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    基于Petri 網(wǎng)的城市干旱應(yīng)急供水流程策略推演

    2025-04-16 00:00:00牛文娟劉明慧戴文杰
    人民黃河 2025年4期

    摘 要:為提高城市干旱應(yīng)急供水效率,基于城市干旱應(yīng)急預(yù)案,建立了城市干旱應(yīng)急供水流程及其Petri 網(wǎng)仿真模型,以內(nèi)蒙古伊金霍洛旗2022 年6 月旱災(zāi)為例,結(jié)合各類用水部門用水過程,進(jìn)行9 種單一策略情景和4 種混合策略情景的城市干旱應(yīng)急供水流程策略推演,基于推演結(jié)果得出不同策略的作用效果。結(jié)果表明:1) 利用城市應(yīng)急備用水源增加水庫供水量,供水量由524 萬m3提升至614 萬m3 時,城市維持正常供水的時間可由7 d 增加至8 d,用水滿足率由58.62%提升至68.69%;2)水資源外調(diào)能力由15萬m3 / d 提高至25 萬m3 / d 時,城市維持正常供水的時間可由8 d 增加至9 d,用水滿足率由73.72%提升至83.79%;3) 對生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)限制供水比例為正常供水的90%、70%、50%、0%時,城市維持正常供水的時間可由7 d 增加至10 d,用水滿足率由58.62%提高至89.57%;4)通過依次運(yùn)用限制供水、啟用城市應(yīng)急備用水源和啟用外調(diào)水等策略,可使城市用水滿足率達(dá)到100%。

    關(guān)鍵詞:城市干旱;應(yīng)急供水;Petri 網(wǎng);策略推演

    中圖分類號:TV213.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2025.04.012

    引用格式:牛文娟,劉明慧,戴文杰.基于Petri 網(wǎng)的城市干旱應(yīng)急供水流程策略推演[J].人民黃河,2025,47(4):71-76.

    0 引言

    城市干旱是指因遭遇枯水年或突發(fā)性事件而造成城市水源供水不足,城市實(shí)際供水能力低于正常供水能力,使城市正常的生活生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境受到影響的現(xiàn)象[1] 。隨著全球氣候變化,干旱災(zāi)害的強(qiáng)度和影響范圍不斷擴(kuò)大[2] ,城市人口稠密、生產(chǎn)生活集中,面臨著嚴(yán)重的干旱威脅。城市供水系統(tǒng)存在滯后性[3] ,使得城市在遭遇干旱時會發(fā)生水資源供需的間歇性失衡,干旱缺水已成為制約城市可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。

    國內(nèi)外關(guān)于氣象干旱[4] 、農(nóng)業(yè)干旱[5-6] 及其傳導(dǎo)機(jī)制[7] 的研究已經(jīng)十分豐富,而對城市干旱的研究尚少。Sukmawati 等[8] 指出城市干旱較氣象干旱更為復(fù)雜,不僅受降雨的影響,而且受其他自然因素、人口增長和人類活動等因素的影響。Joost 等[9] 對城市抗旱措施進(jìn)行了分類,并對面臨干旱風(fēng)險的10 個城市提出不同抗旱措施,以降低城市干旱缺水的風(fēng)險。Du等[10] 聚焦城市水治理系統(tǒng),探討城市水管理部門在增強(qiáng)抗旱能力方面的關(guān)鍵策略。國內(nèi)關(guān)于城市干旱的研究多以具體地區(qū)為對象,如甘肅?。郏保保?、吉林省[12] 、關(guān)中地區(qū)[13] 等,涵蓋了干旱脆弱性評價、抗旱對策以及干旱損失評估等多個方面。在城市干旱情景推演方面,唐宏等[14] 采用系統(tǒng)動力學(xué)方法,從城市發(fā)展方案和用水方案、城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和用水結(jié)構(gòu)等角度出發(fā),對烏魯木齊市發(fā)展水平進(jìn)行多情景模擬。盡管城市干旱的研究已涉及干旱成因剖析、脆弱性綜合評估、管理策略制定以及抗旱措施分類等多個維度,但鮮有從城市干旱應(yīng)急供水流程策略的角度,系統(tǒng)推演驗(yàn)證各種抗旱措施的實(shí)際效果。

    本文構(gòu)建城市干旱應(yīng)急供水流程,采用Petri 網(wǎng)進(jìn)行仿真建模,以內(nèi)蒙古伊金霍洛旗2022 年6 月干旱為例,選?。保?個干旱情景,通過Petri 網(wǎng)的流程選擇結(jié)構(gòu)及初始參數(shù)的設(shè)定,將各類抗旱措施實(shí)施順序和疊加使用效果進(jìn)行動態(tài)對比,對城市干旱應(yīng)急供水流程策略進(jìn)行推演,以期為城市干旱應(yīng)急管理提供參考。

    1 城市干旱應(yīng)急供水流程與策略

    1.1 建立城市干旱應(yīng)急供水流程

    依據(jù)《國家防汛抗旱應(yīng)急預(yù)案》《中華人民共和國突發(fā)事件應(yīng)對法》和《中華人民共和國水法》等多部法律法規(guī),結(jié)合地方防汛抗旱應(yīng)急預(yù)案和地方政府發(fā)布的專項(xiàng)文件,建立城市干旱應(yīng)急供水流程,見圖1。由進(jìn)入旱期開始到旱期結(jié)束為止,將流程分為旱前準(zhǔn)備工作、應(yīng)急供水方案的制定和執(zhí)行、確定應(yīng)急供水策略、向多個用水部門供水、旱情信息監(jiān)測與反饋、應(yīng)急供水策略評價6 個階段。

    1.2 城市干旱應(yīng)急供水策略

    1)確定用水部門優(yōu)先級。城市供水涉及生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)等多種類型的供水對象,不同供水對象的用水過程、供水保證率各不相同。生活用水為首要供水保證對象,農(nóng)業(yè)與工業(yè)用水優(yōu)先級隨地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、季節(jié)及經(jīng)濟(jì)狀況調(diào)整。生態(tài)環(huán)境用水在干旱時作為低優(yōu)先級,確保最大限度滿足基本生活與生產(chǎn)用水需要。

    2)水資源調(diào)配規(guī)則。緩解旱期水資源緊缺,需合理調(diào)配本地(地表水、地下水、雨水等)及外調(diào)水資源。優(yōu)先利用易于獲取、成本較低的地表水(水庫等蓄水),不足時考慮跨流域調(diào)水等外調(diào)方式。調(diào)配應(yīng)基于資源特性和應(yīng)急經(jīng)驗(yàn),確保高效利用水資源。

    3)用水需求管控。旱期水資源短缺,正常供水不能滿足,需實(shí)施限制用水。合理設(shè)定供水比例,同時進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)(如農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、工業(yè)循環(huán)用水),進(jìn)一步降低用水需求,促進(jìn)水資源高效利用。

    2 基于Petri 網(wǎng)的城市干旱應(yīng)急供水流程與策略推演建模

    2.1 模型構(gòu)建

    Petri 網(wǎng)由德國科學(xué)家Petri 在1962 年提出,最初用于表示計算機(jī)系統(tǒng)事件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,而后在描述由分布、并發(fā)、異步特征組成的離散事件與不確定事件中得到廣泛應(yīng)用。以一個五元組Σ =(P,T,F,W,M0 )表示Petri 網(wǎng),其中:P 為庫所集,表示狀態(tài)、信息和條件;T 為變遷集,表示事件、動作、信息接收和發(fā)送;F 為有向弧集,用于連接庫所和變遷;W 為權(quán)重集,表示需要的資源數(shù)量;M0 為系統(tǒng)的初始標(biāo)識。

    根據(jù)圖1,構(gòu)建城市干旱應(yīng)急供水流程Petri 網(wǎng)模型(見圖2),共包含17 個庫所和17 個變遷,各庫所、變遷的具體含義見表1。

    2.2 模型有效性分析

    有效性分析旨在評估Petri 網(wǎng)的活性、變遷可達(dá)性及有界性等關(guān)鍵屬性,確保系統(tǒng)能正常啟動、執(zhí)行及終止。現(xiàn)有文獻(xiàn)廣泛采用可達(dá)樹、不變量分析等工具進(jìn)行此類驗(yàn)證。本文聚焦可達(dá)標(biāo)識集,分析Petri 網(wǎng)模型的動態(tài)行為特性。Pipe 軟件分析結(jié)果顯示,模型運(yùn)行周期內(nèi)共生成21 個可達(dá)狀態(tài),且全程無資源溢出或無限期等待,表明模型具備有界性,資源使用受控。進(jìn)一步分析可達(dá)標(biāo)識集表明,其分量明確區(qū)分變遷的觸發(fā)狀態(tài),確保系統(tǒng)狀態(tài)精準(zhǔn)描述,從而避免死鎖,展現(xiàn)模型活性。從初始標(biāo)識M0至最終標(biāo)識M20,所有變遷均可達(dá)且可執(zhí)行,驗(yàn)證了模型的有效性。經(jīng)嚴(yán)格驗(yàn)證,本文所建立的Petri 網(wǎng)模型兼具有界性、活性及變遷可達(dá)性,流程順暢,表明模型有效。

    3 伊金霍洛旗實(shí)例研究

    3.1 伊金霍洛旗概況

    伊金霍洛旗隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市,坐落于呼和浩特、包頭、鄂爾多斯構(gòu)成的“金三角”核心區(qū)域,具有溫帶大陸性氣候特征。該旗境內(nèi)主要有烏蘭木倫河與?牛川河兩大水系,其中多數(shù)為季節(jié)性河流,干旱期徑流量較小。境內(nèi)湖泊水礦化度高,不適宜飲用和農(nóng)業(yè)灌溉。據(jù)《鄂爾多斯市伊金霍洛旗2022 年水資源公報》,該旗生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境用水量分別為1 355 萬、4 671 萬、5 528 萬、2 710 萬m3。不同用水部門的用水過程不同,本文假設(shè)城市生活與工業(yè)用水量年內(nèi)分布均衡,農(nóng)業(yè)用水高峰在5—6 月,生態(tài)用水量隨天然徑流量變化。結(jié)合伊金霍洛旗用水現(xiàn)狀,根據(jù)各用水部門用水過程(見圖3),計算伊金霍洛旗6 月生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)日用水量分別為3.39萬、14.01 萬、55.28 萬、1.81 萬m3。鑒于2022 年6 月15—26 日伊金霍洛旗持續(xù)高溫?zé)o降雨,本文以該時段數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對城市干旱應(yīng)急供水流程策略進(jìn)行推演研究。

    3.2 推演情景設(shè)定

    3.2.1 單一策略推演情景

    伊金霍洛旗供水以小型水庫為主,僅有的一座中型水庫札薩克水庫興利庫容1 049 萬m3,假設(shè)旱期該水庫蓄水量減半至524 萬m3。外調(diào)水源為康巴什區(qū)烏蘭木倫水庫,供水量為15 萬m3 / d。按照以人為本的基本原則及6 月農(nóng)業(yè)大量用水,設(shè)定供水優(yōu)先級為生活>農(nóng)業(yè)>工業(yè)>生態(tài)。供水水庫12 d 應(yīng)急供水的初始參數(shù)及不同策略的參數(shù)設(shè)置見表2(情景0 為初始狀態(tài),情景1~3以30 萬m3的增幅增加應(yīng)急備用水源,情景4 ~6以5 萬m3為增幅增加外調(diào)水源,情景7~9 實(shí)施差異化限制供水策略)。

    3.2.2 混合策略推演情景

    單一策略推演雖能直觀展示特定抗旱措施的效果,但未考慮應(yīng)急供水措施間的相互影響,實(shí)際抗旱需多措并舉。本文設(shè)計了混合策略推演情景(見表3),模擬供水水庫依次實(shí)施限制供水、啟用應(yīng)急備用水源及外調(diào)水等措施時各用水部門的用水量,以制定更合理的抗旱應(yīng)急供水策略。

    3.3 策略推演結(jié)果分析

    3.3.1 單一策略推演結(jié)果分析

    以水庫可正常供水維持的時間(d)為策略推演評價指標(biāo)。當(dāng)供水水庫不滿足用水部門用水需求時,啟用各類應(yīng)急抗旱措施并重新進(jìn)行流程推演。按照正常供水方案(情景0),札薩克水庫只能維持7 d 正常供水,最終的缺水量為369. 88 萬m3,用水滿足率為58.62%。單一情景策略推演結(jié)果見表4,單一策略的供水水庫逐日蓄水量變化見圖4。

    1)城市應(yīng)急備用水源對用水滿足率的影響。由圖4(a)可知,增加城市應(yīng)急備用水源可以延緩供水不足現(xiàn)象的出現(xiàn),提高用水滿足率。具體而言,當(dāng)城市應(yīng)急備用水源為554 萬m3 時,可維持7 d 正常供水,缺水量為339.88 萬m3,用水滿足率為61.98%;當(dāng)應(yīng)急備用水源增加至584 萬m3 時,可維持7 d 正常供水,缺水量減少至309.88 萬m3,用水滿足率為65.33%;當(dāng)增加備用水源至614 萬m3 時,可維持8 d 正常供水,缺水量減少至279.88 萬m3,用水滿足率為68.69%。由此可見,增加城市應(yīng)急備用水源能夠顯著優(yōu)化水資源的時空分配,帶來顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。然而,這一舉措在實(shí)施初期需要投入較大的成本,并且需要經(jīng)過嚴(yán)格的環(huán)境評估。因此,在抗旱決策過程中,采取城市應(yīng)急備用水源措施必須綜合考慮投資成本、建設(shè)周期、潛在環(huán)境影響以及技術(shù)可行性等因素。

    2)外調(diào)能力對用水滿足率的影響。由圖4(b)可知,增加外調(diào)水對供水系統(tǒng)的影響顯著。和增加城市應(yīng)急備用水源一樣,提高外調(diào)水可以延緩供水不足現(xiàn)象的出現(xiàn),進(jìn)而提升用水滿足率。然而,與增加城市應(yīng)急備用水源不同的是,外調(diào)水并不能在起始階段立即為當(dāng)?shù)毓┧?,需要興建相應(yīng)的提水、輸水設(shè)施,之后才能實(shí)現(xiàn)供水。以札薩克水庫為例,當(dāng)上游的烏蘭木倫水庫與札薩克水庫連通后,札薩克水庫的供水能力得到了提升,從而提高了用水部門的用水滿足率。具體而言,當(dāng)外調(diào)水為15 萬m3 / d 時,可維持8 d 正常供水,缺水量為234.88 萬m3,用水滿足率為73.72%;當(dāng)外調(diào)水提升至20 萬m3 / d 時,同樣可維持8 d 正常供水,但缺水量減小至189.88 萬m3,用水滿足率提升至78.76%;進(jìn)一步增加外調(diào)水至25 萬m3 / d 時,可維持9 d正常供水,缺水量進(jìn)一步減小至144.88 萬m3,用水滿足率則提升至83.79%。由此可見,啟用外調(diào)水可直接增加供水總量,減輕對當(dāng)?shù)氐叵滤拈_發(fā)壓力,并顯著提高用水滿足率。然而,外調(diào)水工程的建設(shè)周期長、所需投資大,導(dǎo)致水價較高,對當(dāng)?shù)刎斦A(yù)算提出了較高要求。

    3)限制供水對用水滿足率的影響。由圖4(c)可知,限制供水策略可以減少供水水庫日供水量,提高城市用水滿足率。具體而言,當(dāng)對生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)的供水比例分別限定為90%、90%、90%、70%時,可維持7 d 正常供水,缺水量為276.15 萬m3,用水滿足率為65.49%;當(dāng)對生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)的供水比例分別限定為90%、80%、70%、50%時,可維持9 d 正常供水,缺水量顯著降低至171.84 萬m3,用水滿足率提升至75.30%;當(dāng)對生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)的供水比例分別限定為90%、70%、50%、0%時,可維持10 d 正常供水,缺水量進(jìn)一步減少至61.02 萬m3,用水滿足率提高至89.57%。由此可見,通過實(shí)施限制供水策略,可以有效提高當(dāng)?shù)赜盟疂M足率,促進(jìn)節(jié)水意識的提升,并減輕供水的壓力。然而,過分限制供水比例可能會對用水部門的正常生產(chǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響,阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展,并可能引發(fā)公眾不滿。因此,限制供水只能作為短期應(yīng)急措施,而非長期解決水資源短缺問題的有效方法。

    3.3.2 混合策略推演結(jié)果分析

    混合策略推演結(jié)果見表5,混合策略推演情景的供水水庫逐日蓄水量變化見圖5。由表5 和圖5 可知,正常供水情景(A)與上文中的情景0 一致,在不采取任何應(yīng)急供水措施的情況下,可維持7 d 正常供水,缺水量高達(dá)369.88 萬m3,用水滿足率僅為58.62%。

    為了緩解供水壓力,首先實(shí)施限制供水措施(B),對生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生態(tài)的供水比例分別限定為原供水量的90%、80%、70%、50%(即單一策略推演中的情景8)。經(jīng)過計算,可維持9 d 正常供水,用水滿足率可提升至75.30%。隨著旱情的進(jìn)一步加劇,在上述措施的基礎(chǔ)上,啟用城市應(yīng)急備用水源補(bǔ)水(C)。應(yīng)急備用水源水量為60 萬m3(即單一策略推演中的情景2),這樣可提升供水水庫蓄水量至584 萬m3。經(jīng)過計算,可維持9 d 正常供水,用水滿足率顯著提高至83.93%。然而,用水滿足率仍未達(dá)到100%,需要啟用外調(diào)水來增加當(dāng)?shù)氐膽?yīng)急水資源量。選定烏蘭木倫水庫作為外調(diào)水源,考慮到外調(diào)水的申請、批復(fù)、準(zhǔn)備等大約需要3 d 時間,因此從第4 天開始補(bǔ)充外調(diào)水,外調(diào)水輸水能力為15 萬m3 / d(即單一策略推演中的情景4)。將上述所有措施(A+B+C+D)疊加實(shí)施,經(jīng)過計算,旱期結(jié)束時不存在缺水現(xiàn)象,各用水部門用水滿足率達(dá)到了100%。由此可見,科學(xué)的實(shí)施順序能夠確保各類應(yīng)急供水措施在干旱應(yīng)對過程中有序銜接、相互支撐,形成協(xié)同效應(yīng)。同時,適度的實(shí)施強(qiáng)度能夠在保障供水安全的基礎(chǔ)上,最大限度提升用水部門的用水滿足率。

    4 結(jié)論

    本文利用Petri 網(wǎng)建立城市干旱應(yīng)急供水流程策略推演仿真模型,以內(nèi)蒙古伊金霍洛旗為例,對14 種情景進(jìn)行策略推演,得到以下結(jié)論。

    1)根據(jù)國家法律法規(guī)和地方防汛抗旱應(yīng)急預(yù)案等,將城市干旱應(yīng)急供水流程劃分為旱前準(zhǔn)備工作、應(yīng)急供水方案的制定和執(zhí)行、確定應(yīng)急供水策略、向多個用水部門供水、旱情信息監(jiān)測與反饋、應(yīng)急供水策略評價6 個階段。該流程綜合考量干旱預(yù)警的及時性、各用水部門的多元應(yīng)急供水策略及災(zāi)后恢復(fù)與評估的完整性,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、科學(xué)、高效的城市干旱應(yīng)急供水流程管理,提升城市的抗旱能力和供水安全保障水平。

    2)不同應(yīng)急供水措施在緩解城市干旱中的作用及適用情況不同。具體而言,利用城市應(yīng)急備用水源,水庫可供水量由524 萬m3 提升至614 萬m3 時,城市維持正常供水的時間可由7 d 增加至8 d,用水滿足率由58.62%提升至68.69%;外調(diào)水由15 萬m3 / d 提高至25 萬m3 / d 時,城市維持正常供水的時間可由8 d 增加至9 d,用水滿足率由73.72%提升至83.79%;對生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生態(tài)供水比例限定為正常供水的90%、70%、50%、0%時,城市維持正常供水的時間可由7 d 增加至10 d,用水滿足率由58.62%提高至89.57%。

    3)多種應(yīng)急供水措施混合實(shí)施的策略在干旱應(yīng)對過程中可以通過作用互補(bǔ)形成協(xié)同效應(yīng)。通過依次運(yùn)用限制供水、啟用城市應(yīng)急備用水源和啟用外調(diào)水等策略,將“控需”與“增供”相結(jié)合、開源與節(jié)流并重,使旱期城市用水滿足率從58.62%逐步升至75.30%、83.93%,最終達(dá)到100%。

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    【責(zé)任編輯 張華興】

    基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目(2018YFC1508706-3)

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