基于MODFLOW耦合技術(shù)的水資源配置研究

曹曉彬

（河北省邯鄲水文勘測(cè)研究中心，河北 邯鄲 056001）

1 MODFLOW耦合技術(shù)下的水資源配置探析

1.1 Pareto水資源解集預(yù)處理

從多個(gè)角度提取水資源配置區(qū)域特征及有待優(yōu)化問題，結(jié)合實(shí)際情況，獲取區(qū)域平衡核心解集。此時(shí)核心解集處于穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)，存在調(diào)配最優(yōu)解，計(jì)算出初始最優(yōu)解，如公式1：

1.2 MODFLOW耦合水資源目標(biāo)函數(shù)設(shè)定

MODFLOW耦合技術(shù)與預(yù)處理架構(gòu)融合，重新構(gòu)建水資源處理模式架構(gòu)。

需要進(jìn)行像元水資源定額的測(cè)定，如公式3：

1.3 PACA雙向約束調(diào)配結(jié)構(gòu)設(shè)定

PACA 雙向約束調(diào)配模式對(duì)比于傳統(tǒng)模式更加靈活。設(shè)定PACA約束限制結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 PACA約束限制結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合設(shè)定的水資源調(diào)配目標(biāo)與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化對(duì)應(yīng)的約束限制調(diào)配區(qū)域，結(jié)合生態(tài)效益的經(jīng)濟(jì)限制目標(biāo)，控制具體的約束權(quán)重系數(shù)，同時(shí)劃定好相對(duì)應(yīng)的地區(qū)供水量，測(cè)定變化的像元水資源量極值。測(cè)定此時(shí)地區(qū)的水資源調(diào)配狀態(tài)，測(cè)定比例規(guī)則的同時(shí)，控制實(shí)際的調(diào)配常數(shù)，劃定實(shí)際的測(cè)算PACA 約束限制范圍，最終完成對(duì)PACA雙向約束調(diào)配結(jié)構(gòu)的設(shè)定。

1.4 MODFLOW耦合最優(yōu)水資源調(diào)配模型構(gòu)建

進(jìn)行綜合調(diào)配耦合系數(shù)計(jì)算，具體如下公式4所示：

在MODFLOW耦合結(jié)構(gòu)之中，進(jìn)行迭代調(diào)配節(jié)點(diǎn)的設(shè)定，可以先在模型之中建立相應(yīng)的處理節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，結(jié)合預(yù)處理的相應(yīng)結(jié)果，進(jìn)行PACA雙向約束調(diào)配結(jié)構(gòu)的調(diào)整與更改，隨后，在模型之中添加水資源的處理數(shù)據(jù)信息，自適應(yīng)地作出調(diào)配動(dòng)態(tài)數(shù)值的改變，隨著水資源量的變化，改變迭代節(jié)點(diǎn)，以此來進(jìn)一步優(yōu)化完善MODFLOW耦合最優(yōu)水資源調(diào)配模型，完成構(gòu)建。

1.5 線性水位模擬法實(shí)現(xiàn)水資源配置

結(jié)合所預(yù)設(shè)水資源調(diào)配模型，及構(gòu)建MODFLOW耦合處理層級(jí)，模擬水資源配置情況，結(jié)合實(shí)際需水量和調(diào)配標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行處理。測(cè)定模擬環(huán)境下的配置極值，如公式5：

2 實(shí)例分析

2.1 P市水資源配置現(xiàn)狀分析

P 市位于中國(guó)的西部地區(qū)，經(jīng)過調(diào)研，屬于穩(wěn)定的大陸干旱區(qū)域，自然環(huán)境相對(duì)較為多變，常年的降水量偏少，溫度較高，所以，導(dǎo)致地表的水源蒸發(fā)強(qiáng)烈，經(jīng)過長(zhǎng)年的高溫影響，使得P 市逐漸成為中國(guó)嚴(yán)重缺水的一個(gè)地區(qū)。經(jīng)過調(diào)查可以了解到，P市去年的水資源總量?jī)H為63.20億m3，而在上述的基礎(chǔ)之上，測(cè)算出人均的水資源量為1 970 m3，逐漸成為全國(guó)人均水資源使用量的2 倍。雖然人均水資源量相對(duì)較為可觀，但是，P 市單位面積的產(chǎn)水量卻僅僅達(dá)到全國(guó)平均的1/8。不僅如此，P市的水資源分布處于極其不均衡的狀態(tài)，春季干旱、夏季洪水頻發(fā)、秋季缺水、冬季枯水。

2.2 MODFLOW耦合技術(shù)下P市水資源配置實(shí)例驗(yàn)證

經(jīng)過對(duì)上述現(xiàn)狀的分析與驗(yàn)證，接下來，結(jié)合MODFLOW耦合技術(shù)，需要重新對(duì)P市水資源配置進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。利用專業(yè)的儀器，可以先測(cè)算出P 市水資源的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出單元常量數(shù)值，具體如下公式6所示：

式中：M為單元常量數(shù)值，β為變化應(yīng)對(duì)比，x為水資源初始值，w為水量定額。通過計(jì)算得出實(shí)際單元常量數(shù)值。

將實(shí)例分析區(qū)域設(shè)定為固定區(qū)域，同時(shí)，獲取對(duì)應(yīng)區(qū)域水資源調(diào)配常量，建立不同區(qū)域水資源變量關(guān)系，劃定總用水量。分別為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水以及社會(huì)用水等，劃定為不同的比例，隨后，結(jié)合PACA 所設(shè)定的多層級(jí)的配置目標(biāo)，計(jì)算出P市水資源的最優(yōu)目標(biāo)預(yù)測(cè)值，如公式7：

表1 P市水資源配置誤差層級(jí)目標(biāo)設(shè)定表

根據(jù)表1，完成對(duì)P市水資源配置誤差層級(jí)目標(biāo)設(shè)定。根據(jù)上述所設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行P市水資源配置單元誤差測(cè)定，如公式8：

式中：H為水資源配置單元誤差，δ為水資源定額，E為變化作用比，d為離散數(shù)值。見表2。

表2 實(shí)例分析測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析表

據(jù)表2，完成對(duì)P 市水資源配置優(yōu)化實(shí)例分析。與初始配置模式對(duì)比，構(gòu)建配置方式最終得出的單元配置誤差相對(duì)更小，均控制在0.5以下，表明對(duì)P市水資源配置效果更佳。

3 結(jié)語

綜上所述，基于MODFLOW耦合技術(shù)的水資源配置對(duì)比于傳統(tǒng)模式更為靈活、多變，結(jié)合PACA處理模型，設(shè)定多目標(biāo)調(diào)配層級(jí)，合理的資源優(yōu)化范圍，同時(shí)，調(diào)配范圍也進(jìn)行擴(kuò)展與延伸，實(shí)現(xiàn)水資源動(dòng)態(tài)處理。