基于拓扑关系的水资源配置模型研究及应用
时间：2023-01-18 18:55:12 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
刘移胜，闫少锋
（湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉 430064）
水资源的优化配置是指将有限的水资源通过工程或非工程措施分配给不同区域、不同用水部门的用水户，以达到相应的目标［1，2］。目标不同，水资源优化配置模型就有差异，最常见的是基于经济效益、用水效率等方面的水资源优化配置［3］，近年来随着经济社会的发展，人们对节水型社会建设、生态文明建设的认识和要求不断提高，于是陆续产生了基于节水优先和基于生态优先的水资源优化配置研究［4-8］。
针对“多水源-多用户”的供水模式［1，9］，提出了基于水源-用水户拓扑关系优先级调度的水资源配置模型。该模型的特点是将不同地区、不同行业的各个用水需求具化到用水户，通过构建单个用水户对应多个水源、单个水源对应多个用水户、用水户与用水户之间受水优先级、水源与水源之间的串联或并联关系及供水次序［10］等等多层次的拓扑关系，以优先级调度为主，兼顾用水户之间的公平［11］，来实现水资源的优化配置。
以湖北省蕲水灌区为研究对象，构建蕲水灌区基于水源-用水户拓扑关系优先级调度的水资源配置模型，按照新时期节水要求分析计算各水平年各行业需水［8］，在蓄水工程优先退还现状被生产生活挤占的生态水量的前提下，进行蕲水灌区水资源配置计算，通过配置计算成果拟定灌区建设内容、拟定新建渠道规模、复核已有渠道规模，使灌区生产、生活和生态用水需求均得到满足。
基于水源-用水户拓扑关系优先级调度的水资源配置模型通过构建水源-用水户之间的拓扑关系，采用优先级调度的方法来模拟流域或区域的水资源供需过程。
1.1 基于水源-用水户拓扑关系的优先级调度
水源-用水户拓扑关系有4个层次，分别为：
（1）单个用水户对应多个水源时，各水源之间存在供水优先级调度问题，为第一个层次。
（2）单个水源对应多个用水户时，各用水户之间存在受水优先级调度问题，为第二个层次。
（3）分属不同行业的用水户，其接受供水的优先级调度问题为第三个层次。河道基本生态水量在模型计算时优先退还，处于第一优先级；
生活和工业供水保证率95%，处于第二优先级；
农业灌溉供水保证率80%，处于第三优先级。
（4）水源与水源之间存在上下游串联关系、并联关系、充蓄关系、补偿调节关系等，为第四个层次。
第一层次和第二层次拓扑关系用数字大小表示优先级次序，如图1所示。数字“1”代表优先级第一，“2”代表优先级第二……，数字越大代表优先级越低，其中“0”表示水源和用户之间无供需关系。
图1 优先级调度图Fig.1 Priority scheduling diagram
第一层次和第二层次处于交互状态，为了对整个水资源供需系统进行模拟计算，需要对两层优先级进行优先级统一编码，确定整个水资源系统中各个水源-用水户供需关系的优先级次序。
设水源优先级调度矩阵A=（aij），i为水源编号，imax代表矩阵的行数；
j为用水户编号，jmax代表矩阵的列数。aij的值表示水源i在用水户j对应的所有水源中的供水优先次序，aij=1表示水源i向用水户j供水次序为1，aij=2表示水源i向用水户j供水次序为2，……，aij=0表示水源i不向用水户j供水。
设用水户优先级调度矩阵B=（bij），i为水源编号，imax代表矩阵的行数；
j为用水户编号，jmax代表矩阵的列数。bij的值表示用水户j在水源i对应的所有用水户中的受水优先次序，bij=1 表示用水户j接受水源i的供水次序为1，bij=2 表示用水户j接受水源i的供水次序为2，…，bij=0表示用水户j不接受水源i的供水。
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对一、二两个层次优先级调度矩阵进行遍历，重新进行统一编码，形成整个水资源系统的供需关系的优先级次序1～N，N为所有供水行为的总数。统一编码得到两个N维列向量C、D，cn储存第n个供水行为对应的水源编号，dn储存第n个供水行为对应的用水户编号，n=1，2，…，N。两个层次优先级统一编码具体步骤如图2所示。
图2 水源-用水户优先级调度编码流程图Fig.2 Flow chart of priority scheduling coding of water resource water user
优先级调度统一编码确定了所有供水行为的先后次序，水源工程根据其与用水户的拓扑关系以及其他规则，进行长系列——逐时段调节计算，从而得到各水源工程对应不同用水户的逐时段的供水量。
1.2 考虑用水户之间公平原则对模型进行调整
当优先级调度规则使得不同地区之间优先级较高的用水户的供水保证率、缺水率与优先级较低的用水户相差太大时，考虑到用水户之间公平原则，需要对水资源配置进行局部调整；
当不同优先级的用水户的保障程度相差不大时可以不做调整。调整通过设置水量分配权重系数矩阵E=（eim）来实现，例如水源i供m个用水户，对各个用水户设定一个权重系数eim，水源i在用水户优先级调度基础上，其当前时段可供水量通过权重系数分配给m个用水户。各横向权重系数之和为1，即∑eim=1，如图3所示。
图3 水量分配权重系数Fig.3 Water distribution weight coefficient
1.3 输水规模约束控制
骨干引调水或输配水工程对地区水资源配置的典型结构如图4所示。水库按调蓄方式分为三种：充蓄调节水库、在线调节水库和补偿调节水库。骨干引调水或输配水工程或直供用水户，或与蓄水工程产生水力联系，其各个节点的输配水量都受输水系统的规模限制。模型构建时需对各节点处的渠系进行编码，顺水流方向节点以下各分支渠系各时段的供水量之和不能超出节点以上渠系的最大输水能力。
图4 输水规模约束控制Fig.4 Water carrying capacity constraint
1.4 其他规则
（1）水库优先满足防洪要求：有防洪任务的水库汛期按对应不同时段的防洪限制水位进行调度。
（2）供水限制线规则：根据各计算单元及水源工程的实际情况设置相应的供水限制线或加大供水线，明确边界条件，使得水源工程在不同水位条件下按相应规则进行调度。
（3）充库、补偿调节规则：明确水库选择何种调节方式的适应性判别条件、水库年内不同时段的充蓄水位或补偿调度水位等。
2.1 蕲水灌区基本情况
蕲水灌区位于湖北省黄冈市蕲春县境内，大别山南麓与长江之间，如图5 所示。灌区涉及漕河镇等11 个乡镇，灌区现状总人口70.1万人，总土地面积654.66 km2，其中耕地面积2.77 万hm2，现状灌溉面积1.30 万hm2，设计灌溉面积2.58 万hm2。整个灌区工程包括大同水库、蟹子地拦河闸等水源工程，以及大同总干渠、其他干渠、支渠、斗渠及田间配套等灌溉工程。大同水库位于蕲水上游侍郎庙河谷口，为多年调节水库，控制流域面积176.5 km2，多年平均降水量1 417 mm，蒸发量1 374 mm，径流深754 mm，总库容2.66 亿m3，兴利库容1.6 亿m3。水库正常蓄水位122 m，汛期5-9 月相应的汛限水位为118 m，相应库容为1.5 亿m3。大同总干渠全长84.52 km，控制灌溉面积1.53 万hm2，渠首设计引水流量15 m3∕s。灌区以种植水稻、油菜、蔬菜、花生、中草药为主。
图5 蕲水灌区地理位置示意图Fig.5 Geographical location of Qishui irrigation area
图6 蕲水灌区供水、灌溉系统概化网络图Fig.6 Generalized network diagram of water supply and irrigation system in Qishui irrigation area
（1）各水库生活供用水由单独的生活取水口和输水工程供给。
（2）蟹鸭片、飞跃片通过支渠从大同总干渠取水灌溉。
（3）花园片主要供水水源为花园水库，花园东干渠延伸新增部分灌溉面积，花园水库优先保障原有灌溉面积，其次为东干渠延伸新增灌溉面积，该部分灌溉不足水量由大同总干渠引水补充。
（4）鹞鹰岩片水源包括鹞鹰岩水库、白河拦河堰以及沿江沿湖闸站。鹞鹰岩水库优先供蕲春县漕河镇和经济开发区的生活工业用水，其次供农业灌溉用水，通过泉水坳干渠连通长林岗支渠引水进入新桥河可实现大同总干渠给鹞鹰岩水库充库。
（5）黄河厂片水源包括黄河厂水库、陈云水库，黄河厂水库优先供生活工业用水，其次通过向大同总干渠补水供农业灌溉；
大同总干渠可以通过苏圩支渠直供农业灌溉以及向陈云水库充库补水。
（6）优先利用蟹子地拦河闸的水量通过大同总干渠供灌区各片农业灌溉，其次利用各片本地水源，最后不足部分由大同水库通过总干渠补充，充分发挥大同水库的调蓄作用。大同水库的调度规则为：首先退还下游河道被挤占的基本生态水量，其次供城乡生活用水，最后供农业灌溉用水；
为充分保障城乡供水安全，对大同水库供农业灌溉设置供水限制线；
大同电站发电用水主要是在汛期泄洪以及灌溉期引水发电，利用电站的发电尾水来灌溉，因此电站运行不影响大同水库灌溉供水。
2.2 灌区需水量分析预测
灌区河道外需水量分析采用定额法，根据现状及预测的社会经济指标，乘以相应的用水定额，得到河道外分行业需水预测成果。蕲水灌区现状基准年、2035年多年平均需水量分别为15 904 万m3、24 918 万m3，P=80%需水量分别为17 290 万m3、28 057 万m3，如表1所示。
表1 蕲水灌区需水预测表 万m3Tab.1 Water demand forecast of Qishui irrigation area
灌区河道内基本生态需水量分析：按照水生态文明建设要求，结合蕲水灌区当地水文水资源情况、用水现状调查分析，以及湖北省水利厅关于做好水库生态调度工作的通知（鄂水利函〔2017〕38 号）等，灌区内蓄水工程需下放下游河道基本生态水量，汛期按照断面多年平均来水量的30%、枯期按照断面多年平均来水量的10%控制。
2.3 灌区水资源配置计算
根据上述蕲水灌区供水灌溉系统构建灌区水资源配置模型，进行1956-2018年长系列调算，得到灌区水资源配置计算结果，包括灌区各灌片不同用水户分配水量，总干渠分段流量复核结果，总干渠向鹞鹰岩、陈云等水库充库水量，大同水库和蟹子地拦河闸联合调度等。限于篇幅，在此仅列出大同水库和蟹子地拦河闸联合调度供水成果，以及蕲水灌区多年平均、P=80%情况下的配置计算结果，如表2、3所示。结果分析如下：
表2 大同水库和蟹子地拦河闸联合调度多年平均供水成果表 万m3Tab.2 Multi year average water supply results of joint dispatching of Datong reservoir and Xiezidi sluice
（1）蕲水灌区大部分区域处于地下水水源涵养区，现状地下水开发利用量较小，设计水平年维持现状水平；
根据新时期节水要求，设计水平年蕲春城区新增部分中水回用供水量，主要用于绿化、浇洒道路等城市生态环境用水以及部分对水质要求不高的工业用水。
（2）蕲水灌区基准年灌溉渠系配套不到位，有效灌溉面积仅1.30 万hm2，该部分农业灌溉需水量1.27 亿m3；
设计水平年达到设计灌溉面积2.58 万hm2，农业灌溉需水量2.04 亿m3，农业灌溉供水量1.94 亿m3，满足设计灌溉保证率要求。
（3）当单用水户对应多水源时，根据各水源调节性能、在灌区灌溉供水系统中的节点位置等因素，综合确定各水源工程供水的优先级。以蕲水灌区农业灌溉为例，灌溉水源包括蟹子地拦河闸、灌区内部水源工程、大同水库。蟹子地拦河闸无调蓄能力，其供水优先级最靠前；
其次为灌区内部水源工程；
大同水库为大型多年调节水库，调节性能高，且在灌区灌溉系统中位于大同总干渠渠首以上，可通过大同总干渠控制整个灌区，因此其供水次序置于最后，充分利用其调蓄能力向整个灌区补水，提高灌区灌溉保证率。
（4）当单水源对应多用水户时，根据各用水户对水资源需求的迫切程度、用水户重要性、用水户对缺水的敏感程度等因素，综合确定各用水户的受水优先级。以鹞鹰岩水库为例，对应蕲春县城区生活工业需水和灌区农业灌溉需水，鹞鹰岩水库优先供蕲春县城区生活工业，其次供农业灌溉。
表3 蕲水灌区水资源配置成果表 万m3Tab.3 Results of optimal allocation of water resources in Qishui irrigation area
（1）基于水源-用水户拓扑关系优先级调度的水资源配置模型通过构建多层次的拓扑关系和优先级，能够较好地模拟“多水源-多用户”的复杂的水资源供需系统的配置计算。
（2）蕲水灌区新建扩建工程实施后，有效灌溉面积由现状年的1.30 万hm2提高到设计灌溉面积2.58 万hm2。规划水平年蕲水灌区多年平均总需水2.49 亿m3，总供水2.38 亿m3，缺水量0.11 亿m3，生活工业供水保证率95%，农业灌溉供水保证率80%，满足设计保证率要求，灌区水资源供需实现平衡。
（3）本模型能够较好地模拟蕲水灌区的水资源系统，反映水源与用水户在空间上的分布及水力联系，分析成果可为蕲水灌区综合管理提供支撑。模型可用于水资源综合管理、规划等分析工作，在模型规则设置中还可以进一步补充完善。
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