CN104361152A - 一种社会水循环取水过程数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种社会水循环取水过程数值模拟方法，以自然水循环的模拟为基础，对某一区域或流域社会水循环的取水过程进行数学描述，包括水源、取水口位置、取水量、取水过程、取水用途等，通过对社会水循环取水过程的数值模拟，更加有效地模拟人类经济社会取用水对于自然水循环过程的影响，实现“自然-社会”二元水循环的过程化紧密耦合模拟。

Description

一种社会水循环取水过程数值模拟方法

技术领域

本发明属于”自然-社会”二元水循环模拟技术领域，尤其涉及一种社会水循环取水过程数值模拟方法。

背景技术

现有“自然-社会”二元水循环耦合模拟中对于社会水循环取水过程的模拟，主要通过将用水统计数据进行时空展布来实现，即将某一区域全年总用水量人为分配到各个计算单元、各个计算时段，与实际取水过程有较大出入，物理性较差，导致二元水循环耦合模拟效果不好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种社会水循环取水过程数值模拟方法，旨在解决现有社会水循环取水过程的模拟效果不好的问题。

本发明是这样实现的，一种社会水循环取水过程数值模拟方法，包括集中取水过程的数值模拟方法，所述集中取水包括河道型取水方式，所述河道型取水方式采用点上模拟，包括以下具体步骤：

(1)从河道内取水直接影响了河道内的汇流过程，采用一维动力波模型进行河道汇流计算，考虑取水的影响后，其计算公式修正为：

其中，A为流水断面面积；Q为断面流量；q_L为网格单元或河道的单宽流入量(包含网格内的有效降雨量、来自周边网格及支流的水量)；q为取水流量(m³/s)；n为Manning糙率系数；R为水力半径；S₀为网格单元地表面坡降或河道的纵向坡降；S_f为摩擦坡降；V为断面流速；V_x为单宽流入量的流速在x方向的分量；

(2)取水口取水流量根据日平均取水量计算：

q＝WR/86400   (4)

(3)取水量的限制条件：

Q≥0；q≤q_t   (5)

WR为取水口日取水量(m³)，q_t为取水口最大取水能力(m³/s)，相关数据从研究区的取水许可管理台账信息获取。

优选地，在所述河道型取水的点上模拟过程中，台账信息中取水口取水量以年为单位，在转化为日取水量时做时间上的展布，其中工业和生活用取水采用日平均的方式进行展布；农业用水根据研究区作物需水过程和灌溉取水方式在灌溉期内进行展布。

优选地，所述集中取水还包括水库型取水，所述水库型取水采用点上模拟，包括以下步骤：

(1)水库型取水主要改变水库的蓄水量，水库的入流和出流水量即是其所在计算单元的入流和出流水量，考虑取水的影响后，水库蓄水量的平衡方程为：

V＝V₀+q_L·t-E_re-q_m·t-lea-WRE   (6)

其中，V为时段末水库蓄水量；V₀为时段初水库蓄水量；E_re为水库蒸发量；q_m为水库下泄流量；t为计算时间步长，一般为1天，即86400秒；lea为水库渗漏损失(与地下水交换量)；WRE为水库取水量；

(2)限制条件：

V≥0；WRE≤WRE_t   (7)

其中，WRE_t为水库取水工程日取水能力；水库取水量和取水工程取水能力从取水许可管理台账信息获取。

优选地，在所述水库型取水的点上模拟过程中，在一个水库内存在多个取水户和取水口时，在模拟时将各取水户的取水量求和进行计算；此外，在转化为日取水量时做时间上的展布，其中工业和生活用取水采用日平均的方式进行展布；农业用水根据研究区作物需水过程和灌溉取水方式在灌溉期内进行展布。

优选地，所述集中取水还包括地下水取水，所述地下水取水采用点上模拟，包括以下步骤：

(1)按照BOUSINESSQ方程进行浅层地下水二维数值计算，考虑地下取水的影响后，其计算公式如下：

$C_u\frac{{\∂h}_u}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left[k(h_u-z_u)\frac{{\∂h}_u}{\∂x}\right]+\frac{\∂}{\∂y}\left[k(h_u-z_u)\frac{{\∂h}_u}{\∂y}\right]+(Q_3+\mathrm{WUL}-\mathrm{RG}-E-\mathrm{Per}-{\mathrm{WG}}_u)---\left(8\right)$

承压层地下水运动方程为：

$C_1\frac{{\∂h}_1}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left[k_1{D}_1\frac{{\∂h}_1}{\∂x}\right]+\frac{\∂}{\∂y}\left[k_1{D}_1\frac{{\∂h}_1}{\∂y}\right]+(\mathrm{Per}-{\mathrm{RG}}_1-{\mathrm{Per}}_1-{\mathrm{WG}}_1)---\left(9\right)$

其中，h为地下水位(无压层)或水头(承压层)；C为储流系数；k为导水系数；z为含水层底部标高；D为含水层厚度；Q₃为来自不饱和土壤层的涵养量；WUL为上水道漏水；RG为地下水流出；E为蒸发蒸腾；Per为深层渗漏；WG为地下水取水量；下标u和1分别表示无压层和承压层；

(2)限制条件：

h_u≥z_u；WG≤WG_t   (10)

其中，WG_t为地下水取水能力，其与地下水取水量均来自取水许管理台账；年内时间展布采取日平均的方式。

优选地，所述社会水循环取水过程数值模拟方法还包括分散取水过程的数值模拟方法，所述分散取水主要包括分散农业取水和分散生活取水；所述分散农业取水采用面上模拟，包括以下步骤：

(1)根据下式确定地理位置：

$\mathrm{\λ}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})=1-\frac{\mathrm{AIRR}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}{\mathrm{AR}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}---\left(11\right)$

其中，λ(ix,iy)为编码为(ix，iy)的等高带计算单元农业用水分散取水系数，即该计算单元的农业用水量从所在子流域取水的比例；AR(ix,iy)为计算单元面积；AIRR(ix,iy)为计算单元位于集中取水的灌区内的面积，通过地理信息系统的图层叠加计算；

根据式(11)确定4类分散农业取水的地理位置，基于分散取水的当地取水原则，确定分散农业取水的取水位置；所述4类分散农业取水包括水田、旱地、林果地灌溉和鱼塘取水；

(2)根据下式确定年取水量：

${\mathrm{WAGR}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})=[\mathrm{WAGR}-(1-\mathrm{\ω})\·\mathrm{WAGRC}]\·\frac{\mathrm{\λ}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})\·{\mathrm{AREA}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}{\underset{\mathrm{ix}}{\mathrm{\Σ}}\underset{\mathrm{iy}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\λ}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})\·{\mathrm{AREA}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}---\left(12\right)$

$\mathrm{WAGR}\left(\mathrm{ix}\right)=\underset{\mathrm{iy}=1}{\overset{\mathrm{IY}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{WAGR}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})---\left(13\right)$

式(12)和(13)中，WAGR_i(ix,iy)为编码为(ix，iy)的等高带计算单元第i类农业用水取水量；WAGR为等高带所在二级区套地市农业用水总量；WAGRC为所在二级区套地市农业集中取水量；ω为集中取水的弃水率，根据模拟结果进行修正；AREA_i(ix,iy)为(ix，iy)等高带计算单元第i类农业用水面积；WAGR(ix)为编码为ix的子流域农业分散取水量；IY为子流域内等高带数目；下标i＝1、2、3、4，分别代表水田、旱地、林果地和鱼塘；

(3)以作物生长需水量和降雨量为考虑因素，各个分散取水点年取水量的年内时间展布。

优选地，所述分散生活取水采用面上模拟，包括以下步骤：

(1)根据下式确定地理位置：

${\mathrm{\λ}}_1(\mathrm{ix},\mathrm{iy})=1-\frac{\mathrm{AMUN}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}{\mathrm{AR}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}---\left(14\right)$

其中，λ₁(ix,iy)为编码为(ix，iy)的等高带计算单元生活用水分散取水系数，即该计算单元的生活用水量从所在子流域取水的比例；AR(ix,iy)为计算单元面积；AMUN(ix,iy)为计算单元位于集中供水城镇内的面积，通过地理信息系统的图层叠加计算；根据式(14)确定分散生活用水的地理位置，基于分散取水的当地取水原则，确定分散生活用水的取水位置；

(2)根据下式确定年取水量：

${\mathrm{WLIV}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})=[\mathrm{WLIV}-\mathrm{WLIVC}]\·\frac{{\mathrm{\λ}}_1(\mathrm{ix},\mathrm{iy})\·{\mathrm{POP}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}{\underset{\mathrm{ix}}{\mathrm{\Σ}}\underset{\mathrm{iy}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_1(\mathrm{ix},\mathrm{iy})\·{\mathrm{POP}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}---\left(15\right)$

$\mathrm{WLIV}\left(\mathrm{ix}\right)=\underset{\mathrm{iy}=1}{\overset{\mathrm{IY}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{WLIV}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})---\left(16\right)$

其中，WLIV_i(ix,iy)为编码为(ix，iy)的等高带计算单元第i类生活用水取水量；WLIV为等高带所在二级区套地市生活用水总量；WLIVC为所在二级区套地市生活集中取水量；POP_i(ix,iy)为(ix，iy)等高带计算单元农村/城镇人口数量；WLIV(ix)为编码为ix的子流域生活分散取水量；IY为子流域内等高带数目；

(3)根据农村和城镇生活用水受季节性影响较小的特性，在年内日尺度上做均匀展布。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明对于某一区域或流域社会水循环的取水过程进行数学描述，包括水源、取水口位置、取水量、取水过程、取水用途等，通过对社会水循环取水过程的数值模拟，可以更加有效地模拟人类经济社会取用水对于自然水循环过程的影响，实现“自然-社会”二元水循环的过程化紧密耦合模拟。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明克服现有技术的不足，提供一种社会水循环取水过程数值模拟方法，以自然水循环的模拟为基础，主要探究和模拟社会水循环过程对于自然水循环的影响，因此按照取水水源的不同，分河道型取水、水库型取水和地下水取水3种基本方式对集中取水进行概化和描述。集中取水按取水源划分，有地表取水和地下取水2大类。其中地表取水按取水方式划分有引水、蓄水和提水3种基本方式，可采用单一的方式，也可采用两种或三种相互结合的方式；按取水水源划分，主要有河道取水和水库取水2类。

一种社会水循环取水过程数值模拟方法，包括集中取水过程的数值模拟方法，所述集中取水包括河道型取水方式，所述河道型取水方式采用点上模拟，包括以下具体步骤：

(1)从河道内取水直接影响了河道内的汇流过程，采用一维动力波模型进行河道汇流计算，考虑取水的影响后，其计算公式可修正为：

其中，A为流水断面面积；Q为断面流量；q_L为网格单元或河道的单宽流入量(包含网格内的有效降雨量、来自周边网格及支流的水量)；q为取水流量(m³/s)；n为Manning糙率系数；R为水力半径；S₀为网格单元地表面坡降或河道的纵向坡降；S_f为摩擦坡降；V为断面流速；V_x为单宽流入量的流速在x方向的分量；

(2)取水口取水流量根据日平均取水量计算：

q＝WR/86400   (4)

(3)取水量的限制条件：

Q≥0；q≤q_t   (5)

WR为取水口日取水量(m³)，q_t为取水口最大取水能力(m³/s)，相关数据可从研究区的取水许可管理台账信息获取。

台账信息中取水口取水量一般以年为单位，在转化为日取水量时，需要做时间上的展布，其中工业和生活用取水年内季节性变化不大，可采用日平均的方式进行展布；农业用水根据研究区作物需水过程和灌溉取水方式在灌溉期内进行展布。

在进一步的实施过程中，上述社会水循环取水过程数值模拟方法中，所述集中取水还包括水库型取水，所述水库型取水采用点上模拟，包括以下步骤：

(1)水库型取水主要改变水库的蓄水量，水库的入流和出流水量即是其所在计算单元的入流和出流水量，考虑取水的影响后，水库蓄水量的平衡方程为：

V＝V₀+q_L·t-E_re-q_m·t-lea-WRE   (6)

其中，V为时段末水库蓄水量；V₀为时段初水库蓄水量；E_re为水库蒸发量；q_m为水库下泄流量；t为计算时间步长，一般为1天，即86400秒；lea为水库渗漏损失(与地下水交换量)；WRE为水库取水量；

(2)限制条件：

V≥0；WRE≤WRE_t   (7)

其中，WRE_t为水库取水工程日取水能力；其他符号意义同前。水库取水量和取水工程取水能力从取水许可管理台账信息获取。

在所述水库型取水的点上模拟过程中，在一个水库内存在多个取水户和取水口时，在模拟时可将各取水户的取水量求和进行计算；此外，在转化为日取水量时做时间上的展布，其中工业和生活用取水采用日平均的方式进行展布；农业用水根据研究区作物需水过程和灌溉取水方式在灌溉期内进行展布。

在进一步的实施过程中，上述社会水循环取水过程数值模拟方法中，所述集中取水还包括地下水取水，所述地下水取水采用点上模拟，包括以下步骤：

(1)按照BOUSINESSQ方程进行浅层地下水二维数值计算，考虑地下取水的影响后，其计算公式如下：

$C_u\frac{{\∂h}_u}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left[k(h_u-z_u)\frac{{\∂h}_u}{\∂x}\right]+\frac{\∂}{\∂y}\left[k(h_u-z_u)\frac{{\∂h}_u}{\∂y}\right]+(Q_3+\mathrm{WUL}-\mathrm{RG}-E-\mathrm{Per}-{\mathrm{WG}}_u)---\left(8\right)$

承压层地下水运动方程为：

$C_1\frac{{\∂h}_1}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left[k_1{D}_1\frac{{\∂h}_1}{\∂x}\right]+\frac{\∂}{\∂y}\left[k_1{D}_1\frac{{\∂h}_1}{\∂y}\right]+(\mathrm{Per}-{\mathrm{RG}}_1-{\mathrm{Per}}_1-{\mathrm{WG}}_1)---\left(9\right)$

其中，h为地下水位(无压层)或水头(承压层)；C为储流系数；k为导水系数；z为含水层底部标高；D为含水层厚度；Q₃为来自不饱和土壤层的涵养量；WUL为上水道漏水；RG为地下水流出；E为蒸发蒸腾；Per为深层渗漏；WG为地下水取水量；下标u和1分别表示无压层和承压层；

(2)限制条件：

h_u≥z_u；WG≤WG_t   (10)

其中，WG_t为地下水取水能力，其与地下水取水量均来自取水许可管理台账。地下水水质较好，一般用于工业和城镇生活，年内时间展布可采取日平均的方式。

在进一步的实施过程中，上述社会水循环取水过程数值模拟方法中，所述社会水循环取水过程数值模拟方法还包括分散取水过程的数值模拟方法，分散取水的主要对象是农村生活和分散的农业用水，其单点取用水量一般较小，无长距离输水，存在“即取即用”的特点，循环过程相对简单。其水源以当地地表和地下水为主。以下分别针对不同用水行业，简述其概化过程。

在本发明实施例中，所述分散取水包括分散农业取水和分散生活取水，所述分散农业取水采用面上模拟，包括以下步骤：

(1)取水位置

借助研究区土地利用图和地理信息系统工具实现对分散性农业用水的空间范围的界定。分散农业取水可进一步划分为水田、旱地、林果地灌溉和鱼塘补水4种类型，其在土地利用信息图中的代码分别是(111、112、113、114)、(121、122、123、124)、24、43。在集中取水的灌区覆盖范围内的农业用水一律采用集中取水作为水源，可通过集中取水灌区图层与模型等高带计算单元图层的叠加进行判别，完全在集中取水灌区范围内的计算单元农业分散取水系数为0，完全在集中取水灌区范围外的计算单元农业分散取水系数为1，处于分界线上的计算单元则按集中取水灌区范围外的面积比例设定系数，计算公式如下：

$\mathrm{\λ}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})=1-\frac{\mathrm{AIRR}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}{\mathrm{AR}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}---\left(11\right)$

其中，λ(ix,iy)为编码为(ix，iy)的等高带计算单元农业用水分散取水系数，即该计算单元的农业用水量从所在子流域取水的比例；AR(ix,iy)为计算单元面积；AIRR(ix,iy)为计算单元位于集中取水的灌区内的面积，通过地理信息系统的图层叠加计算；

根据式(11)确定4类分散农业取水的地理位置，基于分散取水的当地取水原则，确定分散农业取水的取水位置；所述4类分散农业取水包括水田、旱地、林果地灌溉和鱼塘取水；

(2)年取水量

在明确分散取水的位置后接下来需要确定各个取水点的年取水量，有两种计算思路与方法。一种是根据历史统计资料进行空间展布，需要较细致的统计资料，适宜于模型的率定和验证阶段。具体方法是：以二级区套地市为单元，每一个二级区套地市单元内的总农业用水量与集中取水的农业用水量之差即是单元内分散取水的农业用水量，根据单元内4种农业用水类型用水量的比例确定单元内各种类型农业用水量，再根据二级区套地市单元内各种农业用水类型的空间分布情况对分散农业取水量进行空间展布，按照分散取水取用地点一致的概化原则，得到各个等高带计算单元内4种农业用水类型的年取水量。其计算公式如下所示：

${\mathrm{WAGR}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})=[\mathrm{WAGR}-(1-\mathrm{\ω})\·\mathrm{WAGRC}]\·\frac{\mathrm{\λ}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})\·{\mathrm{AREA}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}{\underset{\mathrm{ix}}{\mathrm{\Σ}}\underset{\mathrm{iy}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\λ}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})\·{\mathrm{AREA}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}---\left(12\right)$

$\mathrm{WAGR}\left(\mathrm{ix}\right)=\underset{\mathrm{iy}=1}{\overset{\mathrm{IY}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{WAGR}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})---\left(13\right)$

式(12)和(13)中，WAGR_i(ix,iy)为编码为(ix，iy)的等高带计算单元第i类农业用水取水量；WAGR为等高带所在二级区套地市农业用水总量；WAGRC为所在二级区套地市农业集中取水量；ω为集中取水的弃水率，可根据模拟结果进行修正；AREA_i(ix,iy)为(ix，iy)等高带计算单元第i类农业用水面积；WAGR(ix)为编码为ix的子流域农业分散取水量；IY为子流域内等高带数目；下标i＝1、2、3、4，分别代表水田、旱地、林果地和鱼塘。由此确定了各个子流域的年分散农业取水量，且每个二级区套地市的实际取用水量与统计数据相吻合。

(3)以作物生长需水量和降雨量为考虑因素，各个分散取水点年取水量的年内时间展布。

●作物需水量的计算

作物需水量是指作物在适宜的土壤水分和肥力水平下，经过正常生长发育，获得高产时的植株蒸腾、棵间蒸发以及构成植株体的水量之和。影响因素包括气象因子、作物因子、土壤水分状况、耕作栽培措施及灌溉方式等。目前估算方法大致分为三类：模系数法、直接计算法、参考作物法。

首先计算参考作物蒸发蒸腾量，参考作物蒸发蒸腾量计算方法有很多，包括：Hargreaves经验法、Radiation-FAO法、Blaney-Criddie-FAO法和Penman法等。参考作物蒸发蒸腾量采用1992年联合国粮农组织提出的最新修正彭曼－蒙特斯公式计算，计算时一般以日为时段进行，Penman-Monteith方法以能量平衡和水汽扩散理论为基础，既考虑了作物的生理特征又考虑了空气动力学参数的变化，具有较充分的理论，和较好的通用性和稳定性，估算精度也较高，参考作物法是由联合国粮农组织推荐并在国际上广泛应用的方法，国内80年代以来被广泛应用，效果较好。

参考作物法是以高度一致、生长旺盛、完全覆盖地面而不缺水的绿色草地(8-15cm)的蒸发蒸腾量作为计算各种作物需水量的参照。参考作物蒸发蒸腾量ET₀采用1992年联合国粮农组织提出的最新修正Penman-Monteith公式计算，

${\mathrm{ET}}_0=\frac{0.408\mathrm{\Δ}(\mathrm{Rn}-G)+\mathrm{\γ}\frac{900}{T+273}{U}_2(e_s-e_a)}{\mathrm{\Δ}+\mathrm{\γ}(1+{0.34U}_2)}$

式中：ET₀：参照作物需水量(mm·d^-1)；Δ：温度～饱和水汽压关系曲线在T处的切线斜率(kPa·℃^-1)；Rn：作物表面净辐射(MJ·m^-2d^-1)；G：土壤热通量(MJ·m^-2d^-1)；γ：干湿表常数(kPa·℃^-1)；T：2m高处的日平均气温(℃)；U₂：2m高处24小时平均风速(m·s^-1)；ea：实际水汽压(kPa)；es：饱和水汽压(kPa)。

然后利用作物系数进行修正，最终得到某种作物的需水量。即：

ETC＝∑ETC_i＝∑Kc_i*ET_0i

式中：ETC为作物全生育期的需水量，mm；ETC_i为第i阶段的需水量，mm；Kc_i为第i阶段的作物系数；ET_0i为第i阶段的参考作物蒸发蒸腾量，mm。

●作物系数的确定

作物系数是指全生育期阶段田间实测需水量与参考作物蒸发蒸腾量的比值，是利用参考作物蒸发蒸腾量计算作物需水量的关键性参数，受土壤、气候、作物生长状况和管理方式等多种因素的影响，一般各地都通过灌溉试验确定，并给出逐时段(日、旬或月)的变化过程。

对缺乏试验资料或试验资料不足的作物或地区，可利用FAO(联合国粮农组织)推荐的84种作物的标准作物系数和修正公式(FAO-56，1998)，并依据当地气候、土壤、作物和灌溉条件对其进行修正。

FAO推荐采用分段单值平均法确定作物系数，即把全生育期的作物系数变化过程概化为4个阶段，并分别采用3个作物系数值予以表示。

●净灌溉需水量的计算

某种作物的净灌溉需水量WETC等于生育期内作物需水量ETC与有效降雨量Pe之差，单位是mm。

$\mathrm{WETC}=\left\{\begin{array}{cc}0,& \mathrm{ETC}\≤\mathrm{Pe}\\ \mathrm{ETC}-\mathrm{Pe},& \mathrm{ETC}>\mathrm{Pe}\end{array}\right.$

有效降雨量指总降雨量中能够保存在作物根系层中用于满足作物蒸发蒸腾需要的那部分水量，不包括地表径流和渗漏至作物根系吸水层以下的水量，即理论上有效降雨量的计算公式为：

Pe＝P-P₁-P₂

式中，P₁为降雨所产生的地表径流，mm；P₂为降雨所产生的深层渗漏量，mm。

由于降雨产生的地表径流和产生的深层渗漏需要通过观测计算求得，在生产实践中常采用下列简化方法计算不同降水频率下的有效降雨量，即：

Pe＝μP

式中，μ为降雨有效利用系数,一般认为一次降雨量小于5mm时，μ取为1；当一次降雨量在5～50mm时，μ取为1.0～0.8；当一次降雨量大于50mm时，μ取为0.7～0.8。

将某一计算单元全年的净灌溉需水量相加，则每年的净灌溉需水量占全年的比例即为该计算单元的年内到日尺度的时间展布系数，与计算单元各类型农业用水年分散取水量相乘即得到各分散取水点逐日的农业用水取水量。利用净灌溉需水量的计算，结合研究区实灌面积资料，也可直接进行分散农业取水量的计算，适宜于缺资料地区，或对于未来情景的模拟。

在进一步的实施过程中，上述社会水循环取水过程数值模拟方法中，所述分散取水还包括分散生活取水，分散生活取水的概化方式与分散农业取水的概化方式相似，即首先根据土地利用类型图确定分散生活取水的空间位置，然后确定各分散取水点(各子流域)的年取水量，采取年内平均分布的方式确定逐日的取水量，在本发明实施例中，所述分散生活取水采用面上模拟，包括以下步骤：

(1)取水位置

分散生活用水进一步划分为农村生活和城镇生活2种类型，以农村人口和城镇人口的空间展布信息为基础，在集中取供水的城镇区域覆盖范围内的生活用水一律采用集中取水作为水源，通过集中供水城镇区域图层与模型等高带计算单元图层的叠加进行判别，完全在集中供水城镇范围内的计算单元生活分散取水系数为0，完全在集中供水城镇范围外的计算单元农业分散取水系数为1，处于分界线上的计算单元则按集中供水城镇范围外的面积比例设定系数。计算公式如下所示：

${\mathrm{\λ}}_1(\mathrm{ix},\mathrm{iy})=1-\frac{\mathrm{AMUN}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}{\mathrm{AR}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}---\left(14\right)$

其中，λ₁(ix,iy)为编码为(ix，iy)的等高带计算单元生活用水分散取水系数，即该计算单元的生活用水量从所在子流域取水的比例；AR(ix,iy)为计算单元面积；AMUN(ix,iy)为计算单元位于集中供水城镇内的面积，通过地理信息系统的图层叠加计算。

根据式(14)确定了分散生活用水的地理位置，基于分散取水的当地取水原则，也就同时确定了分散生活用水的取水位置。

(2)年取水量

根据生活用水的历史统计资料进行空间展布，具体方法是：以二级区套地市为单元，每一个二级区套地市单元内的总生活用水量与集中取水的生活用水量之差即是单元内分散取水的生活用水量，根据单元内农村和城镇生活用水类型用水量的比例确定单元内各种类型生活用水量，再根据二级区套地市单元内农村人口和城镇人口的空间分布情况对分散生活用水量进行空间展布，按照分散取水取用地点一致的概化原则，得到各个等高带计算单元内农村生活和城镇生活用水的年取水量。计算公式如下所示：

${\mathrm{WLIV}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})=[\mathrm{WLIV}-\mathrm{WLIVC}]\·\frac{{\mathrm{\λ}}_1(\mathrm{ix},\mathrm{iy})\·{\mathrm{POP}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}{\underset{\mathrm{ix}}{\mathrm{\Σ}}\underset{\mathrm{iy}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_1(\mathrm{ix},\mathrm{iy})\·{\mathrm{POP}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}---\left(15\right)$

$\mathrm{WLIV}\left(\mathrm{ix}\right)=\underset{\mathrm{iy}=1}{\overset{\mathrm{IY}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{WLIV}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})---\left(16\right)$

其中，WLIV_i(ix,iy)为编码为(ix，iy)的等高带计算单元第i类生活用水取水量；WLIV为等高带所在二级区套地市生活用水总量；WLIVC为所在二级区套地市生活集中取水量；POP_i(ix,iy)为(ix，iy)等高带计算单元农村/城镇人口数量；WLIV(ix)为编码为ix的子流域生活分散取水量；IY为子流域内等高带数目；

(3)根据农村和城镇生活用水受季节性影响较小的特性，在年内日尺度上做均匀展布。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种社会水循环取水过程数值模拟方法，其特征在于，包括集中取水过程的数值模拟方法，所述集中取水包括河道型取水方式，所述河道型取水方式采用点上模拟，包括以下具体步骤：

(1)从河道内取水直接影响了河道内的汇流过程，采用一维动力波模型进行河道汇流计算，考虑取水的影响后，其计算公式修正为：

$\frac{\∂A}{\∂t}+\frac{\∂Q}{\∂x}=q_L-q---\left(1\right)$

$\frac{\∂Q}{\∂t}+\frac{\∂(Q^2/A)}{\∂x}+\mathrm{gA}(\frac{\∂h}{\∂x}-S_0+S_f)=(q_L-q)V_x---\left(2\right)$

$Q=\frac{A}{n}{R}^{2/3}{S_f}^{1/2}---\left(3\right)$

其中，A为流水断面面积；Q为断面流量；q_L为网格单元或河道的单宽流入量，包含网格内的有效降雨量、来自周边网格及支流的水量；q为取水流量(m³/s)；n为Manning糙率系数；R为水力半径；S₀为网格单元地表面坡降或河道的纵向坡降；S_f为摩擦坡降；V为断面流速；V_x为单宽流入量的流速在x方向的分量；

(2)取水口取水流量根据日平均取水量计算：

q＝WR/86400             (4)

(3)取水量的限制条件：

Q≥0；q≤q_t                (5)

WR为取水口日取水量(m³)，q_t为取水口最大取水能力(m³/s)，相关数据从研究区的取水许可管理台账信息获取。

2.如权利要求1所述的社会水循环取水过程数值模拟方法，其特征在于，在所述河道型取水的点上模拟过程中，台账信息中取水口取水量以年为单位，在转化为日取水量时做时间上的展布，其中工业和生活用取水采用日平均的方式进行展布；农业用水根据研究区作物需水过程和灌溉取水方式在灌溉期内进行展布。

3.如权利要求1所述的社会水循环取水过程数值模拟方法，其特征在于，所述集中取水还包括水库型取水，所述水库型取水采用点上模拟，包括以下步骤：

(1)水库型取水主要改变水库的蓄水量，水库的入流和出流水量即是其所在计算单元的入流和出流水量，考虑取水的影响后，水库蓄水量的平衡方程为：

V＝V₀+q_L·t-E_re-q_m·t-lea-WRE         (6)

其中，V为时段末水库蓄水量；V₀为时段初水库蓄水量；E_re为水库蒸发量；q_m为水库下泄流量；t为计算时间步长，此处t为1天，即86400秒；lea为水库渗漏损失，即与地下水交换量；WRE为水库取水量；

(2)限制条件：

V≥0；WRE≤WRE_t              (7)

其中，WRE_t为水库取水工程日取水能力；水库取水量和取水工程取水能力从取水许可管理台账信息获取。

4.如权利要求3所述的社会水循环取水过程数值模拟方法，其特征在于，在所述水库型取水的点上模拟过程中，在一个水库内存在多个取水户和取水口时，在模拟时将各取水户的取水量求和进行计算；此外，在转化为日取水量时做时间上的展布，其中工业和生活用取水采用日平均的方式进行展布；农业用水根据研究区作物需水过程和灌溉取水方式在灌溉期内进行展布。

5.如权利要求3所述的社会水循环取水过程数值模拟方法，其特征在于，所述集中取水还包括地下水取水，所述地下水取水采用点上模拟，包括以下步骤：

(1)按照BOUSINESSQ方程进行浅层地下水二维数值计算，考虑地下取水的影响后，其计算公式如下：

$C_u\frac{{\∂h}_u}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left[k(h_u-z_u)\frac{{\∂h}_u}{\∂x}\right]+\frac{\∂}{\∂y}\left[k(h_u-z_u)\frac{{\∂h}_u}{\∂y}\right]+(Q_3+\mathrm{WUL}-\mathrm{RG}-E-\mathrm{Per}-W{G}_u)---\left(8\right)$

承压层地下水运动方程为：

$C_1\frac{{\∂h}_1}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left[k_1{D}_1\frac{{\∂h}_1}{\∂x}\right]+\frac{\∂}{\∂y}\left[k_1{D}_1\frac{{\∂h}_1}{\∂y}\right]+(\mathrm{Per}-{\mathrm{RG}}_1-{\mathrm{Per}}_1-{\mathrm{WG}}_1)---\left(9\right)$

其中，h为地下水位或水头；C为储流系数；k为导水系数；z为含水层底部标高；D为含水层厚度；Q₃为来自不饱和土壤层的涵养量；WUL为上水道漏水；RG为地下水流出；E为蒸发蒸腾；Per为深层渗漏；WG为地下水取水量；下标u和1分别表示无压层和承压层；

(2)限制条件：

h_u≥z_u；WG≤WG_t            (10)

其中，WG_t为地下水取水能力，其与地下水取水量均来自取水许可管理台账；年内时间展布采取日平均的方式。

6.如权利要求5所述的社会水循环取水过程数值模拟方法，其特征在于，所述社会水循环取水过程数值模拟方法还包括分散取水过程的数值模拟方法，所述分散取水包括分散农业取水和分散生活取水；所述分散农业取水采用面上模拟，包括以下步骤：

(1)根据下式确定地理位置：

$\mathrm{\λ}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})=1-\frac{\mathrm{AIRR}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}{\mathrm{AR}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}---\left(11\right)$

其中，λ(ix,iy)为编码为(ix，iy)的等高带计算单元农业用水分散取水系数，即该计算单元的农业用水量从所在子流域取水的比例；AR(ix,iy)为计算单元面积；AIRR(ix,iy)为计算单元位于集中取水的灌区内的面积，通过地理信息系统的图层叠加计算；

根据式(11)确定4类分散农业取水的地理位置，基于分散取水的当地取水原则，确定分散农业取水的取水位置；所述4类分散农业取水包括水田、旱地、林果地灌溉和鱼塘取水；

(2)根据下式确定年取水量：

${\mathrm{WAGR}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})=[\mathrm{WAGR}-(1-\mathrm{\ω})\·\mathrm{WAGRC}]\·\frac{\mathrm{\λ}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})\·{\mathrm{AREA}}_I(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}{\underset{\mathrm{ix}}{\mathrm{\Σ}}\underset{\mathrm{iy}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\λ}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})\·{\mathrm{AREA}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}---\left(12\right)$

$\mathrm{WAGR}\left(\mathrm{ix}\right)=\underset{\mathrm{iy}=1}{\overset{\mathrm{IY}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{WAGR}}_I(\mathrm{ix},\mathrm{iy})---\left(13\right)$

式(12)和(13)中，WAGR_i(ix,iy)为编码为(ix，iy)的等高带计算单元第i类农业用水取水量；WAGR为等高带所在二级区套地市农业用水总量；WAGRC为所在二级区套地市农业集中取水量；ω为集中取水的弃水率，根据模拟结果进行修正；AREA_i(ix,iy)为(ix，iy)等高带计算单元第i类农业用水面积；WAGR(ix)为编码为ix的子流域农业分散取水量；IY为子流域内等高带数目；下标i＝1、2、3、4，分别代表水田、旱地、林果地和鱼塘；

(3)以作物生长需水量和降雨量为考虑因素，各个分散取水点年取水量的年内时间展布。

7.如权利要求6所述的社会水循环取水过程数值模拟方法，其特征在于，所述分散生活取水采用面上模拟，包括以下步骤：

(1)根据下式确定地理位置：

${\mathrm{\λ}}_1(\mathrm{ix},\mathrm{iy})=1-\frac{\mathrm{AMUN}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}{\mathrm{AR}(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}---\left(14\right)$

其中，λ₁(ix,iy)为编码为(ix，iy)的等高带计算单元生活用水分散取水系数，即该计算单元的生活用水量从所在子流域取水的比例；AR(ix,iy)为计算单元面积；AMUN(ix,iy)为计算单元位于集中供水城镇内的面积，通过地理信息系统的图层叠加计算；根据式(14)确定分散生活用水的地理位置，基于分散取水的当地取水原则，确定分散生活用水的取水位置；

(2)根据下式确定年取水量：

${\mathrm{WLIV}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})=[\mathrm{WLIV}-\mathrm{WLIVC}]\·\frac{{\mathrm{\λ}}_1(\mathrm{ix},\mathrm{iy})\·{\mathrm{POP}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}{\underset{\mathrm{ix}}{\mathrm{\Σ}}\underset{\mathrm{iy}}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_1(\mathrm{ix},\mathrm{iy})\·{\mathrm{POP}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})}---\left(15\right)$

$\mathrm{WLIV}\left(\mathrm{ix}\right)=\underset{\mathrm{iy}=1}{\overset{\mathrm{IY}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{WLIV}}_i(\mathrm{ix},\mathrm{iy})---\left(16\right)$

其中，WLIV_i(ix,iy)为编码为(ix，iy)的等高带计算单元第i类生活用水取水量；WLIV为等高带所在二级区套地市生活用水总量；WLIVC为所在二级区套地市生活集中取水量；POP_i(ix,iy)为(ix，iy)等高带计算单元农村/城镇人口数量；WLIV(ix)为编码为ix的子流域生活分散取水量；IY为子流域内等高带数目；

(3)根据农村和城镇生活用水受季节性影响较小的特性，在年内日尺度上做均匀展布。