青海省水中長期供需平衡模型建立與應用

呂愛鋒　賈紹鳳　韓雁

摘要：依據水資源系統分析原理，建立了一個多層次、多水源、多用戶的水資源長系列供需平衡動態調算模型。模型主要由數據管理、供需平衡計算、規劃調整、結果統計分析四部分組成。模型主要控制方程包括水量平衡方程、行業水供需平衡方程、邊界條件類方程、初始條件以及特殊類方程。模型的調度規則包括了供水調度規則和用水調度規則。與傳統供需分析模型相比，該模型具有針對缺水區域進行新增工程能力布設的規劃能力。該模型應用于青海省水中長期供求規劃中。應用結果表明，該模型實現了青海省水資源供需平衡分析中可供水量、供水保證率、水資源開發程度、供水能力、余缺水量以及新增工程能力規劃等一系列指標的計算，為水資源管理部門提供了一個科學的、有效的決策工具。

關鍵詞：水資源；供需平衡；調算模型；規劃

中圖分類號：TV211 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2016）05000106

水資源供需平衡分析是指對一定區域的、特定時間段的水資源供給與需求以及它們之間的余缺關系進行計算與分析的過程[1]，是水資源規劃的核心部分[2]。水資源供需平衡問題是區域水資源研究的核心問題之一，也是區域經濟規劃、環境保護、水資源管理與調配的重要決策依據[34]。隨著經濟社會的發展和水資源供求狀況的變化，水資源短缺、水質惡化以及生態環境問題已經成為制約經濟社會發展中的重要因素[1，512]。因此，對區域的水資源供需平衡進行系統分析，合理配置有限的水資源，對于促進區域經濟、社會、環境的協調發展具有重要意義[11，13]。

當前水資源系統供需平衡分析的主要有如下方法：一是采用水文長系列分析方法對水資源系統結構、供求關系進行描述；二是從區域社會、經濟、環境及生態持續發展的角度，通過構建數學模型來分析水資源供需平衡，進而成為更高層次的水資源分析模型的一部分[2，14 15]。而對于中長期供求規劃來講，供需平衡分析還有一個重要的作用是識別供需缺口[16]，提出供水保障方案[17]。而傳統的供需平衡方法無法實現對新增工程進行模擬分析的。

根據水資源系統分析原理，本文擬采用面向對象Visual C++編程語言開發一個多水源、多用戶、長系列動態模擬模型，與傳統供需分析模型相比，該模型除了可用于不同頻率下水資源供需平衡分析中可供水量、水資源開發程度、供水能力、余缺水量等指標的計算外，還具有針對缺水區域進行新增工程能力布設的規劃能力。該模型能夠滿足水中長期供求規劃要求，為水資源管理部門提供了一個科學的、有效的決策工具。

1 水資源系統概化及系統網絡圖

水資源系統是由眾多要素和相關聯系組成的復雜系統[18]。數學建模必須對其中的主要過程與因子進行抽取，建立從現實到數學描述的映射關系，進而實現數學模擬。系統概化就是通過抽象和簡化將復雜系統轉化為滿足數學描述的框架，進而實現整個系統的模式化處理。水資源系統概化是水資源供需模型構建的基礎和前提[19]。水資源系統概化過程主要包括水資源系統實體識別、分類與實體間水力聯系建立[20]。水資源系統涉及的各類實體主要包括點和線兩種要素。點要素包括計算單元、水利工程、系統出口以及其他控制節點。計算單元是系統模擬中根據數據和模擬要求劃定的最小計算單元，是需水、水資源量以及水利工程參數等信息的載體。工程節點主要是指大型水利工程、跨區域供水的水利工程等；系統出口是水資源系統的最終流出處；其他控制節點是指具有特殊要求的河道或者渠道控制斷面。線要素主要是不同點要素之間水量傳輸的有向線體，主要包括天然河道和人工渠道等。各個節點通過線段連接，就形成了水資源系統概化網絡圖（見圖1）。不同水平年的水資源供求平衡分析都是以水資源系統網絡圖為基礎。

2 青海省水資源供需平衡模型建立

2.1 建模思路

首先以水資源分區為基礎單元，明確單元之間的拓撲關系，進而確定各單元計算順序。然后將以行政區為單元統計人口、經濟、需水、用水、耗水、水利工程等資料，通過與水資源分區進行空間疊加形成模型的計算單元。利用GIS空間統計的方法，來獲取每個計算單元相應的參數以及不同單元之間的拓撲關系。

利用長時間序列的水資源數據、不同水平年的供水工程設計能力和需水量，結合各計算單元的水資源調度規則，計算每個單元的分工程供水、分行業用水、缺水、耗水等系列，分析不同水平年各地區在不同頻率下的水資源供需狀況。然后，根據調算的規劃水平年水資源供需缺口，調整各規劃水平年的供水工程規劃參數，以滿足規劃水平年供需平衡的要求。

2.2 模型結構

本模型主要由數據管理、供需平衡計算、規劃調整、結果統計分析四部分組成。數據管理是對基礎數據的錄入和管理、模型參數的管理以及模型結果的管理與輸出；供需平衡計算是對區域水資源的供給、需求、耗水以及缺水進行分析計算；規劃調整是根據模型計算的缺水量，對區域工程能力進行規劃調整；結果統計分析是將前面得到的各種長系列結果分別按計算單元、三級區、三級區套地、二級區、二級區套地、一級區、地級市、重點流域等進行統計分析，并制成數據表或直觀圖形，便于用戶查閱和打印。

2.3 主要計算方程

（1）水量平衡方程。包括計算單元水量平衡、水庫與湖泊水量平衡、地下水水量平衡、區域總水量平衡方程等。（2）行業水供需平衡方程。包括農業用水供需平衡、工業用水供需平衡、生活用水供需平衡、生態用水供需平衡。（3）邊界條件類方程。包括水庫或湖泊的各種特征參數的約束、地下水開采約束等。（4）初始條件。包括水庫或湖泊的初始水位等。（5）特殊類方程。主要是反映特殊水利工程向某些單元或用水部門的分水比例及動態控制關系、供水優先級、某些水利工程的綜合利用要求等。

2.4 水資源調度規則

2.4.1 供水調度規則

首先判斷是否有需水只能由地下水供水？如果是，先用地下水滿足該部分需水，然后按照各單元的供水優先順序計算各類工程供水量。然后，將供水調度規則分為以下幾類：（1）不存在計算單元外（單元外大中型工程、調水工程）供水，各類工程優先供水的順序是：必須供的地下水、當地引水工程、當地提水工程、當地蓄水工程、非必須供的地下水；（2）除了本單元供水，還有外單元大中型工程包括調水工程供水，優先順序是：當地供水工程優先供水，然后是單元外工程供水；（3）除了本單元供水，還有外單元大中型工程包括調水工程供水，外單元供水相對優先安排，本地供水工程作為補充。

2.4.2 用水調度規則

當供水工程的可供水量用完，還有缺水時，按各單元的不同用水優先順序配置水資源：（1）先滿足生活用水，然后是工業用水，最后是農業用水；（2）先滿足生活用水，然后是農業用水，最后是工業用水。

2.5 規劃工程布局與調整

調算模型所采用的工程參數，首先來自于工程現狀和已規劃的規劃水平年工程情況統計。但因為規劃水平年通常離現在還比較遠，規劃工作還不完善，尤其是小型工程考慮較少，因此模型輸入的工程參數只是已規劃工程的參數，有可能不能滿足未來的實際需要。如果模型的初次調算顯示未來規劃水平年存在缺水，需要適當調整未來的工程參數，實際上是增強已規劃工程的供水能力或規劃新的工程，來滿足未來的合理需水。模型的規劃調整功能是通過如下算法實現的。（1）對于農業灌溉缺水。增加小型蓄水工程和引水工程的能力，使75%保證率下的供水得到完全滿足。（2）對于生活用水和工業用水缺水。增加小型蓄水工程和引水工程的能力，使95%保證率下的供水得到完全滿足。

2.6 供需平衡計算流程

根據水資源網絡圖，確定各單元計算順序，遵照自上而下，先支流后干流的原則，逐個單元進行供需分析計算。先根據時段初蓄水、本時段來水、工程本身的能力計算每個單元的工程可供水量；再根據工程可供水量、需水情況和調度原則，計算每類工程的供水量。供水能力主要是受來水、工程能力和需水水平影響，參數主要是水利工程參數和需水參數。需水不僅要考慮不同行業需水，而且需明確必須用地下水供給的需水和可能由本計算單元之外的工程（大中型工程、調水工程）滿足的需水。各單元區灌溉、工業和生活用水都有一定的回歸水量，回歸量加入本區的水平衡分析。出境水作為下游單元區的入境水參與其供需分析。對于大中型工程和調水工程，需要具體察看大中型工程的供水范圍，識別每個單元的“水源”、并明確單元外工程的供水約束，即明確工程對此單元的供水能力是多少以及此單元需要該工程供水的最大需水有多少。在調算出各個單元的卻水量后，根據模型的規劃調整規則，對供水工程能力進行調整，然后再重新運行調算模型，最終得出每個單元的供需數據。

3 青海省水資源供需平衡模型應用

3.1 青海省水資源概況

青海省位于我國的西北部、青藏高原的東北部，是黃河、長江和瀾滄江的發源地，享有“江河源”的美稱[10]。青海省2010年總人口56267萬人，國內生產總值（GDP）1 35043億元。根據1956年-2000年資料系列計算，青海省水資源總量為6293億 m3，約占全國的22%。水資源量比較貧乏。同時，青海省水資源的時空分布極不均衡，與土地、自然資源、人口的分布以及社會經濟發展格局不相適應。水資源在季節上分布不均，汛期連續四個月的來水量一般占全年徑流量的50%以上，部分河流達到70%～85%，且多[HJ1.95mm]為暴雨洪水，絕大部分水量難以利用；[HJ2.05mm]而3月-5月為農業灌溉用水高峰期，灌溉用水量占全年灌溉用水量的50%以上，而天然來水量只有年徑流量的15%左右，來用水之間很不協調；年際間豐枯變化比較劇烈，大多數河流的極值比在17～95之間，最大模比系數在130～423之間，最小模比系數在01～081之間，不利于水資源的開發利用。水資源在地域上的分布極不平衡，長江、瀾滄江流域和黃河流域唐乃亥以上及其支流大通河人口少，而水資源量卻豐富；黃河一級支流湟水（不含大通河），水資源總量只有全省的35%，卻集中了全省52%的人口、523%的耕地和67%的GDP，人均水資源量806 m3，為全國平均值的368%；畝均水資源483 m3，為全國平均值的336%，資源性缺水嚴重，需要從鄰近河流調水，才能徹底改善水資源的供需矛盾。水資源時空分布極不均衡的特點，加之近年來青海省工農業的迅速發展，人口的急劇增長，使得青海省水資源供需矛盾突出[21]。

3.2 水資源系統概化與數據準備

模型的計算單元以青海省水資源三級區套地級市為基礎（柴達木盆地以三級區套縣為基礎）。對存在大中型水庫的單元，水庫本身作為一個計算單元，同時利用匯水范圍剖分，將水庫上下游各作為一個單元。2010年劃分為76個單元，2020年劃分為112個單元，2030年劃分為116個單元。對每個單元進行唯一性編碼。2010年青海省水資源系統概[HJ2.22mm]化如圖1所示。

將青海省已有和規劃的水利工程的位置和基本屬性錄入到地理信息系統數據庫中，構建青海省水利工程信息系統。該系統可進行水資源分區套縣市的水利工程參數統計（興利庫容、防洪庫容、引水能力、提水能力）。本研究構建了三級區套地的水資源空間數據庫。并以此為基礎，分別構建了2010年、2020年以及2030年三個水平年模型計算單元水資源數據庫。以模型計算結果為基礎，通過計算單元唯一性編碼，將計算結果與計算單元空間數據相關聯，構建了水資源供需空間數據庫，用于數據分析、查詢和制圖。

3.3 模型模擬結果

3.3.1 供需平衡

以青海省水資源三級區套地級行政區為單元，根據分析的工程供水量和經過調控的需水量，采用水資源長系列調算方法，對規劃水平年不同頻率下各地區、各行業的水資源供需平衡進行分析。

3.3.2 不同供水工程供水量

模型計算結果表明：2020年青海省供水工程供水[HJ2.5mm]量為4406億 m3，其中地表水源（包括引水、提[HJ]水、蓄水、調水）供水3887億 m3，占總供水量的882%；地下水源為497億 m3，占總供水量的113%；其他水源為022億 m3，占總供水量的05%。2030年青海省供水工程供水量為5370億 m3，其中地表水源（包括引水、提水、蓄水、調水）供水4479億 m3，占總供水量的834%；地下水源為864億 m3，占總供水量的161%；其他水源為026億 m3，占總供水量的05%（表2）。

3.3.3 新增供水工程

2020年青海省新增小型蓄水工程的興利庫容為190億 m3，新增機電井流量294萬 m3/h，引水工程流量151 m3/s，提水工程流量17 m3/s。新增小型蓄水工程主要在黃河流域，從行政分區看主要在西寧和海東地區。機電井工程主要增加在西北諸河，引水工程和提水工程主要增加在黃河流域。2030年全省新增小型蓄水工程的興利庫容為096億 m3，新增機電井流量072萬 m3/h，引水工程流量84 m3/s。新增小型蓄水工程主要在黃河流域，從行政分區看主要在西寧、海南州和黃南州。機電井工程主要增加在西北諸河，引水工程主要增加在黃河流域。

4 結論

水資源供需平衡模型是區域水資源規劃、管理和決策的重要工具。本文建立了一個面向多層次、多水源、多用戶的水資源長系列動態供需平衡調算模型。該模型能夠滿足水中長期規劃過程中的水供求調算需求。通過以青海省水中長期供求規劃應用為例，表明該模型主要具備以下功能：（1）可以客觀地描述和模擬再現所研究的水資源系統；（2）合理地進行長系列水資源供需平衡調度模擬操作；（3）從不同的時間（不同水平年）和空間（行政區、水資源分區以及行政區套水資源分區）維度，模擬和輸出水資源系統供需平衡結果；（4）針對供水缺口，進行科學的工程參數調整，為工程規劃提供支持。

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