5.4　区域水资源配置模型构建

5.4.1　水资源配置模型

本项目研究范围为漳卫南局管辖范围。漳卫南局管辖范围为岳城水库及以下漳河、淇门以下卫河、刘庄闸及其以下共产主义渠、卫运河、漳卫新河、南运河(四女寺至第三店),河道干流总长为814km,堤防长为1536km。进行区域水资源配置模型计算的目的是分析确定规划年岳城水库来水量和卫河干流来水量,最终确定确定漳卫南局管辖范围取水总量控制指标。

漳卫南局管辖范围内取水总量控制指标主要可以分为两部分:一是岳城水库可供水量;二是卫河来水水量,即卫河干流处元村集来水水量。本次利用水资源配置模型,参考模型率确定的相关参数,并做适当调整,以规划水平年流域内各计算单元需水量为基础,计算得到岳城水库可供水量和元村集来水水量。辅以岳城水库历年实际供水水量和元村集水文站实测水量统计分析,与模型计算结果相校验,最终确定漳卫南局管辖范围内取水总量控制指标。

5.4.1.1　模型简介

基于规则的面向对象水资源配置模型(Rulesbased Object-oriented Water Allocation Simulation Model,ROWAS)是以水源运移转化的宏观物理机制为基础的系统模拟模型(以下简称“水资源配置模型”),由中国水利水电科学研究院牵头研发。2007年,水利部发文要求海河流域开展综合规划修编工作,海河水利委员会委托中国水利水电科学研究院利用水资源配置模型开发和建立针对海河流域水资源与其开发利用特点的海河流域水资源配置模型。本次在该水资源配置模型基础上,对模型相关输入参数进行调整,构建了针对漳卫南运河流域水资源及其开发利用特点的水资源配置模型。

水资源配置模型是将流域水资源循环系统与人工用水的供、用、耗、排过程相适应并互相联系为一个整体,以高效、公平和可持续为原则,进行区域之间、用水目标之间、用水部门之间的水量和水环境容量的合理调配,进行规划水平年流域水资源供需平衡分析、大型水库(重要控制节点)来水水量预测。水资源配置模型的核心理念是通过从实际到数学描述的转化并从中提炼规则来模拟水量转移过程。

5.4.1.2　技术原理

(1)模拟技术。

模拟技术是根据对系统实际过程的深入分析,模仿实际系统的各种效应,对系统输入给出预定规则下的响应过程。对于水资源配置,模拟模型的基本思路就是按照符合实际流程的逻辑推理对水资源配置系统中的水资源存蓄、传输、供给、排放、处理、利用、再利用、转换等进行定量分析和计算,以获得水资源的配置结果。模拟模型根据不同的输入信息以内部预定的逻辑判断完成相应的系统输出结果。所以模拟模型也可以看作是一种带有复杂输入、输出和中间过程,并可以由外部控制的“冲击-响应”模型。

水资源配置模型是在主体过程上把握水循环和人工用水的全部过程,在遵循水量传递的各种主要约束的基础上实现对系统的模拟,而不深入探讨一些细节过程。

(2)系统概化及系统网络图。

系统概化是通过抽象和简化将复杂系统转化为满足数学描述的框架,实现整个系统的模式化处理。系统概化是建立分析框架的必然途径,可以实现实际系统到数学表达的映射和转换,为建立模拟模型奠定基础。通过系统概化提炼出具有代表性意义的系统元素是建立系统框架的基础。

图5.4.1给出了一个典型的水资源系统概化处理结果。实际过程中各类水源在工程、节点与用水户等实体间完成相应的传输转化并影响系统总体状态;各类实体在该过程中承担着控制和影响水量运动的作用,其物理特征和决策者的期望决定了其作用的方向。通过系统概化可以明晰需要考虑的各类相关元素,选取并提炼与水源运动相关的实体,以点线概念表达水源本身和这些实体,并建立这些概化元素之间的水量传递转换关系。

在完成系统概化工作后,即可描绘研究区域的系统网络图。系统网络图是对系统的抽象概化反映,描述模拟范围内需要考虑的概化元素和相互关系。以概化后的点线元素为基础,系统网络图通过供水系统、污水处理及传输系统、单元河网调蓄系统、水利工程超蓄水量传输系统等子网络共同构筑天然和人工用水循环系统。系统网络图中的各类点线元素是长系列模拟中的各类供用耗排等水量变化过程的承载体。可以说系统网络图是系统概化成果的进一步表达,通过系统网络图就可以将实际系统与模拟系统建立一一对应的关系。

图5.4.2为一个简单的水资源系统网络图。

(3)计算准则。

水量平衡是模拟水资源系统过程必须遵循的基本原则,也是核实检验计算过程的基本准则。基于规则的模拟过程中根据水量传输的可能途径对水量传递作了各种处理。对于基于规则的水资源配置模型,计算过程严格遵守各个点和线的水量平衡进行,对于区域的水量平衡分析需要确定相关平衡项。

对于区域的水量平衡分析,以区域范围为边界条件,其总平衡式为

式中 Win——进入区域的水量,包括区域的本地水资源量和入境水量;

Wout——排出区域各项水量,包括出境水量和各类耗水量;

Wsv——区域内的水量蓄变量,包括地表蓄变量和地下水蓄变量。

将以上各项按照其意义展开后,区域水量平衡方程可以进一步列出:

当地产水量+入境水量+深层承压水开采量+非常规水源利用量+跨区调入水量-出境水量-跨区调出水量-区内经济耗水量-区内非用水耗水量=区域地表水蓄变量+区域地下水蓄变量

以上平衡关系对于任何时段和区域的组合均成立。

地表工程是进行水资源调控管理的重要手段,其水量平衡与系统水量平衡密切相关。模型中地表工程严格遵照水量平衡约束进行模拟计算,其水量平衡式为

式中 V末——时段蓄水末值;

V初——时段蓄水初值;

O初——天然入库水量;

P——上游单元用水扣减量;

A——上游污水退水进入量;

Q——上游地表水工程供水量;

R——上游地表水工程弃水量;

S——上游单元河网弃水量;

U——供出水量;

W——弃出水量;

T——蒸发损失量;

Z——渗漏损失量;

t——上游污水渠道数;

j——上游地表水工程供水渠道数;

k——上游地表水工程弃水渠道数;

l——上游单元河网水渠道数;

m——供水渠道数;

n——弃水渠道数。

地表工程的水量平衡关系遵从叠加原则,即对于单个工程存在上述水量平衡关系,在由多个工程构成的工程系统也满足上述平衡方程式。

(4)系统规则集。

对于概化系统而言,系统各类水量可能的传递途径已经由系统网络图给出,但并不能就此确定各类水量转换的具体过程。需要对水量运动做进一步控制得出符合实际经验的微观层次水源转化的详细过程,这种控制即是由规则实现的。

水资源系统模拟模型需要针对不同的过程提供不同类别的规则,各类规则构成的规则集为系统模拟提供了不同的约束,使模拟的设计不仅在宏观结构上指导思路清晰,并满足微观过程计算要求。水资源配置模型的运行完全依据所制订的各种规则进行。当系统输入不变时,规则的变化将对水资源配置结果产生相应的影响,因而确定合理可行、切合实际的模型系统规则至关重要。

分析模拟所涉及的不同层次问题,可将模拟规则划分为基本规则、概化规则和运行规则三类,各类规则为系统模拟提供了不同的约束,系统规则集即为这几类规则的统称,其中:

基本规则是针对系统水资源配置所制定的基本原则,给定了模拟的框架,在制定其他相应规则时必须遵守。

概化规则是系统概化处理应遵循的原则和假设,是从实际复杂系统到数学方法描述的映射转换所应遵循的实际存在或假定的依据。

运行规则是模型的具体算法,通过运行规则可以实现各类水源通过不同工程的调蓄传输分配给各个用户的过程。运行规则需根据决策方案以及实践经验制定。

采用基于规则的模拟更加接近于水资源系统运行管理中的实际操作,容易被专业人员和领导理解。专家规则中含有一定的知识、经验、偏好等综合因素,可以使模拟过程符合基本原则,在总体上追求效益最大化,能够做到近似最优,并且贴近实际情况,便于更好地为决策部门提供决策支持。

(5)模块化分割。

模块化分割即是根据计算过程中各部分功能的不同将系统整体划分为相互关联,但又具备一定独立性的功能模块,针对各模块的过程进行详细设计的方法。系统规则集为各类水源的利用和处理定义了一个相对封闭和独立的子系统,同时对每一类子系统又规范了其计算范围和框架。水资源配置模型中采用模块化分割对各个子系统功能作封闭式处理,并通过各子系统间的相关关系将各模块有机整合实现系统功能。

通过模块化分割处理可以深入细致地处理各功能块内部的细节流程,便于多个开发者同时参与模型设计和编制工作。通过模块之间的组合完成主控程序的总体目标可以使系统框架更清晰、可扩展性更强。

(6)系统构架及实现。

系统构架包括两个层次:一是计算模型框架,即在对模拟系统模块化分割后按照一定逻辑关系建立有机耦合各子系统;二是系统平台的构架,即在模型计算部分完成后,计算模型和数据处理平台和界面系统交互的整体性结构。建立第一个层次构架后能编制可用的计算性模型,完成第二层次构架后方能得到完整实用的软件系统。本文重点讲述前者,即计算模型框架的建立。

计算模型框架即是要以水资源概化系统为基础,可以建立完整合理融合各子系统的计算流程。通过计算模型框架可以反映系统中有水源与用户之间以及水源之间的关系,从而对各模块的计算结果按照这些关系和控制参数计算出整体过程。

在完成计算模型框架后,需要通过计算机编程实现模型功能,这一步称为模型的实现。编程语言的选用需要考虑的原则包括:①能有效反映系统构架;②具备较强的可扩展性;③具有较强的计算效率,适应模拟模型快速反馈调整的要求。

5.4.2　流域系统概化

漳卫南局管辖范围内河道来水水量取决于上游区域水资源条件和上游区域对于地表水、地下水、外调水和非常规水的供用耗排情况。

根据本项目任务要求,配置模型研究和应用的区域为漳卫南运河流域,同时为了与已有模型构架相协调,充分利用现有数据资料,增强模型计算结果准确性,主要以三级区套地市作为基本计算单元,并作适度调整。漳卫南运河流域内共划分了14个三级区套市为计算单元,分别为:山西省的清漳河山区晋中市、浊漳河山区长治市和卫河山区晋城市;河北省的漳卫河山区邯郸市和漳卫河平原邯郸市;河南省的漳卫河山区安阳市、卫河平原安阳市、卫河山区焦作市、卫河平原焦作市、卫河山区鹤壁市、卫河平原鹤壁市、卫河山区新乡市和卫河平原新乡市。另外,与漳卫南运河流域有水力联系或用水需求的计算单元,本次模型概化为子牙河平原邯郸、徒马河邯郸市、黑龙港地区河北省和徒马河山东省4个计算单元。

为更准确地模拟重点大型水库工程、引提水工程实际状况,模型模拟中对地表工程中的大型水库和重点引提水工程进行了单独模拟计算,包括了本次重点研究对象岳城水库。另外,为分析省界断面来水情况,将重点河段的省界断面作为单列计算结点,包括了本次重点研究对象卫河豫冀边界。以满足水资源配置对行政区间水量分配和重要控制断面的过流影响。

对于其他中小型地表水利工程、地下水工程、污水处理再利用工程,系统中以计算分区为单位采用相关参数对其概化表达。

根据上述计算单元和节点,可以绘制漳卫南运河流域水资源系统网络图,从而描述流域地表水供水系统内工程与工程之间、工程与计算单元之间的各种水力联系,为建立全流域的水资源配置模型奠定基础。

漳卫南运河流域水资源配置系统网络如图5.4.3所示。

5.4.2.1　流域水系概化

流域水系概化以天然水力关系为主,以地表节点为中心描述其主要的水量供给和排放关系,对漳卫南运河流域内地表供水节点之间的供水关系和排水关系进行连接,建立漳卫南运河流域水资源系统网络图中的地表水供水关系与弃水排水关系。

流域内主要地表水供水节点及其供水与弃水关系如下:

清漳河来水和相关单元河网水与退水、弃水经清漳晋冀边界节点流入观台;清漳晋冀边界,清漳河流域山西和河北的省界节点,接受下交漳水库弃水,弃水入观台;关河水库,接受浊漳河山区天然来水,向山西漳卫河山区供水;后湾水库,接受浊漳河山区天然来水,向山西漳卫河山区供水,弃水排入浊漳河晋冀边界;漳泽水库,接受浊漳河山区天然来水,向山西漳卫山区(包括长治市区)供水,弃水排入浊漳河晋冀边界,漳泽水库和长治市也存在水量循环利用情况;浊漳晋冀边界,浊漳河流域山西和河北的省界节点,接受关河水库、后湾水库和漳泽水库的弃水;天桥断,引水节点,接受浊漳河晋冀边界弃水,为漳卫河山区安阳供水,弃水排入观台节点;观台,引水节点,接受清漳河和浊漳河汇合后的来水,为漳卫山区邯郸和安阳两地供水,弃水排入岳城水库;岳城水库,由漳河供水,接受河北漳卫山区、河南漳卫山区和南谷洞水库的弃水,分别为邯郸市、安阳市、河北漳卫平原和河南漳卫平原供水,其中河北52%,河南48%;东武仕水库,接受滏阳河黑龙洞来水,接受河北漳卫河山区的供水和弃水入流,分别向邯郸市和河北漳卫河平原供水,弃水排入黑龙港平原;小南海水库,接受洹河来水,向河南漳卫河平原和安阳供水,弃水排入河南漳卫河平原;盘石头水库,接受淇河来水,向河南漳卫河平原供水,弃水排入河南漳卫河平原;卫河豫冀边界,卫河流域河南和河北的省界节点,接受漳卫平原河南各单元河网水及退水,弃水排入称沟湾;称沟湾,引水节点,接受岳城和卫河豫冀边界的弃水,对黑龙港流域和徒骇马颊流域内的山东和河北计算单元供水,弃水经漳卫新河排入渤海。

5.4.2.2　本地径流及河网水传输

对于单元本地径流,模型输入为计算单元的地表水资源量。本地径流经过本地引提水利用后进入河网,河网在汇集本单元的污水退水后对单元相关用户供水,剩余水量超过河网调蓄能力的需向下游排放。漳卫南运河流域本地径流及河网水传输如下:

漳卫河山区邯郸,超蓄水量排入观台;长治市区,超蓄水量排入漳泽水库;浊漳山区山西,超蓄水量排入关河水库和后湾水库;卫河山区晋城,超蓄水量排入卫河山区新乡;清漳山区山西,超蓄水量排入泽城西安水电站;漳卫河山区安阳,超蓄水量排入小南海水库、盘石头水库和卫河平原鹤壁;卫河山区鹤壁,超蓄水量排入卫河平原鹤壁;鹤壁市区,超蓄水量排入卫河平原鹤壁;卫河山区新乡,接受卫河山区晋城超蓄水量,超蓄水量排入卫河平原新乡;卫河山区焦作,超蓄水量排入卫河平原焦作;焦作市区,超蓄水量排入卫河平原焦作;漳卫平原邯郸,超蓄水量排入徐万仓;卫河平原安阳,接受漳卫山区安阳超蓄水量,超蓄水量排入卫河豫冀边界(代元村集水文站);安阳市区,接受漳卫山区安阳超蓄水量,超蓄水量排入卫河豫冀边界;卫河平原鹤壁,接受卫河山区鹤壁超蓄水量,超蓄水量排入卫河豫冀边界,卫河平原新乡,接受卫河山区新乡超蓄水量,超蓄水量排入卫河豫冀边界;新乡市区,接受卫河山区新乡超蓄水量,超蓄水量排入卫河豫冀边界;卫河平原焦作,接受卫河山区焦作超蓄水量,超蓄水量排入卫河豫冀边界。

5.4.2.3　污水传输

污水传输网络主要包括计算单元未处理污水的排放和处理后污水再利用的走向。根据系统概化原则,未处理污水可以部分排入本单元河网,剩余部分由污水渠道排入下游节点或水汇,进入本单元河网和排放到下游的比例由系统的参数确定,该参数与单元的用水中心和河网控制范围以及调蓄能力有关。部分单元存在未处理污水全部排入本单元河网的情况,但出于对模型结构完整性的考虑,一般仍规定其至少有一个未处理污水的排出渠道,进入下游节点。进入河网的污水按照河网水的概化原则进行处理,处理后污水规定仅供本单元利用。

5.4.2.4　外调水传输

外调水传输网络层主要是调水工程的调水量供给计算单元或节点的路径。根据系统概化,外调水工程可以供水到计算单元或节点,漳卫南运河流域各调水工程的供水关系如下:

(1)南水北调中线:供水到卫河平原焦作、卫河平原新乡、卫河平原安阳、卫河平原鹤壁、濮阳市区、焦作市区、新乡市区、安阳市区、鹤壁市区。

(2)豫北引黄线:引水点包括濮阳市区、新乡市区、卫河平原新乡、卫河平原安阳、卫河平原鹤壁、徒马河河南。

5.4.3　重要参数输入

5.4.3.1　需水数据

模型计算过程中考虑了耗水情况,因此需水数据采用各类用水户毛需水量,并将各用水户需水量设定逐月需水过程。城镇生活、农村生活、工业及三产和城镇生态需水量与水文年型基本无关,故将其平均分配到各月。农业需水量考虑了水文年型的影响,按照农业用水过程线分配到各月。漳卫南运河流域内各省模型率定采用需水量见表5.4.1。各用水户需水量均为年值,其中农业需水量为多年平均值。

5.4.3.2　系统水资源量

系统水资源量包括地表水资源量和地下水资源量、淡化海水、微咸水、雨水利用等一次利用的新鲜水量,不包括处理后污水、河网水等系统内部二次转化形成的水源。处理后污水、河网水、引提水等与水资源量相关,同时也受各类用户水量利用、消耗和排放的影响,因而其可供水量受各类参数的控制。漳卫南运河流域供水水源主要为地表水和地下水,本次主要给出各分区的地表水资源量和地下水可开采量。各分区地表水资源量、浅层地下水可开采量,见表5.4.2。

5.4.3.3　地表控制工程参数

地表控制工程主要是考虑流域内大型水库和主要取水控制引水节点的相关参数,地表控制工程在本次计算中均按照水库考虑,重要参数为死库容和兴利库容。流域内地表控制工程参数,见表5.4.3。

5.4.3.4　外调水工程参数

漳卫南运河流域内主要的外调水工程为南水北调中线工程和豫北引黄工程。模型率定时南水北调中线工程还未建成。影响外调水供水水量的参数主要包括调水水量年过程、调水工程调蓄能力和供水对象及其供水水源等。漳卫南运河流域内包括3个外调水工程,调水工程调水量和供水范围及对象可根据实际情况做相应调整。外调水工程主要参数,见表5.4.4。

5.4.3.5　其他重要参数

本小节主要介绍模型需要率定的重要参数,包括用水参数、耗水参数、排水参数、水力关系参数等。

(1)用水参数。

用水参数包括对某些水源可供水量在单元内部各类用户之间的分配系数,这些水源在计算中只推算出了时段的可供水量,并且可以供给多类用户,主要包括本地水(引提水)、河网水、外调水、处理后污水等。通过水源在用户间的分配参数可以将这些水量配置到指定用户。

(2)耗水参数。

耗水参数是指配置到用户的水量在使用过程中被消耗部分,也即是用水中蒸发回大气的部分占该用户总用水的比例,通常用耗水率来判定。其中,农业用水过程中部分用水下渗补给地下水,该部分水量损失不计入耗水中。由于本次配置以毛需水为基础,从水源供水到用户过程中的水量损失应计入耗水,但用水后的退水排放途径中形成的水量损耗也不计入耗水。耗水率是影响系统水量转化的重要参数。耗水率参数的取定主要以评价资料为基础,同时通过模型参数率定进行核实修正。根据海河实际情况,各类用户的综合耗水系数取值范围,见表5.4.5。

(3)排水参数。

排水参数是指单元用水耗水后剩余水量返回系统过程中的各类控制参数,包括农业用水下渗系数、污水处理后再利用参数、退水渠道水量损失系数。对于漳卫河流域,农业用水的下渗系数一般取值范围为0.3～0.6(下渗水量占耗水后余水的比例),污水处理再利用参数现状下按照调查评价数据处理,规划期则按照不同规划方案设定。

(4)水力关系参数。

水力关系参数主要包括各类渠道的分水系数、水量分配优先级、过水能力以及水量损失系数等。水力关系参数是影响模拟计算结果的重要因素,也是模型率定和参数设置的重点。

流域内地表控制工程一般会存在多个供水单元,其供水分水系数参照已有分水比,并在计算中根据供需平衡结果进行调整。地表控制工程或单元弃水水量的损失体现了流域非用水消耗水量。本次计算中山区的弃水渠道一般不计算水量损失,平原区弃水渠道的损失系数与过水区域的河道条件有关,其过流月损失系数一般取为0.05～0.3,包括蒸发和下渗水量值。

关于调水工程,由于调水工程直接按照端口过水量给出,与计算的毛需水口径对应,调水渠道均无水量损失。各调水渠道的分水比参照调水工程对各单元的涉及供水量进行设置,并在计算中根据结果进行调整。