淺談渦河流域水資源系統(tǒng)及配置網(wǎng)絡(luò)概化

吳 漩1 王敬磊1 劉開磊 陳竹青

（1.安徽淮河水資源科技有限公司 蚌埠 233000 2.水利部淮河水利委員會水文局（信息中心）蚌埠 233000）

1 引言

水資源系統(tǒng)是指處在一定范圍或環(huán)境下，為實(shí)現(xiàn)水資源開發(fā)利用目標(biāo)，由相互聯(lián)系、相互制約、相互作用的若干水資源工程單元和管理技術(shù)單元所組成的有機(jī)體，即以水為主體構(gòu)成的一種特定系統(tǒng)。流域水資源系統(tǒng)涉及水系、水資源、水利工程、用水單元等多類型對象。以單個流域?yàn)橹黧w，進(jìn)行流域水資源系統(tǒng)概化，建立水資源配置網(wǎng)絡(luò)圖，是開展水量調(diào)度模型構(gòu)建的重要基礎(chǔ)工作。本文以渦河流域?yàn)槔?，淺談水資源系統(tǒng)要素概化、計算單元劃分、構(gòu)建水資源配置網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要點(diǎn)，以期為其他流域水資源系統(tǒng)及配置網(wǎng)絡(luò)概化提供參考依據(jù)。

2 水資源系統(tǒng)要素概化

2.1 用戶類型概化

流域內(nèi)用水部門包括城市生活、工業(yè)、農(nóng)村人畜、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)、環(huán)境等，數(shù)量多且類型繁雜。為了便于計算，可把地域相近的用水戶進(jìn)行歸類合并，即進(jìn)行分區(qū)，每一分區(qū)作為一個供水對象。分區(qū)的大小應(yīng)根據(jù)流域特點(diǎn)和行政區(qū)劃情況，結(jié)合水量調(diào)度模型建模需要合理確定。在最新版《全國水資源綜合規(guī)劃技術(shù)細(xì)則》中，按新口徑對用水戶的分類及其層次結(jié)構(gòu)作了細(xì)致的規(guī)定。結(jié)合全國第三次水資源調(diào)查評價的最新要求，采用的用水戶的細(xì)部分類包括：生活用水、生態(tài)用水、工業(yè)生產(chǎn)用水、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水四類。其中，生活需水包括生活用水中的城鎮(zhèn)居民生活用水和農(nóng)村居民生活用水，以及城鎮(zhèn)公共用水中的建筑業(yè)和商飲業(yè)、服務(wù)業(yè)用水；林牧漁副用水計入農(nóng)業(yè)用水中；城市綠化和河湖補(bǔ)水計入“美化城市景觀”生態(tài)用水中。

2.2 水源類型概化

依據(jù)流域現(xiàn)狀供水水源分類，結(jié)合流域水量分配方案所涉及水源劃分相關(guān)內(nèi)容，將水源劃分為地表水水源工程、地下水水源工程、外調(diào)水水源和其他水源。地表水水源一般包括大型水源工程和概化水源工程兩類，各單元水源節(jié)點(diǎn)通過輸水通道形成水源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。對于渦河流域來說，流域內(nèi)部無大中型水庫等控制性工程，只需要考慮概化水源工程。概化水源工程按照計算分區(qū)進(jìn)行興利庫容概化，用于本單元水資源調(diào)蓄與供水調(diào)節(jié)。地下水源工程分為淺層地下水、深層承壓水兩類，分別按照用水分區(qū)進(jìn)行劃分概化。其他水源工程主要指雨水、再生水等特殊水源工程，模型中“其他水源”只考慮再生水的開發(fā)利用。外調(diào)水是渦河流域水資源配置、水量調(diào)度工作中舉足輕重的一部分供水水源，主要包括引黃、引江濟(jì)淮水量。外調(diào)水作為計算單元水資源配置的補(bǔ)充水源，僅當(dāng)本地地表、地下、其他水源不夠的時候，才采用外調(diào)水補(bǔ)充本地，相關(guān)配置水量主要依據(jù)引江濟(jì)淮規(guī)劃文件、渦河流域水量分配方案、河南省渦河流域水量分配方案中外調(diào)水水源水量配置成果。

2.3 水力聯(lián)系概化

由于天然條件下水資源的時空分布不能滿足需水要求，從而需要建立水利工程進(jìn)行水資源在時間和空間上的調(diào)配。供水工程主要類型有：蓄水工程、引水工程、地表提水工程、輸水工程等。水源與分區(qū)分類型用戶之間，通過各種供水工程相聯(lián)系。按照供水工程、概化用戶在流域水系上和自然地理上的拓?fù)潢P(guān)系，把水源與用戶連接起來，形成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖是對真實(shí)系統(tǒng)的抽象概化，主要由水資源開發(fā)、利用、轉(zhuǎn)化的概化元素構(gòu)成。概化元素包括計算單元、水利工程、分匯水節(jié)點(diǎn)、以及各種輸水通道等。

3 計算單元劃分

表1 渦河流域水量調(diào)度計算單元基本信息與各單元水力聯(lián)系概化表

計算單元是劃分的最小級別計算分區(qū)，是各類資料收集整理的基本單元，也是水資源利用的主體對象；在網(wǎng)絡(luò)圖上用長方形框表示，屬于“面”元素。水利工程是網(wǎng)絡(luò)圖上標(biāo)明的水庫及引提水工程等。分匯水節(jié)點(diǎn)包括天然節(jié)點(diǎn)和人為設(shè)置的節(jié)點(diǎn)兩類，前者是重要河流的交匯點(diǎn)或分水點(diǎn)，后者主要是對水量水質(zhì)有特殊要求或希望掌握的控制斷面，在網(wǎng)絡(luò)圖上屬于“點(diǎn)”元素。輸水通道是對不同類別輸水途徑的概化，包括河流水系，水利工程到計算單元的供水傳遞關(guān)系，計算單元退水的傳遞關(guān)系、水利工程之間或計算單元之間的聯(lián)系等，在網(wǎng)絡(luò)圖上屬于“線”元素。以概化后的點(diǎn)、線、面元素為基礎(chǔ)，構(gòu)筑天然和人工用水循環(huán)系統(tǒng)，動態(tài)模擬逐時段多水源向多用戶的供水量、耗水量、損失量、排水量及蓄變量過程，實(shí)現(xiàn)真實(shí)水資源系統(tǒng)的仿真模擬。

計算單元劃分需要考慮流域水資源條件的地區(qū)差別，流域與行政區(qū)域有機(jī)結(jié)合、保持行政區(qū)域和流域分區(qū)的統(tǒng)分性、組合性與完整性，并充分考慮水資源管理的要求對研究流域進(jìn)行分區(qū)。根據(jù)流域水量分配方案、水量調(diào)度方案中確定的考核斷面、控制節(jié)點(diǎn)情況，考慮到輸入、輸出成果統(tǒng)計方便性需要結(jié)合水資源分區(qū)、市級行政分區(qū)進(jìn)行單元劃分，同時需要兼顧單元之間水利聯(lián)系相對簡單、模型計算復(fù)雜度不至于過高的原則。

渦河流域計算單元的劃分，首先考慮渦河干流、惠濟(jì)河、大沙河、武家河四條主要干支流水系；充分保證水系相對獨(dú)立性以利于梳理出相對簡單的水資源配置網(wǎng)絡(luò)、利于模型構(gòu)建；考慮的行政分區(qū)主要為市級行政區(qū)，輔助以省直管縣(鹿邑縣)的縣域范圍、以及部分市管縣（如亳州市譙城區(qū)、渦陽縣），考慮的控制斷面主要為渦河流域玄武閘、東孫營閘、付橋閘、大寺閘、渦陽閘以及安溜、黃莊、蒙城等。渦河流域的計算單元劃分為18 個單元。各計算單元的基本方位信息見圖1，各計算單元基本信息與各單元水力聯(lián)系概化結(jié)果，見表1。

圖1 渦河流域計算單元與市級行政區(qū)嵌套關(guān)系示意圖

圖2 渦河流域水量調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)概化圖

由于渦河流域整體為平原地形，各級行政區(qū)、水資源分區(qū)之間不具有顯著的分水嶺等地形邊界，因此在市級行政區(qū)內(nèi)部劃分多個計算單元時，主要依據(jù)水系條件，以直線、線段進(jìn)行面切割。例如，在商丘市境內(nèi)，依據(jù)其境內(nèi)存在的惠濟(jì)河、大沙河、武家河三大河流水系將市境劃分為13#商丘—惠濟(jì)河片、14#商丘—大沙河片、8#商丘—武家河片三個計算單元。

4 構(gòu)建水資源配置網(wǎng)絡(luò)

以渦河流域劃分的計算單元作為描述資源配置的基本對象，將主要河流水系的主要控制斷面作為基本節(jié)點(diǎn)，以自然河流或人工渠系作為輸水通道，建立各單元內(nèi)部各水源與用水戶之間的供需平衡關(guān)系、各單元之間的水量平衡關(guān)系，以及用水戶與水源之間回歸關(guān)系，構(gòu)建涵蓋流域供用耗排全流程的流域水資源配置網(wǎng)絡(luò)見圖2。

4.1 計算單元之間水量平衡

流域各計算單元之間的水量平衡關(guān)系主要包括相鄰單元之間的上下游水力聯(lián)系以及流域內(nèi)非相鄰單元的調(diào)水關(guān)系。

上游單元的各類型用水戶的退水以及部分地表水退入下游，當(dāng)該上游單元有多個下游單元或?qū)?yīng)下游單元的多個口門時，允許上游單元同時向各下游單元或口門泄水；下游單元承接上游單元的泄水量，當(dāng)存在多個上游單元時，該下游單元接受的上游來水量應(yīng)當(dāng)與下游來水量一致，如該單元存在多個上游單元或上游單元的口門，則允許該單元同時接受上游各單元或口門的來水。

非相鄰單元的調(diào)水關(guān)系是指非相鄰的兩計算單元之間，通過輸水渠道、管道發(fā)生調(diào)水關(guān)系，主要為解決流域內(nèi)水資源供需不平衡。此類調(diào)水關(guān)系往往發(fā)生在上游具備大型調(diào)蓄工程的流域，渦河流域不存在此類調(diào)水關(guān)系。

4.2 計算單元內(nèi)部水量平衡

計算單元內(nèi)部存在各類用水戶以及外調(diào)水需求，水資源供需關(guān)系是建立供水水源與用水戶之間的聯(lián)系。根據(jù)供水可能性、不同用水部門對水質(zhì)(水源類型)的要求，以及各水源水質(zhì)狀況，建立供需關(guān)系。流域水資源供需結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為保證流域水資源整體、全要素模擬模型的通用性，本項(xiàng)目將復(fù)雜供需結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，將計算單元內(nèi)部水資源供需關(guān)系劃分成單水源對單用水戶、單水源對多用水戶、多水源對單用水戶三種基本類型，流域內(nèi)水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可以由三種基本類型組合而成。

4.3 退水

各用水單元除了從水資源系統(tǒng)中取水之外，還要將退水排入河道。用水與水源之間的回歸關(guān)系中，農(nóng)業(yè)供水的退水系數(shù)根據(jù)水資源公報耗水系數(shù)確定；城鎮(zhèn)生活、工業(yè)供水產(chǎn)生的回歸水，考慮經(jīng)過污水處理廠、再生水廠消耗后剩余的水量。各用水戶的退水量中，各水源退水量與地表水退水量一起退入河道，參與下游單元的水量調(diào)度。

5 結(jié)論

水資源系統(tǒng)是一個規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能綜合、影響因素眾多的大系統(tǒng)，涉及社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)等多個方面，既以水文循環(huán)這樣的物理過程為基礎(chǔ)，又需要考慮社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求以及環(huán)境的維持與改善。本成果所提出的水資源系統(tǒng)概化成果，在兼顧水資源系統(tǒng)的復(fù)雜性、概化合理性、成果易用性等前提下，結(jié)合現(xiàn)行相關(guān)成果的基礎(chǔ)上提出了水資源系統(tǒng)概化方法體系，以渦河流域?yàn)槔故玖怂Y源配置網(wǎng)絡(luò)概化成果，為渦河流域水量調(diào)度模型構(gòu)建提供了重要技術(shù)支撐■