CN112053256A - 一种以水源和用水户双排序为规则基础的水资源模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种以水源和用水户双排序为规则基础的水资源模拟方法，以水源、用水户双排序规则为出发点研发的模拟模型。以水源来说，供水顺序是非常规水优先，其次是地表水，最后是地下水；以用水户来说，对其受水优先级进行排序，当居民生活需水得到完全满足后，才能给工业供水，当工业需水得到完全满足后，才能给城镇公共供水，依此类推。本发明所述的以水源和用水户双排序为规则的水资源模拟系统及方法，在水源供水顺序上充分考虑了这种供用水现实，可提高水资源配置科学性，可用于流域水资源综合规划，水资源模拟科学研究，水生态保护与规划等领域。
Description
技术领域
本发明属于水资源科学配置领域，尤其是涉及一种以水源和用水户双排序为规则基础的水资源模拟方法。
背景技术
按照水资源公报对用水户的划分标准，可将用水户划分为六类，居民生活、工业、城镇公共、生态环境、林牧渔畜、农业灌溉。目前通用的方法是通过线性规划(单纯形法)或遗传算法进行水资源模拟，其基本思路是，确定目标函数和约束条件来进行优化，一般将缺水量最少或者效益最大作为目标函数，根据约束条件的不同，导致六类用水户的需水满足情况具有随机性。本方案以水源、用水户双排序规则为出发点研发的模拟模型，对用水户的优先级进行排序，当居民生活需水得到完全满足后，才能给工业供水，当工业需水得到完全满足后，才能给城镇公共供水，依次类推，这样的供水模式更符合供水现状和人们的普遍认知。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在克服上述现有技术中存在的缺陷，提出一种以水源和用水户双排序为规则基础的水资源模拟方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种以水源和用水户双排序为规则基础的水资源模拟方法，包括：
S1.水源、用水户划分；
S2.根据划分好的水源和用水户，分别确定用水户受水优先级和水源供水优先级；
S3.搭建水资源模拟模型；
S4.水资源模拟模型读取输入数据；
S5.根据输入的数据及用水户受水优先级和水源供水优先级确定水资源配置方案；
S6.输出上一步分析得出的水资源配置方案。
进一步的，所述步骤S4中输入的数据，包括资源量、水库基本数据、需水数据、灌溉面积、灌溉定额和降雨数据。
进一步的，其中资源量包括当地地表资源量、外调水量、非常规水量以及地下水资源量。
进一步的，水库基本数据包括总库容、兴利库容、死库容、漏损系数、降低调水系数、加大调水系数、水库所属水资源分区编号、供水目标所属水资源分区编号、水库控制面积占所属水资源区比例、水库目标供水占所属水资源区比例、兴利调度线、防洪调度线、水位-库容-面积曲线。
进一步的，需水数据包括居民生活、工业、城镇公共、生态环境、林牧渔畜、农业灌溉、计算分区名称、计算分区编号；降雨数据包括逐年长系列数据、年平均降雨量、25％年降雨量、50％年降雨量、75％年降雨量。
进一步的，所述水源供水优先级先后如下：非常规水、地表水、地下水；其中，非常规水的用水户受水优先级先后如下：城镇公共、生态环境、农业灌溉；地表水的用水户受水优先级如下：居民生活、工业、城镇公共、生态环境、林牧渔畜、农业灌溉；地下水的用水户受水优先级先后如下：居民生活、工业、城镇公共、林牧渔畜。
进一步的，所述步骤S5中包括：无水库供水方法和有水库供水方法；
无水库供水方法，
非常规水不足时，由地表水补充供应非常规水的用水户；
其中，地表水不足时，居民生活、工业、城镇公共、生态环境、林牧渔畜、农业灌溉缺水量由地下水补充；
其中，地下水供水不可超过可开采量。
有水库供水方法，
由水库首先供水，缺水量由非常规水、地表水补充，还缺水由地下水补充，地下水供水不可超过可开采量。
进一步的，所述步骤S5还包括模型参数率定，模型参数包括河道渗漏损失系数、引提水能力系数、工业耗水率、城镇公共耗水率、林牧渔畜耗水率、农业耗水率。
进一步的，所述步骤S6中输出的水资源配置方案中的数据，包括地表水、地下水和非常规水分别为居民生活、工业、城镇公共、生态环境、林牧渔畜、农业灌溉等用水户的供水数据以及蒸发渗漏损失量、计算单元出入境水量。
一种以水源和用水户双排序为规则的水资源模拟系统，包括：
水资源模块，涵盖所有可用水源，用于供水；
需水预测模块，预测用水需求的具体量；
平衡分析模块，模拟分析实际用水情况；
输入输出模块，用于输入各类水资源情况及输出缺水解决方案。
进一步的，所述水资源模块包括，当地地表水、外调水、地下水、非常规水；所述需水预测模块包括，居民生活、工业城镇公共、生态、农牧鱼畜、农业；所述平衡分析模块包括，节点逻辑模块、水库模块、引提水模块、地下水模块、蒸渗损失模块。
进一步的，所述缺水解决方案包括但不限于超采地下水、加大外调水量、实施应急引水。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
本发明以水资源的公共产品属性为出发点，开发了以水源和用水户双排序为规则的水资源模拟方法。随着再生水的持续增长，加大再生水利用率已势在必行，华北平原地区地下水超采严重，造成地下水位下降和地面沉降等次生灾害，减少地下水开采已经刻不容缓，本发明在水源供水顺序上充分考虑了这种供用水现实，可提高水资源配置科学性。本发明相对于水资源优化模拟方法，更符合实际，本发明可用于流域水资源综合规划，水资源模拟科学研究，水生态保护与规划等领域。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的水资源模拟框架示意图；
图2为本发明实施例所述的水资源模拟基本准则示意图；
图3为本发明实施例所述的水库节点水平衡示意图；
图4为本发明实施例所述的水资源系统概化；
图5为本发明实施例所述的水源供水模式通用模块示意图；
图6为本发明实施例所述的通用水库模块流程图；
图7为本发明实施例所述的通用引提水模块流程图；
图8为本发明实施例所述的通用地下水模块流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
1建立水资源模拟框架
水资源模拟是根据对系统实际过程的深入分析，模仿实际系统的各种效应，对系统输入给出预定规则下的响应过程。对于水资源模拟模型的基本思路是：按照符合实际流程的逻辑推理对水资源模拟系统中的水资源存蓄、传输、供给、排放、处理、利用、转换等进行定量分析和计算，以获得水资源的模拟结果。模拟模型根据不同的输入信息以内部预定的逻辑判断完成相应的系统输出结果。水资源模拟框架见图1。
2确定水源、用水户排序规则
水资源模拟是以现实供用耗排关系为基础进行的的系统化仿真，通过对水务部门和用水户调研座谈后确定了符合实际的水源、用水户供用水排序规则，水资源模拟基本准则见图2。
3基本计算公式
水资源系统中水流在时段末的状态仅与时段初时刻的状态有关，而与以前各时段的状态无关。模拟时段的长短视问题的要求而定，一般与模拟精度有关。在给定系统的初始状态后，就可依时间先后顺序逐年逐时段进行模拟，节点之间按着先上游后下游的次序进行。
(1)起始节点
起始节点为地表径流的水源点，它可以是上游来水量，也可以是区间水量。起始节点流入下游的水量可用下式表示，即
D(t,n)＝Q(t,n)+OF(t,n)
式中D(t,n)---第t年n时段的节点下游水量；Q(t,n)---第t年n时段上游节点的来水量，在源头节点Q(t,n)＝0；OF(t,n)---第t年n时段本节点径流的输入量。
(2)汇流节点
把天然河道和人工河渠的汇流点，规定为汇流节点，同时规定一个汇流节点只允许有两股水流汇合。如遇有多支河渠在一点汇合的情况，则概化成两两汇合的形式，汇流节点的计算为
D(t,n)＝Q1(t,n)+Q2(t,n)
式中Q1(t,n)---第一股水流对节点的入流量；Q2(t,n)---第二股水流对节点的入流量。
(3)引提水节点
把河道中的水量引出点规定为引提水节点，它包括河道无坝引水或提引水工程，或从河道直接引水的其他建筑物。河道引水量与河道来水量、下游用水目标的需水量及河道的引水能力有关。引提水节点的引出水量应满足如下关系，即
式中ED(t,n)---实际引出水量；QP(t,n)---引水工程的实际引水能力；ET(t,n)---下游用水目标的需水量。
引提水节点的下游水量满足关系为
D(t,n)＝Q(t,n)-ED(t,n)
引水工程的引水能力与河道中的实际过水流量有关，但一般很难用统一的函数关系描述。在本模型中，把二者之间的关系描述成离散函数形式，离散点据之间的值用直线内插获得。
(4)水库节点
水库工程是水资源系统中的主要水源工程，它同其他水源工程相比，其调度策略要复杂的多，是本模型的重点模拟内容。在本模型中，把水库工程下游的供水对象概化为居民生活、工业、城镇公共、生态环境、林牧渔畜、农业灌溉等六个用水户，对于有跨流域调水目标的水库，规定只允许有一个调水目标。Q(t,n)为上游节点的径流汇入量，QI(t,n)为外流域(或支流)的调入量，QU(t,n)为水库向外流域调出水量，∑SU(t,n)为水库对用水户的供水量，D(t,n)为下游水量(弃水量)，水库节点水平衡示意图见图3。
对于水库工程，其工程特征及下游的供水对象不同，调度运用方式及径流调节的计算方法也不尽相同。本模型可以进行水库的单库调节、水库工程间的联合调节、水库与其他水源工程的补偿调节3种调度模式的模拟。
①单库调度模式
当水库任一时段处的蓄水容积落在死水位以上时，按照居民生活>工业>城镇公共>生态环境>林牧渔畜>农业灌溉顺序依次供水，为保证优先级别高的用水户不缺水，逆序逐个停止供水。
水库工程的水量平衡方程式为：
V(t,n)＝V0(t,n)+Q(t,n)-∑SU(t,n)-WL(t,n)
式中V(t,n)——水库时段末的蓄水量；V0(t,n)——水库时段初的蓄水量；WL(t,n)——水库在时段内的损失量。
可利用水量为
W(t,n)＝V0(t,n)+Q(t,n)-WL(t,n)-Vn(n)
式中的Vn(n)为死库容。
水库弃水量为
式中，Vm(n)为年内第n时段的最大蓄水容积。
②联合调度模式
水资源工程之间可以通过两种途径相互联系，一种是各工程之间通过人工(或天然)河渠连接成工程网络，另一种是多个水源工程向同一用水目标供水。这两种供水方式都能事先工程之间的径流补偿，做到水资源工程之间的联合调度。本模型研究了不同水源的联合调度形式。
有渠道联系的并联水库的联合调度方式可用下式描述：
式中RP(t,n)——上库向下库的实际调水量；TP(t,n)——上库向下库的目标调水量；ca，cp——分别为加大调水系数和降低调水系数；VA(n)，VD(n)——分别为上库的加大和降低调水线库容；SA(n)——下库的加大调水线库容；S0(t,n)——下库时段初蓄水容积。
③补偿调度模式
水库同水库或其他水源工程串联时的联合调度。当系统中的水库或无坝引水工程成串联形式布置时，如果工程之间有共同的供水目标，可实现工程之间地表径流的完全补偿调节。把上游工程称为补偿工程，下游工程称为被补偿工程。在水资源调度时，先由下游被补偿工程向供水目标供水，供水不足部分再由上游补偿工程进行补偿供水。用公式表述如下：
QB(t,n)＝TW(t,n)-RW(t,n)
式中QB(t,n)——被补偿工程需要补偿的水量；TW(t,n)——下游目标需水量；RW(t,n)——被补偿工程的单独供水量。
补偿水库和被补偿水库的水量平衡方程：
V(t,n)＝V0(t,n)+Q(t,n)+QI(t,n)-∑SU(t,n)-QU(t,n)-QB(t,n)-WL(t,n)
(5)回归水节点
在农业灌溉用水和工业用水过程中回流到河道中的那部分水剩余水称为回归水，回归水量的大小与剩余水量和回归系数有关。回归水节点的回归水量应满足如下关系，即：
农业灌溉回归水平衡方程：
IRHU(t,n)＝IRQQ(t,n)×KQQ(t,n)+IRRE(t,n)×KRE(t,n)
式中IRHU(t,n)——农业灌溉回归水量；IRQQ(t,n)——农业灌溉引提水量；KQQ(t,n)——引提水回归系数；IRRE(t,n)——农业灌溉水库供水量；KRE(t,n)——水库供水回归系数。
其它行业回归水平衡方程：
IMHU(t,n)＝IMQ(t,n)×KIM(t,n)
式中IMHU(t,n)——其它行业回归水量；IMQ(t,n)——其它行业用水量；
KIM(t,n)——其它行业用水回归系数。
(6)灌溉节点
需水量模拟：对于灌区的灌溉需水过程的模拟，本模型设置了两种模拟方式，一是用事先给定的灌区典型综合灌溉定额，直接计算典型灌溉需水过程；二是根据灌区的作物组成、不同作物品种的耗水量资料及历年的有效降雨量，模型实际模拟当年灌区的综合灌水定额及灌溉需水过程。
灌溉模拟：本模型规定两种水源(地表、地下、非常规)及多个水源工程可同时向一个灌区供水。对灌区的供水量，首先由非常规水供水，缺水由地表水补充，如果还是缺水，有地下水补充，地下水供水不能超过可开采水量。灌溉水量在输水及灌溉中的回归水量用灌水总量乘以渠系回归系数及田间回归系数获得。
4编制水资源模拟模型
水资源模拟模型编制过程主要包括以下几个步骤：
(1)根据水资源分区上下游拓扑关系绘制水资源系统概化图，见图4。
(2)根据水资源模拟模型设计框架和模拟准则编制水源供水模式通用模块(见图5)、通用水库模块(见图6)、通用引提水模块(见图7)、通用地下水模块(见图8)，通用蒸发渗漏模块以及体现计算分区拓扑关系的主程序。
5具体实施方式
(1)读取输入数据。包括资源量、水库基本数据、需水数据、灌溉面积、灌溉定额和降雨数据。其中资源量包括当地地表资源量、外调水量、非常规水量以及地下水资源量；水库基本数据包括总库容、兴利库容、死库容、漏损系数、降低调水系数、加大调水系数、水库所属水资源分区编号、供水目标所属水资源分区编号、水库控制面积占所属水资源区比例、水库目标供水占所属水资源区比例、兴利调度线、防洪调度线、水位～库容～面积曲线；需水数据包括居民生活、工业、城镇公共、生态环境、林牧渔畜、农业灌溉、计算分区名称、计算分区编号；降雨数据包括逐年长系列数据、年平均降雨量、25％年降雨量、50％年降雨量、75％年降雨量。
(2)如果计算单元没有水库，读取非常规水数据，调用图7引提水模块，然后读取当地地表水和外调水数据，调用图7引提水模块，最后调用图8地下水模块。
(3)如果计算单元有水库，读取水库特征数据，调用图6水库模块，然后读取非常规水数据，调用图7引提水模块，接着读取当地地表水和外调水数据，调用图7引提水模块，最后调用图8地下水模块。
(4)模型参数率定。模型参数包括河道渗漏损失系数、引提水能力系数、工业耗水率、城镇公共耗水率、林牧渔畜耗水率、农业耗水率等。调整模型参数，使得关键断面的模拟水量和实测水量尽可能接近，使得水资源模拟模型模拟结果具有足够的可靠性。
(5)数据输出。输出数据包括地表水、地下水和非常规水分别为居民生活、工业、城镇公共、生态环境、林牧渔畜、农业灌溉等用水户的供水数据以及蒸发渗漏损失量、计算单元出入境水量。
本发明使用编程语言为VB6.0，使用数据库为EXCEL14.0，其中水资源模拟基本规则、水源供水模式通用模块、通用水库模块、通用引提水模块、通用地下水模块是本发明的关键技术点。
本发明以水资源的公共产品属性为出发点，开发了以水源和用水户双排序为规则的水资源模拟方法。随着再生水的持续增长，加大再生水利用率已势在必行，华北平原地区地下水超采严重，造成地下水位下降和地面沉降等次生灾害，减少地下水开采已经刻不容缓，本发明在水源供水顺序上充分考虑了这种供用水现实，可提高水资源配置科学性。本发明相对于水资源优化模拟方法，更符合实际，本发明可用于流域水资源综合规划，水资源模拟科学研究，水生态保护与规划等领域。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种以水源和用水户双排序为规则基础的水资源模拟方法，其特征在于：包括：
S1.水源、用水户划分；
S2.根据划分好的水源和用水户，分别确定用水户受水优先级和水源供水优先级；
S3.搭建水资源模拟模型；
S4.水资源模拟模型读取输入数据；
S5.根据输入的数据及用水户受水优先级和水源供水优先级确定水资源配置方案；
S6.输出上一步分析得出的水资源配置方案。
2.根据权利要求1所述的一种以水源和用水户双排序为规则基础的水资源模拟方法，其特征在于：所述步骤S4中输入的数据，包括资源量、水库基本数据、需水数据、灌溉面积、灌溉定额和降雨数据；
其中，资源量包括当地地表资源量、外调水量、非常规水量以及地下水资源量；
需水数据包括居民生活、工业、城镇公共、生态环境、林牧渔畜、农业灌溉、计算分区名称、计算分区编号；降雨数据包括逐年长系列数据、年平均降雨量、25％年降雨量、50％年降雨量、75％年降雨量。
3.根据权利要求1所述的一种以水源和用水户双排序为规则基础的水资源模拟方法，其特征在于：所述水源供水优先级先后如下：非常规水、地表水、地下水；其中，非常规水的用水户受水优先级先后如下：城镇公共、生态环境、农业灌溉；地表水的用水户受水优先级先后如下：居民生活、工业、城镇公共、生态环境、林牧渔畜、农业灌溉；地下水的用水户受水优先级先后如下：居民生活、工业、城镇公共、林牧渔畜。
4.根据权利要求1所述的一种以水源和用水户双排序为规则基础的水资源模拟方法，其特征在于：所述步骤S5中包括：无水库供水方法和有水库供水方法；
无水库供水方法，
非常规水不足时，由地表水补充供应非常规水的用水户；
其中，地表水不足时，居民生活、工业、城镇公共、生态环境、林牧渔畜、农业灌溉缺水量由地下水补充；
其中，地下水供水不可超过可开采量。
有水库供水方法，
由水库首先供水，缺水量由非常规水、地表水补充，还缺水由地下水补充，地下水供水不可超过可开采量。
5.根据权利要求1所述的一种以水源和用水户双排序为规则基础的水资源模拟方法，其特征在于：所述步骤S5还包括模型参数率定，模型参数包括河道渗漏损失系数、引提水能力系数、工业耗水率、城镇公共耗水率、林牧渔畜耗水率、农业耗水率。
6.根据权利要求1所述的一种以水源和用水户双排序为规则基础的水资源模拟方法，其特征在于：所述步骤S6中输出的水资源配置方案中的数据，包括地表水、地下水和非常规水分别为居民生活、工业、城镇公共、生态环境、林牧渔畜、农业灌溉等用水户的供水数据以及蒸发渗漏损失量、计算单元出入境水量。
7.一种以水源和用水户双排序为规则的水资源模拟系统，其特征在于：包括：
水资源模块，涵盖所有可用水源，用于供水；
需水预测模块，预测用水需求的具体量；
平衡分析模块，模拟分析实际用水情况；
输入输出模块，用于输入各类水资源情况及水资源配置方案。
8.根据权利要求7所述的一种以水源和用水户双排序为规则的水资源模拟系统，其特征在于：所述水资源模块包括，当地地表水、外调水、地下水、非常规水；所述需水预测模块包括，居民生活、工业城镇公共、生态、农牧鱼畜、农业；所述平衡分析模块包括，节点逻辑模块、水库模块、引提水模块、地下水模块、蒸渗损失模块。
9.根据权利要求7所述的一种以水源和用水户双排序为规则的水资源模拟系统，其特征在于：所述水资源调用方案包括但不限于超采地下水、加大外调水量、实施应急引水。
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