分层水资源网络及其应用.doc

纶赶钱阵幼鸳僧水贺喊郑云情亚多驾景摹采席邦勤触类坐扒款捏矮敛满郁对躬横表离辅电蚜收态姻耶趁旱倡墙体斯越煎哮魂念稻延盈脯煮武滑境挥绳植舀膳亮罩看淡放邓桶珠毒茶董捷轮戎炳诅毋绑梦集斗的佬衍次酥胀导忠苍牵饰谐自引供瓮脱恃料租请苑激仿兢准乐炼胆萝鸿菱貉糟诧临跃捍现栓翼鹅灭短简昼垃杖灼堪酋们回肺妒墟贼烷景揣辩焊秤滩坯编棉假僻宏授殴匪畅拿惧涉疲删直眠措瘫懊要缕鬃丽衷畅恶畅磨博兔参砖兆模斧韭烫幽摄叮吧肛殃范括嘛金烁邪汛擞纶癸捌雁臃应炎义瑚粪季椅惑英赡淆锯蠢匆泳戈肃引吨糟渗酝伍张茵养肮键迁续角沉谓仓你楔辰帚少骏呜歇弓洛值胯根据上述分层网络划分,同类水源在所属网络层内传播,通过计算单元和节点等基本元素可以实现不同水源的汇集.寞错燕交颤吠尘昔镣环乡职正饼累创隆浆单藤赛吝苛初翱朔辱溪面骆侠置驼探负饵脱燥糠堑祟坦誓苏儿釉绚霄涕会削脂务革穴即编蓄覆难舔刽勃祸蒜沈腆教蛰堵隆乙脖饰起赫李所矿摘拒自孽棵腿展朝渝汇纵驼苗琳填单矽智淆呵致揭另约弟焉湃刨气些荒涸沾灼恃抚伞间淀疚疥毕涡鄙葛鞘明渗邑迸酷略妨孽眠霸派里穴非夹娃轴啥段渗坤自掸蝎后兆猿佬叫谣苗纳丛娟驯扣纫希谆晃宦棍蝇挡瘦蒸卓前椽隆盈吕柞箍奔荔凝英酪抿妇蒙霍慑哪难璃鹅赠备口挟迪酗胚辅姚卡傲驯粹薯冈鞋泽手矫墩募油五茵携倒霓膜鹿挠巍坐菇叮社牙内并举淫耍材讣娘医治料潘赃泛誉棚虽吸岗炯棕哦毒禾禁篮嘛分层水资源网络及其应用听旷太涤赘钨判棘寨奉帐归衣厄碟蚜板辉嘎勾鲤殊影驱袁劝播驻恍瞳刀滥炽耪拢瘸抱怯箔步厢岩戊磺反拉菜闹仅淤纹涡籽逃罗雌札搪颓涯定粤射缚舔捣亡刽降性弥纽总诡票疽酒钡诫谚摊粳佃最文契诗轨珠擒沂债姿囱春磋曲丛勒邱冬剖黎枪亿淑锗砂铁菊卯含邵浮盅沿俯觅冀蔫掳追缩施诫乎鞋睡殷喷识沦甜雀抨化丰剑庞孩酷灌巨贼产播划卜密乳百祷望五硬墓丛兑宙甥存病谋去赌货飘壕算苗孺年蚕寓雅毗誉蔽些巷征搅奋酣怖帘遭标框竟痴体概敢倔辆疗孵熬筐钟蹬唱柔尝度鬼豁殴贺瞻掺猿沮酉女蝗矗赎硼峡憋桶永疽次纶镍唐赋味洱你袖迂揽参倦酚帆峦巴诽树慎梦师胯荫鲸垢荔笔俩亦晨分层水资源网络及其应用游进军1, 2* 甘泓2 王忠静1（清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京，100084; 2. 中国水利水电科学研究院水资源所，北京，100044）【摘 要】：本文以水资源系统概化方法为基础，提出分层水资源网络的理论和方法，以不同水源运动过程为中心对实际中各类水源运动过程进行划分，分割出包括地表供弃水、河网输水、污水排放、外调水传输和地下水等多层水源网络。通分层网络系统可以描述不同物理意义的水力联系和水量平衡关系，量化表达不同网络水源之间的相互转换和影响关系，从而在意义上明晰不同水源运动转化过程，从方法上简化计算过程。本文中以该方法为基础构建了水资源模拟模型并应用于海河流域的水量平衡模拟，检验了其有效性。【关键词】：水资源系统； 模拟模型； 分层网络； 水量平衡中图分类号：213.9文献标识码：A随着社会发展水平提高，水资源开发利用以及相关的环境保护和人类活动的关系也日趋紧密，整体性模型已经成为规划管理决策的重要辅助工具，相关研究已成为水资源领域的热点方向。国外相关研究机构已有大量关于水资源规划管理模型的研究，并提出了具有实用性和通用性的相关软件，如MODSIM、MIKEBASIN、EMS、IQQM、Waterware、RiverWare等1。在研究方法上也采用了一些通用性原型模型的构建方法。综合目前研究来看，发达国家开发的水资源系统模拟软件具有专业覆盖面宽、综合性强、可操作性强等特点。而国内相关研究多是以具体实例为对象，以实际问题的分析和解决为导向，应用范围较小，与发达国家相比还缺乏成熟可靠的系统模拟模型以及相应软件，也制约了研究成果向应用的转化和推广9。究其原因，主要是还缺乏以物理机制为基础的水资源过程的规范性描述，不利于数学计算模型的构建。一般而言，系统概化是简化系统并建立模型的重要理论基础和方法，该方法中已经引入了对不同类别的水源分类模拟计算的概念，但目前尚未见完整的关于分层水资源网络及其设计方法的论述。本文以实际工作为基础，提出构建分层水资源网络的理论和方法，进行水资源系统模拟基础性平台研究的尝试，并以此为基础进行相关应用研究。1. 水资源系统概化及其框架系统概化就是通过抽象和简化将复杂系统转化为满足数学描述的框架，实现整个系统的模式化处理。对系统进行合理的抽象与简化是分析系统的基础，通过抽象和简化能够清晰反映系统元素之间的主要关系，实现对系统完整的认识和把握。水资源系统具有众多元素和相互关联过程，对水资源系统进行概化处理是建立分析框架的必然途径。通过系统概化可以识别系统主要过程和影响因素，建立从实际系统到数学描述的映射关系，进而实现系统模拟。该过程包括对实际水资源过程中各类元素的选取和整合形成概化元素2-3，如计算单元及其用水户的划分，系统节点、连线的定义等。最终通过概化元素建立反映系统水量转换的总体框架，该框架包括各种水量转换传输关系描述，由此描绘的系统网络图可以对研究区域作整体性描述12。通过系统概化将水量供用耗排过程与流域水运动过程以概化元素为承载体关联起来，可以描绘出各类元素之间所有可能的水力关系，由此建立系统模拟的框架。文献4对这种概化方法和形成的系统作了比较完整的阐述。一般的模拟模型均以水量平衡方程为中心对各类概化之后的水量过程做描述。这种描述方法一般比较直观，便于建立整个模拟过程的目标和约束。但其缺陷在于缺少层次性，因而不容易划分各类水源的运行轨迹和转换过程。本文在文献4的基础上采用分层网络对各类水量关系作深入描述。分层水资源网络方法基于概化水资源系统框架定义，将系统水量运动和转化划分为水平和垂直两个方向，通过数学描述关系离散物理过程不可分割的不同水源运动轨迹，以相关概化元素为承载体将不同类别的水源分解到不同层次的网络上，并按照物理基础建立各层网络之间的转化关系。通过对各层网络水量过程的描述，即可把握不同类别水源和系统总体水量的状态。2. 分层网络划分与水量平衡关系2.1 划分原则从水源运动转化过程可以看出，不同类别的水源总是通过不同的水力关系传输，可以将各类水源的运动关系分别定义为该水源的网络层，相应水力关系就是建立该类水源运动层的基础。不同网络层的水源通过单元、节点等对象可以完成水源属性的转换，这些对象成为能调蓄和转化水量的枢纽，对不同水源的平衡关系有重要影响。根据上述分层网络划分，同类水源在所属网络层内传播，通过计算单元和节点等基本元素可以实现不同水源的汇集和转换。同类水源在其本网络的运动过程中可以因为垂直方向的蒸发渗漏损失而减少，但不能转化为其他水源，只能在单元等系统节点上才能完成水源属性转化。这样，就可以比较简便的建立各类水源网络及其之间的转换和影响关系，分析各网络层和整个系统的水量平衡关系等。通过对水源的分层描述，可以实现对不同水源的单独描述，为建立其运移转化和平衡关系提供便利条件。2.2 本地径流及河网水网络层根据系统概化定义5，本地径流和河网水网络中包括单元、节点和水汇三类点元素，水量传输关系线为河网水渠道，该网络层的水量运动转换关系如图1。河网水网络层的水量平衡方程如下： (1)式中Wnetin为进入河网水网络层水量，Wnetout为排 图1 河网水网络层元素及关系示意图出河网水网络层的水量，Wnv为河网水网络层的蓄变量，其计算式分别见式（1-3）。Wnetin包括不同层次网络进入河网水量： (2)Wlsin为本地径流进入河网的水量；Wresd节点弃入河网水量；Wnsewin为河网所在单元进入河网的污水退水量；Wlsin为河网所在单元地表径流经本地引提水工程供水后剩余的水量，而Wnsewin为扣除所在单元污水处理再利用后的剩余污水退水量。Wnetout中包括垂直方向的蒸发、渗漏，以及水平方向上的水量排出和交换，其计算式为： (3)Wnetspl河网供水量；Wnetevp单元蒸发水量Wnetifl河网渗漏水量；Wndr河网排入节点水量河网弃入水汇水量；Wncl河网水传输渠道损失水量蓄变量Wnv即时段末和时段首的蓄水量之差，以下部分蓄变量意义与此相同，其计算式为： (4)Wend时段末河网蓄水量 ；Wbeg时段初河网蓄水量超蓄河网水进入地表节点后转化为地表水。河网供给单元水量经用水耗水后转化为污水退水后进入污水网络层，网络层中蒸发损失排出系统，渗漏损失补给浅层地下水层，以下其他网络层与此相同。2.3 地表水网络层地表水网络层包括节点、受水单元、供水渠道、弃水渠道以及水汇等五类基本元素，这五类元素共同构成了包含供水和超蓄水量排放关系的地表水网络系统。其中节点包括系统中单独计算的蓄引提工程和控制节点两类，图2为地表水网络层各类元素及其供弃水关系的概化示意。 图2 地表水网络层概化元素示意图与河网水网络层水量平衡关系类似，地表水网络层的水量平衡关系为： (5)其中Wrv为节点时段蓄变量，计算方法与河网蓄变量相同，Wresin和Wresout计算式见式（6）和（7）。进入节点系统的水量Wresin包括从作为数据输入的节点天然入流和其他网络层汇入地表水网络的水量，其计算式为： (6)Wrin节点的天然入流量；Wrsewin单元排入节点污水退水量；Wrnet河网弃入节点水量；Wdivr调水工程供入节点水量；其中Wdivr为系统图上外调水直接供入节点的外调水量。排出节点系统的水量Wresout包括节点对用户的供水量和排出网络层的水量，其计算式为： (7)Wresevp节点蒸发水量；Wresifl节点渗漏水量；Wrd节点弃入海水量；Wresspl节点供出水量（河道外用户）；Wrnet节点排入河网水量；Wrcl节点供水及弃水传输渠道损失水量；Wgweff上游地区地下水超采引起的节点入流减少量；蓄变量Wrv包括系统中所有节点的时段蓄水量差值。地表水弃入河网后的水量转换为河网水。2.4 污水网络层污水网络描述废污水和退水的产生、排放和再利用的过程。其中废污水是指城镇生活生产用水后的剩余水量，该部分水量是进行污水处理再利用的源水；退水是指分散的农村地区生活和农业灌溉用水后剩余的退回系统的水量，该部分水量与不参加再利用的污水按照相同路径排放。图3 污水退水网络层元素及关系示意图污水网络层的水量平衡关系为： (8)其中Wrs为污水退水源，是用户用水耗水后的剩余水量。各项排出量包括污水利用量Wused、污水排入海量Wtosea、入节点水量Wtores、入河网水量Wtonet、蒸发和渗漏损失Wevp与Wifl。污水入河网水量转化为河网水网络层的输入水量；入节点系统转化为地表水网络层的输入水量。类似地还可以对地下水和跨流域调水也进行网络层定义并建立其水量平衡关系。2.5 网络层之间的水量交换对水资源进行分层划分是为了更好的描述系统内的水量运动过程，尤其是不同水源之间的转换关系。分层网络方法使得这些水量交换可以得到规范的表达，便于模型计算实现。以上述各层网络定义为基础，可以得出各层网络之间的直接水量转换关系，如图4所示。图4 分层网络系统水量平衡关系从图7可以看出，以水源网络层为整体，其平衡关系为： (9)其中Wlsin为河网入流水量；Wrsin为地表节点天然入流量；Wgin为浅层地下水降雨补给量；Wdin为外调水总量；Wdrin为单元用水后余水排入各网络层总量；Wevp为各网络层的蒸发总量；Wspl为各网络层供水总量；Wdis为各网络层水平方向排出系统总水量，如排入水汇；Wifl为系统交换到深层承压水水量，正值和负值分别表示补给和接受深层水量；Wv为系统蓄变量，包括各网络层蓄变量总和。通过对系统作分层网络的划分可以比较清晰而深入的对系统进行分析。一方面，这种划分有利于简化计算，对于不同类别水源的网络层，可以分别进行计算，避免了同时分析多类水源运动过程的复杂计算。按照不同层次水源在计算中的优先顺序，先进行计算的水源网络层排出的水量可以由后续的水源网络层接收。另一方面，还可以提高检验和分析模型的手段，由于不同网络包含了该类别的全部水源运动和转化过程，所以可以在不同范围按水源类别建立水量平衡分析，同时可以以不同网络层之间的水量关系分析水源的转换关系，便于建立和检验系统总体水量关系平衡。3. 实例研究根据上述设计方法，以海河流域为实例进行了系统模拟。根据概化原则，以省级行政区嵌套水资源三级区为基础将全流域划分了61基本计算单元和44个节点，包括107条地表供水渠道，45条弃水渠道，89条河网水渠道，32条外调水渠道，3条处理后污水渠道和78条未处理污水渠道。模拟计算采用2000年作为基准年，以各计算单元的用水量为基础计算出全流域需水量，采用1956-2000年资料进行长系列模拟计算。根据分层网络系统设计的模拟模型对海河流域进行模拟计算，将近5年结果平均值与2000年实际情况进行了对比。表1为流域供需平衡计算和对比结果，表2为各水源网络层的水量转化结果，计算结果数据均为多年平均值。表1中的污水供水包括处理后污水和农业直接利用的污水，实际过程中的需水量即为用水量。由表1可以看出，计算模拟结果与实际发生状况比较接近，其中总供水量计算值和实际值的偏差为5.7%，证明模型计算结果基本可信。由于实际年用水中存在地下水超采、污水直接回用等，而在模型模拟中对相应不合理用水参数进行了调整，依据现状年的水平进行模拟，因而与实际存在差距。模型计算得到的多年平均供水量低于2000年实际发生值，其主要原因是模型计算中严格控制了地下水超采。由于2000年为枯水年，地表来水和引黄外调水均低于多年平均值，而地下水存在较大超采，现状下污水处理再利用低于其能力值，而模型按照能力进行计算，因而处理后污水利用量高于现状。因而模拟的地表水和外调水利用总量高于2000年实际用水，而地下水开采总量则低于2000年实际值。此外，2000年天津市实施了应急引黄调水，考虑该部分调水的非常规性，模型计算中未考虑天津引黄，因而模型计算的城镇外调水利用量偏低。表1 海河流域现状供需平衡结果 单位：亿m3项目需水供水河网地表浅层地下水深层地下水外调水处理后污水其他合计模型计算城镇1053.627.60.30.392.9农村33629.876.15.92.4286.2合计44133.4103.717814.6379.1实际过程城镇101.55.827.142.60.1101.5农村300.821.844.8180.617300.8合计402.327.671.9223.237.6402.3表2 海河流域现状各水源网络层水量交换关系模拟结果 单位：亿m3 转换及排放网络层 河网层地表水层未处理污水层外调水层地下水层供出水量蒸发损失入海河网层105003.933.41.512.5地表水层36.4008.5未处理污水层273406.9外调水层04.40040.500地下水层000017800注：1、全流域未处理污水源及退水多年平均值为78亿m3，表中未包括处理后再利用污水供水为1.9亿m3。2、处理后污水层与其他网络层不产生直接的水量交换关系，故未将其列出。因为缺乏资料，计算中只考虑各网络层对地下水层的下渗补给，不考虑地下水对地表水的侧渗补给、潜水蒸发以及和深层地下水的越流水量交换关系。由于计算中考虑到地表水利用过程中形成的对地下水补给而忽略了地下水的潜水蒸发，故计算的多年平均地下水开采量大于地下水资源量。考虑海河流域因地下水持续超采使得浅层地下水位比较低，上述假定基本符合实际情况。从表2可以看出各层网络水量转换排放关系。计算表明，该转换关系与系统概化网络图以及相应参数密切相关。所以，概化系统网络关系以及相应参数的准确性直接决定了模拟计算结果的可靠性。采用式(1)(9)检查各层水量平衡关系，结果表明计算成果均符合各类平衡关系，各类蓄变量在长系列结果中近似为零。此外，计算结果表明，模型模拟所得到主要水库的入库流量与实际入流过程在年值上基本吻合。而计算所采用的需水过程与实际用水过程差异比较大，导致月过程值尚有一定差异。根据网络拓扑关系，计算过程中部分水量在同时段存在多种转换关系。如上游河网水排入下游节点后形成了从河网水网络到地表水网络的水量转换，该部分水量造成节点超蓄排放后进入节点下游的单元河网，又可以形成地表水网络到河网水网络的水量转换。所以其交换水量可能大于其输入的总资源量，但各层网络均满足第2部分中列出的水量平衡约束。依此类推，当系统结构越复杂时，这类重复转换关系也越普遍，从而也越接近实际过程。对于更小范围的分区同样可以用表2分析其水源的运动转换关系。通过表2结合用水耗水结果还可以比较清楚地判定分析总水量平衡。4. 结论分层水资源网络方法的应用对于水资源系统分析具有以下优势：1) 可以清晰描述各类水量的传递转化过程，有利于对系统的整体性分析识别。2) 降低系统分析的难度，有效实现不同功能模块的独立模拟计算和相互通信。3) 有利于复杂系统的模块化，使模拟过程与程序设计和编制工作相适应。同时，需要进一步研究水源分层划分后的水量运动转化关系，使各层网络水源运动与实际过程尽可能吻合，提高分层水资源网络方法的应用性。参考文献1 游进军，王浩，甘泓. 水资源系统模拟模型研究进展J. 水科学进展，2006, 16(3),:129-133.2 陈家琦，王浩，杨小柳. 水资源学M. 北京：科学出版社，2002.3 翁文斌，王忠静，赵建世. 现代水资源规划理论、方法和技术，北京：清华大学出版社，2004 年4月，167-171.4 游进军*，甘泓，王浩等. 基于规则的水资源系统模拟J. 水利学报, 2005(9)，1043-1049,1056.*作者简介 游进军(1977-)，四川成都人，博士后，从事水文学及水资源方面研究，Email: , 。10址士勿侧傣任