沂河河流需水量與水資源調度研究

李楠

摘 要：通過概化水流模型、水量平衡模型和水資源聯(lián)合調度模型對沂河流域的來水、需水進行預測，確定出調水量。針對不同來水頻率的來水量，基于相應的水量調度模塊進行優(yōu)化調度，以此確定沂河流域水資源調度方案。

關鍵詞：需水量;水資源調度;沂河流域

中圖法分類號：TV213.9? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2020.0407

沂河流域水資源較為豐富，但隨著經濟社會發(fā)展，沂河流域的用水量不斷增加，從而引發(fā)水資源供應不足問題。因此，了解山東沂河流域水資源供需狀況，解決水資源供需矛盾迫在眉睫[1]。

1? 沂河流域概況

沂河也被稱作為沂水，發(fā)源于沂源縣，是山東省中部地區(qū)重要的河流之一，向南流經山東省8個縣區(qū)，最終流入徐州市，總長度約300 km，其中山東省240km，江蘇省40多km。沂河在劉家道口有一個引水口，長約75 km。沂河流域有許多復雜的支流。流域面積約12 000km2，年徑流量約35億m3。[2]

2? 模型原理

2.1? 流域概化及模型

通過對沂河流域的分析，將沂河流域概化為五個水庫、三個用水單元、三個水資源計算分區(qū)、化五個匯水區(qū)、化元素如下圖 1所示。

構建概化數(shù)學模型目標函數(shù)及其約束條件時，水庫調配優(yōu)先保障生活用水，其次滿足河道內生態(tài)用水，合理安排工業(yè)、農業(yè)用水的原則。改水量配置模型中，水庫供給城鎮(zhèn)生活、工業(yè)生產用水的優(yōu)先級要高于農業(yè)灌溉用水。以無定河年取水量的總和為目標函數(shù);以各取水項目取用水地表徑流后的河川徑流量必須保障河流生態(tài)需水量為約束條件;以優(yōu)先保障生活用水，其次保障河道內的生態(tài)需水量，盡可能的供給工業(yè)需水和農業(yè)需水為配置原則。求解目標函數(shù)最大值，即流域內的年最大取水量。具體計算公式如下。

其中：

Z為目標函數(shù)，是無定河流域年取水量的總和;

Xj為各個水庫向用水戶的年供水量;

A為無定河沿河農業(yè)灌溉年取水量;

Dk為無定河沿河生活用水年取水量，p為生活用水戶最大個數(shù);

Cl為無定河沿河工業(yè)用水年取水量，q為工業(yè)用水戶最大個數(shù);

Wi為為控制斷面年徑流量，m為設立的控制斷面?zhèn)€數(shù);

X損失為控制斷面上游水庫因蒸發(fā)、滲漏造成的年損失水量;

X上游下滲量為控制斷面上游水庫年下滲損失量;

Wi生態(tài)為控制斷面上游的年生態(tài)需水量;

Xmax為各水庫年最大供水量;

Amax為流域農業(yè)灌溉用水沿河取水最大值;

Cmax為流域工業(yè)需水沿河取水最大量;

Dmax為流域生活用水沿河取水最大值;

W可利用為流域地表水資源最大可利用量.

2.2? 水量平衡模型

在滿足計算精度基礎上進行水調度時，需要設置不同的節(jié)點，如蓄水、取水、退水節(jié)點，同時確定出合適的取水路徑，基于這些而簡化沂河流域水資源系統(tǒng)，在此基礎上建立起基于數(shù)學語言的簡化系統(tǒng)，為其后的模擬分析提供支持[4]。

通過定義節(jié)點間的這幾種類型節(jié)點和水流路徑，且進行一定連接而建立起此流域的總體網(wǎng)絡圖。分析水文演變因素引發(fā)的影響，而引入線性規(guī)劃模式而標定節(jié)點和對應的路徑參數(shù)，建立了沂河流域水資源與水平衡模型[5]。水平衡模型主要用于水流演進過程中回水參數(shù)的標定，水平衡模塊的總體框架如圖2所示。

2.3? 水庫聯(lián)合調度模型

水資源調度涉及到各方面因素的影響，可將其看作為一個多種目標決策問題。在研究過程中應從城鎮(zhèn)居民用水、工業(yè)、農業(yè)生產和生態(tài)環(huán)境等方面考慮，在滿足防洪發(fā)電目標基礎上，使其用水效益盡可能的提升。在實際調度中，根據(jù)目標的重要性，調整各需水單位的用水量，優(yōu)化總體目標。

3? 水文條件及需水量

3.1? 水文條件

沂河流域降雨量大，且表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特征。根據(jù)相關歷史降雨資料可知，20世紀60年代到80年代間，沂河流域的多年平均降雨量約為850mm，對應的徑流深327mm，年徑流量0.35億m3。而分析此方面的水文監(jiān)測資料發(fā)現(xiàn)，其年徑流量在此階段的變化范圍為8.5～65.9億m3。此流域的降雨在6月至9月表現(xiàn)出明顯的集中性，降雨量占比例達到到全年的65%，相關情況具體如下。

3.2? 河流水資源量與需水量

對現(xiàn)有收集到的資料進行對比分析而確定出適宜的模型進行分析，在基礎上對沂河流域的需水情況進行準確的計算。確定出此流域相應的年人均用水定額取166.67m3/人。計算臨沂市用水單元、徐州市用水單元的生活用水量如下表1。相應的表達式如下所示，其中EW為用水總量;P為人口數(shù);LW為年人均用水量。

對以往的水資源公報相關資料進行統(tǒng)計分析，而確定出此流域的萬元工業(yè)生產值耗水量為9.48m3/萬元?；谝延械臄?shù)據(jù)并通過如下公式預測2019年此流域的用水單元、生活用水量相關情況，且進行一定匯總所得結果如表2。以下表達式中各字符的含義為，RW表示相應的產業(yè)用水總量;Sevi為產業(yè)生產總值;IR則表示水利用效率。

在研究過程中具體分析往年水資源公報和對應的年鑒數(shù)據(jù)，而確定出臨沂市、淄博市、徐州市沂河流域相應的農業(yè)用水定額。在此基礎上預測2019年這三個市各用水單元的農業(yè)灌溉用水量相關情況，對所得結果進行匯總如表3。可基于如下表達式計算。

在研究時具體分析此流域水資源公報、年鑒相關的資料，且綜合考慮到當?shù)毓まr業(yè)發(fā)展和人口增長情況，預測其2019年的需水量。對預測的各用水單元用水結果進行統(tǒng)計分析。相應的需水總額約89 434.18萬m2，而工業(yè)用水占比例為84.8%?？傮w上分析可知臨沂市第二第三產業(yè)相對發(fā)達，因而對應的工業(yè)用水量多，水資源供應緊張問題長期存在，因而很有必要進行合理的水資源利用規(guī)劃。

4? 水量調度方案

根據(jù)中長期供水預測，2019年沂河流域最大供水量15.26億m3。根據(jù)《沂河流域水資源配置報告》，考慮到現(xiàn)有工程的供水能力，預測供水量的10%作為河基流量，其余的為地表可供水量。在計算過程中假設水利工程供水量13.734億m3?；诖朔矫娴囊?guī)劃而確定出此流域的年平均供水量19.66億m3，50%供水頻率20.56億m3，95%供水頻率12.92億m3。

在對2019年水量預測和需水量分析的基礎上，建立了新的月調水方案，并設置了初始水位為正常蓄水位的調水方案。初始水位為正常水位的調水結果，各用水單元的用水保證率見下表4。

沂河流域在每年的3月至5月出現(xiàn)明顯的缺水問題。對比分析發(fā)現(xiàn)各來水頻率下，徐州市用水保障水平明顯高于其他兩個市，這主要和徐州的取水方式以及供水原則都側重于生活用水有關。

5? 結論

本文在研究中主要選擇用水定額方法，進行沂水流域工農業(yè)用水和生態(tài)用水預測。水資源調度模塊在一定的計算結果精度約束基礎上，而調度水資源過程中，對沂河的來水、蓄水、取水節(jié)點等進行設定，且進行一定的簡化而確定出沂河流域的用水數(shù)學模型。帶入相關數(shù)據(jù)確定出沂河流域2019年總需水量為89 434.18萬m3，為對此年度的水庫調度量進行精確預測，而在設置不同來水頻率條件下，模擬分析了水庫調度情況，結果具有一定參考價值。

參考文獻

[1]宋松柏，馮國章，王雙銀，等.綜合利用水庫優(yōu)化調度決策支持系統(tǒng)[J].水科學進展.2002（03）：358-362.

[2]Mays L W，Tung Y K. Hydrosystems engineering and management.[M].1992.

[3]張銘，王麗萍，安有貴，等.水庫調度圖優(yōu)化研究[J].武漢大學學報（工學版）.2004（03）：5-7.

[4]金鑫，郝彩蓮，王剛，等.供水水庫多目標生態(tài)調度研究[J].南水北調與水利科技.2015，13（03）：463-467.

[5]郭文獻，王艷芳，彭文啟，等.水庫多目標生態(tài)調度研究進展[J].南水北調與水利科技.2016，14（04）：84-90.

[6]郭生練，陳炯宏，劉攀，等.水庫群聯(lián)合優(yōu)化調度研究進展與展望[J].水科學進展.2010，21（04）：496-503.

[7]Dariane A，Karami F. Deriving Hedging Rules of Multi-Reservoir System by Online Evolving? Neural? Networks[J].? Water? Resources? Management.? 2014，28（11）：3651-3665.