广义水资源合理配置研究_模型

2007年2月

水 利 学 报

SHUILI XUEBAO 第38卷 第2期

收稿日期:2006-03-27

基金项目:科技部西部开发重大项目(2004BA901A17)

作者简介:赵勇(1977-),男,安徽人,博士,主要从事水资源合理调配和高效利用研究。E -mail:zy665@tom.co m 文章编号:0559-9350(2007)02-0163-08广义水资源合理配置研究(ò)

)))模型

赵勇,陆垂裕,肖伟华

(中国水利水电科学研究院水资源研究所,北京 100044)

摘要:广义水资源合理配置的目的是实现广义水资源在经济系统和生态系统中的合理分配,本文根据广义水资源合理配置的内涵、目标、研究框架、调控体系等,开发了广义水资源合理配置模型(WACM),该模型由水资源合理配置、水循环模拟和水环境模拟模块组成。WACM 模型通过采用层层嵌套、逐步细化的模拟机制,以及不同尺度模型之间分解和聚合的信息交互方式,实现区域水量-水环境-水循环过程的动态配置与模拟,保证广义水资源在经济社会和生态环境系统间分配的合理性。模型可实现全口径供需平衡分析,有效拓展了传统集总式配置模型的功效,并通过经济、生态、环境和水循环响应的合理性检验,可以及时反馈和调整广义水资源合理配置方案,保证广义水资源配置的合理性。

关键词:广义水资源;合理配置;水循环;水环境

中图分类号:TV213文献标识码:A

1 广义水资源配置系统及模型

广义水资源合理配置是指在经济社会和生态环境系统层面以及经济社会内部各用水部门间进行广义水资源调控,使其在更高的经济社会发展层次和生态环境维护水平上达到新的平衡[1]

。广义水资源合理配置方法是在水资源、经济社会和生态环境评价与预测的基础上,建立广义水资源合理配置方案集,通过对广义水资源的配置及其产生的水循环转化和水环境过程的模拟,进行社会发展、经济效益、水循环过程和生态环境分析,模拟不同水资源配置方案下经济社会发展和生态环境演化状况,为水资源合理配置方案的选择提供社会、经济和生态效益依据,实现广义水资源在经济社会和生态环境之间的合理配置,以满足各部门的合理用水需求,支撑经济社会的可持续发展和生态环境的稳定。

广义水资源配置系统是一个多水源、多用户、多工程,多水源传输途径组成的系统网络。在可供利用的各种水资源中,除可利用的部分海水外,统指淡水资源,相对于传统地表水资源和地下水资源,广义水资源配置还包括土壤水资源,以及降水产生的植被截流和地表填洼水等。对于不同的用水户,根据其内部对水源的不同要求和供用水方式,将需水部门概化为生活、工业、农业、人工生态和天然生态。输水工程除了包括人工供水管道、引提水渠道、污水排水渠道和灌溉退水渠道等人工输水工程之外,还包括自然系统的水分运移输送,自然水分传输可以通过天然河道、下垫面各种土地利用和土壤进行输送运移,各种水源传输转化联系着水源和用水户,不同需水类型对应不同的水源来源,通过建立广义水资源与不同用水部门的配置关系,实现广义水资源在配置系统中的真实模拟。

广义水资源合理配置是在自然系统和人工系统之间合理配置。根据广义水资源合理配置的目标和要求,开发了广义水资源合理配置模型(WAC M),该模型由水资源合理配置、水循环模拟和水环境模拟)163)

模块组成,水循环和水环境模拟模型动态提供水资源配置需要的参数,并在水资源配置过程中,实时模拟广义水资源配置过程中区域水循环和水环境响应状况,实现区域水量-水环境-水循环过程的动态配置与模拟。W AC M模型具有以下特点:(1)广义水资源合理配置模型动态耦合了水资源配置模型和水循环模拟模型,采用层层嵌套、逐步细化的模拟机制,水循环模型模块在大时空尺度的水资源配置单元基础上,以灌域、土地利用和作物种植结构将配置单元进一步细化,保证水循环模拟的精度和配置响应的合理性,使水资源配置更为精细;(2)将水资源配置模型与分布式水循环模型相互耦合,通过分解和聚合的方式实现配水信息和水循环模拟信息的反馈与交互,不仅使配置的水循环效应被模拟和认知,而且配置方案可在全口径供需平衡指标下相互灵活转换,有效拓展了传统集总式配置模型的功能;(3)在水资源供需平衡过程中,供需水随着经济社会和生态系统的响应发生变化,供水项考虑了区域水资源演变过程,经济社会需水考虑了用水结构调整和用水水平的提高等因素,以及不同水资源配置方案下的生态需水动态变化,实现了在经济社会和生态环境两大系统之间以及两大系统内部水资源合理配置;(4)水资源合理配置模型将配水对象扩展到降水和土壤水,配水范围拓展到自然生态系统,实现了宏观决策和微观配水的有机结合。综合分析和评价各个水资源配置方案的差异,可以给出不同水资源配置方案的自然-人工系统水资源供需和水循环态势;(5)以经济、生态、环境和水循环响应作为广义水资源配置方案的合理性检验标准,可以及时反馈和调整广义水资源合理配置方案,保证广义水资源配置的合理性。

2水资源合理配置

模拟和优化是水资源配置的两种手段,模拟模型是一种模拟系统行为的方法,能够较详细的刻画真实系统,但无法寻找问题的最优解,寻求系统的最优决策[2,3]。优化模型具有较强的结构性,能够寻求问题的最优解,但通常需要对系统结构和约束进行简化,导致系统可能和实际有所偏离。两种方法不是完全对立的,可以结合使用,在微观上,采用模拟技术,保证系统刻画的客观性;在宏观上,采用优化保证决策目标的实现。水资源合理配置模型如下。

211目标函数根据水资源合理配置研究区域的特点,水资源合理配置目标可以是以供水的净效益最大为基本目标,也可以考虑以供水量最大、水量损失最小、供水费用最小或缺水损失最小等为目标函数[4]。

选取系统缺水总量最少的目标函数

Min Z=E M m=1E U u=1E K k=1QSH(m,u,k)(1)式中:QS H(m,u,k)为第m时段第u个计算单元第k用水类型的缺水量。

212约束条件系统约束条件主要包括水量平衡约束、水资源消耗量约束、水库蓄水约束、引提水能力约束、地下水使用量约束、地下水位约束、当地可利用水资源量约束、生态稳定性约束、经济效益约束等。

(1)水量平衡约束

1区域耗水总量约束

E12

OTCon(m)[E12m=1OY HL(m)(2)

m=1

式中:OTCon(m)为区域每一个时段可消耗水资源量;OY HL(m)为来水频率为m时区域可消耗的水资源量。

o计算单元水量平衡约束

QSH(m,u,k)=QDM(m,u,k)-QY HS(m,u,k)-QRS(m,u,k)-

(3)

QGS(m,u,k)-QRUS(m,u,k)-QFS(m,u,k)

式中:QSH(m,u,k)、QDM(m,u,k)、QY HS(m,u,k)、QRS(m,u,k)、QGS(m,u,k)、QRU S(m,u,k)、QFS(m,u,k)分别为第m时段第u计算单元第k用水类型的缺水量、需水量、河道供水量、水库供水量、地下水使用量、再生水回用量和山区洪水供用量。

)

)

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?河渠节点水量平衡约束

QH(m,n)=QH(m,n-1)+QR H(m,r)+QRX(m,i)+QRec(m,n)-

(4)

QRC(m,i)-QI(m,n)-QL(m,n)

式中:QH(m,n)和Q H(m,n-1)分别为第m时段河渠节点n和n-1处的过水量;QR H(m,r)为第m 时段河渠上、下断面区间第r河流汇入水量;QR X(m,i)为第m时段河渠上、下断面区间第i水库的下泄水量;QRec(m,n)为第m时段河渠上、下断面区间的回归水汇入量;QRC(m,i)为第m时段河渠上、下断面区间第i水库的存蓄水变化量;QI(m,n)为第m时段河渠上下断面区间的引水量;QL(m,n)为第m时段河渠上下断面间的蒸发渗漏损失水量。

?水库枢纽水量平衡约束

VR(m+1,i)=VRC(m,i)+QRC(m,i)-QR X(m,i)-QVL(m,i)(5)式中:VR(m+1,i)为第m时段第i个水库枢纽末库容;VRC(m,i)、QRC(m,i)、QRX(m,i)、QVL(m,i)分别为第m时段第i个水库枢纽初库容、存蓄水变化量、下泄水量和水量损失。

(2)蓄水库容约束:

V min(i)[V(m,i)[V max(i)(7)

V c min(i)[V(m,i)[V c max(i)(8)式中:V min(i)为第i个水库的死库容;V(m,i)为第i个水库第m时段的库容;V c min(i)为第i个水库的汛限库容;V c max(i)为第i个水库的兴利库容。

(3)引提水量约束:

QP(m,u)[QP max(u)(9)式中:QP(m,u)为第u计算单元第m时段引提水量;QP max(u)为第u计算单元的最大引提水能力。

(4)地下水使用量约束:

G(m,u)

E M

G(m,u)

m=1

式中:G(m,u)为第m时段第u计算单元的地下水开采量;P c max(u)为第u计算单元的地下水开采能力;G max(u)为第u计算单元的年允许地下水开采量上限,M为时段总数。

(5)地下水埋深约束:

L min(m,u)[L(m,u)[L max(m,u)(12)式中:L min(m,u)、L(m,u)和L max(m,u)分别为第m时段第u单元允许的最浅地下水埋深、实际地下水埋深和最深地下水埋深。

(6)当地可利用水量约束:

N(i)[N max(i)(13)式中:N(i)、N max(i)分别为第i个计算单元使用的当地天然来水和当地天然来水可利用量。

(7)最小供水保证率约束:

B(m,u,k)\B min(m,u,k)(14) (m,u,k)分别为第u计算单元第m时段第k类用户的供水保证率和最低供水保式中:B(m,u,k)和B

min

证率。

(8)河湖最小生态需水约束:

QRVE(i)\QREVE min(i)(15)式中:QRVE(i)、QREVE min(i)分别为第i条河道实际流量和最小需求流量,其中最小需求流量可根据水质、生态、航运等要求综合分析确定。

(9)生态稳定度约束:

K(u)\K min(u)(16)

)

)

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式中:K(u)为第u计算单元的生态稳定度;K min(u)为第u计算单元的最小生态稳定度。

(10)经济效益约束:

i\H(17)式中:i为区域总体工程内部收益率;H为预期的最小内部收益率。

3水循环模拟

W ACM模型对不同的区域采取了不同的水循环模拟方式,平原区人类干扰频繁,水循环过程复杂,以平原区分布式水循环模型进行详细模拟,非平原区的水循环模拟主要计算了区域耗水量和小流域治理产生的水循环通量变化。

311平原区水循环模拟强烈的人类活动完全干扰了平原区自然水循环过程,只有从自然-人工复合水循环机理出发,针对平原区水循环的特点,识别降水、地表水、土壤水和地下水的转化规律,才能客观的模拟自然-人工复合水循环系统。W AC M模型建立的平原区分布式水循环模块以日为时段,动态模拟区域蒸散发、地表水、土壤水和地下水转化过程,不仅反映了自然水循环系统的蒸发蒸腾、产流、汇流、入渗、排泄过程,而且也模拟了人类间接影响和直接创造的水循环过程,并系统描述了不同配水情况下的水循环内部转化过程,如地表水与地下水的转换量、引用水与耗水之间的转化关系、地表水引用水量和灌溉退水之间的定量关系,不同计算单元之间地下水交换量等。

根据土地利用类型的不同,平原区分布式水循环模型的水域蒸发、植被截留蒸发、植被蒸腾和裸地蒸发分别采用Penman公式、Noilhan_Planton模型、Penman_Monteith公式以及修正后的Penman公式进行详细计算,不透水域的蒸发根据降水量、地表(洼地)储留能力和潜在蒸发能力(由Penman公式)进行求解。地表水模拟包括引水干渠、支渠渠系、排水系统以及湖泊湿地系统模拟,采用大量经验公式模拟区域径流量与径流深、渠系输水渗漏、灌溉排水退水补给天然湖泊湿地和排水渠道,以及居工地生活和工业耗用水量等关系。土壤水系统概化为地表储流层、土壤浅层和土壤深层,模拟降水和灌水后,由于植物蒸腾和土壤蒸发消耗土壤水引起的土壤水分再分布过程。地下水系统分为潜水含水层和承压含水层,两层地下水之间发生渗漏补给和越流补给,潜水含水层一方面可能通过深层土壤得到渗漏补给,另一方面向土壤水系统输送水分以调节墒情[5~9]。

312非平原区耗水量模拟平原区水循环模拟主要用于分析人类干扰频繁的平原区水循环转化关系,对于以当地降雨消耗为主的山区,或以灌溉为主并有少量回归水的扬水灌区等非平原区,广义水资源配置模型采用水量均衡法模拟其耗水量。

31211农田耗水量以配置单元为计算单元,根据水量平衡原理计算每一单元的耗水量,农田耗水量计算表达式为

E=P+I-$W-R-Q(18)式中:P为降雨量;I为灌水量;Q为入渗量;E为田间蒸散量;R为径流量;$W为土层内储水变化量。其中径流量R=A#P,A为径流系数;入渗量Q为渠系入渗量、田间灌溉水入渗量和降水入渗量之和,渠系入渗量根据灌区引水量及渠系入渗系数推求,田间灌溉水入渗量根据田间灌水量及灌水入渗系数推求,降水入渗量根据降水量及降水入渗系数推求。

31212工业、生活耗水量生活、工业耗水量计算公式如下

W=K1W1+K2W2(19)式中:K1为生活耗水系数;W1为生活用水量;K2为工业耗水系数;W2为工业用水量。

31213灌溉回归水量灌溉回归水量根据地下水补给量、潜水蒸发消耗、排泄量和地下水的蓄变量计算,即

Q o=Q S-Q g-Q D-Q X(20)式中:Q o为灌溉回归水量;Q s为地下水补给量;Q g为潜水蒸发量;Q D为地下水侧向排泄补给河道水量)

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与灌区灌溉回归水量。在地下水位埋深较深地区,潜水蒸发量不予考虑。地下水蓄变量Q X=1000#L# $H,其中L为地下水给水度;$H为地下水位变化(m)。

313山区水循环通量变化模拟小流域综合治理措施实施以后,其减水作用表现在降水产生的地表水资源量的减少和土壤水、地下水的增加。水土保持措施总减水量为各单项水土保持措施减水量之和,即

$W=$W1+$W2+$W3+$W4(21)式中:$W为各项措施减少的年径流量(万m3);$W1为耙地措施减少的年径流量(万m3);$W2为林地措施减少的年径流量(万m3);$W3为草地措施减少的年径流量(万m3);$W4为梯田措施减少的年径流量(万m3)。

各项水土保持措施减水量计算公式如下:

$W i=k i G i PS i,k i S i B i\PS i

k i B i S i,k i S i B i

(22)

式中:$W为各项水土保持措施的减水量(m3);k i为各项水土保持措施减水系数,主要取决于当地工程措施的质量、工程布置的位置以及工程的管理水平;G i为水土保持措施减水效益指标(%);P为降雨量(mm);S i为各项水土保持措施的治理面积(万hm2);B i为各项水土保持措施单位面积的减水效果(m3/ hm2)。

减少的地表水资源有3个去向:蒸散发消耗、增加地下水和增加土壤水。即

$W=$E s+$U g+$S w(23)式中:$W为各项水土保持措施的减水量(m3);$E s为蒸散发增量(m3);$U g为地下水增量(m3);$S w为土壤水增量(m3)。

4水环境模拟

水环境模拟主要研究地表水体的纳污能力与污染物排放量,根据污水处理规划,得到入河污染物量的情况,制定污染物总量控制方案,用于制定不同河道的水环境保护措施[10]。

411污染物排放量预测模拟

41111生活污水量和污染物量预测根据未来不同水平年人口增长率预测成果,同时考虑社会经济发展规划、城镇化率等。生活污水量(污染物量)预测模型为

P n=P0(1+A)n(24)式中:P n为预测年份的生活污水量(污染物量);n为规划年数;P0为基准年生活污水量(污染物量);A 为预测时段内城市人口增长率。

41112工业废水量和污染物量工业废水预测采用产值排污系数法,模型如下

Q i=q n M j(1-$P)j-n(25)式中:Q i为预测年份的废水排放量(m3P年);q n为基准年废水排放系数(m3/万元产值);M j为预测年份的工业产值(万元);$P为预测年份工业用水循环利用年增强率。

不同水平年工业污染物排放量模型为

W i=(q i-q0)C0@102+W0(26)式中:W i为预测年份某污染物排放量(t);q i为预测年份工业废水排放量(万m3);q0为基准年工业废水排放量(万m3);C0为含某污染物废水工业排放标准(mg P L);W0为基准年某污染物排放量(t)。

41113面源污染面源污染主要来自暴雨径流对地面污染物的冲刷进入河流湖库而导致水体污染,污染物主要包括悬浮物、营养盐、耗氧物质、细菌、重金属等,污染源涉及农田、林地、城镇、工矿企业等,其中农田径流较为普遍,其带来的面源污染也是地表水水质恶化的重要原因。由于面源污染具有复杂性、不连续性和涉及面广等特点,污染物与负荷量因时间空间表现的差异很大,其野外实地调查和精确计算较为困难,模型没有模拟此过程,在模型应用时暂时采用调查统计资料。

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412纳污能力模拟对于不同引排水渠道和天然河道,模型纳污能力计算分别采用了一维和二维模型模拟。

(1)一维模型

W=(QkL P u)c s-c0K c

1-K c

(27)

式中:W为纳污能力(g/s);Q为功能区段计算流量(m3/s);k为污染物衰减系数(1/d);L为河段长度(km);u为河段平均设计流速(km/d);c s为规划河段水质标准浓度(mg/l);c0为河段上游来水水质浓度(mg/l);K c=exp(-kL P u)。

(2)二维模型

W=(S-C P)H P D y U X exp

UY

4D y X

+K

X

U

(28)

式中:W为纳污能力(g/s);S为控制点水质标准(mg P l);C p为上游来水水质浓度(mg/l);H为河段平均水深(m);D y为横向扩散系数(m2/s);U为河流平均设计流速(m/s);X为排污口至控制边界纵向距离(m);Y为排污口至控制边界横向距离(m);K为污染物衰减系数(1/s);P为圆周率常数。

5模型耦合研究

在人类活动影响下,区域水循环已演化成自然-人工复合水循环系统,广义水资源配置是在自然水循环系统和人工水循环系统之间合理配置水资源。由于水资源配置过程侧重于描述人工引用耗排水量过程,而水循环模拟则侧重于描述水循环系统的自然过程。因此,需要将水资源配置模拟和水循环模拟耦合研究,更好地模拟自然-人工复合水资源系统,以得到不同水资源开发利用情景下水资源、水环境和水循环状态。

511信息交互广义水资源合理配置模型是水资源配置、水循环模拟和水环境模拟耦合模型,水资源配置将广义水资源在自然系统和人工系统间及其内部分配,水循环模拟和水环境模拟模型根据将水资源配置结果模拟自然和人工系统水循环转化过程和水环境状况,得到不同水资源配置情景下水资源、水环境和水循环响应,提供水资源配置参数,反馈到水资源配置模型,修正配置方案,得到合理的水资源配置结果。水资源配置模拟模型和水循环模拟模型的信息传递是双向的、交互式的,两模型之间存在着时间和空间尺度上的耦合。水资源配置模型通常以月或旬为时间尺度,以大空间尺度为配置单元;而水循环模拟通常以日为时间尺度,空间尺度根据灌域、土地利用和种植结构将配置单元细化。广义水资源配置模型采用分解和聚合的方法模拟水资源配置和水循环模拟的信息交互,如图1所示。

512信息分解广义水资源合理配置信息分解主要是大时空尺度配置结果向小时空尺度水循环模拟模型的分解过程,以模拟水资源配置结果的水循环响应。主要数据信息为水资源配置的供用水信息和污水排放信息,水资源配置模型将大尺度的生活、工业、农业和生态供水量、不同类型水源的用水量、污水排放量等信息分解到小尺度的水循环模拟模型。

(1)生活供用水。生活用水分为城镇生活用水和农村生活用水,生活用水空间分布与人口分布直接相关,将研究区城市人口和农村人口空间化,根据城市和农业人口数量和用水定额,得到每个计算单元内的城市人口和农村人口数量,得到该网格单元的生活用水量。生活耗水量也是根据城镇生活和农村生活分别计算,认为农村生活用水全部消耗,城镇生活耗水根据生活耗水率计算。

(2)工业供用水。工业用水分为一般工业用水和重点工业用水,重点工业用水将在水循环计算单元明确标明,单独计算。一般工业用水将根据实际或规划水平年水资源配置中各行政区的工业用水量分解水循环单元。工业耗水根据工业耗水率计算,未来随着工业用水情况变化而调整。工业地下水的使用考虑深层承压水和潜水开采,工业地表水使用将根据调查和未来规划的工业地表水集中供水量分解到水循环单元。

(3)农业供用水。平原水循环模拟需要将实际灌溉使用的地表地下水量真实客观的分配到每一个

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图1广义水资源合理配置信息耦合示意

计算单元上,才能够客观的进行水循环过程模拟。在进行研究区历史水循环模拟时,采用引水干渠逐日实际引水资料,以及各灌域对应计算单元的实际灌溉面积、种植结构、灌溉制度等信息,得到水循环单元作物日尺度的灌溉水量。规划水平年水资源合理配置方案的日尺度灌溉分解,根据水循环模拟土壤墒情信息,预测田间需灌水量,根据灌域对应计算单元的实际灌溉面积和种植结构等信息,分解到水循环单元日尺度的灌溉水量。农田灌溉地下水实际使用量和规划地下水开采量,根据灌区农用机井分布分解到各个网格单元。

513信息聚合信息聚合主要是水循环模拟模型将耗水、排水、湖泊湿地蒸散发、河道径流、地下水位等小尺度信息聚合到大尺度水资源配置单元。例如,水循环尺度的计算单元耗水量采用下式积分到水资源配置尺度上。

P A=Q S Q T P h(s,t)d t d s(29)式中:P A为配置尺度的耗水量;P h为水循环尺度的耗水量;S为面积;t为时间。

6结语

广义水资源合理配置模型是实现广义水资源在人工系统和自然系统中分配的有效方法,本文构建了广义水资源合理配置模型,该模型由水资源合理配置、水循环模拟和水环境模拟模块组成,通过不同时空尺度模型的耦合,实现区域水量-水环境-水循环过程的动态配置与模拟,为广义水资源合理配置的后效性评价提供了科学基础。W AC M已经在宁夏广义水资源合理配置中得到了实际应用,取得了良好的效果,实现了广义水资源在经济生态系统间的合理配置,在保证区域生态稳定的基础上,提高了区域有限水资源的高效利用水平。

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Study on rational deployment of generalized water resourcesò.Model

ZHAO Yong,LU Chu-i yu,XIAO We-i hua

(China Institute o f W ate r Resourc es and Hydropo wer Re se arch,Bei j ing100044,China)

Abstract:Based on the theory of rational deployment of generalized water resources a model for describing the rational deployment of generalized water resources is developed.The model consists of three modules: the rational water resources deployment module,water cycle simulation module and water environment simulation module.B y applying the hierarchical simulation mechanism and information interchange method for analyzing and reorganizing the information of different scale models the proposed model can be used to simulate the regional variation process of water quantity,water environment and water cycling dyna mically.Thus,the rational deployment of generalized water resources adapting both the requirements of economy and ecology is realized.The model can be use to analyze the balance of supply and de mand in full scale and effectively extends the function of traditional lumped deployment model.The deployment scheme must be adjusted in time according to the feedback information from the rationality test of response to economy,ecology environment and water c ycle to ensure the ra tionality of deployment.

Key words:generalized water resources;rational deployment;model;water cycle;water environment

(责任编辑:王成丽)

5水利学报6八届编委新增三名委员

根据5水利学报6第八届编辑委员会建议,中国水利学会研究决定,增补高安泽同志为5水利学报6第八届编委会顾问,增补周魁一、程晓陶同志为5水利学报6第八届编委会委员。增补的委员主要从事水利史研究、防洪抗旱减灾技术研究和政策研究。此举将使编委会涵盖专业范围更加广泛。(5水利学报6编辑部)

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