水資源分配模型及模擬求解技術(shù)

1、水資源分配模型及模擬求解技術(shù)Water Resources Allocation Model and Simulate Technique SolutionMA Xing-hua1,ZUO Qi-ting2(1.Pearl River Water Resources Scientific Research Institute,Guangzhou 510611,China; 2.Center for Water Science Research,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China): This article set up one of wat

2、er resources allocation models, by taking the maximumof water supply satisfaction degree as the objective, taking water supply capacity of the system, water transportation capacity of the system, the water supply-demand change of the water use system, and non negative restriction as the restriction

3、conditions.And simulation technique to the water resources allocation model was proposed. In the end, Jiaozuo City was taken as the example by calculating the distributions of the water resources at programming year (2020) under water frequency of 75%. And the result fulfilled requirement of the use

4、rs and the space-time process of the water allocation.引言水資源作為一種基礎(chǔ)性自然資源 , 是生態(tài)環(huán)境的控制性因素 之一。同時(shí),水資源又是戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源 , 是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的 有機(jī)組成部分 1 。然而 ,隨著人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展 , 人類對(duì) 水資源需求量不斷增加 , 水資源短缺已成為威脅人類社會(huì)可持續(xù) 發(fā)展的瓶頸。短缺情況下的水資源如何進(jìn)行優(yōu)化配置 , 是很多學(xué) 者進(jìn)行研究和探討的話題。從研究的內(nèi)容來(lái)看 , 水資源配置研究中的水源范圍有所增加 且配置目標(biāo)也從單一目標(biāo)發(fā)展到多目標(biāo) 2 。主要有基于大系統(tǒng) 理論的水資源優(yōu)化配置模型 ; 基

5、于可持續(xù)發(fā)展的水資源優(yōu)化配置 模型；面向生態(tài)的水資源優(yōu)化配置模型；基于ET的水資源優(yōu)化配 置模型等 3-6 。有的是針對(duì)不同地區(qū)而建立的水資源優(yōu)化配置 模型,比如有針對(duì)塔里木河流域水量調(diào)度問題建立以經(jīng)濟(jì)和生態(tài) 效益最大化為目標(biāo)的水資源優(yōu)化配置模型 5 。然而 , 以上這些模 型在求解過程中都存在著各種困難 , 主要表現(xiàn)在模型的非線性問 題較難以求解。本文提出的水資源分配的模擬求解技術(shù) , 模擬了水在流動(dòng)過 程中的分配過程 , 體現(xiàn)了水流的時(shí)間、空間變化規(guī)律。最后以焦 作市為應(yīng)用實(shí)例 ,對(duì)該模擬求解技術(shù)進(jìn)行了印證 ,結(jié)果表明 ,該方 法原理簡(jiǎn)單、應(yīng)用簡(jiǎn)便 , 適于推廣使用。水資源分配模型的構(gòu)建本

6、文所研究的水資源分配 , 不僅考慮傳統(tǒng)的常規(guī)水源問題 , 還考慮非常規(guī)水源。 常規(guī)水源有 : 地表水、地下水和外調(diào)水 , 非常 規(guī)水源包括礦坑排水和雨水回收利用等。 用水戶包括城鎮(zhèn)生活用 水、農(nóng)村生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水。建立一個(gè)有目標(biāo)函數(shù)和約束條件的優(yōu)化模型 ,首先, 需要?jiǎng)?分子區(qū)、確定水源途徑和用水部門 6 。設(shè)研究區(qū)劃分為 K 個(gè)子 區(qū),k=1,2,K;k子區(qū)有l(wèi)(k)個(gè)獨(dú)立水源、J(k)個(gè)用水部門。研 究區(qū)內(nèi)有M個(gè)公共水源,c =1,2,M。公共水源c分配到k子區(qū) 水量用表示 , 其水量和其他獨(dú)立水源一樣 , 需要在各用水戶之間 進(jìn)行分配。 因此 , 對(duì)于 k 子區(qū)而言

7、 , 是個(gè)水源、 J(k) 個(gè)用水戶的水 資源優(yōu)化配置問題 , 即多水源多用戶的分配問題。2.1 目標(biāo)函數(shù)以供水滿足程度最大化為目標(biāo) , 反過來(lái)就是以用戶的缺水程 度最小為目標(biāo) , 如式(1) 所示。min f(X)=刀 Kk=lE J(K)j=1max0,Dkj-(刀 l(K)i=1)xkij+ 刀 Mc=1)xkcj(1)式中:Dkj k子區(qū)j用戶需水量(萬(wàn)m3);xkij 、xkcj 獨(dú)立 水源 i 、公共水源 c 向 k 子區(qū) j 用戶的供水量 ( 萬(wàn) m3);max 表示 取括號(hào)里邊數(shù)值的最大值。2.2 約束條件供水系統(tǒng)的供水能力約束。公共水源刀 J(K)j=1xkcj 0(6)水資

8、源分配模型的模擬求解技術(shù)計(jì)算思路如下。首先按水源條件、地形地貌概況把研究區(qū)劃分為K個(gè)子區(qū),摸清子區(qū)之間的水力聯(lián)系、現(xiàn)狀供水工程、上下游關(guān)系。畫出水 資源系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖 , 如圖 1 所示。圖 1 水資源系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖確定水源與用戶的關(guān)系 ,單元-水源工程 -用戶對(duì)應(yīng)關(guān)系是 指, 水源工程與計(jì)算單元的用水戶之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種關(guān)系是 一種一對(duì)多或者多對(duì)一的關(guān)系。對(duì)河流N年歷史來(lái)水資料，結(jié)合單元本身地下水資源可開 采量,在時(shí)間上由第1年到第N年，空間上由上游到下游，逐月對(duì) 歷史長(zhǎng)系列進(jìn)行模擬計(jì)算 , 模擬水資源供、用、耗、排等各個(gè)環(huán) 節(jié)。調(diào)算規(guī)則 : 水源優(yōu)先規(guī)則 , 即先用哪個(gè)水源后用哪個(gè)水源的規(guī) 則;

9、用水戶優(yōu)先規(guī)則 ,即先供哪個(gè)用水戶后供哪個(gè)用水戶的規(guī)則。目標(biāo)函數(shù)是供水滿足程度最大化 , 約束條件包括 : 供水 系統(tǒng)的供水能力約束 , 輸水系統(tǒng)的輸水能力約束 , 用水系統(tǒng)的供 需變化約束和非負(fù)約束 , 如式 (7) 。min f(X)=刀 Kk=lE J(K)j=1max0,Dkj-(刀 l(K)i=1)xkij+刀 Mc=1)xkcjst.刀 J(K)j=1xkcj w W(c,k)刀 Kk=1W(c,k) w Wc刀 J(K)j=1xkij w Wkixkcj w Qcxkij w QkiL(k,j) wE I(K)i=1xkij+ 刀Mc=1xkcj w H(k,j)xkij、xkc

10、j 0(7)注: 各符號(hào)代表意義同前。計(jì)算原理為水量平衡原理。 包括水的供給、 水的利用以及供 給和利用相結(jié)合三方面。 區(qū)域水量平衡計(jì)算的基礎(chǔ)是單個(gè)計(jì)算單 元的水量平衡計(jì)算 , 各計(jì)算單元按出入境關(guān)系建立聯(lián)系便可完成區(qū)域的水量平衡計(jì)算。計(jì)算單元供需分析模型見圖 2, 計(jì)算流程 如圖 3。在水資源供需平衡計(jì)算系統(tǒng)模擬流程圖中, 按照水源的不同總共分了七大模塊 , 分別為 : 河引水模塊、 河提水模塊、 中型 水庫(kù)調(diào)算模塊、小型水庫(kù)調(diào)算模塊、地下水利用模塊、外調(diào)水利 用模塊和非常規(guī)水利用模塊。圖2 供需計(jì)算模型示意圖圖2中:入流一河流流入計(jì)算單元的水量；地表水一計(jì)算單 元可供使用的地表水資源量；地

11、下水一計(jì)算單元可供使用的地下 水資源量；非常規(guī)水一包括礦坑排水和雨水回收利用等水源；調(diào)水量一其他流域調(diào)往該流域的水量；消耗一計(jì)算單元各用水部門 的水資源使用量；區(qū)間輸入一其他計(jì)算單元輸入本計(jì)算單元的水 量；區(qū)間輸出一向其他計(jì)算單元輸出的水量；出流一沿河道流出本單元的水量。應(yīng)用實(shí)例概況本文引用焦作市水資源綜合規(guī)劃的基本資料 , 來(lái)探討圖 3 水資源供需平衡計(jì)算系統(tǒng)模擬流程 焦作市水資源分配問題。焦作市位處黃河、海河兩大流域。 其中黃河流域面積為 2 100 km2, 占全市總面積的 52.5%,海河流 域面積1 901 km2，占全市總面積的47.5%。黃河流域的河流主要 有沁河、丹河和漭河 ;

12、 海河流域主要的河流有大沙河及其支流。 全市有 5 個(gè)中型水庫(kù) , 分別為 : 大沙河上的群英水庫(kù) , 主要是給焦 作市區(qū)的生活和工農(nóng)業(yè)供水 ; 大沙河支流紙坊溝上的馬鞍石水庫(kù) 主要是給馬鞍石灌區(qū)供水 ;丹河上的青天河水庫(kù) , 主要給丹東、丹 西灌區(qū)生活和工農(nóng)業(yè)供水 ; 漭河上的白墻水庫(kù) , 主要給白墻灌區(qū) 供水;汶水河上的瞬澗水庫(kù) , 主要是給孟州引沁灌區(qū)供水 ,如圖 4 所示。圖4 焦作市河流水系一覽圖對(duì)焦作市 1956 年-2000 年的歷史天然來(lái)水資料進(jìn)行長(zhǎng)系列 優(yōu)化模擬。供水水源有 : 蓄水工程、引水工程、提水工程、非常 規(guī)水源、南水北調(diào)水、引黃河水、淺層地下水、深層地下水等 8 個(gè)

13、水源 ; 用水部門有 :城鎮(zhèn)生活、城鎮(zhèn)生產(chǎn)、農(nóng)村生活、農(nóng)村生產(chǎn) 和生態(tài)環(huán)境 5 個(gè)用水部門。水源與用水部門之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。本文研究焦作市水資源分配的基本任務(wù)是以下 5 方面。劃分計(jì)算單元。計(jì)算單元的劃分依據(jù)是 :按照焦作市的地 形、地貌和地下水賦存情況來(lái)劃分 , 并且每個(gè)縣市的城區(qū)單獨(dú)劃 分為一個(gè)單元。這樣 ,整個(gè)焦作市一共劃分為 19個(gè)計(jì)算單元 , 分 別為:沁陽(yáng)山區(qū)、沁陽(yáng)城區(qū)、沁陽(yáng)平原區(qū) ;博愛山區(qū)、博愛城區(qū)、 博愛平原區(qū) ; 焦作山區(qū)、焦作城區(qū)、焦作平原區(qū) ; 修武山區(qū)、修武 城區(qū)、修武平原區(qū) ; 孟州山區(qū)、孟州城區(qū)、孟州平原區(qū) ; 溫縣城區(qū)、 溫縣平原區(qū) ;武陟城區(qū)、武陟平原區(qū) ,如

14、圖 5所示,焦作市水資源 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖如圖 6 所示。圖5 焦作市單元圖圖6 焦作市水資源系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖水源優(yōu)先規(guī)則。優(yōu)先分配非常規(guī)水，然后依次為南水北調(diào) 水、引黃河水、引水工程、提水工程、蓄水工程 , 最后是淺層地 下水和深層地下水。用水戶優(yōu)先規(guī)則。優(yōu)先考慮河道內(nèi)生態(tài)用水 （以河道最小 生態(tài)基流來(lái)控制 ） 、河道外生態(tài)用水、 再次為生活用水 , 最后是生 產(chǎn)用水。對(duì)規(guī)劃水平年 （2020 年）在 75%的來(lái)水頻率下進(jìn)行水資源 配置。在預(yù)期的需水預(yù)測(cè)、 新增工程等條件下進(jìn)行供需平衡分析。最后得出水資源分配結(jié)果。 結(jié)果中的生態(tài)用水不包括河道 內(nèi)生態(tài)用水 , 河道內(nèi)生態(tài)用水已經(jīng)在河道天然徑流量中扣除。計(jì)

15、算結(jié)果通過計(jì)算機(jī)的模擬演算 , 焦作市 2020 年規(guī)劃年 75%頻率下各 水源供水情況如表 1所示 , 行政分區(qū)水資源配置結(jié)果如表 2所示。表 1 2020 年規(guī)劃年 75%頻率下行政分區(qū)工程供水情況萬(wàn) m3行政分區(qū)市區(qū)修武縣博愛縣武陟縣溫縣孟州市沁陽(yáng)市焦作 市地表水地下水非常規(guī)水蓄水 398.99 1 914.00 11 054.29 4 181.52 13 221.53 10679.49 5 147.77 46 597.59引水 0.00 0.00 0.00 0.00 328.02 6 634.06 5 069.79 12031.87提水 0.00 804.01 0.00 0.00 48

16、3.25 113.36 381.47 1 782.09引黃水 0.00 650.00 0.00 14 438.01 0.00 0.00 0.00 15 088.01南水北調(diào) 14 051.281 516.77 0.00 1 196.87 2 992.81 0.00 0.00 19 757.73小計(jì) 14 450.274 884.78 11 054.29 19 816.40 17 025.6117 426.91 10 599.03 95 257.29淺層地下水 4 317.989 543.057 912.06 6 414.75 43.32 1 189.37 11 055.01 40 475.54

17、深層地下水 6 768.50 59.98 0.00 692.75 0.00 530.09 2 001.18 10 052.50小計(jì) 11 086.48 9 603.03 7 912.06 7 107.50 43.32 1 719.46 13 056.19 50 528.04礦井水 1 498.70 1 090.01 0.00 0.00 0.00 0.00 1.83 2 590.54集雨水 3.23 46.88 15.60 12.68 0.00 12.50 16.48 107.37小計(jì) 1 501.93 1 136.89 15.60 12.68 0.00 12.50 18.31 2 697.91

18、總供水 27 038.68 15 624.70 18 981.95 26 936.58 17 068.93 19 158.87 23 673.53 148 483.24表 2 2020 年規(guī)劃年 75%頻率下行政分區(qū)水資源配置結(jié)果表行政分區(qū)項(xiàng)目城鎮(zhèn)農(nóng)村 生活生產(chǎn)生活生產(chǎn)生態(tài)合計(jì)市區(qū)修武縣博愛縣武陟縣溫縣孟州市沁陽(yáng)市焦作市需水量/萬(wàn) m34856.79 15 719.17 174.11 3 823.68 2 465.23 27 038.98供水量 / 萬(wàn) m34856.79 15 719.16 174.11 3 823.36 2 465.1627 038.68缺水量/萬(wàn) m300.01 00.3

19、2 0.07 0.30缺水率(%)0000.01 00需水量/萬(wàn) m3742.24 3 887.33 342.32 11 016.57 352.79 16341.25供水量/萬(wàn) m3742.24 3 170.77 342.25 11 016.45 352.79 15624.70缺水量/萬(wàn) m30716.56 0.07 0.12 0716.56 缺水率(%)018.430.02004.38需水量 / 萬(wàn) m3751.60 8 751.54 734.39 11 813.40 281.37 22332.30供水量/萬(wàn) m3751.57 7128.16 734.39 10 086.41 281.37

20、18981.95缺水量/萬(wàn) m30.03 1 623.38 01 726.99 03 350.35缺水率 (%)018.55014.62015.00需水量/萬(wàn) m31230.75 3 995.20 1 074.97 20 392.22 246.74 26 939.88供水量/ 萬(wàn) m31230.72 3 991.88 1 074.96 20 392.22 246.72 26 936.58缺水量 / 萬(wàn) m30.03 3.32 0.01 00.02 3.30缺水率 (%)00.08000.010.01需水量/萬(wàn) m31 069.54 3 931.33 565.92 11 469.82 43.29

21、 17 079.89供水量/萬(wàn) m31 069.45 3 921.62 565.92 11 468.62 43.29 17 068.93缺水量/萬(wàn) m30.09 9.71 01.20 010.96缺水率 (%)0.010.2500.0100.06需水量/萬(wàn) m3727.26 4 583.32 688.95 13 126.98 41.12 19 167.64供水量/萬(wàn) m3727.20 4 575.00 688.92 13 126.59 41.12 19 158.87缺水量/萬(wàn) m30.06 8.32 0.03 0.39 08.77缺水率 (%)0.010.180000.05需水量/萬(wàn) m31 609.98 6 817.32 436.29 17 037.66 435.04 26 336.29供水量/萬(wàn) m31 609.98 4 161.77 436.29 17 030.28 435.0423 673.53缺水量/萬(wàn) m30 2 655.55 07.38 02 662.76缺水率 (%)038.9500.04010.11需水量/萬(wàn) m310 988.16 47 685.21 4 016.95 88 680.33 3865.58 155 236.22供水量/萬(wàn) m310 988.16 42