CN111105170A - 水资源仿真配置计算方法及水资源的配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了水资源仿真配置计算方法，包括步骤：1)建立流域或区域仿真地形图；2)通过所述仿真地形图，确立需水对象与水源工程的物理匹配性；3)根据所述仿真地形图上的水系与水源工程、用户分布关系，以流域上中下游为体系，以具体水库工程、引提水工程和控制断面为汇总节点，按工程级别、位置信息与需水对象的具体位置进行三级优化：一级优化，引提水工程节点优化；二级优化，水库节点优化；三级优化，对现状或规划水平年的配置方案，将流域或区域作为整体，进行区域或流域优化计算。本发明还公开了水资源配置方法。本发明具有避免工程供需关系的真实匹配性错误，避免优化的维数灾问题，避免传统优化产生工程与需水不匹配现象的优点。
Description
技术领域
本发明涉及水资源的配置的技术领域，具体涉及一种水资源的配置方法及水资源仿真配置计算方法的技术。
背景技术
国内水资源配置研究针对应用对象进行分类，主要有：水利工程控制单元的水资源配置、区域水资源配置、流域水资源配置和跨流域水资源配置。水利工程是水资源配置的基本单元，结构相对简单，影响和制约因素相对较少，成为水资源配置理论和方法的较早应用对象；区域是社会经济活动中相对独立的基本管理单位，系统结构复杂，影响因素众多，通常以多目标和大系统优化技术为主要研究手段，主要是区域需水分析；流域系统是最能体现水资源综合特性和功能的独立单元，也主要以多目标和大系统优化技术为研究手段；跨流域系统的系统结构和影响因素间的相互制约关系较区域和流域更为复杂，仅用数学规划技术难以描述系统的特征，因此仿真模拟技术和多种技术结合使用将成为跨流域水资源配置研究的主要技术手段。
现有的水资源配置研究在理论方法上有许多发展，但许多重大科研课题主要针对大区域、大流域范围，针对宏观目标的优化配置，在基础配置计算上主要采用分区概化计算的思路，这在北方相对平坦地区相对适应，但对于南方山丘区，分区概化，往往导致区内存在跨流域调水、跨高程配水的配置问题。
现有的水资源配置的缺点与不足：
1)平面二维均化，难以反映高程信息的不匹配给水源配置产生的影响。
2)分区打捆计算，忽视了不同供水工程间供水能力的不可调配性；对于中小流域，供水以中小工程及引水工程为主的流域或区域，配置结果与实际情况差异更大。
3)对南方山丘区，引水工程供水量占比较大，而且多数为小型引提水工程，概化计算，往往放大引提水工程的供水能力。
4)常规的线形规划等优化方法，对配置模型的节点数有控制要求，节点过多则会产生维数灾问题。导致一些优化模型对于区域工程节点、用水节点概化较多，忽视节点间的实际工程匹配性。
5)采用面上数学方法优化，忽视了局部优化结果难以通过工程措施实现的问题，特别是在山区及丘陵区，不同水系间、不同供水工程间供水量的调整意味的工程造价可能十分高昂或者根本不具备工程可行性。
6)配置过程中采用的优化规则并不能传递给实际工程，导致部分优化规则在实际管理中应用不到。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种水资源仿真配置计算方法，水资源配置时避免工程供需关系的真实匹配性错误，避免优化的维数灾问题，避免传统优化产生工程与需水不匹配现象。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种水资源仿真配置计算方法，包括下列步骤：
1)针对现状或规划水平年的配置方案，建立流域或区域的仿真地形图，在地形图上分层建立水系图、耕地及灌区分布图，以及供水水厂及水库构成的水源工程分布图、自备水源工矿企业分布图、城镇用水户分布图；
2)通过所述仿真地形图，根据地形图的高程及空间分布，分析水源工程与需水对象的空间关系，通过输水信息，确立需水对象与水源工程的物理匹配性，即每个水源工程负责给哪些需水对象供水，通过供水渠系、管网或者水系的输送能力是多少，以作为输水能力约束；
3)根据所述仿真地形图上的水系与水源工程、用户分布关系，以流域的上游、中游与下游为体系，以具体水库工程、引提水工程和控制断面为汇总节点，按工程级别、位置信息与需水对象的具体位置进行分级优化；
所述分级优化包括：
一级优化，引提水工程节点优化，将引提水工程节点分类分级优化，对有水库补水的引提水工程，分级计算，以水库至引提水工程区间来水作为输入，优先计算引提水工程的缺水过程，将其缺水过程视作补水水库的需水过程，将与水库有补水关系的引提水工程简化为对其有补水过程的水库节点的需水对象；无水库补水的引提水工程，简化为调蓄库容接近零，输水能力有限的水库工程节点，将蓄引提工程均优化为水库工程节点；
二级优化，水库节点优化，将水库节点，分为单水源多用户水库工程和多水源多用户或跨流域、区域的水库工程分类计算，其中单水源多用户工程是工程配置计算的基础形态，通过设定农业、城镇及生态用水的优先供水级别进行不同行业工程保障程度的优化计算；对多水源多用户或跨流域、区域的水库工程涉及区域作为单独层级计算；筛选存在多水源多用户区域及跨流域区域的供水区域，对多水源、多用户供水体系，采用线性规划的优化算法，确定每个水源承担的最优供水任务，将所述多水源多用户区域转化为单水源供水工程；对所述跨流域区域将其用水需求虚拟至供水所在流域，将其退水虚拟为新增供水工程，放入退水所在流域，形成单水源供水工程体系；
三级优化，对现状或规划水平年的配置方案，将流域或区域作为整体，进行区域或流域优化计算，完成区域或流域水资源配置方案计算，分析农业、城镇生活及工业、生态用水保障程度。
所述二级优化中，对全部节点分类优化，分为单水源多用户水库工程和多水源多用户或跨流域、区域的水库工程分类计算，将整个计算区域中局部地区的多水源多用户区域通过常规优化方法转化为单水源供水工程，以实现整个计算区域的优化简化为单个水利工程的优化。
所述三级优化中，按照从上游到下游、工程规模先小后大的用水先后及水流流向的顺序，对所有优化后的单水源多用户水源工程节点及控制断面进行编码，按照每个工程节点编码顺序对其承担的农业、城镇、生态供水任务按照供水优先顺序，对每个供水节点供水进行优化计算，通过对全流域供水节点优化结果的汇总分析，实现全流域或区域农业、城镇生活及工业、生态用水缺水量及保障程度的分析。
一种水资源的配置方法，是通过前述水资源仿真配置计算方法进行水资源配置。
本发明具有以下有益效果：
通过本发明的技术方案，将最复杂的水资源配置计算转为最基本的水利工程控制单元优化。
因为常规水资源配置计算采用分区概化计算，一般采用四级区套地市或者五级区套乡镇的方式计算，五级区套乡镇是最精细分区；这种分区概化计算存在如下问题：在该水资源分区包括水田、旱地、河流与水库，河流全属于该水资源分区，进行分区汇总计算时，由于当地引水工程均为小型引水工程(引水流量小于5m3/s)，水库为小型水库时，一般进行打捆计算。而图1中需水区域实际是集中在竹园镇和朋普镇沿河区域，而且此区域高程较低，当分区打捆计算时，由于忽略了高程信息和工程独立性，会将旁边夏河沟、林就河所在河流的引水工程的富余供水量，以及小黑洞、歪者山水库的富余供水量计算给处于河谷地带的竹园镇和朋普镇，或者将朋普镇干流的引水工程的富余供水能力供给支流的夏河沟、林就河所在区域，导致区域计算成果不存在缺水量，实际在浅白色图斑区域及高程较高的，引水工程高程供不到的区域依然缺水。同理，夏河沟、林就河所在河流虽然同属一个水资源分区，但两侧高山相隔，两个河流所在的工程供水能力，都仅能供给本流域的需水对象，无论缺水或者富余，都不存在相互调配的可能。在配置计算时，将他们的供水能力放在一起，就会引起区域配置成果的失真。
对于某一区域河流水系概化图，在图2中乙引水工程供水能力仅取决于上游来水和工程引水能力，甲引水工程除工程本身外，甲引水工程还可以受到上游水库的影响。在计算时，不能将其归为同一类计算。其中甲引水工程可将水库至甲引水工程区间来水作为来水计算其供水能力，缺水由上游水库补给。而乙引水工程可视作库容极小的水库计算。
基于水资源的刚性约束要求水资源管理进一步精细化,在取用耗排及配置管理上进一步清晰准确，本发明就是为了将水资源的优化配置计算和实际的基层管理应用打通，建立一种水资源配置模型，通过三级优化配置方法，将流域或区域优化简化到工程优化，建立以具体工程配置为核心，实现全流域(区域)计算的配置模型，改善传统配置模型分区概化、节点优化方法，可能产生的工程供水与实际用户不匹配、空中调水、或者优化措施不具备工程可行性的问题。
本发明不受节点数量的限制，避免优化的维数灾问题，同时利用优势拓展为大数据分析的基础架构系统；通过用水户和供水工程的真实模拟，可以避免传统优化产生工程与需水不匹配现象；模型的拓展能力强，可加入主河道地形，进行水质模拟或联合调度模拟；实用性强，配置体系可用于目前开展用水总量统计、复核、监管等工作。
总之，在水资源的配置时，通过仿真模拟计算，就是在各个水库优化的基础上，按照配置要求的行政或者流域分区，将区域内的水库按照上下游关系，供水优先顺序，计算出配置要求的行政或者流域分区的供水保障程度，这样，一方面避免工程供需关系的真实匹配性错误；另一方面，通过分类分级优化，限制单次采用数学优化方式的节点数量，避免优化的维数灾问题，也避免传统优化产生工程与需水不匹配现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是某地乡镇河流水系及耕地分布图；
图2某一区域河流水系概化图；
图3是本发明现状年通过一级优化后概化出的泸西县水资源配置节点图；
图4是本发明二级优化后多水源多用户区域筛选转化图；
图5是本发明进行三级优化后对小江河流域进行整体分析图(一)；
图6是本发明进行三级优化后对小江河流域进行整体分析图(二)；
图7是本发明规划水平年的一级优化节点图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明水资源的配置方法，包括下列方法步骤：
1)针对现状或规划水平年的某一配置方案，建立流域或区域仿真地形图，在地形图上分层建立水系图、耕地及灌区分布图，以及供水水厂及水源工程分布图、自备水源工矿企业分布图、城镇用水户分布图等；
2)通过仿真地形图，根据地形图的高程及空间分布，分析水厂及水库等水源工程与灌区、城镇用水户等需水对象的空间关系，通过明晰渠系、管网、水系等输水信息，确立需水对象与工程的物理匹配性，即每个工程负责给那些需水对象供水，通过供水渠系、管网或者水系的输送能力是多少，以作为输水能力约束；这样可以避免空间平面均化带来的高程不匹配问题。物理匹配性就是指通过渠系、管网、水系等建立的匹配关系属性；
3)根据仿真地形图上水系与工程、用户分布关系，以流域上中下游为体系，以具体水库工程、引提水工程和控制断面为汇总节点，按工程级别、位置信息与需水对象的具体位置进行分级优化；
该分级优化包括：
一级优化，引提水工程节点优化。将引提水工程节点分类分级优化。对无水库工程补水的引提水工程视为调蓄库容为零，输水能力有限的水库工程节点。将有水库补水的工程，分级计算，以水库至引提水工程区间来水作为输入，优先计算引提水工程的缺水过程，将其缺水过程视作补水水库的需水过程，可将与水库有补水关系的引提水工程简化为带有补水过程的水库节点。这样可以将蓄引提工程均可优化为水库工程节点。这样可以避免引提水工程打捆计算带来的失真问题。
二级优化，水库节点优化。将水库节点，分为单水源多用户水库工程和多水源多用户或跨流域、区域的水库工程分类计算。单水源多用户工程是工程配置计算的基础形态，通过设定农业、城镇及生态用水的优先供水级别进行不同行业工程保障程度的优化计算。对多水源多用户或跨流域、区域的水库工程涉及区域作为单独层级计算。筛选存在多水源多用户区域及跨流域区域的供水区域，对多水源、多用户供水体系，采用线性规划的优化算法或其它的优化算法，确定每个水源承担的最优供水任务，将所述多水源多用户区域转化为单水源供水工程；对所述跨流域区域将其用水需求虚拟至供水所在流域，将其退水虚拟为新增供水工程，放入退水所在流域，形成单水源供水工程体系；这样就可以仅对多水源多用户的区域计算采用线性规划的优化算法，有力的限制了采用线性规划的优化算法的节点数量，避免维数灾问题。
三级优化，对现状或规划水平年的某一配置方案，将流域或区域作为整体，进行区域或流域优化计算，完成区域或流域水资源配置方案计算，分析农业、城镇生活及工业、生态用水保障程度。按照从上游到下游、工程规模先小后大的用水先后及水流流向的顺序，对所有优化后的单水源多用户水源工程节点及控制断面进行编码，按照每个工程节点编码顺序对其承担的农业、城镇、生态供水任务按照供水优先顺序，对全流域或区域供水节点供水进行优化计算，分析流域或区域农业、城镇生活及工业、生态用水缺水量及保障程度。
由上述可知，仿真地形图含有蓄引提供水工程空间及控制高程分布、灌溉渠系、管网及水系空间高程分布；水厂、城镇生活及工业用水库空间高程分布，耕地等农业用水户空间高程分布等空间信息于一体的图形；单水源供水工程包括塘坝、水库、引提水工程等与其他塘坝、水库、引提水工程无共同供水对象的工程。
通过仿真地形图，根据地形图的高程及空间分布，分析水厂及水库等水源工程与灌区、城镇用水户等需水对象的空间关系，通过明晰渠系、管网、水系等输水信息，确立需水对象与工程的物理匹配性，即每个工程负责给那些需水对象供水，通过供水渠系、管网或者水系的输送能力是多少，以作为输水能力约束。这样可以避免空间平面均化带来的高程不匹配问题。
将有水库补水的引提工程，分级计算，以水库至引提水工程区间来水作为输入，优先计算引提水工程的缺水过程，将其缺水过程视作补水水库的需水过程，可将与水库有补水关系的引提水工程简化为带有补水过程的水库节点。这样可以将蓄引提工程均可优化为水库工程节点。这样可以避免引提水工程打捆计算带来的失真问题。
筛选存在多水源多用户区域及跨流域区域的供水区域，对多水源、多用户供水体系，采用线性规划等优化算法，确定每个水源承担的最优供水任务，将所述多水源多用户区域转化为单水源供水工程；对所述跨流域区域将其用水需求虚拟至供水所在流域，将其退水虚拟为新增供水工程，放入退水所在流域，形成单水源供水工程体系；这样就可以仅对多水源多用户的区域计算采用线性规划等优化算法，有力的限制了采用线性规划等优化算法的节点数量，避免维数灾问题。上述维数灾问题主要是由于线性规划等数学优化方法本身对节点数量的限制产生的，本发明的关键技术点是在计算过程中，通过分类分级优化，减少采用数学优化区域。
本发明中，三级优化核心是计算各个水库的供水量和缺水量，计算保证率，但是要考虑区域的整体平衡及上下游关系；水资源配置的最终目标是算出区域或流域的整体供水保障程度对现状或规划水平年的配置方案，将流域或区域作为整体，进行区域或流域优化计算(完成区域或流域水资源配置方案计算，分析农业、城镇生活及工业、生态用水保障程度)。
总之，本发明水资源仿真配置计算方法主要针对现状或规划水资源配置方案，通过建立流域仿真配置模型，采用三级优化的方法将流域或者区域配置降维计算，然后按流域或区域进行整体优化配置的一种方法。其中三级优化是对某一水平年的工程和需水进行的优化计算。在规划水平年的需水预测时，将规划水平年的需水预测与现状用水进行对比，复核分析各行业的新增需求分布的区域及其合理性，建立新增用水需求空间分布图层，与现状基础图层叠加。针对不同水平年，存在新增用水需求的区域，独立分析可行的配置方案，包括节水、新建蓄水工程、扩建输水工程、增加水厂、调水，形成不同规划水平年的配置方案集。对于不同的水平年的不同配置方案，将其新增用水需求和新增配置工程加入已建立的基础模型，形成独立方案的配置体系。针对不同配置方案的配置体系，进行配置计算，分析生产、生活、生态用水保证情况是否满足规划目标，不满足的话，重新调整规划配置方案进行计算。
下面是对本发明水资源仿真配置计算方法进一步描述。
一、建立流域或区域仿真基础模型。利用GIS技术建立流域或区域仿真地形图。在地形图上分层建立水系图、工程布置图(含干支渠、供水管网等主要供水线路)，耕地分布图(含地类)、现状灌区分布图，现状供水水厂及水源分布图、现状规模以上自备水源工矿企业分布图等。
二、建立现状用水户与配置工程的匹配图。通过明晰渠系、管网等输水信息，将需水对象(包括农业、工业、城镇生活、生态等)与相应的供水工程建立明确的物理联系。
三、采用基于仿真基础模型的水资源三级优化配置方法，计算现状工程的供水保障程度，包括生产生活生态等。
一级优化即独立水源供水工程的划分及计算。通过仿真基础模型，可以清晰地将独立水源供水工程(诸如塘坝、无水库补水的引提水工程、供水区域独立的小一型及小二型水库)单独标识，作为独立供水节点配置，进行单水源多用户供水的优化计算，作为顶层计算基础。
二级优化，通过仿真基础模型，划分多水源多用户区域及跨流域区域，对多水源多用户区域及跨流域区域作为单独层级优化计算。主要筛选存在多水源多用户区域及跨流域区域的供水区域，对多水源、多用户供水体系，采用常规的优化方法(诸如线性规划等)，确定每个水源承担的最优供水任务，将多水源多用户区域，转化为独立水源供水工程；对跨流域区域将其需求虚拟至供水所在流域，将其退水虚拟为新增供水工程，放入退水所在流域，形成独立水源供水体系。
三级优化，即将流域和一个区域作为整体，通过不同区域的约束条件调整，按照从上游到下游、工程规模先小后大、先引提水后蓄水工程的顺序，按照每个工程节点承担的工程任务的优先顺序，对全流域或区域供水节点供水进行优化计算，分析流域或区域不同水资源配置方案的计算成果。
四、建立新增用水需求图层。规划水平年的需水预测成果。可以采用现有各种方法进行规划水平年的需水预测，将规划水平年的需水预测与现状用水进行对比，复核分析各行业的新增需求分布的区域及其合理性。建立新增用水需求空间分布图层，与现状基础图层叠加。
五、不同配置方案的提出及计算。分析现状工程配置体系计算成果，针对不同水平年，存在新增用水需求的区域，独立分析可行的配置方案，包括节水、新建蓄水工程、扩建输水工程、增加水厂、调水等，形成不同规划水平年的配置方案集。
六、建立不同水平年不同配置方案集的流域仿真配置模型。对于不同的水平年的不同配置方案，将其新增用水需求和新增配置工程加入已建立的仿真基础模型，形成独立方案的仿真配置体系。
七、配置成果的计算和优化。针对不同配置方案的仿真配置体系，重新采用基于仿真模型的水资源三级优化配置方法，进行配置计算，分析生产、生活、生态用水保证情况是否满足规划目标，不满足的话，重新调整规划配置方案进行计算。
下面以泸西县为例进行说明。
一、泸西县的基本情况。
泸西县位于云南省东南部，红河哈尼族彝族自治州北部，地处东经103°30'～104°03'，北纬24°15'～24°46'之间，全县国土总面积为1674平方公里。其中，坝区面积285平方公里，占土地面积的17％；山区面积808.2平方公里，占总面积的48.3％；丘陵面积580.8平方公里，占总面积的34.7％。泸西县地处珠江流域上游，境内的河流均属南盘江水系。境内3条主要河流是小江河、金马河、矣维河，此外有雨洒河和勺布白河2条小河流。泸西县存在“三山两水”总地貌。金马河和小江河是泸西县的“两水”。
矣维河是泸西县西界河(下游叫白马河，归甸溪河)，全长约69公里，是一条洪水较大枯水数月断流的石灰岩区河流，集水面积218.8平方公里。金马河是南盘江一级支流、甸溪河上游支流之一，全长约75公里，集水面积662.2平方公里，是一条洪水较大、枯水会断流的河道。金马河是泸西县“三山两水”总地貌的两水之一，该河流出板桥河水库后，即是金马、桃园两个坝子和午街铺丘陵区，是泸西县农业生产的主要地区。小江河发源于师宗县，下游汇入南盘江，全长约90公里，集水面积869.5平方公里。雨洒河发源于旧城镇的路溪白村，经普泽、雨洒、大水塘等乡入弥勒市甸溪河，全长约28公里，集水面积149.5平方公里。勺布白河发源于三塘乡的大方摆龙潭，汇入南盘江，在泸西县境内河长约12.5公里，集水面积286.9平方公里。
泸西县下辖中枢镇、向阳乡、三塘乡、永宁乡、午街铺镇、金马镇、旧城镇、白水镇5镇3乡，81个村委会，477个村民小组，2012年末，全县人口总数为41.86万人，其中城镇人口13.25万人。2012年泸西县实现国内生产总值531850万元，三次产业结构为22.8:40.7:36.5。现有耕地面积93.46万亩，有效灌溉面积19.95万亩，其中水田9.88万亩、旱地10.07万亩，有效灌溉率达21.3％。
根据水系，泸西县属于南盘江水资源三级区，具体情况对泸西县进行水资源四级分区，可分为两个水资源四级区。包括甸溪河分区和南盘江下游干流分区。分区情况见表1。泸西全县境内多年平均水资源总量5.20亿m3，其中地表水资源量5.20亿m3，地下水资源量1.87亿m3，地表水与地下水重复计算量为1.87亿m3。
表1泸西县区水资源分区基本情况表
2012年，泸西县已建地表水供水工程共计435处，其中，蓄水工程299处，包括中型水库4座、小型水库49座、小坝塘246座，蓄水工程总库容17813万m3、兴利库容13187万m3；引水工程58处，总引水流量41.43m3/s，其中小(1)型引水工程8处，引水流量29.5m3/s；提水工程90处，总装机4460kW，总提水流量4.41m3/s，其中小(1)型提水工程7处，装机功率822kW，提水流量1.09m3/s。全县地下水开采井1.52万眼，其中机电井0.18万眼，人力井1.34万眼。其他供水工程以山区五小水利等集雨工程为主，建有小水池、小水窖1.73万件，总容积47.4万m3。泸西县2012年供水设施基本情况见表2。
表2泸西县2012年供水设施基本情况
2012年泸西县河道外总用水量为12843万m3，各用水组成中，生活用水量1250万m3，占总用水量的9.7％，生产用水量11573万m3，占总用水量的90.1％，河道外生态用水量20万m3，占总用水量的0.2％。从各行业用水来看，农业为全县第一用水大户，用水量10303万m3，占总用水量的80.2％，工业用水量1011万m3，占总用水量的7.9％，建筑及三产用水量259万m3，占总用水量的2.0％。从城镇和农村用水来看，农村用水量11031万m3，所占比重较大，为85.9％，城镇用水量1812万m3，占14.1％。
二、泸西县未来经济社会发展指标预测
根据经济社会发展形势分析，根据泸西县城市总体规划纲要(2011～2030)成果，采用定额法，趋势法等方法，对泸西县产业发展、人口及城镇化水平、国民经济发展、农田有效灌溉面积、林牧渔业等经济社会发展指标进行了预测。
三、泸西县未来经济社会发展用水需求预测
泸西县河道外需水按“三生”口径划分，具体分为生活需水、生产需水(农业需水、工业需水、建筑业及第三产业需水)和河道外生态需水三大组成部分。根据泸西县经济社会发展指标预测成果，参照相关专项规划成果，采用定额法进行需水预测，并采用一般节水强度和强化节水进行预测。为了简化讲述，此处仅对强化节水方案需水预测成果进行讲述。
至2020年，75％保证率下泸西县河道外总需水量为14565万m3，其中生活需水1714万m3，占总需水量的11.8％；农业需水10895万m3，占总需水量的74.8％；工业需水1344万m3，占总需水量的9.23％；建筑业及第三产业需水574万m3，占总需水量的3.94％；河道外生态用水38万m3，占总需水量的0.26％。
至2030年，75％保证率下全县河道外总需水量为15698万m3，其中生活需水2070万m3，占总需水量的13.2％；农业需水10624万m3，占总需水量的67.7％；工业需水1774万m3，占总需水量的11.3％；建筑业及第三产业需水1169万m3，占总需水量的7.45％；河道外生态用水61万m3，占总需水量的0.39％。
四、供水工程规划
规划水平年水资源开发利用不仅要满足现状未达标的合理需求，还要满足社会发展新增用水需求。主要采取灌区续建配套与高效节水改造以及乡镇节水工程建设抑制需水过快增长，新建中小型水库以及塘坝等蓄水工程和改扩建引提水工程增加供水能力。
规划对金马坝灌区、中枢坝灌区等现有千亩以上灌区实施灌区续建配套，加强田间工程建设；对平坝区18.1万亩耕地开展高效节水建设，其中管灌面积6万亩，渠道防渗灌溉面积12.1万亩，提高渠系水利用系数和灌溉水利用系数。规划扩建平海子、白水塘及王家寨三座中型水库，新建所梅乐水库等17座小(一)型水库工程以及梅子箐水库等22处小(二)型水库。规划在在建的兴安引水隧洞及板桥河提水增蓄工程基础上，新建阿味泵站等提水工程体系，提高坡地供水保障程度。
五、泸西县水资源配置
水资源配置以水资源供需分析为手段，在现状供需分析和对各种合理抑制需求、有效增加供水、积极保护生态环境的可能措施进行组合及分析的基础上，对各种可行的水资源配置方案进行供需分析、评价和比选，对水资源开发利用、产业结构、人口发展等提出修改意见，再进行新一轮水资源配置，以提出推荐配置方案。
为摸清泸西县基准年(2012年)、规划水平年(2020年，2030年)水资源保障情况，需要对基准年(2012年)、规划水平年(2020年，2030年)开展水资源配置分析，提出水资源供需分析中的供水满足程度、余缺水量、缺水程度、缺水原因及其影响。
其中基准年供需分析的目的是摸清水资源开发利用在现状条件下存在的主要问题，分析水资源供需结构、利用效率和工程布局的合理性，提出水资源供需分析中的供水满足程度、余缺水量、缺水程度、缺水原因及其影响。在明确缺水性质(资源性缺水、工程性缺水和污染性缺水)和缺水原因的基础上，确定解决缺水措施的顺序，为寻求水资源配置措施提供基础信息。
根据本发明，建立了一种仿真的水资源配置方法对各个方案进行供需平衡分析。本发明以基准年配置计算为例进行说明。
根据前文所述泸西县概况，需要针对表2的现状工程，以及用水需求预测，对泸西县水利基础设施及用水户进行一级优化。将引提水工程节点分类分级优化，对塘坝、无名录引提水工程优先计算供用水。对无水库工程补水的引提水工程视为调蓄库容为零，输水能力有限的水库工程节点。将有水库补水的引提水工程，分级计算，以水库至引提水工程区间来水作为输入，优先计算引提水工程的缺水过程，将其缺水过程视作补水水库的需水过程，可将与水库有补水关系的引提水工程简化为带有补水过程的水库节点。这样可以将蓄引提工程均可优化为水库工程节点。优化结果见图3。
在一级优化的基础上，将水库节点，分为单水源多用户水库工程和多水源多用户或跨流域、区域的水库工程分类计算。单水源多用户工程是工程配置计算的基础形态，通过设定农业、城镇及生态用水的优先供水级别进行不同行业工程保障程度的优化计算。对多水源多用户或跨流域、区域的水库工程涉及区域作为单独层级计算。筛选存在多水源多用户区域及跨流域区域的供水区域，对多水源、多用户供水体系，采用线性规划等优化算法，确定每个水源承担的最优供水任务，将所述多水源多用户区域转化为单水源供水工程；对所述跨流域区域将其用水需求虚拟至供水所在流域，将其退水虚拟为新增供水工程，放入退水所在流域，形成单水源供水工程体系。其中多水源多用户区域筛选转化见图4。在图4中进行二级优化时，筛选出整个县域中，仅有的两个多水源多用户的区域，即雨洒河的雨洒管片，和甸溪河和小江河区域的供用水户。由于他们互相无水力联系，可在二级优化中分别采用线性规划等优化方法进行优化计算，确定各个水库的最优供水任务。
在二级优化的基础上，将甸溪河片区、小江河片区作为分区整体，按照从上游到下游、工程规模先小后大的用水先后及水流流向的顺序，对所有优化后的单水源多用户水源工程节点及控制断面进行编码，按照每个工程节点编码顺序对其承担的农业、城镇、生态供水任务按照供水优先顺序，对全流域供水节点供水进行优化计算，分析流域或区域农业、城镇生活及工业、生态用水缺水量及保障程度。具体见图5、图6。基准年配置成果见表3。规划水平年供需平衡分析，主要是在基准年可供水量分析、供水工程规划基础上，对规划水平年配置方案的供需平衡成果进行分析。各配置方案的基础就是通过建立水资源配置模型对方案的供需平衡成果进行分析。
在各规划水平年需水正常增长与现状供水工程条件情况下，进行各规划水平年水资源供需平衡计算，得出“零方案”下的平衡结果。2030年“零方案”配置成果见表4。按照建设节水型社会要求，推广清洁生产技术，发展循环经济，降低万元工业增加值用水，推广节水器具、改造供水管网，减少输水损失，合理抑制经济社会需水的过快增长，同时对现有工程进行挖潜配套和节水改造，挖潜配套和节水改造后的供水系统组成新的供水系统作为“一次平衡”分析供水方案。按照拟定的“一次平衡”供水方案，进行配置分析。2030年“一次平衡”分析结果见表5。进一步实施开源措施，新增的供水水源与现状供水工程组成新的供水系统作为“二次平衡”分析供水方案，进行供需平衡分析，具体见图7。通过将新增需水和新增工程加入仿真模型，进行规划水平年的三级优化计算，得出泸西县规划水平年的配置成果。对规划水平年，可以建立不同水平年不同配置方案集的流域仿真配置模型。对于不同的水平年的不同配置方案，将其新增用水需求和新增配置工程加入已建立的仿真基础模型，形成独立方案的仿真配置体系。2030水平年“二次平衡”分析结果见表6。
表3泸西县基准年水资源供需平衡成果表单位:水量万m3、缺水率％
表4泸西县2030年“零方案”水资源供需平衡成果表单位:水量万m3、缺水率％
表5泸西县2030年一次平衡水资源供需平衡成果表单位:水量万m3、缺水率％
表6泸西县2030年二次平衡水资源供需平衡成果表单位:水量万m3、缺水率％
通过各表，可获知三级优化的计算结果，即整体供水保障程度，比如整个泸溪县的供水保障程度。由本发明的技术方案，分析所在地级市的供水保障程度，以及整个流域或者区域的供水保障情况。
本发明中，图3中三角形代表水库节点，两个对尖三角形代表引水闸，椭圆形代表耕地集中的灌片，即灌溉用水户。矩形代表各乡镇集中的城镇及工业用水需求，线条代表河流、管道或者渠系，垂直于河道的线代表河道控制断面，用来计算生态用水需求，虚线代表退水或者流域分界。图3是本发明对案例介绍中泸西县的水利工程和用水户进行一级优化后，概化出的泸西县水资源配置节点图，为便于说明，对一些较小的水库节点在本图中不再显示。
图4中，进行二级优化时，筛选出整个县域中，仅有的两个多水源多用户的区域，即雨洒河的雨洒灌片(由茨凹水库和上马水库联合灌溉及补充雨洒河生态用水)，甸溪河和小江河区域的供用水户(由板桥河水库、白水塘水库，东子河引水工程、兴安隧洞、者红坡隧洞、老鸦坡隧洞、金马灌片和中枢坝灌片农业需水、金马镇、旧城镇、午街镇、白水镇、中枢镇组成的多水源多用户系统)。由于他们互相无水力联系，可在二级优化中分别采用数学规划等优化方法进行优化计算，确定各个水库的最优供水任务。
图5中，进行三级优化时，根据泸西县的分区，将甸溪河片区和小江河片区分别计算其片区配置成果。甸溪河片区作为分区整体，从阿味水库、兴安隧洞、板桥河水库、者红坡隧洞、所得村水库、老鸦坡隧洞、甸溪河控制断面，茨凹水库、上马水库的顺序进行编码，按照水流方向，对每个工程节点承担的农业、城镇、生态供水任务按照供水优先顺序，进行优化计算，将其成果按甸溪河片区及乡镇进行汇总分析，形成流域和区域的配置成果。按照从上游到下游、工程规模先小后大的用水先后及水流流向的顺序，对所有优化后的单水源多用户水源工程节点及控制断面进行编码，按照每个工程节点编码顺序对其承担的农业、城镇、生态供水任务按照供水优先顺序，对全流域供水节点供水进行优化计算，分析流域或区域农业、城镇生活及工业、生态用水缺水量及保障程度。
图6中，进行三级优化时，根据泸西县的分区，将甸溪河片区和小江河片区分别计算其片区配置成果。小江河片区作为分区整体，从阿所田水库、无浪海水库、兴安隧洞、五者水库、山衣水库、者红坡隧洞、东子河引水工程、老鸦坡隧洞、永宁乡引水工程的顺序进行编码，按照水流方向，对每个工程节点承担的农业、城镇、生态供水任务按照供水优先顺序，进行优化计算，将其成果按甸溪河片区及乡镇进行汇总分析，形成流域和区域的配置成果。
图7中，根据工程规划水平年需水预测和工程规划，组成规划水平年的一次优化后节点图，形成规划水平年的配置方案，重新进行三级优化，计算规划水平年的配置成果。
需要声明的是，上述具体实施方式仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种水资源仿真配置计算方法，其特征在于，所述水资源仿真配置计算方法包括下列步骤：
1)针对现状或规划水平年的配置方案，建立流域或区域的仿真地形图，在地形图上分层建立水系图、耕地及灌区分布图，以及供水水厂及水库构成的水源工程分布图、自备水源工矿企业分布图、城镇用水户分布图；
2)通过所述仿真地形图，根据地形图的高程及空间分布，分析水源工程与需水对象的空间关系，通过输水信息，确立需水对象与水源工程的物理匹配性，即每个水源工程负责给哪些需水对象供水，通过供水渠系、管网或者水系的输送能力是多少，以作为输水能力约束；
3)根据所述仿真地形图上的水系与水源工程、用户分布关系，以流域的上游、中游与下游为体系，以具体水库工程、引提水工程和控制断面为汇总节点，按工程级别、位置信息与需水对象的具体位置进行分级优化；
所述分级优化包括：
一级优化：引提水工程节点优化，将引提水工程节点分类分级优化，对有水库补水的引提水工程，分级计算，以水库至引提水工程区间来水作为输入，优先计算引提水工程的缺水过程，将其缺水过程视作补水水库的需水过程，将与水库有补水关系的引提水工程简化为对其有补水过程的水库节点的需水对象；无水库补水的引提水工程，简化为调蓄库容接近零，输水能力有限的水库工程节点，将蓄引提工程均优化为水库工程节点；
二级优化：水库节点优化，将水库节点，分为单水源多用户水库工程和多水源多用户或跨流域、区域的水库工程分类计算，其中单水源多用户工程是工程配置计算的基础形态，通过设定农业、城镇及生态用水的优先供水级别进行不同行业工程保障程度的优化计算；对多水源多用户或跨流域、区域的水库工程涉及区域作为单独层级计算；筛选存在多水源多用户区域及跨流域区域的供水区域，对多水源、多用户供水体系，采用线性规划的优化算法，确定每个水源承担的最优供水任务，将所述多水源多用户区域转化为单水源供水工程；对所述跨流域区域将其用水需求虚拟至供水所在流域，将其退水虚拟为新增供水工程，放入退水所在流域，形成单水源供水工程体系；
三级优化：对现状或规划水平年的配置方案，将流域或区域作为整体，进行区域或流域优化计算，完成区域或流域水资源配置方案计算，分析农业、城镇生活及工业、生态用水保障程度。
2.根据权利要求1所述的水资源仿真配置计算方法，其特征在于，所述二级优化中，对全部节点分类优化，分为单水源多用户水库工程和多水源多用户或跨流域、区域的水库工程分类计算，将整个计算区域中局部地区的多水源多用户区域通过常规优化方法转化为单水源供水工程，以实现整个计算区域的优化简化为单个水利工程的优化。
3.根据权利要求1所述的水资源仿真配置计算方法，其特征在于，所述三级优化中，按照从上游到下游、工程规模先小后大的用水先后及水流流向的顺序，对所有优化后的单水源多用户水源工程节点及控制断面进行编码，按照每个工程节点编码顺序对其承担的农业、城镇、生态供水任务按照供水优先顺序，对每个供水节点供水进行优化计算，通过对全流域供水节点优化结果的汇总分析，实现全流域或区域农业、城镇生活及工业、生态用水缺水量及保障程度的分析。
4.一种水资源的配置方法，其特征在于，所述水资源的配置方法是通过权利要求1或2或3所述水资源仿真配置计算方法进行水资源配置。
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