)河網(wǎng)調(diào)蓄作用不容忽視，它可以對(duì)上游的余水（包括可再生利用的污水）和跨流域引水起到一定的調(diào)蓄作用，以減輕系統(tǒng)調(diào)蓄能力的不足，由于河網(wǎng)調(diào)蓄在面上是散布的，故規(guī)定它只滿足農(nóng)業(yè)需求且調(diào)蓄水量僅用于下一階段； 田間蓄水，它用于存蓄跨流域調(diào)水工程在冬天非灌溉季節(jié)的引水，滿足在汛前的灌溉季節(jié)的需水。2.1.3 外

7、調(diào)水量 外調(diào)水量是指由研究區(qū)域以外的流域或區(qū)域利用一定的調(diào)水工程可能調(diào)入的水資源量。由于水資源網(wǎng)絡(luò)的級(jí)別不同，對(duì)外調(diào)水量的定義也會(huì)有所區(qū)別，但均是相對(duì)于一個(gè)完整的系統(tǒng)而言的，這個(gè)系統(tǒng)可以按行政區(qū)域建立也可以按流域建立。2.1.4 污水處理回用水 污水處理回用水量是指來自工業(yè)和生活的污水經(jīng)處理后重新利用的水資源量，它的多少涉及產(chǎn)污率、處理率和回用率3個(gè)參數(shù)，所以在不同的水平年其量值并不一樣。隨著生活水平的提高，對(duì)污水處理回用的需求和水質(zhì)要求也越來越高，所以，對(duì)其應(yīng)用的研究具有廣闊前景。2.1.5 非常規(guī)水 非常規(guī)水是指局限于一定的區(qū)域或時(shí)段，可部分替代上述水源的水資源量，包括海水、礦坑水、微咸水

8、等等。隨著現(xiàn)代水處理技術(shù)的發(fā)展，這部分水資源量呈上升趨勢，己占據(jù)了不可忽略的地位。2.2 工 程 包括蓄水工程（水庫、塘壩、攔河閘堰、湖泊、洼淀、河道、溝渠等）、引水工程（引黃、引江、引河、引湖工程）、提水工程（泵站、機(jī)井、大口井），污水處理工程、供水工程、排水工程等。2.3 水傳輸系統(tǒng) 水傳輸系統(tǒng)在實(shí)際中是相當(dāng)復(fù)雜的，為有效地描述系統(tǒng)中不同水量的傳輸行為，大致將水傳輸系統(tǒng)中的河渠管道劃分為4類，即：地表水傳輸系統(tǒng)、外調(diào)水傳輸系統(tǒng)、地下水庫間的側(cè)滲補(bǔ)給和排泄系統(tǒng)以及污棄水系統(tǒng)。(1) 地表水傳輸系統(tǒng)。地表水傳輸系統(tǒng)以當(dāng)?shù)氐乇硭礊橹?，包括地表河網(wǎng)調(diào)蓄水量和可利用的上游棄水量等。(2) 外調(diào)水傳

9、輸系統(tǒng)。由于外調(diào)水工程的重要性，其傳輸系統(tǒng)雖與當(dāng)?shù)氐乇硭膫鬏斚到y(tǒng)概念相同，但并不重合，而且僅傳輸外調(diào)水源。(3) 地下水庫間的側(cè)滲補(bǔ)給和排泄系統(tǒng)。為描述地下水庫之間的補(bǔ)給與排泄關(guān)系，將地下水庫間的側(cè)滲補(bǔ)給和排泄關(guān)系均概化成渠道，進(jìn)而形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的傳輸系統(tǒng)。(4) 棄水及污水傳輸系統(tǒng)。在現(xiàn)代化水網(wǎng)中未經(jīng)處理的污水和多余的棄水均被棄走，而且棄水渠道與供水渠道分開，形成獨(dú)立的傳輸系統(tǒng)。2.4 用 戶 在現(xiàn)代化水網(wǎng)中，不同部門即用戶需水要求不同。按照原有習(xí)慣及需水要求的重要性等方面出發(fā)，一般將用水部門分為3大類，即：城鎮(zhèn)生活、城市工業(yè)和農(nóng)村，但在具體操作過程中，由于各種實(shí)際條件和需要的不同，分類

10、仍會(huì)有所差異。2.5 水資源優(yōu)化配置方案 當(dāng)現(xiàn)代化水網(wǎng)硬件設(shè)施建成后，必須對(duì)水資源的調(diào)度原則加以規(guī)定，而這些原則與水網(wǎng)中相應(yīng)的水利工程結(jié)合運(yùn)行時(shí)并成為當(dāng)時(shí)水平下的水資源優(yōu)化配置方案。水資源優(yōu)化配置方案的基礎(chǔ)是用水區(qū)供需平衡分析，計(jì)算機(jī)則是其實(shí)現(xiàn)的手段。由于當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，人們已可以根據(jù)不同的調(diào)度原則和供水目標(biāo)建立方案集和相應(yīng)的調(diào)度運(yùn)行模擬模型，對(duì)方案集中各方案模擬計(jì)算結(jié)果加以分析比較，最終選擇出最佳的水網(wǎng)運(yùn)行方式，并將調(diào)度方案轉(zhuǎn)換為水網(wǎng)運(yùn)行指令通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸給水網(wǎng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。2.6 法制法規(guī) 水網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行過程中，社會(huì)各方利益的沖突最終只能由相關(guān)的法制法規(guī)加以協(xié)調(diào)，如水量調(diào)度與

11、水權(quán)密切相關(guān)，水質(zhì)保護(hù)與污水達(dá)標(biāo)排放和污染物總量控制緊密相連，供水優(yōu)先順序與各部門的經(jīng)濟(jì)利益直接掛鉤等等?？梢哉f，法制法規(guī)將成為水網(wǎng)建設(shè)運(yùn)行的可靠保證。3 現(xiàn)代化水網(wǎng)各要素之間的關(guān)系 水網(wǎng)系統(tǒng)由傳統(tǒng)的水資源系統(tǒng)和現(xiàn)代管理系統(tǒng)兩大部分組成。水資源系統(tǒng)中的各要素之間相互聯(lián)系、依存，即各種水源通過蓄水、輸水、用水而建立起相互依存、相互轉(zhuǎn)化關(guān)系；現(xiàn)代管理系統(tǒng)中優(yōu)化配置方案對(duì)水資源系統(tǒng)中水資源量的調(diào)蓄、傳輸、利用發(fā)生直接作用，從而使水資源各因素的轉(zhuǎn)化關(guān)系更符合人類社會(huì)發(fā)展的需要，而法制法規(guī)又對(duì)水資源系統(tǒng)中的水源保護(hù)、污廢水達(dá)標(biāo)排放、污染物總量控制以及水資源優(yōu)化配置方案的具體操作加以保障，進(jìn)而使水網(wǎng)建設(shè)運(yùn)

12、行的可持續(xù)發(fā)展成為可能?，F(xiàn)代化水網(wǎng)系統(tǒng)要素構(gòu)成關(guān)系詳見圖1。（略）4 現(xiàn)代化水網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 現(xiàn)代水網(wǎng)系統(tǒng)較之傳統(tǒng)區(qū)域性相對(duì)封閉的水資源系統(tǒng)呈現(xiàn)出多水源、多用戶、多目標(biāo)等特點(diǎn)，引水、供水、排水更加開放，產(chǎn)生的綜合效益也更加巨大。(1) 多水源。 現(xiàn)代化水網(wǎng)中的水源呈現(xiàn)出多樣性的特點(diǎn)，當(dāng)?shù)氐乇硭?dāng)?shù)氐叵滤?、外調(diào)水、處理回用水及海咸水等將聯(lián)合優(yōu)化供水。特別是由于外調(diào)水的加入，各類水源間的聯(lián)系和互相轉(zhuǎn)化關(guān)系更趨復(fù)雜，總體來說，供水的隨機(jī)性和自然性減弱，人為引導(dǎo)的作用則明顯增強(qiáng)。(2) 多用戶。 現(xiàn)代化水網(wǎng)因水源豐富，用戶也隨之豐富起來，大致可分為河道外用戶和河道內(nèi)用戶。河道外用戶包括生活用水（又分居

13、民生活和公共生活用水、農(nóng)村人畜用水、菜田用水等）、工業(yè)用水（包括各主要非農(nóng)業(yè)部門）、農(nóng)業(yè)灌溉用水（包括林果業(yè)）等；河道內(nèi)包括水力發(fā)電用水、航運(yùn)、環(huán)境、排沙、入海等的河流最小流量要求。(3) 多目標(biāo)。 根據(jù)不同要求，水網(wǎng)系統(tǒng)具有供水、灌溉、防洪、排澇、航運(yùn)、發(fā)電、養(yǎng)殖、生態(tài)環(huán)境、觀光旅游等多目標(biāo)。這種多目標(biāo)性一方面可增大綜合效益；另一方面也為現(xiàn)代化管理提出了更高的要求。(4) 風(fēng)險(xiǎn)性。 由于來水的隨機(jī)性導(dǎo)致水利調(diào)度的困難，從而造成了水網(wǎng)系統(tǒng)的供水風(fēng)險(xiǎn)。(5) 競爭性。 正因?yàn)楝F(xiàn)代化水網(wǎng)社會(huì)性很強(qiáng)，人為作用明顯，所在在供水的目的上存在較大的競爭性，在決策上屬于多目標(biāo)問題。多樣化的競爭用水使得現(xiàn)代化

14、水網(wǎng)的開發(fā)利用決策成為復(fù)雜的、多層次、多目標(biāo)的純決策問題。(6) 供水保證率高。 由于水網(wǎng)建設(shè)考慮了多水源、跨流域、多工程的特點(diǎn)，利用渠道或河道將不同水源連成一體，充分發(fā)揮現(xiàn)有的調(diào)蓄能力，實(shí)現(xiàn)時(shí)間、空間和部門間的調(diào)節(jié)，最終將在一定程度上提高系統(tǒng)供水的可靠性和供水保證率。(7) 整體性。 一定級(jí)別的現(xiàn)代化水網(wǎng)系統(tǒng)可以在大范圍的區(qū)域上展布，但屬于一個(gè)整體。它可以是一個(gè)水資源系統(tǒng)單元或幾個(gè)水資源單元的組合，只要存在供排關(guān)系，并可聯(lián)為一體。(8) 層次性。 一個(gè)水網(wǎng)內(nèi)部還可進(jìn)一步劃分成若干子網(wǎng)，同時(shí)其本身也可是上一層水網(wǎng)的子網(wǎng)。例如，山東省通過引江和引黃工程構(gòu)成了骨干水網(wǎng)，而各市地本身又構(gòu)成了市級(jí)水網(wǎng)

15、，每個(gè)縣又構(gòu)成了自己的局域網(wǎng)。因此，水網(wǎng)建設(shè)是有明顯的層次性的。5 現(xiàn)代化水網(wǎng)系統(tǒng)的功能 現(xiàn)代化水網(wǎng)系統(tǒng)的功能就是通過工程和非工程措施對(duì)水資源進(jìn)行再分配，具體來說包括時(shí)間調(diào)度、空間調(diào)配和部門調(diào)節(jié)。(1) 時(shí)間調(diào)度。 時(shí)間調(diào)度是指現(xiàn)代化水網(wǎng)系統(tǒng)利用現(xiàn)有的各類調(diào)蓄庫容，實(shí)現(xiàn)水資源在年內(nèi)和年際的調(diào)度。年內(nèi)，將水文年豐水時(shí)段（通常為69月）的水儲(chǔ)存起來，到年末的枯水時(shí)段應(yīng)用；年際，則將水文豐水年的水儲(chǔ)存起來，到枯水年運(yùn)用，但需要較大的庫容。(2) 空間調(diào)配。現(xiàn)代化水網(wǎng)采用遠(yuǎn)距離調(diào)水、區(qū)域換水等工程手段實(shí)現(xiàn)了水資源的地域調(diào)節(jié)。遠(yuǎn)距離調(diào)水，如山東省現(xiàn)正運(yùn)行的引黃濟(jì)青工程，將黃河水直接調(diào)入缺水的青島市，緩解

16、當(dāng)?shù)氐墓┬杷埽粎^(qū)域換水，則如菏澤、濟(jì)寧地區(qū)在調(diào)入長江水后，其對(duì)黃河水資源的需求下降，從而允許下游其它引黃地區(qū)可多引黃河水。需強(qiáng)調(diào)的是，這種空間調(diào)配不是盲目的，而是在一定分水原則下并充分考慮各地區(qū)既得利益之后進(jìn)行的，最終要求總體效益最大。(3) 部門調(diào)節(jié)。水網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度策略中除地區(qū)間有分水協(xié)議外，部門間的分水也有若干原則。如可以按各地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)總體效益和單項(xiàng)效益最大進(jìn)行分水，也可按不同部門供水的重要性排序供水，或按照各地區(qū)出資的比例進(jìn)行分水。由于分水原則的不同，造成各部門、各行業(yè)間的水資源發(fā)生調(diào)節(jié)作用，如相對(duì)豐水地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水轉(zhuǎn)而用于相對(duì)枯水地區(qū)的生活或工業(yè)用水，而當(dāng)城市工業(yè)與農(nóng)村工業(yè)發(fā)生爭

17、水時(shí)，水資源的供給則更偏向于城市工業(yè)。6 現(xiàn)代化水網(wǎng)建設(shè)面臨的關(guān)鍵問題 正如前文所說，水網(wǎng)具有較大的社會(huì)屬性，因而在其建設(shè)過程中也必然會(huì)遇到一些社會(huì)問題，如水權(quán)、水質(zhì)、水價(jià)及節(jié)水等。這些問題的解決則應(yīng)當(dāng)聯(lián)合全社會(huì)方方面面的力量來共同完成。(1) 現(xiàn)代化水網(wǎng)建設(shè)與水權(quán)。 現(xiàn)代化水網(wǎng)因其前所未有的開放性，直接改變了流域間、區(qū)域內(nèi)水量的分配和水系分布的格局，而且涉及多個(gè)省、多個(gè)市，多個(gè)供用水單位，受益范圍廣，問題比較復(fù)雜。因此，需要同時(shí)考慮受水區(qū)與供水區(qū)的利益，具體來說就是水權(quán)的確定。然而，水權(quán)確定與水資源的優(yōu)化調(diào)度又直接構(gòu)成矛盾，給現(xiàn)代化水網(wǎng)的運(yùn)行造成障礙。 (2) 現(xiàn)代化水網(wǎng)建設(shè)與水質(zhì)。 確保水網(wǎng)的水質(zhì)符合國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，是水網(wǎng)建設(shè)的首要任務(wù)。從污染較輕的河道調(diào)水，其水質(zhì)較易符合要求，但必須嚴(yán)格控制沿河兩岸污廢水的排放；調(diào)水渠道通過多條已經(jīng)污染嚴(yán)重的天