基于水量平衡的高效節水潛力計算

張 紅

(新疆烏蘇市水利局，新疆 烏蘇 833000)

水量平衡嚴格遵守質量守恒定律的變化規則，通過計算水資源數量或質量的方式，對某地區的水文現象及水文過程進行深入分析。這種計算規則要求參與水循環的水體數量，在任意給定時間或地域空間內，始終保持連續的相變關系，即水資源數量總是維持收支平衡狀態。在水量平衡概念的影響下，可將節水潛力表示為某個固定用水單位在社會經濟條件發生改變情況下，能夠節約的最大水資源量[1]。以往，我國相關單位利用節水評價指標，確定回歸水的重復利用效率，再通過衡量水平衡要素的方式，建立地區節水潛力的計算公式。這種方法雖然充分考慮了回歸水指標的利用效率，但在水平衡數據收集過程中不能清晰體現節水指標的波動幅度，易造成節水潛力計算結果出現偏差。為避免上述情況的發生，引入水量平衡相關概念，并通過節水指標重新定義的方式，建立一種新型高效節水潛力計算方法。對比實驗結果顯示，這種新型計算方法有較強的應用價值。

1 基于水量平衡的需水量預測

它是新型潛力計算方法的搭建基礎，在需水系統劃分等流程的支持下，具體預測方法可按如下步驟進行。

1.1 需水系統劃分

需水系統作為水循環的重要組成環節，包含水載體、水工程、水管理機構等多個基本調節模塊。需水系統中循環的水體分為天然水和社會水兩種，且各組成模塊間同時存在相互依賴和相互作用兩種制約關系。天然水主要包含降水、蒸發兩個組成單元，在不考慮影響因素的條件下，需水系統中的天然水成分幾乎不存在任何不平衡問題。社會水包含生活用水中的供水、用水、排水、回收利用等多個組成部分，通常以人工能量作為水體流通的主要推動力。具體需水系統結構劃分結果如圖1所示。

圖1 需水系統結構劃分效果圖

1.2 需水系統特征分析

需水系統特征是描述水汽輸送、地表底下徑流情況等環節水體消耗總量的重要物理量。因自然界水循環的存在，水分子始終處于不停息的運動狀態，使得需水系統成為一個巨大的動態系統。受季節、溫度、空氣濕度等條件的影響，需水系統水資源總量呈現階段性變化趨勢。隨著水體循環的不斷進行，地表形成了形態不一的濕潤區、干旱區，且年降水量、年蒸發量等數據都對地區需水系統的特征產生影響[2- 3]。設m代表需水系統的運動狀態參數，x代表外界條件影響因子，利用m和x可將需水系統的特征分析結果表示為：

(1)

式中，c—需水系統的動態調節下限參數；v—需水系統的動態調節上限參數；g—水體循環系數，k—水分子的運動條件誤差因子；l—水資源總量的實部參數。

1.3 水量平衡關系的確定

節水潛力計算公式的確定以水量平衡關系獲取作為基礎環節，并通過消耗水量分析的方式，完成對該區域內水體總量的統籌分析。在給定的均衡周期內，需水系統中水體總量的變化情況，主要受到大氣圈降水情況的影響，且隨著地表水體蒸騰作用程度的逐漸增加，大氣圈降水增量也呈現大幅增加的變化趨勢。水量平衡關系作為影響節水潛力計算結果的關鍵指標，與大氣降水總量始終維持正向相關的變化趨勢。設ξ代表地表水體蒸騰作用強度，σ代表大氣圈降水總量，聯立式(1)可將水量平衡關系表示為：

(2)

式中，s—消耗水量分析參數；d—均衡周期的條件參數；j—水體統籌分析系數；f—水體資源總量的平均變化周期。

2 高效節水潛力計算分析

在需水量預測的基礎上，通過節水指標定義、潛力指標簡化、計算公式確定三個步驟，完成高效節水潛力的計算分析。

2.1 節水指標定義

節水指標定義為可節約水資源在水體總量中所占比重，即：

(3)

式中，q—節水指標；W1—可節約水資源總量；W—水體總量；η—百分制計算規則。

2.2 潛力指標簡化

潛力指標以水量平衡理念作為研究背景，在節水指標的支持下，通過激發地區水體綜合利用能力的方式，確定與節水潛力計算結果相關的指標參數。但該項指標參數通常具備多個齊次多項式，不利于后續運算過程。為解決此問題，引入二次回歸曲線，對其進行簡化約分，并通過回歸水量分析的方式，將其結果約分到最簡狀態[4]。設p代表二次回歸曲線的狀態參數，y代表回歸水量分析條件的存在系數，聯立式(3)可將節水潛力指標的簡化結果表示為：

(4)

式中，u—齊次多項式的分解權限系數；e—二次回歸尺度周期；r—節水潛力指標的回歸常數；b—地區水體的綜合激發條件初始量；τ—目標潛力指標的冪周期實部；χ—原始潛力指標的冪周期實部。

2.3 高效節水潛力計算公式的確定

高效節水潛力計算公式以簡化后的潛力指標和水量平衡關系作為基礎變量，并通過確定尺度范圍的方式，圈畫出在區域范圍內可激發的節水潛力極限。設α代表區域范圍的橫向規劃尺度，β代表區域范圍的縱向規劃尺度，聯立式(2)、(4)可將高效節水潛力計算公式表示為：

(5)

式中，o—高效節水潛力計算結果；Z1—橫向節水潛力極限條件的定值參數；Z0—縱向節水潛力極限條件的定值參數。整合上述搭建步驟，實現基于水量平衡的高效節水潛力計算。

3 實驗結果與分析

為突出說明基于水量平衡新型高效節水潛力計算方法的實用性價值，設計如下對比實驗。模擬某地區日常用水情況，分別應用傳統計算方法、新型計算方法對該區域內的節水潛力進行計算，其中前者作為對照組、后者作為實驗組。在相同的實驗時間內，分別記錄應用實驗組、對照組方法后，節水指標波動幅度的變化趨勢。

3.1 實驗參數設置

為保證實驗結果的真實性，可按照表1對相關實驗參數進行設置。

表1中參數依次代表實驗時間、水體資源總量、節水指標權限系數，為保證

表1 實驗參數設置表

實驗的公平性，實驗組、對照組實驗參數始終保持一致。

3.2 節水指標波動幅度對比

在水體資源總量不超過7.28×109t、節水指標權限系數為0.67的條件下，以30min作為實驗時間，分別記錄在該段時間內，實驗組、對照組節水指標波動幅度的對比情況。具體實驗對比情況如圖2所示。

圖2 節水指標波動幅度對比圖

已知標準波動曲線與實際波動曲線間的差值越大，水指標的波動幅度越能得到清晰體現。分析圖2可知，實驗時間為18min時，實驗組實際波動曲線與標準波動曲線的間差值達到最大51.14%；實驗時間為12min時，對照組實際波動曲線與標準波動曲線的間差值達到最大26.52%，遠低于實驗組。綜上可知，應用基于水量平衡的高效節水潛力計算方法后，確實能夠清晰體現節水指標的波動幅度。

4 結語

節水指標波動幅度既能體現水量平衡技術的約束效力，又能充分展示節水潛力計算方法的應用效果。傳統方法在體現指標波動幅度方面存在一定劣勢，而新型計算方法針對傳統方法的弊端，進行有效改進設計，在水量平衡理論支持下完成節水潛力計算，簡化了復雜的數值求取過程，且不需考慮其他因素對計算結果的影響。在應用方面，這種新型計算方法更貼近需水系統的結構劃分準則，能夠始終貼合節水指標的縱向趨勢，具備極強的實用性。未來相關研究機構可以這種新型節水潛力計算公式作為基礎，通過不斷細化水量平衡理論的約束作用，使得我國基礎節水效果達到國際領先水平。