基于拓?fù)潢P(guān)系的水資源配置模型研究及應(yīng)用

劉移勝，閆少鋒

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院，湖北武漢 430064）

0 引言

水資源的優(yōu)化配置是指將有限的水資源通過工程或非工程措施分配給不同區(qū)域、不同用水部門的用水戶，以達(dá)到相應(yīng)的目標(biāo)［1，2］。目標(biāo)不同，水資源優(yōu)化配置模型就有差異，最常見的是基于經(jīng)濟(jì)效益、用水效率等方面的水資源優(yōu)化配置［3］，近年來隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人們對節(jié)水型社會建設(shè)、生態(tài)文明建設(shè)的認(rèn)識和要求不斷提高，于是陸續(xù)產(chǎn)生了基于節(jié)水優(yōu)先和基于生態(tài)優(yōu)先的水資源優(yōu)化配置研究［4-8］。

針對“多水源-多用戶”的供水模式［1，9］，提出了基于水源-用水戶拓?fù)潢P(guān)系優(yōu)先級調(diào)度的水資源配置模型。該模型的特點(diǎn)是將不同地區(qū)、不同行業(yè)的各個(gè)用水需求具化到用水戶，通過構(gòu)建單個(gè)用水戶對應(yīng)多個(gè)水源、單個(gè)水源對應(yīng)多個(gè)用水戶、用水戶與用水戶之間受水優(yōu)先級、水源與水源之間的串聯(lián)或并聯(lián)關(guān)系及供水次序［10］等等多層次的拓?fù)潢P(guān)系，以優(yōu)先級調(diào)度為主，兼顧用水戶之間的公平［11］，來實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。

以湖北省蘄水灌區(qū)為研究對象，構(gòu)建蘄水灌區(qū)基于水源-用水戶拓?fù)潢P(guān)系優(yōu)先級調(diào)度的水資源配置模型，按照新時(shí)期節(jié)水要求分析計(jì)算各水平年各行業(yè)需水［8］，在蓄水工程優(yōu)先退還現(xiàn)狀被生產(chǎn)生活擠占的生態(tài)水量的前提下，進(jìn)行蘄水灌區(qū)水資源配置計(jì)算，通過配置計(jì)算成果擬定灌區(qū)建設(shè)內(nèi)容、擬定新建渠道規(guī)模、復(fù)核已有渠道規(guī)模，使灌區(qū)生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水需求均得到滿足。

1 模型的建立

基于水源-用水戶拓?fù)潢P(guān)系優(yōu)先級調(diào)度的水資源配置模型通過構(gòu)建水源-用水戶之間的拓?fù)潢P(guān)系，采用優(yōu)先級調(diào)度的方法來模擬流域或區(qū)域的水資源供需過程。

1.1 基于水源-用水戶拓?fù)潢P(guān)系的優(yōu)先級調(diào)度

水源-用水戶拓?fù)潢P(guān)系有4個(gè)層次，分別為：

（1）單個(gè)用水戶對應(yīng)多個(gè)水源時(shí)，各水源之間存在供水優(yōu)先級調(diào)度問題，為第一個(gè)層次。

（2）單個(gè)水源對應(yīng)多個(gè)用水戶時(shí)，各用水戶之間存在受水優(yōu)先級調(diào)度問題，為第二個(gè)層次。

（3）分屬不同行業(yè)的用水戶，其接受供水的優(yōu)先級調(diào)度問題為第三個(gè)層次。河道基本生態(tài)水量在模型計(jì)算時(shí)優(yōu)先退還，處于第一優(yōu)先級；生活和工業(yè)供水保證率95%，處于第二優(yōu)先級；農(nóng)業(yè)灌溉供水保證率80%，處于第三優(yōu)先級。

（4）水源與水源之間存在上下游串聯(lián)關(guān)系、并聯(lián)關(guān)系、充蓄關(guān)系、補(bǔ)償調(diào)節(jié)關(guān)系等，為第四個(gè)層次。

第一層次和第二層次拓?fù)潢P(guān)系用數(shù)字大小表示優(yōu)先級次序，如圖1所示。數(shù)字“1”代表優(yōu)先級第一，“2”代表優(yōu)先級第二……，數(shù)字越大代表優(yōu)先級越低，其中“0”表示水源和用戶之間無供需關(guān)系。

圖1 優(yōu)先級調(diào)度圖Fig.1 Priority scheduling diagram

第一層次和第二層次處于交互狀態(tài)，為了對整個(gè)水資源供需系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，需要對兩層優(yōu)先級進(jìn)行優(yōu)先級統(tǒng)一編碼，確定整個(gè)水資源系統(tǒng)中各個(gè)水源-用水戶供需關(guān)系的優(yōu)先級次序。

設(shè)水源優(yōu)先級調(diào)度矩陣A=（aij），i為水源編號，imax代表矩陣的行數(shù)；j為用水戶編號，jmax代表矩陣的列數(shù)。aij的值表示水源i在用水戶j對應(yīng)的所有水源中的供水優(yōu)先次序，aij=1表示水源i向用水戶j供水次序?yàn)?，aij=2表示水源i向用水戶j供水次序?yàn)?，……，aij=0表示水源i不向用水戶j供水。

設(shè)用水戶優(yōu)先級調(diào)度矩陣B=（bij），i為水源編號，imax代表矩陣的行數(shù)；j為用水戶編號，jmax代表矩陣的列數(shù)。bij的值表示用水戶j在水源i對應(yīng)的所有用水戶中的受水優(yōu)先次序，bij=1 表示用水戶j接受水源i的供水次序?yàn)?，bij=2 表示用水戶j接受水源i的供水次序?yàn)?，…，bij=0表示用水戶j不接受水源i的供水。

中醫(yī)推拿可結(jié)合頭面部及癱瘓肢體穴位,推拿的時(shí)候應(yīng)該盡可能控制推拿的力度,避免引起患者的不適。在按摩后可以進(jìn)行患肢及關(guān)節(jié)功能訓(xùn)練,主要依據(jù)患者訓(xùn)練情況,調(diào)整訓(xùn)練的時(shí)間及訓(xùn)練的頻率。穴位按摩可以采取點(diǎn)按穴位的方式,選擇的上下肢相應(yīng)穴位進(jìn)行按摩,其中上肢穴位:內(nèi)關(guān)、曲池、合谷、肩井、尺澤、鳳池。下肢穴位:涌泉、解溪、太沖、昆侖、三陰交、承山、足三里、陽陵泉。穴位按摩手法輕柔,并且穴位選擇準(zhǔn)確,保證穴位按摩的質(zhì)量。

對一、二兩個(gè)層次優(yōu)先級調(diào)度矩陣進(jìn)行遍歷，重新進(jìn)行統(tǒng)一編碼，形成整個(gè)水資源系統(tǒng)的供需關(guān)系的優(yōu)先級次序1～N，N為所有供水行為的總數(shù)。統(tǒng)一編碼得到兩個(gè)N維列向量C、D，cn儲存第n個(gè)供水行為對應(yīng)的水源編號，dn儲存第n個(gè)供水行為對應(yīng)的用水戶編號，n=1，2，…，N。兩個(gè)層次優(yōu)先級統(tǒng)一編碼具體步驟如圖2所示。

圖2 水源-用水戶優(yōu)先級調(diào)度編碼流程圖Fig.2 Flow chart of priority scheduling coding of water resource water user

優(yōu)先級調(diào)度統(tǒng)一編碼確定了所有供水行為的先后次序，水源工程根據(jù)其與用水戶的拓?fù)潢P(guān)系以及其他規(guī)則，進(jìn)行長系列——逐時(shí)段調(diào)節(jié)計(jì)算，從而得到各水源工程對應(yīng)不同用水戶的逐時(shí)段的供水量。

1.2 考慮用水戶之間公平原則對模型進(jìn)行調(diào)整

當(dāng)優(yōu)先級調(diào)度規(guī)則使得不同地區(qū)之間優(yōu)先級較高的用水戶的供水保證率、缺水率與優(yōu)先級較低的用水戶相差太大時(shí)，考慮到用水戶之間公平原則，需要對水資源配置進(jìn)行局部調(diào)整；當(dāng)不同優(yōu)先級的用水戶的保障程度相差不大時(shí)可以不做調(diào)整。調(diào)整通過設(shè)置水量分配權(quán)重系數(shù)矩陣E=（eim）來實(shí)現(xiàn)，例如水源i供m個(gè)用水戶，對各個(gè)用水戶設(shè)定一個(gè)權(quán)重系數(shù)eim，水源i在用水戶優(yōu)先級調(diào)度基礎(chǔ)上，其當(dāng)前時(shí)段可供水量通過權(quán)重系數(shù)分配給m個(gè)用水戶。各橫向權(quán)重系數(shù)之和為1，即∑eim=1，如圖3所示。

圖3 水量分配權(quán)重系數(shù)Fig.3 Water distribution weight coefficient

1.3 輸水規(guī)模約束控制

骨干引調(diào)水或輸配水工程對地區(qū)水資源配置的典型結(jié)構(gòu)如圖4所示。水庫按調(diào)蓄方式分為三種：充蓄調(diào)節(jié)水庫、在線調(diào)節(jié)水庫和補(bǔ)償調(diào)節(jié)水庫。骨干引調(diào)水或輸配水工程或直供用水戶，或與蓄水工程產(chǎn)生水力聯(lián)系，其各個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸配水量都受輸水系統(tǒng)的規(guī)模限制。模型構(gòu)建時(shí)需對各節(jié)點(diǎn)處的渠系進(jìn)行編碼，順?biāo)鞣较蚬?jié)點(diǎn)以下各分支渠系各時(shí)段的供水量之和不能超出節(jié)點(diǎn)以上渠系的最大輸水能力。

圖4 輸水規(guī)模約束控制Fig.4 Water carrying capacity constraint

1.4 其他規(guī)則

（1）水庫優(yōu)先滿足防洪要求：有防洪任務(wù)的水庫汛期按對應(yīng)不同時(shí)段的防洪限制水位進(jìn)行調(diào)度。

（2）供水限制線規(guī)則：根據(jù)各計(jì)算單元及水源工程的實(shí)際情況設(shè)置相應(yīng)的供水限制線或加大供水線，明確邊界條件，使得水源工程在不同水位條件下按相應(yīng)規(guī)則進(jìn)行調(diào)度。

（3）充庫、補(bǔ)償調(diào)節(jié)規(guī)則：明確水庫選擇何種調(diào)節(jié)方式的適應(yīng)性判別條件、水庫年內(nèi)不同時(shí)段的充蓄水位或補(bǔ)償調(diào)度水位等。

2 模型的應(yīng)用

2.1 蘄水灌區(qū)基本情況

蘄水灌區(qū)位于湖北省黃岡市蘄春縣境內(nèi)，大別山南麓與長江之間，如圖5 所示。灌區(qū)涉及漕河鎮(zhèn)等11 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，灌區(qū)現(xiàn)狀總?cè)丝?0.1萬人，總土地面積654.66 km2，其中耕地面積2.77 萬hm2，現(xiàn)狀灌溉面積1.30 萬hm2，設(shè)計(jì)灌溉面積2.58 萬hm2。整個(gè)灌區(qū)工程包括大同水庫、蟹子地?cái)r河閘等水源工程，以及大同總干渠、其他干渠、支渠、斗渠及田間配套等灌溉工程。大同水庫位于蘄水上游侍郎廟河谷口，為多年調(diào)節(jié)水庫，控制流域面積176.5 km2，多年平均降水量1 417 mm，蒸發(fā)量1 374 mm，徑流深754 mm，總庫容2.66 億m3，興利庫容1.6 億m3。水庫正常蓄水位122 m，汛期5-9 月相應(yīng)的汛限水位為118 m，相應(yīng)庫容為1.5 億m3。大同總干渠全長84.52 km，控制灌溉面積1.53 萬hm2，渠首設(shè)計(jì)引水流量15 m3∕s。灌區(qū)以種植水稻、油菜、蔬菜、花生、中草藥為主。

圖5 蘄水灌區(qū)地理位置示意圖Fig.5 Geographical location of Qishui irrigation area

圖6 蘄水灌區(qū)供水、灌溉系統(tǒng)概化網(wǎng)絡(luò)圖Fig.6 Generalized network diagram of water supply and irrigation system in Qishui irrigation area

（1）各水庫生活供用水由單獨(dú)的生活取水口和輸水工程供給。

（2）蟹鴨片、飛躍片通過支渠從大同總干渠取水灌溉。

（3）花園片主要供水水源為花園水庫，花園東干渠延伸新增部分灌溉面積，花園水庫優(yōu)先保障原有灌溉面積，其次為東干渠延伸新增灌溉面積，該部分灌溉不足水量由大同總干渠引水補(bǔ)充。

（4）鷂鷹巖片水源包括鷂鷹巖水庫、白河攔河堰以及沿江沿湖閘站。鷂鷹巖水庫優(yōu)先供蘄春縣漕河鎮(zhèn)和經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的生活工業(yè)用水，其次供農(nóng)業(yè)灌溉用水，通過泉水坳干渠連通長林崗支渠引水進(jìn)入新橋河可實(shí)現(xiàn)大同總干渠給鷂鷹巖水庫充庫。

（5）黃河廠片水源包括黃河廠水庫、陳云水庫，黃河廠水庫優(yōu)先供生活工業(yè)用水，其次通過向大同總干渠補(bǔ)水供農(nóng)業(yè)灌溉；大同總干渠可以通過蘇圩支渠直供農(nóng)業(yè)灌溉以及向陳云水庫充庫補(bǔ)水。

（6）優(yōu)先利用蟹子地?cái)r河閘的水量通過大同總干渠供灌區(qū)各片農(nóng)業(yè)灌溉，其次利用各片本地水源，最后不足部分由大同水庫通過總干渠補(bǔ)充，充分發(fā)揮大同水庫的調(diào)蓄作用。大同水庫的調(diào)度規(guī)則為：首先退還下游河道被擠占的基本生態(tài)水量，其次供城鄉(xiāng)生活用水，最后供農(nóng)業(yè)灌溉用水；為充分保障城鄉(xiāng)供水安全，對大同水庫供農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)置供水限制線；大同電站發(fā)電用水主要是在汛期泄洪以及灌溉期引水發(fā)電，利用電站的發(fā)電尾水來灌溉，因此電站運(yùn)行不影響大同水庫灌溉供水。

2.2 灌區(qū)需水量分析預(yù)測

灌區(qū)河道外需水量分析采用定額法，根據(jù)現(xiàn)狀及預(yù)測的社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，乘以相應(yīng)的用水定額，得到河道外分行業(yè)需水預(yù)測成果。蘄水灌區(qū)現(xiàn)狀基準(zhǔn)年、2035年多年平均需水量分別為15 904 萬m3、24 918 萬m3，P=80%需水量分別為17 290 萬m3、28 057 萬m3，如表1所示。

表1 蘄水灌區(qū)需水預(yù)測表 萬m3Tab.1 Water demand forecast of Qishui irrigation area

灌區(qū)河道內(nèi)基本生態(tài)需水量分析：按照水生態(tài)文明建設(shè)要求，結(jié)合蘄水灌區(qū)當(dāng)?shù)厮乃Y源情況、用水現(xiàn)狀調(diào)查分析，以及湖北省水利廳關(guān)于做好水庫生態(tài)調(diào)度工作的通知（鄂水利函〔2017〕38 號）等，灌區(qū)內(nèi)蓄水工程需下放下游河道基本生態(tài)水量，汛期按照斷面多年平均來水量的30%、枯期按照斷面多年平均來水量的10%控制。

2.3 灌區(qū)水資源配置計(jì)算

根據(jù)上述蘄水灌區(qū)供水灌溉系統(tǒng)構(gòu)建灌區(qū)水資源配置模型，進(jìn)行1956-2018年長系列調(diào)算，得到灌區(qū)水資源配置計(jì)算結(jié)果，包括灌區(qū)各灌片不同用水戶分配水量，總干渠分段流量復(fù)核結(jié)果，總干渠向鷂鷹巖、陳云等水庫充庫水量，大同水庫和蟹子地?cái)r河閘聯(lián)合調(diào)度等。限于篇幅，在此僅列出大同水庫和蟹子地?cái)r河閘聯(lián)合調(diào)度供水成果，以及蘄水灌區(qū)多年平均、P=80%情況下的配置計(jì)算結(jié)果，如表2、3所示。結(jié)果分析如下：

表2 大同水庫和蟹子地?cái)r河閘聯(lián)合調(diào)度多年平均供水成果表 萬m3Tab.2 Multi year average water supply results of joint dispatching of Datong reservoir and Xiezidi sluice

（1）蘄水灌區(qū)大部分區(qū)域處于地下水水源涵養(yǎng)區(qū)，現(xiàn)狀地下水開發(fā)利用量較小，設(shè)計(jì)水平年維持現(xiàn)狀水平；根據(jù)新時(shí)期節(jié)水要求，設(shè)計(jì)水平年蘄春城區(qū)新增部分中水回用供水量，主要用于綠化、澆灑道路等城市生態(tài)環(huán)境用水以及部分對水質(zhì)要求不高的工業(yè)用水。

（2）蘄水灌區(qū)基準(zhǔn)年灌溉渠系配套不到位，有效灌溉面積僅1.30 萬hm2，該部分農(nóng)業(yè)灌溉需水量1.27 億m3；設(shè)計(jì)水平年達(dá)到設(shè)計(jì)灌溉面積2.58 萬hm2，農(nóng)業(yè)灌溉需水量2.04 億m3，農(nóng)業(yè)灌溉供水量1.94 億m3，滿足設(shè)計(jì)灌溉保證率要求。

（3）當(dāng)單用水戶對應(yīng)多水源時(shí)，根據(jù)各水源調(diào)節(jié)性能、在灌區(qū)灌溉供水系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)位置等因素，綜合確定各水源工程供水的優(yōu)先級。以蘄水灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉為例，灌溉水源包括蟹子地?cái)r河閘、灌區(qū)內(nèi)部水源工程、大同水庫。蟹子地?cái)r河閘無調(diào)蓄能力，其供水優(yōu)先級最靠前；其次為灌區(qū)內(nèi)部水源工程；大同水庫為大型多年調(diào)節(jié)水庫，調(diào)節(jié)性能高，且在灌區(qū)灌溉系統(tǒng)中位于大同總干渠渠首以上，可通過大同總干渠控制整個(gè)灌區(qū)，因此其供水次序置于最后，充分利用其調(diào)蓄能力向整個(gè)灌區(qū)補(bǔ)水，提高灌區(qū)灌溉保證率。

（4）當(dāng)單水源對應(yīng)多用水戶時(shí)，根據(jù)各用水戶對水資源需求的迫切程度、用水戶重要性、用水戶對缺水的敏感程度等因素，綜合確定各用水戶的受水優(yōu)先級。以鷂鷹巖水庫為例，對應(yīng)蘄春縣城區(qū)生活工業(yè)需水和灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉需水，鷂鷹巖水庫優(yōu)先供蘄春縣城區(qū)生活工業(yè)，其次供農(nóng)業(yè)灌溉。

表3 蘄水灌區(qū)水資源配置成果表 萬m3Tab.3 Results of optimal allocation of water resources in Qishui irrigation area

3 結(jié)論

（1）基于水源-用水戶拓?fù)潢P(guān)系優(yōu)先級調(diào)度的水資源配置模型通過構(gòu)建多層次的拓?fù)潢P(guān)系和優(yōu)先級，能夠較好地模擬“多水源-多用戶”的復(fù)雜的水資源供需系統(tǒng)的配置計(jì)算。

（2）蘄水灌區(qū)新建擴(kuò)建工程實(shí)施后，有效灌溉面積由現(xiàn)狀年的1.30 萬hm2提高到設(shè)計(jì)灌溉面積2.58 萬hm2。規(guī)劃水平年蘄水灌區(qū)多年平均總需水2.49 億m3，總供水2.38 億m3，缺水量0.11 億m3，生活工業(yè)供水保證率95%，農(nóng)業(yè)灌溉供水保證率80%，滿足設(shè)計(jì)保證率要求，灌區(qū)水資源供需實(shí)現(xiàn)平衡。

（3）本模型能夠較好地模擬蘄水灌區(qū)的水資源系統(tǒng)，反映水源與用水戶在空間上的分布及水力聯(lián)系，分析成果可為蘄水灌區(qū)綜合管理提供支撐。模型可用于水資源綜合管理、規(guī)劃等分析工作，在模型規(guī)則設(shè)置中還可以進(jìn)一步補(bǔ)充完善。