基于WAS模型的水資源綜合模擬與調配研究

王華 WANG Hua

（河南省豫北水利工程管理局，新鄉 453002）

0 引言

水資源配置涉及社會經濟發展的方方面面，通過綜合協調生態環境保護、社會經濟發展等各要素，實現水資源在這些要素之間科學合理的運行[1]。我國總體上是一個水資源匱乏的國家，實現水資源的合理配置，對于整個國家的長遠發展至關重要[2]。在最新的“十四五”發展規劃綱要中，也明確提及要加強水資源優化配置的能力[3]。因此，開展水資源配置相關研究有著重要的工程意義。

關于水資源配置方面的研究現狀，國內外學者主要集中在如下幾個方面：其一，水循環模型方面的研究；其二，水資源系統模擬和配置耦合模型方面的研究。這些研究取得了大量的研究成果，對于推動區域水資源優化配置，提高水資源的配置和利用水平，起到了良好的推動作用。但是，這些研究往往沒有考慮水循環模型中人的活動對水資源的反饋。實際當中，人的活動以及再生水都對水資源配置有著不可忽視的影響。因此，本文基于水資源綜合模擬與調配一體化模型（Water Allocation and Simulation Model，WAS），開展水資源配置的分析，以期為實現更優化的水資源利用提供理論支持。

1 水資源綜合模擬與調配模型構建

水資源配置需要以水資源供需分析為基礎，開展一系列的水量平衡計算，包含水的供給、水的利用以及水資源供給與利用相結合等3個方面。在水資源的需求方面，首先是合理調整各個產業對水資源的總體需求，根據自身水資源的條件，合理進行產業結構的調整與布局。在水資源的供給方面，則是加強各天然水資源的的管理，并通過工程技術手段進行適當地調節分配。開展流域水量平衡計算，需要根據實際情況對整個流域進行科學的單元劃分，然后分別計算各個單元水量平衡關系，再將各個單元進行綜合即可。

水資源的模擬則主要包含產流模擬、河流匯流模擬、再生水模擬等相關水資源的模擬。其中，產流模擬主要是根據某個時段的降水產流量，計算一定匯流面積下供水工程的總的來水量。河道匯流模擬則是計算單元本身的產流量、外調水利工程的流入量、單元上游流入量以及單元本身污水退水量。再生水模擬則是計算再生水的產生量、利用量等[4]。

構建水資源綜合模擬與調配模型的意義在于模擬水資源輸入與輸出之間的動態關系，通過適當的調配實現平衡。對于每一個計算單元內部，都對應含產流、河流匯流的水量，同時還有取水與退水的過程；在計算單元之間，考慮單元水資源的循環要考慮內部的來水過程和上游單元的退水過程；考慮多個單元之間的產流水量、河流匯流水量、來水退水過程，結合水資源需求分析進行水資源配置，各個單元配置用水完成后，還要考慮退排水過程。這樣一來，就可以實現整個水資源動態的模擬與配置。

2 水資源綜合模擬與調配模型分析

2.1 水資源系統的概化處理

開展水資源調配之前，需要對實際的水資源系統進行抽樣與概化，使得處理后的水資源系統在保持實際系統主要特征的同時，還能夠滿足數據模型的技術要求，以此為基礎，開展水資源系統的綜合模擬。水資源系統的概化處理主要包含兩個方面：

圖1 水資源綜合模擬與調配模型架構圖

①確定系統的計算分區，選擇分區內涉及的水利工程、劃分可利用水源；設置河流系統、可控制節點；劃分用戶分類，并建立水源之間的源匯關系、用戶與水源之間的供求與回歸關系等。

②構建水資源系統網絡圖；利用系統將概化后的水資源系統中的節點連接，使之構成水資源區域系統網絡；該系統網絡圖既能夠較為準確地反映出流域水資源系統的主要特征特點，還能夠匹配水資源調配模型[5]。

2.2 WAS模型水資源供需分析

2.2.1 水資源供給分析

水資源綜合模擬中，供水主要來自于兩大類：其一，大型水源工程；如大型的調水工程、大型的引水工程、大型的蓄水工程等。其二，概化的水源工程；將計算分區中的中小型規模的水利工程概化，形成中小型的提水工程、中小型的引水工程、中小型的蓄水工程、地下水工程等。根據不同的水源的特點，系統可自動匹配模型庫，使得各類水源能夠模型化。這些模型主要包含大型蓄水工程計算模型、中小型蓄水工程計算模型、中小型提水工程計算模型、淺層地下水計算模型、中深層地下水利用計算模型、污水回用計算模型等。供水水源來水過程的計算，大型水庫按照實際來水過程；中小型水庫按照計算單元來水過程縮放；調水工程則是按照實際調水量確定來水過程。淺層地下水按照多年平均資源量及可開采量控制。

2.2.2 水資源需求分析

將水資源需求劃分為農業用水、生態用水、生活需水、工業需水四大類型。其中，農業用水、生態用水主要是保障農村生活需水與維持正常的生態平衡，生態用水則是包含了河道內生態需水、河道外生態需水。生活用水是維持正常的城鎮生活、農村生活用水；工業用水則是維持工業及其他產業生產活動需水，包括工業生產、第三產業用水等。

采用規劃定額法對需水量進行預測計算。規劃定額法需要解決兩個關鍵指標：用水定額、規劃水平年相應發展指標。其中，用水定額是根據實際的社會經濟發展水平、產業結構現狀及發展趨勢、節水情況、相似條件城市的用水定額水平等，參考相關部門制定的用水定額標準，綜合各類情況制定出各類用水戶的用水定額。規劃水平年發展指標一般是根據發展規劃或經濟發展演技成果制定的預測指標結果。將發展指標與用水定額結合，即可得到用水戶的需水量。

根據不同用水戶的特點，將需水預測模型分為工業需水行業預測模型、生活需水日定額預測模型、農業需水月定額預測模型、生態需水預測模型及需水預測匯總模型等。

2.2.3 水資源供需平衡分析

在模型系統中，最為關鍵的是處理好水資源的供需平衡，以實現水資源的配置均衡。主要內容包含如下幾個方面：①河道水量平衡分析；降水水量經產流與匯流進入到河道，這是河道水量的主要供給來源；一部分水量經取用后消耗，并通過廢水排放進入河道；上游河道會流向水庫/湖泊，其他的水量會流入下游。同時考慮河道的蒸發與滲漏損失量。②水庫/湖泊水量平衡分析；作為陸地徑流的調蓄節點，水庫/湖泊還是非常關鍵的供水節點，在模型中，水庫/湖泊水量平衡主要考慮上游河道來水、外來調水、人工取水、泄水量等。同時考慮水庫/湖泊的蒸發與滲漏損失量。③地下水水量平衡分析；地下水平衡主要包含淺層地下水平衡、中深層地下水平衡。主要考慮地下水的開采量、地下水徑流量、地下水蒸發量；中深層地下水平衡還要考慮淺層地下水補充深層地下水的水量。④再生水平衡分析；污水的主要來源為生活用水與工業用水，這些污水經過集中處置后，能夠作為一種水資源繼續進入到水資源利用的環節當中。再生水平衡要考慮再生水的生產能力、再生水的供給分配、污水廢水入河量等。⑤單元水量平衡分析；單元用戶的供水量是響應工業、農業、生態、生活用水的總量，體現的是水資源的總體需求。單元水量平衡則要求單元用戶的供水量與單元河道供水量、單元水庫/湖泊供水量、地下水供水量、再生水供水量、其他供水量之和保持相等。

3 案例分析

河南省是我國最為重要的農業大省之一，處理好河南省水資源系統的模擬與調配問題，對于我國農業發展與民生都具有重要的意義。根據河南省水資源系統的實際情況，劃分河南省水資源系統模擬模型計算單元為60個，以便于更好地分析；關鍵水資源要素為4大主要的流域，分別為淮河流域、黃河流域、長江流域、海河流域；主要的大型水庫、湖泊數量約為30個；河南省內配置有大型的南水北調工程；近來來，河南省工業用水循環利用的比例不斷提高。根據水資源分布數據、歷年水文數據、氣象數據、產業數據，開展河南省水資源需求及供給的模擬與配置分析，結果如表1所示。

表1 河南省水資源供需模擬與配置分析

可以看出，2000年以來，河南省總體上處于輕度水資源缺乏的狀態，隨著南水北調等水利工程的投入使用，以及各個產業水資源利用效率的提升，河南省水資源缺乏的情況有所緩解。各流域的缺水情況也有所不同，海河流域與淮河流域缺水情況相對較重。在水資源調配中，應適當向淮河流域傾斜。

4 結論

隨著計算機技術的發展以及水資源配置系統分析方法的提升，使得復雜條件下水資源配置模型的求解更加精確。在理論上，加入更多的約束條件和模型內部關系的條件，能夠實現更加滿意的計算結果，也能夠實現超大規模的水資源宏觀規劃與調控。本文中，主要研究了水資源模擬相關的產流模擬、河流匯流模擬、再生水模擬模型，以及水資源配置相關的供需關系，分析了河道水量平衡、水庫/湖泊水量平衡、地下水水量平衡、再生水水量平衡等，最終實現單元水量平衡分析。以河南省為例，開展了簡要的水資源模擬與配置分析，為河南省水資源精細化管理與評價提供了一定的參考。