基于水量平衡的高效節(jié)水潛力計算

張 紅

(新疆烏蘇市水利局，新疆 烏蘇 833000)

水量平衡嚴格遵守質量守恒定律的變化規(guī)則，通過計算水資源數(shù)量或質量的方式，對某地區(qū)的水文現(xiàn)象及水文過程進行深入分析。這種計算規(guī)則要求參與水循環(huán)的水體數(shù)量，在任意給定時間或地域空間內，始終保持連續(xù)的相變關系，即水資源數(shù)量總是維持收支平衡狀態(tài)。在水量平衡概念的影響下，可將節(jié)水潛力表示為某個固定用水單位在社會經濟條件發(fā)生改變情況下，能夠節(jié)約的最大水資源量[1]。以往，我國相關單位利用節(jié)水評價指標，確定回歸水的重復利用效率，再通過衡量水平衡要素的方式，建立地區(qū)節(jié)水潛力的計算公式。這種方法雖然充分考慮了回歸水指標的利用效率，但在水平衡數(shù)據(jù)收集過程中不能清晰體現(xiàn)節(jié)水指標的波動幅度，易造成節(jié)水潛力計算結果出現(xiàn)偏差。為避免上述情況的發(fā)生，引入水量平衡相關概念，并通過節(jié)水指標重新定義的方式，建立一種新型高效節(jié)水潛力計算方法。對比實驗結果顯示，這種新型計算方法有較強的應用價值。

1 基于水量平衡的需水量預測

它是新型潛力計算方法的搭建基礎，在需水系統(tǒng)劃分等流程的支持下，具體預測方法可按如下步驟進行。

1.1 需水系統(tǒng)劃分

需水系統(tǒng)作為水循環(huán)的重要組成環(huán)節(jié)，包含水載體、水工程、水管理機構等多個基本調節(jié)模塊。需水系統(tǒng)中循環(huán)的水體分為天然水和社會水兩種，且各組成模塊間同時存在相互依賴和相互作用兩種制約關系。天然水主要包含降水、蒸發(fā)兩個組成單元，在不考慮影響因素的條件下，需水系統(tǒng)中的天然水成分幾乎不存在任何不平衡問題。社會水包含生活用水中的供水、用水、排水、回收利用等多個組成部分，通常以人工能量作為水體流通的主要推動力。具體需水系統(tǒng)結構劃分結果如圖1所示。

圖1 需水系統(tǒng)結構劃分效果圖

1.2 需水系統(tǒng)特征分析

需水系統(tǒng)特征是描述水汽輸送、地表底下徑流情況等環(huán)節(jié)水體消耗總量的重要物理量。因自然界水循環(huán)的存在，水分子始終處于不停息的運動狀態(tài)，使得需水系統(tǒng)成為一個巨大的動態(tài)系統(tǒng)。受季節(jié)、溫度、空氣濕度等條件的影響，需水系統(tǒng)水資源總量呈現(xiàn)階段性變化趨勢。隨著水體循環(huán)的不斷進行，地表形成了形態(tài)不一的濕潤區(qū)、干旱區(qū)，且年降水量、年蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)都對地區(qū)需水系統(tǒng)的特征產生影響[2- 3]。設m代表需水系統(tǒng)的運動狀態(tài)參數(shù)，x代表外界條件影響因子，利用m和x可將需水系統(tǒng)的特征分析結果表示為：

(1)

式中，c—需水系統(tǒng)的動態(tài)調節(jié)下限參數(shù)；v—需水系統(tǒng)的動態(tài)調節(jié)上限參數(shù)；g—水體循環(huán)系數(shù)，k—水分子的運動條件誤差因子；l—水資源總量的實部參數(shù)。

1.3 水量平衡關系的確定

節(jié)水潛力計算公式的確定以水量平衡關系獲取作為基礎環(huán)節(jié)，并通過消耗水量分析的方式，完成對該區(qū)域內水體總量的統(tǒng)籌分析。在給定的均衡周期內，需水系統(tǒng)中水體總量的變化情況，主要受到大氣圈降水情況的影響，且隨著地表水體蒸騰作用程度的逐漸增加，大氣圈降水增量也呈現(xiàn)大幅增加的變化趨勢。水量平衡關系作為影響節(jié)水潛力計算結果的關鍵指標，與大氣降水總量始終維持正向相關的變化趨勢。設ξ代表地表水體蒸騰作用強度，σ代表大氣圈降水總量，聯(lián)立式(1)可將水量平衡關系表示為：

(2)

式中，s—消耗水量分析參數(shù)；d—均衡周期的條件參數(shù)；j—水體統(tǒng)籌分析系數(shù)；f—水體資源總量的平均變化周期。

2 高效節(jié)水潛力計算分析

在需水量預測的基礎上，通過節(jié)水指標定義、潛力指標簡化、計算公式確定三個步驟，完成高效節(jié)水潛力的計算分析。

2.1 節(jié)水指標定義

節(jié)水指標定義為可節(jié)約水資源在水體總量中所占比重，即：

(3)

式中，q—節(jié)水指標；W1—可節(jié)約水資源總量；W—水體總量；η—百分制計算規(guī)則。

2.2 潛力指標簡化

潛力指標以水量平衡理念作為研究背景，在節(jié)水指標的支持下，通過激發(fā)地區(qū)水體綜合利用能力的方式，確定與節(jié)水潛力計算結果相關的指標參數(shù)。但該項指標參數(shù)通常具備多個齊次多項式，不利于后續(xù)運算過程。為解決此問題，引入二次回歸曲線，對其進行簡化約分，并通過回歸水量分析的方式，將其結果約分到最簡狀態(tài)[4]。設p代表二次回歸曲線的狀態(tài)參數(shù)，y代表回歸水量分析條件的存在系數(shù)，聯(lián)立式(3)可將節(jié)水潛力指標的簡化結果表示為：

(4)

式中，u—齊次多項式的分解權限系數(shù)；e—二次回歸尺度周期；r—節(jié)水潛力指標的回歸常數(shù)；b—地區(qū)水體的綜合激發(fā)條件初始量；τ—目標潛力指標的冪周期實部；χ—原始潛力指標的冪周期實部。

2.3 高效節(jié)水潛力計算公式的確定

高效節(jié)水潛力計算公式以簡化后的潛力指標和水量平衡關系作為基礎變量，并通過確定尺度范圍的方式，圈畫出在區(qū)域范圍內可激發(fā)的節(jié)水潛力極限。設α代表區(qū)域范圍的橫向規(guī)劃尺度，β代表區(qū)域范圍的縱向規(guī)劃尺度，聯(lián)立式(2)、(4)可將高效節(jié)水潛力計算公式表示為：

(5)

式中，o—高效節(jié)水潛力計算結果；Z1—橫向節(jié)水潛力極限條件的定值參數(shù)；Z0—縱向節(jié)水潛力極限條件的定值參數(shù)。整合上述搭建步驟，實現(xiàn)基于水量平衡的高效節(jié)水潛力計算。

3 實驗結果與分析

為突出說明基于水量平衡新型高效節(jié)水潛力計算方法的實用性價值，設計如下對比實驗。模擬某地區(qū)日常用水情況，分別應用傳統(tǒng)計算方法、新型計算方法對該區(qū)域內的節(jié)水潛力進行計算，其中前者作為對照組、后者作為實驗組。在相同的實驗時間內，分別記錄應用實驗組、對照組方法后，節(jié)水指標波動幅度的變化趨勢。

3.1 實驗參數(shù)設置

為保證實驗結果的真實性，可按照表1對相關實驗參數(shù)進行設置。

表1中參數(shù)依次代表實驗時間、水體資源總量、節(jié)水指標權限系數(shù)，為保證

表1 實驗參數(shù)設置表

實驗的公平性，實驗組、對照組實驗參數(shù)始終保持一致。

3.2 節(jié)水指標波動幅度對比

在水體資源總量不超過7.28×109t、節(jié)水指標權限系數(shù)為0.67的條件下，以30min作為實驗時間，分別記錄在該段時間內，實驗組、對照組節(jié)水指標波動幅度的對比情況。具體實驗對比情況如圖2所示。

圖2 節(jié)水指標波動幅度對比圖

已知標準波動曲線與實際波動曲線間的差值越大，水指標的波動幅度越能得到清晰體現(xiàn)。分析圖2可知，實驗時間為18min時，實驗組實際波動曲線與標準波動曲線的間差值達到最大51.14%；實驗時間為12min時，對照組實際波動曲線與標準波動曲線的間差值達到最大26.52%，遠低于實驗組。綜上可知，應用基于水量平衡的高效節(jié)水潛力計算方法后，確實能夠清晰體現(xiàn)節(jié)水指標的波動幅度。

4 結語

節(jié)水指標波動幅度既能體現(xiàn)水量平衡技術的約束效力，又能充分展示節(jié)水潛力計算方法的應用效果。傳統(tǒng)方法在體現(xiàn)指標波動幅度方面存在一定劣勢，而新型計算方法針對傳統(tǒng)方法的弊端，進行有效改進設計，在水量平衡理論支持下完成節(jié)水潛力計算，簡化了復雜的數(shù)值求取過程，且不需考慮其他因素對計算結果的影響。在應用方面，這種新型計算方法更貼近需水系統(tǒng)的結構劃分準則，能夠始終貼合節(jié)水指標的縱向趨勢，具備極強的實用性。未來相關研究機構可以這種新型節(jié)水潛力計算公式作為基礎，通過不斷細化水量平衡理論的約束作用，使得我國基礎節(jié)水效果達到國際領先水平。