王華 WANG Hua

（河南省豫北水利工程管理局，新鄉(xiāng) 453002）

0 引言

水資源配置涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方方面面，通過(guò)綜合協(xié)調(diào)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等各要素，實(shí)現(xiàn)水資源在這些要素之間科學(xué)合理的運(yùn)行[1]。我國(guó)總體上是一個(gè)水資源匱乏的國(guó)家，實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置，對(duì)于整個(gè)國(guó)家的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展至關(guān)重要[2]。在最新的“十四五”發(fā)展規(guī)劃綱要中，也明確提及要加強(qiáng)水資源優(yōu)化配置的能力[3]。因此，開(kāi)展水資源配置相關(guān)研究有著重要的工程意義。

關(guān)于水資源配置方面的研究現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要集中在如下幾個(gè)方面：其一，水循環(huán)模型方面的研究；其二，水資源系統(tǒng)模擬和配置耦合模型方面的研究。這些研究取得了大量的研究成果，對(duì)于推動(dòng)區(qū)域水資源優(yōu)化配置，提高水資源的配置和利用水平，起到了良好的推動(dòng)作用。但是，這些研究往往沒(méi)有考慮水循環(huán)模型中人的活動(dòng)對(duì)水資源的反饋。實(shí)際當(dāng)中，人的活動(dòng)以及再生水都對(duì)水資源配置有著不可忽視的影響。因此，本文基于水資源綜合模擬與調(diào)配一體化模型（Water Allocation and Simulation Model，WAS），開(kāi)展水資源配置的分析，以期為實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的水資源利用提供理論支持。

1 水資源綜合模擬與調(diào)配模型構(gòu)建

水資源配置需要以水資源供需分析為基礎(chǔ)，開(kāi)展一系列的水量平衡計(jì)算，包含水的供給、水的利用以及水資源供給與利用相結(jié)合等3個(gè)方面。在水資源的需求方面，首先是合理調(diào)整各個(gè)產(chǎn)業(yè)對(duì)水資源的總體需求，根據(jù)自身水資源的條件，合理進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整與布局。在水資源的供給方面，則是加強(qiáng)各天然水資源的的管理，并通過(guò)工程技術(shù)手段進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)分配。開(kāi)展流域水量平衡計(jì)算，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)整個(gè)流域進(jìn)行科學(xué)的單元?jiǎng)澐?，然后分別計(jì)算各個(gè)單元水量平衡關(guān)系，再將各個(gè)單元進(jìn)行綜合即可。

水資源的模擬則主要包含產(chǎn)流模擬、河流匯流模擬、再生水模擬等相關(guān)水資源的模擬。其中，產(chǎn)流模擬主要是根據(jù)某個(gè)時(shí)段的降水產(chǎn)流量，計(jì)算一定匯流面積下供水工程的總的來(lái)水量。河道匯流模擬則是計(jì)算單元本身的產(chǎn)流量、外調(diào)水利工程的流入量、單元上游流入量以及單元本身污水退水量。再生水模擬則是計(jì)算再生水的產(chǎn)生量、利用量等[4]。

構(gòu)建水資源綜合模擬與調(diào)配模型的意義在于模擬水資源輸入與輸出之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)配實(shí)現(xiàn)平衡。對(duì)于每一個(gè)計(jì)算單元內(nèi)部，都對(duì)應(yīng)含產(chǎn)流、河流匯流的水量，同時(shí)還有取水與退水的過(guò)程；在計(jì)算單元之間，考慮單元水資源的循環(huán)要考慮內(nèi)部的來(lái)水過(guò)程和上游單元的退水過(guò)程；考慮多個(gè)單元之間的產(chǎn)流水量、河流匯流水量、來(lái)水退水過(guò)程，結(jié)合水資源需求分析進(jìn)行水資源配置，各個(gè)單元配置用水完成后，還要考慮退排水過(guò)程。這樣一來(lái)，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)水資源動(dòng)態(tài)的模擬與配置。

2 水資源綜合模擬與調(diào)配模型分析

2.1 水資源系統(tǒng)的概化處理

開(kāi)展水資源調(diào)配之前，需要對(duì)實(shí)際的水資源系統(tǒng)進(jìn)行抽樣與概化，使得處理后的水資源系統(tǒng)在保持實(shí)際系統(tǒng)主要特征的同時(shí)，還能夠滿足數(shù)據(jù)模型的技術(shù)要求，以此為基礎(chǔ)，開(kāi)展水資源系統(tǒng)的綜合模擬。水資源系統(tǒng)的概化處理主要包含兩個(gè)方面：

圖1 水資源綜合模擬與調(diào)配模型架構(gòu)圖

①確定系統(tǒng)的計(jì)算分區(qū)，選擇分區(qū)內(nèi)涉及的水利工程、劃分可利用水源；設(shè)置河流系統(tǒng)、可控制節(jié)點(diǎn)；劃分用戶分類，并建立水源之間的源匯關(guān)系、用戶與水源之間的供求與回歸關(guān)系等。

②構(gòu)建水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖；利用系統(tǒng)將概化后的水資源系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)連接，使之構(gòu)成水資源區(qū)域系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖既能夠較為準(zhǔn)確地反映出流域水資源系統(tǒng)的主要特征特點(diǎn)，還能夠匹配水資源調(diào)配模型[5]。

2.2 WAS模型水資源供需分析

2.2.1 水資源供給分析

水資源綜合模擬中，供水主要來(lái)自于兩大類：其一，大型水源工程；如大型的調(diào)水工程、大型的引水工程、大型的蓄水工程等。其二，概化的水源工程；將計(jì)算分區(qū)中的中小型規(guī)模的水利工程概化，形成中小型的提水工程、中小型的引水工程、中小型的蓄水工程、地下水工程等。根據(jù)不同的水源的特點(diǎn)，系統(tǒng)可自動(dòng)匹配模型庫(kù)，使得各類水源能夠模型化。這些模型主要包含大型蓄水工程計(jì)算模型、中小型蓄水工程計(jì)算模型、中小型提水工程計(jì)算模型、淺層地下水計(jì)算模型、中深層地下水利用計(jì)算模型、污水回用計(jì)算模型等。供水水源來(lái)水過(guò)程的計(jì)算，大型水庫(kù)按照實(shí)際來(lái)水過(guò)程；中小型水庫(kù)按照計(jì)算單元來(lái)水過(guò)程縮放；調(diào)水工程則是按照實(shí)際調(diào)水量確定來(lái)水過(guò)程。淺層地下水按照多年平均資源量及可開(kāi)采量控制。

2.2.2 水資源需求分析

將水資源需求劃分為農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)用水、生活需水、工業(yè)需水四大類型。其中，農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)用水主要是保障農(nóng)村生活需水與維持正常的生態(tài)平衡，生態(tài)用水則是包含了河道內(nèi)生態(tài)需水、河道外生態(tài)需水。生活用水是維持正常的城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活用水；工業(yè)用水則是維持工業(yè)及其他產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)需水，包括工業(yè)生產(chǎn)、第三產(chǎn)業(yè)用水等。

采用規(guī)劃定額法對(duì)需水量進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。規(guī)劃定額法需要解決兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：用水定額、規(guī)劃水平年相應(yīng)發(fā)展指標(biāo)。其中，用水定額是根據(jù)實(shí)際的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)、節(jié)水情況、相似條件城市的用水定額水平等，參考相關(guān)部門(mén)制定的用水定額標(biāo)準(zhǔn)，綜合各類情況制定出各類用水戶的用水定額。規(guī)劃水平年發(fā)展指標(biāo)一般是根據(jù)發(fā)展規(guī)劃或經(jīng)濟(jì)發(fā)展演技成果制定的預(yù)測(cè)指標(biāo)結(jié)果。將發(fā)展指標(biāo)與用水定額結(jié)合，即可得到用水戶的需水量。

根據(jù)不同用水戶的特點(diǎn)，將需水預(yù)測(cè)模型分為工業(yè)需水行業(yè)預(yù)測(cè)模型、生活需水日定額預(yù)測(cè)模型、農(nóng)業(yè)需水月定額預(yù)測(cè)模型、生態(tài)需水預(yù)測(cè)模型及需水預(yù)測(cè)匯總模型等。

2.2.3 水資源供需平衡分析

在模型系統(tǒng)中，最為關(guān)鍵的是處理好水資源的供需平衡，以實(shí)現(xiàn)水資源的配置均衡。主要內(nèi)容包含如下幾個(gè)方面：①河道水量平衡分析；降水水量經(jīng)產(chǎn)流與匯流進(jìn)入到河道，這是河道水量的主要供給來(lái)源；一部分水量經(jīng)取用后消耗，并通過(guò)廢水排放進(jìn)入河道；上游河道會(huì)流向水庫(kù)/湖泊，其他的水量會(huì)流入下游。同時(shí)考慮河道的蒸發(fā)與滲漏損失量。②水庫(kù)/湖泊水量平衡分析；作為陸地徑流的調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)，水庫(kù)/湖泊還是非常關(guān)鍵的供水節(jié)點(diǎn)，在模型中，水庫(kù)/湖泊水量平衡主要考慮上游河道來(lái)水、外來(lái)調(diào)水、人工取水、泄水量等。同時(shí)考慮水庫(kù)/湖泊的蒸發(fā)與滲漏損失量。③地下水水量平衡分析；地下水平衡主要包含淺層地下水平衡、中深層地下水平衡。主要考慮地下水的開(kāi)采量、地下水徑流量、地下水蒸發(fā)量；中深層地下水平衡還要考慮淺層地下水補(bǔ)充深層地下水的水量。④再生水平衡分析；污水的主要來(lái)源為生活用水與工業(yè)用水，這些污水經(jīng)過(guò)集中處置后，能夠作為一種水資源繼續(xù)進(jìn)入到水資源利用的環(huán)節(jié)當(dāng)中。再生水平衡要考慮再生水的生產(chǎn)能力、再生水的供給分配、污水廢水入河量等。⑤單元水量平衡分析；單元用戶的供水量是響應(yīng)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)、生活用水的總量，體現(xiàn)的是水資源的總體需求。單元水量平衡則要求單元用戶的供水量與單元河道供水量、單元水庫(kù)/湖泊供水量、地下水供水量、再生水供水量、其他供水量之和保持相等。

3 案例分析

河南省是我國(guó)最為重要的農(nóng)業(yè)大省之一，處理好河南省水資源系統(tǒng)的模擬與調(diào)配問(wèn)題，對(duì)于我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展與民生都具有重要的意義。根據(jù)河南省水資源系統(tǒng)的實(shí)際情況，劃分河南省水資源系統(tǒng)模擬模型計(jì)算單元為60個(gè)，以便于更好地分析；關(guān)鍵水資源要素為4大主要的流域，分別為淮河流域、黃河流域、長(zhǎng)江流域、海河流域；主要的大型水庫(kù)、湖泊數(shù)量約為30個(gè)；河南省內(nèi)配置有大型的南水北調(diào)工程；近來(lái)來(lái)，河南省工業(yè)用水循環(huán)利用的比例不斷提高。根據(jù)水資源分布數(shù)據(jù)、歷年水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展河南省水資源需求及供給的模擬與配置分析，結(jié)果如表1所示。

表1 河南省水資源供需模擬與配置分析

可以看出，2000年以來(lái)，河南省總體上處于輕度水資源缺乏的狀態(tài)，隨著南水北調(diào)等水利工程的投入使用，以及各個(gè)產(chǎn)業(yè)水資源利用效率的提升，河南省水資源缺乏的情況有所緩解。各流域的缺水情況也有所不同，海河流域與淮河流域缺水情況相對(duì)較重。在水資源調(diào)配中，應(yīng)適當(dāng)向淮河流域傾斜。

4 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及水資源配置系統(tǒng)分析方法的提升，使得復(fù)雜條件下水資源配置模型的求解更加精確。在理論上，加入更多的約束條件和模型內(nèi)部關(guān)系的條件，能夠?qū)崿F(xiàn)更加滿意的計(jì)算結(jié)果，也能夠?qū)崿F(xiàn)超大規(guī)模的水資源宏觀規(guī)劃與調(diào)控。本文中，主要研究了水資源模擬相關(guān)的產(chǎn)流模擬、河流匯流模擬、再生水模擬模型，以及水資源配置相關(guān)的供需關(guān)系，分析了河道水量平衡、水庫(kù)/湖泊水量平衡、地下水水量平衡、再生水水量平衡等，最終實(shí)現(xiàn)單元水量平衡分析。以河南省為例，開(kāi)展了簡(jiǎn)要的水資源模擬與配置分析，為河南省水資源精細(xì)化管理與評(píng)價(jià)提供了一定的參考。