CN112765800B - 一种分布式水资源配置模型的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种分布式水资源配置模型的设计方法，包括如下步骤：步骤S1，计算单元划分；步骤S2，拓扑关系设计；步骤S3，信息展布设计；步骤S4，配置模块设计；步骤S5，配置规则设计。本发明以模块化、集成化思想为手段，实现了水资源配置模型与分布式水文模型SWAT的双向耦合，具有自然‑人工水循环动态互馈模拟、水资源系统以及合理配置模拟等功能，克服了传统水资源配置模型忽略自然水循环与人工侧枝循环之间的动态互馈作用、不能实时响应产汇流的动态变化对水资源配置的影响等方面的问题，提高了水资源系统模拟与调控的准确性，可以作为区域自然‑人工水循环互馈模拟以及水资源系统精细化管理的有力支撑工具。

Description

一种分布式水资源配置模型的设计方法
技术领域
本发明涉及水文模型与水资源配置模型耦合计算技术领域，具体是一种分布式水资源配置模型的设计方法。
背景技术
传统的水资源配置模型属于集总式模型。在空间上，忽略计算分区内自然地理条件和人类活动强度的空间差异性，在此基础上的计算值只代表了一个配置分区平均的概念，容易忽略特定位置的水资源问题；在时间上，一般采用逐月或逐旬计算步长，不能实时响应产汇流的动态变化对水资源配置的影响。
随着分布式水文模型的发展日渐成熟，一些学者提出了以水文循环为基础的动态水资源配置模式，相继开发了基于分布式水文模型耦合的水资源配置模型。分布式水文模型以精确模拟水循环过程为目标，能够补充配置模型无法给出的水循环过程，提供水资源配置模型所需要的实时水资源边界情况，但难以对人工活动及调控决策进行考虑；水资源配置模型能够处理人类调控下的水资源开发利用过程，给出取、用、耗、排水数据，有效提高水文模型的模拟精度。二者的耦合可以取长补短，充分发挥各自优势，实现自然-人工水循环过程和其伴生过程的精确模拟。
但是，分布式水文模型与水资源配置模型耦合方式多为松散型耦合。虽然考虑了区域的空间变异性和水循环过程，但忽略自然水循环与社会水循环过程之间的动态互馈作用，导致水资源配置结果出现偏差，不利于自然-人工水资源系统的精细模拟与调控。只有在分布式水文模型的结构设计中融合水资源配置模块，实现紧密耦合，才能实现自然-人工水资源复杂系统的精准模拟。
发明内容
针对分布式水文模型与水资源配置模型在松散耦合方面的不足，本发明提供一种一种分布式水资源配置模型的设计方法，其采用水文循环-水资源配置双向耦合方法进行水资源配置，综合分布式水文模型和水资源配置模型的优点，通过对现有SWAT模型(美国农业部(USDA)下属的农业研究局(ARS)开发的适用于流域尺度的水文模型SWAT(Soil andWater Assessment Tool)的改进，构建基于水文循环的分布式水资源配置模型，使其具有自然-人工水循环之间的动态互馈模拟、水资源系统模拟等功能，通过运行水文模型，驱动水资源配置模型进行水资源配置计算，在水资源配置过程中，时刻保持自然水循环与人工侧枝水循环之间的动态耦合关系，不仅反映水循环过程对人工取用水的影响，同时还反映经济社会活动对水循环过程的实时干预作用。
一种分布式水资源配置模型的设计方法，包括：配置水资源配置模块，将水资源配置模块与SWAT模型的内置模块进行衔接，以水文模型驱动运行，进行逐日循环计算和逐单元循环计算，实现数据实时交互；水资源配置模型以SWAT模型划分的水文响应单元HRU作为基本配置单元，根据每个计算单元中的需水信息、供水水源类型信息、供用水规则信息、水利工程信息和由水文模型提供的水资源信息进行逐日的水量分配，输出逐日供水-用水-耗水-排水信息，传递给水文模型；水文模型模拟刻画水循环过程，实时模拟水循环变化对人工用水的影响，以及模拟人工用水对下一阶段的水资源、水环境和供水变化的影响，为水资源配置模型提供实时水资源边界条件信息，从而实现“自然-人工”水循环动态互馈模拟，所述水资源边界条件信息包括地表、地下水资源量、水库蓄水量，所述设计方法具体包括如下步骤：
步骤S1：计算单元划分；
步骤S2：拓扑关系设计；
步骤S3：信息展布设计；
步骤S4：配置模块设计；
步骤S5：配置规则设计。
进一步的，在所述步骤S1中，采取嵌套式坡面离散方法进行计算单元划分，其步骤包括：(1)天然子流域划分；(2)配置单元划分；(3)子流域叠加配置单元；(4)子流域叠加灌区；(5)计算单元划分；
(1)天然子流域划分包括填洼、水流流向分析、汇流分析、河网的生成、天然子流域的形成，采用ArcGIS中的Arc Hydro Tools工具进行天然子流域划分：首先对DEM底图进行修正操作(例如填洼等)，然后依据设定的生成子流域临界集水面积CSA(Critical SourceArea)阈值要求，确定格网水流流向，识别流域分水线，并依据河网特征参数确定天然子流域，其中河网特征参数包括流域坡度、坡向、坡长；
(2)配置单元划分采用选取二级流域叠加省/地市或者三级流域叠加地市/县的嵌套方式，采用GIS的“Editor Toolbar”功能，将配置单元边界GIS图直接叠加到上一步所划分的天然子流域GIS图上，形成配置单元GIS图；
(3)子流域叠加配置单元同样采用GIS的“Editor Toolbar”功能，将配置单元边界GIS图直接叠加到上一步所划分的子流域GIS图上，形成子流域-配置单元GIS图；
(4)子流域叠加灌区采用GIS的“Editor Toolbar”功能，在天然子流域与灌区交界地区，依照边界线将天然子流域一分为二，并将划分的不规则单元附上灌区属性；
(5)按照子流域内的土地利用类型、土壤类型和坡度类型进行叠加，划分出若干个水文响应单元HRU，HRU是指下垫面特征相对单一和均匀的区域，在这个区域中的下垫面具有相同的水文特性，每个HRU内只有一种植被、一种土壤和一种坡度类型的组合，每一个HRU即为分布式水资源配置模型的计算单元。
进一步的，在所述步骤S2中，分布式水资源配置模型以HRU为计算单元，使SWAT模型的水文计算单元(HRU)与计算单元一一对应，建立与SWAT模型的空间拓扑关系，便于配置结果的逐日展布和数据传递，实现两个模型的紧密耦合；计算单元内的用水户类型视水文响应单元的土地利用类型而定：如果一个水文响应单元的土地利用类型是城镇用地，则对应的计算单元用水户包括城镇居民、工业和服务业；如果是农村用地，则对应的计算单元用水户包括农村居民和畜禽；如果是农业用地，则对应的计算单元用水户包括灌溉农田、灌溉林果和灌溉草地。
进一步的，在所述步骤S3中，依据城市、乡镇和农村居工地分布对国民经济需水数据进行空间展布，模型以行政区为单位进行需水数据输入，根据行政区内的城市、乡镇、农村点分布和面积大小进行数据分解并展布到计算单元上，展布的数据包括城镇的人口、工业和服务业需水量以及农村人口、畜禽需水量数据，空间展布步骤如下：
(1)行政区经济社会需水数据信息读入以后，检索属于该行政区的亚单元，统计亚单元内的城市、乡镇和农村用地面积，同时统计行政区内的城市、乡镇和农村用地面积；
(2)依据读取的行政区城镇和农村需水量数据，将农村人口、畜禽需水数据分配到农村居工地上，将城镇生活、工业、服务业需水量信息分配到城镇居工地上；城市和乡镇的需水量依照行政区内城市和乡镇的居工地面积比例进行分配，同时考虑到城市和乡镇人口密度、产值不同，可引了密度权重因子进行适当调整；
(3)识别行政区的亚单元，依据亚单元内农村、乡镇和城市居工地面积比例，将经济社会需水数据继续细化分配到各计算单元上。
进一步的，在所述步骤S4中，设计水资源配置模块并将之作为SWAT的内置模块，通过SWAT模型进行驱动，水资源配置模块包括取水模块、用水模块、耗水模块和排水模块，通过需水量数据信息输入，传递给取水模块，取水模块分析计算向每一种水源的取水量，所述水源包括河道水、水库水、地下水水、坑塘水和外调水，将信息传递给水文模型的五种水源模块，计算各供水源供水量，所述五种水源模块为河道模块、水库模块、地下水模块、坑塘水模块和外调水模块，水源供水数据传递给用水模块，通过计算，向各计算单元内的各类用水户分配水量，之后依次将数据传递向耗水模块和排水模块，计算耗水量和排水量；最后，将排水数据传递回水文模型，进行水文循环模拟，以此实现分布式水文模型与水资源配置模型的动态互馈计算。
进一步的，水资源配置模块中各模块具体设计方法如下：
(1)取水模块设计
不同用水户可以对应不同的供水源，而且对供水源可以有不同的水量和供水优先级的要求，通过建立水源与用水户的配置关系，实现水资源在配置系统中的真实模拟，模型提供外调水、水库水、河道水、坑塘水、浅层地下水、深层地下水6种水源类型，每一个水源为多个计算单元利用，每一个计算单元可同时设置多个水源，用水户根据每一个计算单元的供水水源类型和个数，设定水源供水次序，根据计算单元的水源供水次序寻求各水源供水，直至满足该计算单元的当日需水量或者到最后一个供水源供水完毕为止，供水计算的步骤如下：
1)明确目标计算单元当日的需水量WD；
2)明确目标计算单元的供水水源个数k、水源代码以及供水优先次序，其中k≤6；
3)对供水优先次序为1的水源，则优先从该水源取水，如果该水源的可供水量Wsc1＞WD，则该水源供水量为WSP1＝WD，供水程序结束，计算单元的水源总供水量WSP＝WD将传递到用水模块用于分水计算；否则，WSP1＝Wsc1，并且计算单元的需水量变成Wf＝WD-Wsc1，WSP＝Wsc1，程序将继续寻找下一级供水源；
4)对供水优先次序为j(j＝2,…,k-1)的水源，则优先从该水源取水，如果该水源可供水量Wscj＞Wf，那么该水源供水量为WSPj＝Wf，程序结束，计算单元的水源总供水量(WSP＝WSP+WSPj)将传递到用水模块用于分水计算；否则，WSPj＝Wscj，并且计算单元的需水量变成Wf＝Wf-Wscj，WSP＝WSP+Wscj，程序将继续寻找下一级供水源；
5)对供水优先次序为k的水源，如果该水源可供水量Wsck＞Wf，那么该水源供水量为WSPk＝Wf，程序结束，计算单元的水源总供水量WSP＝WSP+WSPk将传递到用水模块用于分水计算；否则，WSPk＝Wsck，并且计算单元的需水量变成Wf＝Wf-Wsck，WSP＝WSP+Wsck＝∑WSPi，程序结束；
(2)用水模块设计
计算单元在取水后，对城镇生活、农村生活、生态环境、服务业、工业、农田灌溉用水户的水量分配存在优先顺序要求，不同计算单元的用水优先序要求可能不同，针对各计算单元的管理需求，对单元内的用水户设置不同的用水先后顺序，根据当日供水量依次分配给各用水户，直至当日水量分配完毕为止，用水计算的步骤如下：
1)明确目标计算单元当日的水源供水总量WSP；
2)明确该计算单元的用水户类型k、各用水户需水量以及用水优先次序，其中k≤6；
3)对用水优先次序为1的用水户，则优先供给该用水户，如果该用水户的需水量WD1<WSP，那么该用水户的用水量为WU1＝WD1，用水模块程序结束，计算单元的各类用水量将传递到耗水模块用于耗水计算；否则，WU1＝WSP，并且计算单元的需水量变成Wf＝WD1-WSP，程序将继续寻找下一级用水户；
4)对用水优先次序为j(j＝2,…,k-1；k≤6)的用水户，则优先供给生活用水，如果该用水户的需水量WDj<WSP，那么该用水户的用水量为WUj＝WDj，用水模块程序结束，计算单元的各类用水量将传递到耗水模块用于耗水计算；否则，WUj＝WSP，并且计算单元的需水量变成Wf＝Wf-WSP，程序将继续寻找下一级用水户；
5)对用水优先次序为k的用水户，如果该用水户的需水量WDk<WSP，那么该用水户的用水量为WUk＝WDk，用水模块程序结束，计算单元的各类用水量将传递到耗水模块用于耗水计算；否则，WUk＝WSP，并且计算单元的需水量变成Wf＝Wf-WSP，程序结束；
(4)耗水模块设计
各行业用水过程会出现水资源消耗，各部门的用水数据将依次传递到耗水模块中，进行耗水模拟，耗水模拟包括城乡生活耗水模拟、养殖业耗水模拟、工业耗水模拟和农田耗水模拟四部分；
1)城乡生活耗水模拟：采用城乡生活实际用水量乘以生活耗水系数计算；
WCdom＝WUurban·τurban+WUrural·τrural
其中，WCdom表示城乡生活耗水量，m3；τurban、τrural分别表示城镇生活耗水率、农村生活耗水率；
2)工业耗水模拟：采用工业生产实际用水量乘以工业耗水系数计算；
WCind＝WUind·τind
其中，WCind表示工业耗水量，m3；τind表示工业耗水率；
3)养殖业耗水模拟：采用畜禽养殖实际用水量乘以养殖业耗水系数计算；
WCani＝WUani·τani
其中，WCani表示养殖业耗水量，m3；τani表示养殖业耗水率；
4)农田耗水模拟：农田耗水即是田间蒸散发，通过水文模块的蒸散发模拟计算；
WCagr＝ETcul
ETcul＝ETsoil+ETe+ETp+ETgw
其中，WCagr表示农田耗水量，m3；ETcul表示田间蒸散发量，m3；ETsoil表示土壤蒸发量，m3；ETe表示植被腾量，m3；ETp表示冠层蒸发量，m3；ETgw表示地下水蒸发量，m3；
(5)排水模块设计
排水模拟包括城镇生活污水排放模拟、农村生活污水排放模拟、工业废水排放模拟和农田排水模拟；
1)城镇生活污水排放模拟：城镇生活污水产生后，通过排入城镇排水管网系统直接排入河流，或者输送至污水处理厂进行处理，处理达标后的污水一部分直接排放进入河道，一部分通过深度处理达到再生水利用标准后回用于绿化、生活杂用以及生产；城镇生活污水产生量采用城镇生活用水量减去城镇生活耗水量进行计算；城镇生活污水排放量由城镇生活污水直接排放量、城镇生活污水处理排放量两部分组成；
WPurban＝WUurban-WCurban
WDurban＝WPurban·(1-vurban)+WPurban·vurban·(1-re)
其中，WDurban为城镇生活污水产生量，m3；WPurban为城镇生活污水排放量，m3；vurban表示污水处理厂的污水处理率；re表示再生水利用率；
2)工业废水排放模拟：工业生产过程中产生的工业废水通过排入城市排水管网系统直接排入河流，或者通过工厂废水处理系统进行处理，处理达标后的工业废水一部分直接排放进入河道，一部分通过深度处理达到再生水利用标准后回用于绿化、生活杂用以及生产用途，工业废水产生量采用工业用水量减去工业耗水量进行计算，工业废水排放量由工业废水直接排放量、工业废水处理排放量两部分组成：
WPind＝WUind-WCind
WDind＝WPind·(1-vind)+WPind·vind·(1-re)
其中，WDind为城镇生活污水产生量，m3；WPind为城镇生活污水排放量，m3；vind表示工厂的工业废水处理率；re表示再生水利用率；
3)农村生活污水排放模拟：农村生活污水主要包括农村居民生活污水和畜禽养殖污水两部分，均采用实际用水量减去耗水量进行计算，计算公式如下：
WDrural＝WUrural-WCrural
WDani＝WUani-WCani
其中，WDrural表示农村居民生活排水量，m3；WDani表示畜禽养殖排水量，m3；
模型将农村居民生活污水和畜禽养殖污水信息将传递到水文模型的subbasin模块中，模拟逐日污水排放量，计算公式如下：
Rhru＝Rsurf+Rlat+Rshal+Rdeep+Rrur
其中，Rhru表示计算单元的总产流量，mm；Rsurf表示计算单元的地表产流量，mm；Rlat表示计算单元的侧向流产流量，mm；Rshal表示计算单元的浅层地下水径流量，mm；Rdeep表示计算单元的深层地下水径流量，mm；Rrur表示计算单元的农村居民生活污水和畜禽养殖污水产生量，mm；
4)农田排水模拟：农田排水通过模型中的surface模块进行模拟，计算公式为：
WDagr＝qsurf+qlat+qgw+qirr
其中，WDagr表示农田排水量，mm；qsurf表示农田降雨产流量，mm；qlat表示侧向流，mm；qgw表示汇入河道的地下径流量，mm；qirr表示农田灌溉产流量，mm。
进一步的，在所述步骤S5中，对分布式水资源配置模型设计一套运行规则，包括目标函数和约束条件，程通过识别计算单元的供水水源，按照设定的水源优先顺序逐步计算各水源供水量，各类水源的供水分配计算以水源可利用水量、工程供水能力和用户优先级信息进行控制，整个配置系统以计算单元编号顺序逐个计算；在计算单元中，水源供水计算以水源优先顺序逐一计算供水量，以最大程度满足受水单元需水量。
进一步的，所述目标函数和约束条件具体如下：
(1)目标函数
水资源配置以系统缺水量最小为目标函数
Figure BDA0002893017620000051
其中，TWF表示区域或流域的缺水量；I、J和K分别表示模拟天数、配置单元个数和用水户个数；WF(i,j,k)表示第i天、第j个计算单元、第k个用水户的缺水量，m3；
(2)约束条件
约束条件主要有水量平衡约束、水库库容约束、引提水能力约束、地下水开采约束；
1)水量平衡约束
WF(i,j,k)＝WD(i,j,k)-WUout(i,j,k)-WUres(i,j,k)-WUrch(i,j,k)-WUshal(i,j,k)-WUdeep(i,j,k)-WUpnd(i,j,k)-WUsalt(i,j,k)-WUre(i,j,k)
其中，WF(i,j,k)表示第i天、第j个计算单元、第k个用水户的缺水量，m3；WD表示需水量，m3；WUout表示外调水供水量，m3；WUres表示水库供水量，m3；WUrch表示河道供水量，m3；WUshal表示浅层地下水供水量，m3；WUdeep表示深层地下水供水量，m3；WUpnd表示坑塘水供水量，m3；WUsalt表示淡化水供水量，m3；WUre表示再生水供水量，m3；
2)河道/水库水量平衡约束
V(i,j+1)＝V(i,j)+Wp(i,j)-Win(i,j)-Wout(i,j)-WSP(i,j)-WET(i,j)-Wf(i,j)
其中，V(i,j)表示第j天、河道/水库i的蓄水量，m3；Wp表示降水量，m3；Win表示上游来水量，m3；Wout表示出流量，m3；WSP表示供水量，m3；WET表示水面蒸发量，m3；Wf表示渗漏量，m3；
3)水库库容约束
Wdead(i)≤V(i)≤VMX(i)
其中，Wdead(i)表示水库i的死库容，m3；V(i)表示水库i的时段库容，m3；VMX(i)表示水库i的最大库容，m3；
4)引提水能力约束
Q(i,j,k)≤QMX(i)
其中，Q(i,j,k)表示第j天、供水工程i给用水户k的供水量，m3；QMX(i)表示供水工程i最大引提水能力，m3；
5)地下水开采量约束
Figure BDA0002893017620000061
其中，Wg(i,j)表示第i天、计算单元j的地下水开采量，m3；WMX表示区域/流域最大允许开采量，m3。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)实现了分布式水文模型与水资源配置模型的紧密耦合，取长补短，充分发挥各自优势。分布式水文模型以精确模拟水循环过程为目标，补充水资源配置模型无法给出的水循环过程，提供水资源配置模型所需要的实时水资源边界情况；水资源配置模型提供取水、用水、耗水、排水数据，有效提高水文模型的模拟精度。通过两个模型的紧密耦合实现了自然-人工水循环之间的动态模拟，充分反映复杂水资源系统的动态性、互馈性特征；
(2)模型采用嵌套式坡面离散方法，很好地处理了天然子流域边界、行政区边界、灌区边界互不重合的问题，既能体现传统分布式水文模型单元划分特点，也满足了水资源配置中的流域管理和行政管理相结合的需求；
(3)嵌入的水资源配置模型具有刻画多水源(包括河道、水库、地下水、外调水、再生水和淡化水等)、多工程(包括蓄水工程、引水工程、提水工程、调水工程、污水处理工程和海水淡化工程等)的功能，将水资源系统中的各种水源与用水户之间的拓扑关系、水量和污染物质在水资源配置过程中传递关系进行客观、清晰的描述，真实体现人类活动对水循环过程的影响；
本发明提出的计算单元划分、信息空间展布、拓扑关系构建、配置规则设计等技术方法，实现了水资源配置模型与分布式水文模型的双向耦合，构建了基于水循环的分布式水资源配置模型，具有了自然-人工水循环之间的动态互馈模拟、水资源系统模拟等功能，可以作为区域自然-人工水循环互馈模拟以及水资源系统精细化管理的有力支撑工具。
附图说明
图1为本发明分布式水资源配置模型设计方法的流程图；
图2为本发明中计算单元划分流程图；
图3为本发明中水文响应单元与配置单元的空间拓扑关系图；
图4为本发明中需水量信息空间展布流程图；
图5为本发明中配置模块与水文模块的数据传递关系图；
图6为本发明中多水源供水优先序流程图；
图7为本发明中用户用水优先序流程图；
图8为本发明实施例中新店铺站和郭滩站的实测与模拟月径流过程对比图；
图9为本发明实施例中2010-2016年唐白河流域(南阳市部分)供用水实际值与模拟值对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有的分布式水文模型与集总式水资源配置模型的耦合方式多为松散型耦合，忽视了经济社会用水过程与天然水文过程之间的实时互馈作用，不利于自然-人工水资源系统的精细模拟与调控。本发明实施例针对以上的不足，提出一种分布式水资源配置模型的设计方法，更科学、准确地模拟区域水资源系统特征。本发明实施分布式水资源配置模型的设计方法的流程如图1所示，主要步骤为：
步骤S1：计算单元划分；
步骤S2：拓扑关系设计；
步骤S3：信息展布设计；
步骤S4：配置模块设计；
步骤S5：配置规则设计。
如图2所示，在所述步骤S1中，采取嵌套式坡面离散方法进行计算单元划分，其步骤包括：(1)天然子流域划分；(2)配置单元划分；(3)子流域叠加配置单元；(4)子流域叠加灌区；(5)计算单元划分；
(1)天然子流域划分包括填洼、水流流向分析、汇流分析、河网的生成、天然子流域的形成，采用ArcGIS中的Arc Hydro Tools工具进行天然子流域划分：首先对DEM底图进行修正操作，然后依据设定的生成子流域临界集水面积CSA(Critical Source Area)阈值要求，确定格网水流流向，识别流域分水线，并依据河网特征参数确定天然子流域，其中河网特征参数包括流域坡度、坡向、坡长；
(2)配置单元划分采用选取二级流域叠加省/地市或者三级流域叠加地市/县的嵌套方式，采用GIS的“Editor Toolbar”功能，将配置单元边界GIS图直接叠加到上一步所划分的天然子流域GIS图上，形成配置单元GIS图；
(3)子流域叠加配置单元同样采用GIS的“Editor Toolbar”功能，将配置单元边界GIS图直接叠加到上一步所划分的子流域GIS图上，形成子流域-配置单元GIS图；
(4)子流域叠加灌区采用GIS的“Editor Toolbar”功能，在天然子流域与灌区交界地区，依照边界线将天然子流域一分为二，并将划分的不规则单元附上灌区属性；
(5)按照子流域内的土地利用类型、土壤类型和坡度类型进行叠加，划分出若干个水文响应单元HRU，HRU是指下垫面特征相对单一和均匀的区域，在这个区域中的下垫面具有相同的水文特性，每个HRU内只有一种植被、一种土壤和一种坡度类型的组合，每一个HRU即为分布式水资源配置模型的计算单元。
如图3所示，在所述步骤S2中，分布式水资源配置模型以HRU为计算单元，使SWAT模型的水文计算单元(HRU)与计算单元一一对应，建立与SWAT模型的空间拓扑关系，便于配置结果的逐日展布和数据传递，实现两个模型的紧密耦合；计算单元内的用水户类型视水文响应单元的土地利用类型而定：如果一个水文响应单元的土地利用类型是城镇用地，则对应的计算单元用水户包括城镇居民、工业和服务业；如果是农村用地，则对应的计算单元用水户包括农村居民和畜禽；如果是农业用地，则对应的计算单元用水户包括灌溉农田、灌溉林果和灌溉草地。
如图4所示，在所述步骤S3中，依据城市、乡镇和农村居工地分布对国民经济需水数据进行空间展布，模型以行政区为单位进行需水数据输入，根据行政区内的城市、乡镇、农村点分布和面积大小进行数据分解并展布到计算单元上，展布的数据包括城镇的人口、工业和服务业需水量以及农村人口、畜禽需水量数据，空间展布步骤如下：
(1)行政区经济社会需水数据信息读入以后，检索属于该行政区的亚单元，统计亚单元内的城市、乡镇和农村用地面积，同时统计行政区内的城市、乡镇和农村用地面积；
(2)依据读取的行政区城镇和农村需水量数据，将农村人口、畜禽需水数据分配到农村居工地上，将城镇生活、工业、服务业需水量信息分配到城镇居工地上；城市和乡镇的需水量依照行政区内城市和乡镇的居工地面积比例进行分配，同时考虑到城市和乡镇人口密度、产值不同，可引了密度权重因子进行适当调整；
(3)识别行政区的亚单元，依据亚单元内农村、乡镇和城市居工地面积比例，将经济社会需水数据继续细化分配到各计算单元上。
如图5所示，在所述步骤S4中，设计水资源配置模块并将之作为SWAT的内置模块，通过SWAT模型进行驱动，水资源配置模块包括取水模块、用水模块、耗水模块和排水模块，通过需水量数据信息输入，传递给取水模块，取水模块分析计算向每一种水源的取水量，所述水源包括河道水、水库水、地下水水、坑塘水和外调水，将信息传递给水文模型的五种水源模块，计算各供水源供水量，所述五种水源模块为河道模块、水库模块、地下水模块、坑塘水模块和外调水模块，水源供水数据传递给用水模块，通过计算，向各计算单元内的各类用水户分配水量，之后依次将数据传递向耗水模块和排水模块，计算耗水量和排水量；最后，将排水数据传递回水文模型，进行水文循环模拟，以此实现分布式水文模型与水资源配置模型的动态互馈计算。其中水资源配置模块中各模块具体设计方法如下：
(1)取水模块设计
不同用水户可以对应不同的供水源，而且对供水源可以有不同的水量和供水优先级的要求，通过建立水源与用水户的配置关系，实现水资源在配置系统中的真实模拟，模型提供外调水、水库水、河道水、坑塘水、浅层地下水、深层地下水6种水源类型，每一个水源为多个计算单元利用，每一个计算单元可同时设置多个水源，用水户根据每一个计算单元的供水水源类型和个数，设定水源供水次序，根据计算单元的水源供水次序寻求各水源供水，直至满足该计算单元的当日需水量或者到最后一个供水源供水完毕为止，供水计算的步骤如下(如图6所示)：
1)明确目标计算单元当日的需水量WD；
2)明确目标计算单元的供水水源个数k、水源代码以及供水优先次序，其中k≤6；
3)对供水优先次序为1的水源，则优先从该水源取水，如果该水源的可供水量Wsc1＞WD，则该水源供水量为WSP1＝WD，供水程序结束，计算单元的水源总供水量WSP＝WD将传递到用水模块用于分水计算；否则，WSP1＝Wsc1，并且计算单元的需水量变成Wf＝WD-Wsc1，WSP＝Wsc1，程序将继续寻找下一级供水源；
4)对供水优先次序为j(j＝2,…,k-1)的水源，则优先从该水源取水，如果该水源可供水量Wscj＞Wf，那么该水源供水量为WSPj＝Wf，程序结束，计算单元的水源总供水量(WSP＝WSP+WSPj)将传递到用水模块用于分水计算；否则，WSPj＝Wscj，并且计算单元的需水量变成Wf＝Wf-Wscj，WSP＝WSP+Wscj，程序将继续寻找下一级供水源；
5)对供水优先次序为k的水源，如果该水源可供水量Wsck＞Wf，那么该水源供水量为WSPk＝Wf，程序结束，计算单元的水源总供水量WSP＝WSP+WSPk将传递到用水模块用于分水计算；否则，WSPk＝Wsck，并且计算单元的需水量变成Wf＝Wf-Wsck，WSP＝WSP+Wsck＝∑WSPi，程序结束；
(2)用水模块设计
计算单元在取水后，对城镇生活、农村生活、生态环境、服务业、工业、农田灌溉用水户的水量分配存在优先顺序要求，不同计算单元的用水优先序要求可能不同，针对各计算单元的管理需求，对单元内的用水户设置不同的用水先后顺序，根据当日供水量依次分配给各用水户，直至当日水量分配完毕为止，用水计算的步骤如下(如图7所示)：
1)明确目标计算单元当日的水源供水总量WSP；
2)明确该计算单元的用水户类型k、各用水户需水量以及用水优先次序，其中k≤6；
3)对用水优先次序为1的用水户，则优先供给该用水户，如果该用水户的需水量WD1<WSP，那么该用水户的用水量为WU1＝WD1，用水模块程序结束，计算单元的各类用水量将传递到耗水模块用于耗水计算；否则，WU1＝WSP，并且计算单元的需水量变成Wf＝WD1-WSP，程序将继续寻找下一级用水户；
4)对用水优先次序为j(j＝2,…,k-1；k≤6)的用水户，则优先供给生活用水，如果该用水户的需水量WDj<WSP，那么该用水户的用水量为WUj＝WDj，用水模块程序结束，计算单元的各类用水量将传递到耗水模块用于耗水计算；否则，WUj＝WSP，并且计算单元的需水量变成Wf＝Wf-WSP，程序将继续寻找下一级用水户；
5)对用水优先次序为k的用水户，如果该用水户的需水量WDk<WSP，那么该用水户的用水量为WUk＝WDk，用水模块程序结束，计算单元的各类用水量将传递到耗水模块用于耗水计算；否则，WUk＝WSP，并且计算单元的需水量变成Wf＝Wf-WSP，程序结束；
(4)耗水模块设计
各行业用水过程会出现水资源消耗，各部门的用水数据将依次传递到耗水模块中，进行耗水模拟，耗水模拟包括城乡生活耗水模拟、养殖业耗水模拟、工业耗水模拟和农田耗水模拟四部分；
1)城乡生活耗水模拟：采用城乡生活实际用水量乘以生活耗水系数计算；
WCdom＝WUurban·τurban+WUrural·τrural
其中，WCdom表示城乡生活耗水量，m3；τurban、τrural分别表示城镇生活耗水率、农村生活耗水率；
2)工业耗水模拟：采用工业生产实际用水量乘以工业耗水系数计算；
WCind＝WUind·τind
其中，WCind表示工业耗水量，m3；τind表示工业耗水率；
3)养殖业耗水模拟：采用畜禽养殖实际用水量乘以养殖业耗水系数计算；
WCani＝WUani·τani
其中，WCani表示养殖业耗水量，m3；τani表示养殖业耗水率；
4)农田耗水模拟：农田耗水即是田间蒸散发，通过水文模块的蒸散发模拟计算；
WCagr＝ETcul
ETcul＝ETsoil+ETe+ETp+ETgw
其中，WCagr表示农田耗水量，m3；ETcul表示田间蒸散发量，m3；ETsoil表示土壤蒸发量，m3；ETe表示植被腾量，m3；ETp表示冠层蒸发量，m3；ETgw表示地下水蒸发量，m3；
(5)排水模块设计
排水模拟包括城镇生活污水排放模拟、农村生活污水排放模拟、工业废水排放模拟和农田排水模拟；
1)城镇生活污水排放模拟：城镇生活污水产生后，通过排入城镇排水管网系统直接排入河流，或者输送至污水处理厂进行处理，处理达标后的污水一部分直接排放进入河道，一部分通过深度处理达到再生水利用标准后回用于绿化、生活杂用以及生产；城镇生活污水产生量采用城镇生活用水量减去城镇生活耗水量进行计算；城镇生活污水排放量由城镇生活污水直接排放量、城镇生活污水处理排放量两部分组成；
WPurban＝WUurban-WCurban
WDurban＝WPurban·(1-vurban)+WPurban·vurban·(1-re)
其中，WDurban为城镇生活污水产生量，m3；WPurban为城镇生活污水排放量，m3；vurban表示污水处理厂的污水处理率；re表示再生水利用率；
2)工业废水排放模拟：工业生产过程中产生的工业废水通过排入城市排水管网系统直接排入河流，或者通过工厂废水处理系统进行处理，处理达标后的工业废水一部分直接排放进入河道，一部分通过深度处理达到再生水利用标准后回用于绿化、生活杂用以及生产用途，工业废水产生量采用工业用水量减去工业耗水量进行计算，工业废水排放量由工业废水直接排放量、工业废水处理排放量两部分组成：
WPind＝WUind-WCind
WDind＝WPind·(1-vind)+WPind·vind·(1-re)
其中，WDind为城镇生活污水产生量，m3；WPind为城镇生活污水排放量，m3；vind表示工厂的工业废水处理率；re表示再生水利用率；
3)农村生活污水排放模拟：农村生活污水主要包括农村居民生活污水和畜禽养殖污水两部分，均采用实际用水量减去耗水量进行计算，计算公式如下：
WDrural＝WUrural-WCrural
WDani＝WUani-WCani
其中，WDrural表示农村居民生活排水量，m3；WDani表示畜禽养殖排水量，m3；
模型将农村居民生活污水和畜禽养殖污水信息将传递到水文模型的subbasin模块中，模拟逐日污水排放量，计算公式如下：
Rhru＝Rsurf+Rlat+Rshal+Rdeep+Rrur
其中，Rhru表示计算单元的总产流量，mm；Rsurf表示计算单元的地表产流量，mm；Rlat表示计算单元的侧向流产流量，mm；Rshal表示计算单元的浅层地下水径流量，mm；Rdeep表示计算单元的深层地下水径流量，mm；Rrur表示计算单元的农村居民生活污水和畜禽养殖污水产生量，mm；
4)农田排水模拟：农田排水通过模型中的surface模块进行模拟，计算公式为：
WDagr＝qsurf+qlat+qgw+qirr
其中，WDagr表示农田排水量，mm；qsurf表示农田降雨产流量，mm；qlat表示侧向流，mm；qgw表示汇入河道的地下径流量，mm；qirr表示农田灌溉产流量，mm。
在所述步骤S5中，对分布式水资源配置模型设计一套运行规则，包括目标函数和约束条件，程通过识别计算单元的供水水源，按照设定的水源优先顺序逐步计算各水源供水量，各类水源的供水分配计算以水源可利用水量、工程供水能力和用户优先级信息进行控制，整个配置系统以计算单元编号顺序逐个计算；在计算单元中，水源供水计算以水源优先顺序逐一计算供水量，以最大程度满足受水单元需水量。
(1)目标函数
水资源配置以系统缺水量最小为目标函数
Figure BDA0002893017620000101
其中，TWF表示区域或流域的缺水量；I、J和K分别表示模拟天数、配置单元个数和用水户个数；WF(i,j,k)表示第i天、第j个计算单元、第k个用水户的缺水量，m3；
(2)约束条件
约束条件主要有水量平衡约束、水库库容约束、引提水能力约束、地下水开采约束；
1)水量平衡约束
WF(i,j,k)＝WD(i,j,k)-WUout(i,j,k)-WUres(i,j,k)-WUrch(i,j,k)-WUshal(i,j,k)-WUdeep(i,j,k)-WUpnd(i,j,k)-WUsalt(i,j,k)-WUre(i,j,k)
其中，WF(i,j,k)表示第i天、第j个计算单元、第k个用水户的缺水量，m3；WD表示需水量，m3；WUout表示外调水供水量，m3；WUres表示水库供水量，m3；WUrch表示河道供水量，m3；WUshal表示浅层地下水供水量，m3；WUdeep表示深层地下水供水量，m3；WUpnd表示坑塘水供水量，m3；WUsalt表示淡化水供水量，m3；WUre表示再生水供水量，m3；
2)河道/水库水量平衡约束
V(i,j+1)＝V(i,j)+Wp(i,j)-Win(i,j)-Wout(i,j)-WSP(i,j)-WET(i,j)-Wf(i,j)
其中，V(i,j)表示第j天、河道/水库i的蓄水量，m3；Wp表示降水量，m3；Win表示上游来水量，m3；Wout表示出流量，m3；WSP表示供水量，m3；WET表示水面蒸发量，m3；Wf表示渗漏量，m3；
3)水库库容约束
Wdead(i)≤V(i)≤VMX(i)
其中，Wdead(i)表示水库i的死库容，m3；V(i)表示水库i的时段库容，m3；VMX(i)表示水库i的最大库容，m3；
4)引提水能力约束
Q(i,j,k)≤QMX(i)
其中，Q(i,j,k)表示第j天、供水工程i给用水户k的供水量，m3；QMX(i)表示供水工程i最大引提水能力，m3；
5)地下水开采量约束
Figure BDA0002893017620000111
其中，Wg(i,j)表示第i天、计算单元j的地下水开采量，m3；WMX表示区域/流域最大允许开采量，m3。
以下通过实施例结合附图对本发明作进一步说明：
唐白河流域水资源配置
1、研究区概况
唐白河流域地处汉江流域中部，是汉江流域面积最大的一条支流流域，北起伏牛山地区，西与老鹳河为邻，东靠桐柏山脉，与淮河隔山相望，南抵汉江，中部为著名的南阳盆地，流域总面积为2.459万km2。地形呈北高南低态势，水系主要由唐河、白河两大支流组成，此外较大的分支还有湍河、刁河、严陵河、滚河等，水势呈扇形向盆地集中，多年平均水资源量43.91亿m3。流域内有河南省南阳市卧龙区、宛城区、社旗县、唐河县、新野县、湖北省襄阳市襄州区等5个地级市、共18个县级行政单元。唐白河流域的丘陵和平原区域占流域总面积的70％以上，这里河道纵横，渠系密布，有鸭河口灌区、引丹灌区、大岗坡灌区等大型灌区5个，赵湾水库灌区、虎山水库灌区、二郎山水库灌区等中型灌区25个。唐白河流域气候温和、雨量充沛、地形平坦、土壤肥沃，盛产小麦、水稻、花生、芝麻、油菜、棉花等农作物，是我国重要的商品棉、粮、油生产基地之一。但是，流域降水变率大，具有基流小、洪峰高的特点，是汉江径流的低值区，年内分配极为不均，地表水资源年际变化大、丰枯非常悬殊，常发生洪、旱灾害。为防洪抗旱、保障农业灌溉用水，流域内建有大型水库(鸭河口水库、宋家场水库)2座，赵湾水库、虎山水库、陡坡水库、官沟水库等中型水库20多座。
2、基础数据收集
模型构建所需要的数据包括气象观测数据、DEM数据、土地利用数据、土壤类型数据、经济社会用水资料、水利工程基本信息、灌溉面积与种植结构等。
(1)气象观测数据：包括唐白河流域内及邻近的7个气象站的1990～2016年气象数据，包括日降水量、日最高及最低气温、相对湿度、日照时数风速等气象要素；
(2)遥感数据：DEM数据(90m×90m精度)，用于提取河道长度、河网等信息；土地利用数据(2014期)和土壤类型数据，根据USGS LU/LC System分类关系进行重分类之后共获得18种土地利用类型；通过查询中国土壤数据库，获取土壤厚度、粒径组成、有机质含量等主要参数，应用SPAW模型计算并获得土壤容重、饱和水力传导度、有效持水量等土壤参数；
(3)实测径流数据：通过查询长江流域水文年鉴，获取包括新店铺、郭滩两个水文站1991～2016年的逐月径流数据，用于模型的率定和验证；
(4)经济社会用水数据。通过查询2006-2016年南阳市水资源公报、襄阳市水资源公报等资料，获得历年各行政区生活、工业和农业灌溉用水数据；
(5)水利工程基本信息数据：主要包括水库位置、死库容、调节库容、总库容等数据，灌溉渠道过水能力、电机井日提水能力等数据；
(6)灌溉面积与种植结构：通过查询南阳市统计年鉴、襄阳市统计年鉴获取。包括小麦、水稻、杂粮等粮食作物种植面积，花生、油菜、芝麻等油料作物种植面积，此外还有棉花、蔬菜、瓜果等其他作物种植面积。
此外，还有播种、灌溉、施肥、收割等作物管理措施有关的时间、次数、单次(灌溉、施肥)数量等基本信息等。
3、建模过程
针对唐白河流域水资源分布、水利工程特点及各行业取用水情况，构建唐白河流域分布式水资源调配模型。模型构建步骤如下：
子流域划分：基于DEM数据进行河网计算，采用汇水面积阈值法对子流域划分，通过设置最小子流域面积为1000km2，将唐白河流域划分为62个天然子流域。
亚单元划分。划分天然子流域后，采用GIS的“Editor Toolbar”功能，依次将行政区边界图和灌区边界图叠加在子流域GIS图上，划分成229个亚单元，并将分割后的亚单元赋予灌区、行政区属性。
计算单元划分：将土地利用类型图、土壤类型图进行重分类，经过坡度分析后进行叠加，将229个亚单元细分成2253个计算单元。
(4)空间基本信息输入：主要包括划分的计算单元高程、坡度等地理信息，子流域、行政区、灌区、土壤类型、土地利用类型等属性信息，水库等水利工程地理位置。
(5)农业种植与管理信息输入：包括各行政区县的种植作物类型、作物种植面积与灌溉面积、轮作制度与灌溉制度等。
(6)配置规则信息输入：主要包括水源供水对象、分区供水原则、水源供水优先级、供水水质目标，用水户分水原则、供水水源类型与个数、行业用水优先级、水质要求等信息；此外，需要输入的信息还有水库、渠道、电机井等水利工程基本信息，渠系水有效利用系数、田间水有效利用系数等用水效率信息，行业耗水率、污水处理率和再生水利用率等耗、排水信息。
(7)气象数据信息输入：选择建立好的降水、气温、风速、辐射和相对湿度数据输入，再把所有属性数据及水库数据输入，模型构建完成后即可开始运行。
4、参数率定与模型校验
通过上述过程和分析，确定模型的主要参数值，参数调整的最终值见表1所示。
表1主要参数调整结果
Figure BDA0002893017620000121
表1中，v表示调参值替代原参数值；r表示原参数值乘以调参值。
选取偏差百分比PBIAS、相关系数R2和纳什效率系数Ens(Nash-Suttcliffe)三个性能指标来进行模拟适应性评价。偏差百分比衡量模拟与观测值的平均趋势，PBIAS的绝对值越趋近于0表明所具有的模拟性能越好；相关系数R2反映模拟值和实测值的相关程度，R2值越接近1说明模拟值与观测者的相关性越好；纳什效率系数Ens的允许取值范围在0～1之间，值越接近1，说明模型模拟的结果越好。一般认为，当PBIAS值在±25％范围内、R2>0.60、Ens>0.50时，模拟结果可以认为是令人满意的。采用PBIAS作为评价行业用水量、地表水资源利用量和地下水资源利用量模拟效果的性能指标，采用R2和Ens作为评价河道径流模拟效果的性能指标。
模型的径流模拟与实测径流过程对比结果见表2和图8所示。在率定期(1995—2005年)，新店铺站月径流模拟值与实测值的相关系数为0.807，纳什效率系数为0.804；郭滩站月径流模拟值与实测值的相关系数为0.733，纳什效率系数为0.726。在验证期(2006—2016年)，新店铺站月径流模拟值与实测值的相关系数为0.730，纳什效率系数为0.691；郭滩站月径流模拟值与实测值的相关系数为0.616，纳什效率系数为0.592。可以看出，新店铺和郭滩水文站的月径流模拟值与实测值流量过程线拟合程度较好，模型的模拟精度达到了要求值。
表2新店铺和郭滩水文站的月径流模拟结果
Figure BDA0002893017620000131
唐白河流域(南阳市部分)供用水模拟结果的偏差百分比见表3所示，模拟结果对比见图9所示。可以看到，2016年唐白河流域(南阳市部分)实际用水总量18.02亿m3，模拟结果用水总量17.55亿m3，偏差百分比为2.48％；实际地表水供水量7.04亿m3，模拟结果用水总量6.79亿m3，偏差百分比为2.44％；实际地下水供水量10.98亿m3，模拟结果用水总量10.76亿m3，偏差百分比为5.42％。可见，模型的模拟结果很好地反映了唐白河流域实际用水和供水情况，可以满足水资源管理要求。
表3唐白河流域供用水模拟效果指标
Figure BDA0002893017620000132
5、结果分析
为检验该模型的模拟效果，本次以2016年为例，对唐白河流域进行供需平衡分析、配置结果分析。
2016年唐白河流域供需平衡结果见表4所示。由表可知，2016年唐白河流域需水总量28.30亿m3，其中生活、工业、农业的需水分别为4.22亿m3、4.34亿m3和19.74亿m3。全流域供水量为25.03亿m3，缺水3.27亿m3，流域缺水率为11.54％。在行政分区层面上，南阳市供水量最大，供水总量为17.72亿m3，缺水1.99亿m3；其次为襄阳市，供水量为5.60亿m3，缺水1.02亿m3；驻马店市供水量最小，仅为1.71亿m3，缺水0.25亿m3。
表4 2016水平年唐白河流域各行政区供需平衡结果
Figure BDA0002893017620000133
Figure BDA0002893017620000141
洛阳市嵩县和随州市随县在唐白河流域的面积较小，本发明实施例不再统计。
各县(区)的分部门用水、分水源供水情况见表5所示。2016年，唐白河流域用水总量为25.03亿m3，其中生活、工业、农业的用水分别为4.10亿m3、4.21亿m3和16.72亿m3。在各供水水源中，地下水供水量最高(12.48亿m3)，占总供水量的49.86％，其次为水库供水(7.58亿m3)，占总供水量的30.28％，河道水供水量最小(0.48亿m3)，仅占总供水量的1.92％。这是因为唐白河流域地形平坦，水循环垂向通量较大，地表产流率较小，地表水资源量不足，造成生活、生产用水对地下水资源依赖性较强。流域内南阳市的地下水利用量最高，达10.92亿m3，占用水总量的61.62％；南部的襄阳市地下水利用量最小(0.53亿m3)，仅占用水总量的9.5％。
表5 2016水平年唐白河流域各行政区水资源配置结果
Figure BDA0002893017620000142
Figure BDA0002893017620000151
洛阳市嵩县和随州市随县在唐白河流域的面积较小，本发明实施例不再统计。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种分布式水资源配置模型的设计方法，其特征在于，包括：配置水资源配置模块，将水资源配置模块与SWAT模型的内置模块进行衔接，以水文模型驱动运行，进行逐日循环计算和逐单元循环计算，实现数据实时交互；水资源配置模型以SWAT模型划分的水文响应单元HRU作为基本配置单元，根据每个计算单元中的需水信息、供水水源类型信息、供用水规则信息、水利工程信息和由水文模型提供的水资源信息进行逐日的水量分配，输出逐日供水-用水-耗水-排水信息，传递给水文模型；水文模型模拟刻画水循环过程，实时模拟水循环变化对人工用水的影响，以及模拟人工用水对下一阶段的水资源、水环境和供水变化的影响，为水资源配置模型提供实时水资源边界条件信息，从而实现“自然-人工”水循环动态互馈模拟，所述水资源边界条件信息包括地表、地下水资源量、水库蓄水量，所述设计方法具体包括如下步骤：
步骤S1：计算单元划分；
步骤S2：拓扑关系设计；
步骤S3：信息展布设计；
步骤S4：配置模块设计；
步骤S5：配置规则设计；
在所述步骤S2中，分布式水资源配置模型以HRU为计算单元，使SWAT模型的水文响应单元HRU与计算单元一一对应，建立与SWAT模型的空间拓扑关系，便于配置结果的逐日展布和数据传递，实现两个模型的紧密耦合；计算单元内的用水户类型视水文响应单元的土地利用类型而定：如果一个水文响应单元的土地利用类型是城镇用地，则对应的计算单元用水户包括城镇居民、工业和服务业；如果是农村用地，则对应的计算单元用水户包括农村居民和畜禽；如果是农业用地，则对应的计算单元用水户包括灌溉农田、灌溉林果和灌溉草地。
2.根据权利要求1所述的分布式水资源配置模型的设计方法，其特征在于，在所述步骤S1中，采取嵌套式坡面离散方法进行计算单元划分，其步骤包括：(1)天然子流域划分；(2)配置单元划分；(3)子流域叠加配置单元；(4)子流域叠加灌区；(5)计算单元划分；
(1)天然子流域划分包括填洼、水流流向分析、汇流分析、河网的生成、天然子流域的形成，采用ArcGIS中的Arc Hydro Tools工具进行天然子流域划分：首先对DEM底图进行修正操作，然后依据设定的生成子流域临界集水面积CSA阈值要求，确定格网水流流向，识别流域分水线，并依据河网特征参数确定天然子流域，其中河网特征参数包括流域坡度、坡向、坡长；
(2)配置单元划分采用选取二级流域叠加省/地市或者三级流域叠加地市/县的嵌套方式，采用GIS的“Editor Toolbar”功能，将配置单元边界GIS图直接叠加到上一步所划分的天然子流域GIS图上，形成配置单元GIS图；
(3)子流域叠加配置单元同样采用GIS的“Editor Toolbar”功能，将配置单元边界GIS图直接叠加到上一步所划分的子流域GIS图上，形成子流域-配置单元GIS图；
(4)子流域叠加灌区采用GIS的“Editor Toolbar”功能，在天然子流域与灌区交界地区，依照边界线将天然子流域一分为二，并将划分的不规则单元附上灌区属性；
(5)按照子流域内的土地利用类型、土壤类型和坡度类型进行叠加，划分出若干个水文响应单元HRU，HRU是指下垫面特征相对单一和均匀的区域，在这个区域中的下垫面具有相同的水文特性，每个HRU内只有一种植被、一种土壤和一种坡度类型的组合，每一个HRU即为分布式水资源配置模型的计算单元。
3.根据权利要求1所述的分布式水资源配置模型的设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中，依据城市、乡镇和农村居工地分布对国民经济需水数据进行空间展布，模型以行政区为单位进行需水数据输入，根据行政区内的城市、乡镇、农村点分布和面积大小进行数据分解并展布到计算单元上，展布的数据包括城镇的人口、工业和服务业需水量以及农村人口、畜禽需水量数据，空间展布步骤如下：
(1)行政区经济社会需水数据信息读入以后，检索属于该行政区的亚单元，统计亚单元内的城市、乡镇和农村用地面积，同时统计行政区内的城市、乡镇和农村用地面积；
(2)依据读取的行政区城镇和农村需水量数据，将农村人口、畜禽需水数据分配到农村居工地上，将城镇生活、工业、服务业需水量信息分配到城镇居工地上；城市和乡镇的需水量依照行政区内城市和乡镇的居工地面积比例进行分配，同时考虑到城市和乡镇人口密度、产值不同，可引了密度权重因子进行适当调整；
(3)识别行政区的亚单元，依据亚单元内农村、乡镇和城市居工地面积比例，将经济社会需水数据继续细化分配到各计算单元上。
4.根据权利要求1所述的分布式水资源配置模型的设计方法，其特征在于，在所述步骤S4中，设计水资源配置模块并将之作为SWAT的内置模块，通过SWAT模型进行驱动，水资源配置模块包括取水模块、用水模块、耗水模块和排水模块，通过需水量数据信息输入，传递给取水模块，取水模块分析计算向每一种水源的取水量，所述水源包括河道水、水库水、地下水、坑塘水和外调水，将信息传递给水文模型的五种水源模块，计算各供水源供水量，所述五种水源模块为河道模块、水库模块、地下水模块、坑塘水模块和外调水模块，水源供水数据传递给用水模块，通过计算，向各计算单元内的各类用水户分配水量，之后依次将数据传递向耗水模块和排水模块，计算耗水量和排水量；最后，将排水数据传递回水文模型，进行水文循环模拟，以此实现分布式水文模型与水资源配置模型的动态互馈计算。
5.根据权利要求1所述的分布式水资源配置模型的设计方法，其特征在于，水资源配置模块中各模块具体设计方法如下：
(1)取水模块设计
不同用水户可以对应不同的供水源，而且对供水源可以有不同的水量和供水优先级的要求，通过建立水源与用水户的配置关系，实现水资源在配置系统中的真实模拟，模型提供外调水、水库水、河道水、坑塘水、浅层地下水、深层地下水6种水源类型，每一个水源为多个计算单元利用，每一个计算单元可同时设置多个水源，用水户根据每一个计算单元的供水水源类型和个数，设定水源供水次序，根据计算单元的水源供水次序寻求各水源供水，直至满足该计算单元的当日需水量或者到最后一个供水源供水完毕为止，供水计算的步骤如下：
1)明确目标计算单元当日的需水量WD；
2)明确目标计算单元的供水水源个数k、水源代码以及供水优先次序，其中k≤6；
3)对供水优先次序为1的水源，则优先从该水源取水，如果该水源的可供水量Wsc1＞WD，则该水源供水量为WSP1＝WD，供水程序结束，计算单元的水源总供水量WSP＝WD将传递到用水模块用于分水计算；否则，WSP1＝Wsc1，并且计算单元的需水量变成Wf＝WD-Wsc1，WSP＝Wsc1，程序将继续寻找下一级供水源；
4)对供水优先次序为j的水源，其中j＝2,…,k-1，则优先从该水源取水，如果该水源可供水量Wscj＞Wf，那么该水源供水量为WSPj＝Wf，程序结束，计算单元的水源总供水量：WSP＝WSP+WSPj，并传递到用水模块用于分水计算；否则，WSPj＝Wscj，并且计算单元的需水量变成Wf＝Wf-Wscj，WSP＝WSP+Wscj，程序将继续寻找下一级供水源；
5)对供水优先次序为k的水源，如果该水源可供水量Wsck＞Wf，那么该水源供水量为WSPk＝Wf，程序结束，计算单元的水源总供水量WSP＝WSP+WSPk将传递到用水模块用于分水计算；否则，WSPk＝Wsck，并且计算单元的需水量变成Wf＝Wf-Wsck，WSP＝WSP+Wsck＝∑WSPi，程序结束；
(2)用水模块设计
计算单元在取水后，对城镇生活、农村生活、生态环境、服务业、工业、农田灌溉用水户的水量分配存在优先顺序要求，不同计算单元的用水优先序要求可能不同，针对各计算单元的管理需求，对单元内的用水户设置不同的用水先后顺序，根据当日供水量依次分配给各用水户，直至当日水量分配完毕为止，用水计算的步骤如下：
1)明确目标计算单元当日的水源供水总量WSP；
2)明确该计算单元的用水户类型k、各用水户需水量以及用水优先次序，其中k≤6；
3)对用水优先次序为1的用水户，则优先供给该用水户，如果该用水户的需水量WD1<WSP，那么该用水户的用水量为WU1＝WD1，用水模块程序结束，计算单元的各类用水量将传递到耗水模块用于耗水计算；否则，WU1＝WSP，并且计算单元的需水量变成Wf＝WD1-WSP，程序将继续寻找下一级用水户；
4)对用水优先次序为j的用水户，其中j＝2,…,k-1，k≤6，则优先供给生活用水，如果该用水户的需水量WDj<WSP，那么该用水户的用水量为WUj＝WDj，用水模块程序结束，计算单元的各类用水量将传递到耗水模块用于耗水计算；否则，WUj＝WSP，并且计算单元的需水量变成Wf＝Wf-WSP，程序将继续寻找下一级用水户；
5)对用水优先次序为k的用水户，如果该用水户的需水量WDk<WSP，那么该用水户的用水量为WUk＝WDk，用水模块程序结束，计算单元的各类用水量将传递到耗水模块用于耗水计算；否则，WUk＝WSP，并且计算单元的需水量变成Wf＝Wf-WSP，程序结束；
(3)耗水模块设计
各行业用水过程会出现水资源消耗，各部门的用水数据将依次传递到耗水模块中，进行耗水模拟，耗水模拟包括城乡生活耗水模拟、养殖业耗水模拟、工业耗水模拟和农田耗水模拟四部分；
1)城乡生活耗水模拟：采用城乡生活实际用水量乘以生活耗水系数计算；
WCdom＝WUurban·τurban+WUrural·τrural
其中，WCdom表示城乡生活耗水量，m3；τurban、τrural分别表示城镇生活耗水率、农村生活耗水率；
2)工业耗水模拟：采用工业生产实际用水量乘以工业耗水系数计算；
WCind＝WUind·τind
其中，WCind表示工业耗水量，m3；τind表示工业耗水率；
3)养殖业耗水模拟：采用畜禽养殖实际用水量乘以养殖业耗水系数计算；
WCani＝WUani·τani
其中，WCani表示养殖业耗水量，m3；τani表示养殖业耗水率；
4)农田耗水模拟：农田耗水即是田间蒸散发，通过水文模块的蒸散发模拟计算；
WCagr＝ETcul
ETcul＝ETsoil+ETe+ETp+ETgw
其中，WCagr表示农田耗水量，m3；ETcul表示田间蒸散发量，m3；ETsoil表示土壤蒸发量，m3；ETe表示植被腾量，m3；ETp表示冠层蒸发量，m3；ETgw表示地下水蒸发量，m3；
(4)排水模块设计
排水模拟包括城镇生活污水排放模拟、农村生活污水排放模拟、工业废水排放模拟和农田排水模拟；
1)城镇生活污水排放模拟：城镇生活污水产生后，通过排入城镇排水管网系统直接排入河流，或者输送至污水处理厂进行处理，处理达标后的污水一部分直接排放进入河道，一部分通过深度处理达到再生水利用标准后回用于绿化、生活杂用以及生产；城镇生活污水产生量采用城镇生活用水量减去城镇生活耗水量进行计算；城镇生活污水排放量由城镇生活污水直接排放量、城镇生活污水处理排放量两部分组成；
WPurban＝WUurban-WCurban
WDurban＝WPurban·(1-vurban)+WPurban·vurban·(1-re)
其中，WDurban为城镇生活污水产生量，m3；WPurban为城镇生活污水排放量，m3；vurban表示污水处理厂的污水处理率；re表示再生水利用率；
2)工业废水排放模拟：工业生产过程中产生的工业废水通过排入城市排水管网系统直接排入河流，或者通过工厂废水处理系统进行处理，处理达标后的工业废水一部分直接排放进入河道，一部分通过深度处理达到再生水利用标准后回用于绿化、生活杂用以及生产用途，工业废水产生量采用工业用水量减去工业耗水量进行计算，工业废水排放量由工业废水直接排放量、工业废水处理排放量两部分组成：
WPind＝WUind-WCind
WDind＝WPind·(1-vind)+WPind·vind·(1-re)
其中，WDind为城镇生活污水产生量，m3；WPind为城镇生活污水排放量，m3；vind表示工厂的工业废水处理率；re表示再生水利用率；
3)农村生活污水排放模拟：农村生活污水主要包括农村居民生活污水和畜禽养殖污水两部分，均采用实际用水量减去耗水量进行计算，计算公式如下：
WDrural＝WUrural-WCrural
WDani＝WUani-WCani
其中，WDrural表示农村居民生活排水量，m3；WDani表示畜禽养殖排水量，m3；
模型将农村居民生活污水和畜禽养殖污水信息将传递到水文模型的subbasin模块中，模拟逐日污水排放量，计算公式如下：
Rhru＝Rsurf+Rlat+Rshal+Rdeep+Rrur
其中，Rhru表示计算单元的总产流量，mm；Rsurf表示计算单元的地表产流量，mm；Rlat表示计算单元的侧向流产流量，mm；Rshal表示计算单元的浅层地下水径流量，mm；Rdeep表示计算单元的深层地下水径流量，mm；Rrur表示计算单元的农村居民生活污水和畜禽养殖污水产生量，mm；
4)农田排水模拟：农田排水通过模型中的surface模块进行模拟，计算公式为：
WDagr＝qsurf+qlat+qgw+qirr
其中，WDagr表示农田排水量，mm；qsurf表示农田降雨产流量，mm；qlat表示侧向流，mm；qgw表示汇入河道的地下径流量，mm；qirr表示农田灌溉产流量，mm。
6.根据权利要求1所述的分布式水资源配置模型的设计方法，其特征在于，在所述步骤S5中，对分布式水资源配置模型设计一套运行规则，包括目标函数和约束条件，程通过识别计算单元的供水水源，按照设定的水源优先顺序逐步计算各水源供水量，各类水源的供水分配计算以水源可利用水量、工程供水能力和用户优先级信息进行控制，整个配置系统以计算单元编号顺序逐个计算；在计算单元中，水源供水计算以水源优先顺序逐一计算供水量，以最大程度满足受水单元需水量。
7.根据权利要求6所述的分布式水资源配置模型的设计方法，其特征在于，所述目标函数和约束条件具体如下：
(1)目标函数
水资源配置以系统缺水量最小为目标函数
Figure FDA0003799710130000051
其中，TWF表示区域或流域的缺水量；I、J和K分别表示模拟天数、配置单元个数和用水户个数；WF(i,j,k)表示第i天、第j个计算单元、第k个用水户的缺水量，m3；
(2)约束条件
约束条件主要有水量平衡约束、水库库容约束、引提水能力约束、地下水开采约束；
1)水量平衡约束
WF(i,j,k)＝WD(i,j,k)-WUout(i,j,k)-WUres(i,j,k)-WUrch(i,j,k)-WUshal(i,j,k)-WUdeep(i,j,k)-WUpnd(i,j,k)-WUsalt(i,j,k)-WUre(i,j,k)
其中，WF(i,j,k)表示第i天、第j个计算单元、第k个用水户的缺水量，m3；WD表示需水量，m3；WUout表示外调水供水量，m3；WUres表示水库供水量，m3；WUrch表示河道供水量，m3；WUshal表示浅层地下水供水量，m3；WUdeep表示深层地下水供水量，m3；WUpnd表示坑塘水供水量，m3；WUsalt表示淡化水供水量，m3；WUre表示再生水供水量，m3；
2)河道/水库水量平衡约束
V(i,j+1)＝V(i,j)+Wp(i,j)+Win(i,j)-Wout(i,j)-WSP(i,j)-WET(i,j)-Wf(i,j)
其中，V(i,j)表示第j天、河道/水库i的蓄水量，m3；Wp表示降水量，m3；Win表示上游来水量，m3；Wout表示出流量，m3；WSP表示供水量，m3；WET表示水面蒸发量，m3；Wf表示渗漏量，m3；
3)水库库容约束
Wdead(i)≤V(i)≤VMX(i)
其中，Wdead(i)表示水库i的死库容，m3；V(i)表示水库i的时段库容，m3；VMX(i)表示水库i的最大库容，m3；
4)引提水能力约束
Q(i,j,k)≤QMX(i)
其中，Q(i,j,k)表示第j天、供水工程i给用水户k的供水量，m3；QMX(i)表示供水工程i最大引提水能力，m3；
5)地下水开采量约束
Figure FDA0003799710130000052
其中，Wg(i,j)表示第i天、计算单元j的地下水开采量，m3；WMX表示区域/流域最大允许开采量，m3。
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