基于拓撲關系的水資源配置模型研究及應用

劉移勝，閆少鋒

（湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北武漢 430064）

0 引言

水資源的優化配置是指將有限的水資源通過工程或非工程措施分配給不同區域、不同用水部門的用水戶，以達到相應的目標［1，2］。目標不同，水資源優化配置模型就有差異，最常見的是基于經濟效益、用水效率等方面的水資源優化配置［3］，近年來隨著經濟社會的發展，人們對節水型社會建設、生態文明建設的認識和要求不斷提高，于是陸續產生了基于節水優先和基于生態優先的水資源優化配置研究［4-8］。

針對“多水源-多用戶”的供水模式［1，9］，提出了基于水源-用水戶拓撲關系優先級調度的水資源配置模型。該模型的特點是將不同地區、不同行業的各個用水需求具化到用水戶，通過構建單個用水戶對應多個水源、單個水源對應多個用水戶、用水戶與用水戶之間受水優先級、水源與水源之間的串聯或并聯關系及供水次序［10］等等多層次的拓撲關系，以優先級調度為主，兼顧用水戶之間的公平［11］，來實現水資源的優化配置。

以湖北省蘄水灌區為研究對象，構建蘄水灌區基于水源-用水戶拓撲關系優先級調度的水資源配置模型，按照新時期節水要求分析計算各水平年各行業需水［8］，在蓄水工程優先退還現狀被生產生活擠占的生態水量的前提下，進行蘄水灌區水資源配置計算，通過配置計算成果擬定灌區建設內容、擬定新建渠道規模、復核已有渠道規模，使灌區生產、生活和生態用水需求均得到滿足。

1 模型的建立

基于水源-用水戶拓撲關系優先級調度的水資源配置模型通過構建水源-用水戶之間的拓撲關系，采用優先級調度的方法來模擬流域或區域的水資源供需過程。

1.1 基于水源-用水戶拓撲關系的優先級調度

水源-用水戶拓撲關系有4個層次，分別為：

（1）單個用水戶對應多個水源時，各水源之間存在供水優先級調度問題，為第一個層次。

（2）單個水源對應多個用水戶時，各用水戶之間存在受水優先級調度問題，為第二個層次。

（3）分屬不同行業的用水戶，其接受供水的優先級調度問題為第三個層次。河道基本生態水量在模型計算時優先退還，處于第一優先級；生活和工業供水保證率95%，處于第二優先級；農業灌溉供水保證率80%，處于第三優先級。

（4）水源與水源之間存在上下游串聯關系、并聯關系、充蓄關系、補償調節關系等，為第四個層次。

第一層次和第二層次拓撲關系用數字大小表示優先級次序，如圖1所示。數字“1”代表優先級第一，“2”代表優先級第二……，數字越大代表優先級越低，其中“0”表示水源和用戶之間無供需關系。

圖1 優先級調度圖Fig.1 Priority scheduling diagram

第一層次和第二層次處于交互狀態，為了對整個水資源供需系統進行模擬計算，需要對兩層優先級進行優先級統一編碼，確定整個水資源系統中各個水源-用水戶供需關系的優先級次序。

設水源優先級調度矩陣A=（aij），i為水源編號，imax代表矩陣的行數；j為用水戶編號，jmax代表矩陣的列數。aij的值表示水源i在用水戶j對應的所有水源中的供水優先次序，aij=1表示水源i向用水戶j供水次序為1，aij=2表示水源i向用水戶j供水次序為2，……，aij=0表示水源i不向用水戶j供水。

設用水戶優先級調度矩陣B=（bij），i為水源編號，imax代表矩陣的行數；j為用水戶編號，jmax代表矩陣的列數。bij的值表示用水戶j在水源i對應的所有用水戶中的受水優先次序，bij=1 表示用水戶j接受水源i的供水次序為1，bij=2 表示用水戶j接受水源i的供水次序為2，…，bij=0表示用水戶j不接受水源i的供水。

中醫推拿可結合頭面部及癱瘓肢體穴位,推拿的時候應該盡可能控制推拿的力度,避免引起患者的不適。在按摩后可以進行患肢及關節功能訓練,主要依據患者訓練情況,調整訓練的時間及訓練的頻率。穴位按摩可以采取點按穴位的方式,選擇的上下肢相應穴位進行按摩,其中上肢穴位:內關、曲池、合谷、肩井、尺澤、鳳池。下肢穴位:涌泉、解溪、太沖、昆侖、三陰交、承山、足三里、陽陵泉。穴位按摩手法輕柔,并且穴位選擇準確,保證穴位按摩的質量。

對一、二兩個層次優先級調度矩陣進行遍歷，重新進行統一編碼，形成整個水資源系統的供需關系的優先級次序1～N，N為所有供水行為的總數。統一編碼得到兩個N維列向量C、D，cn儲存第n個供水行為對應的水源編號，dn儲存第n個供水行為對應的用水戶編號，n=1，2，…，N。兩個層次優先級統一編碼具體步驟如圖2所示。

圖2 水源-用水戶優先級調度編碼流程圖Fig.2 Flow chart of priority scheduling coding of water resource water user

優先級調度統一編碼確定了所有供水行為的先后次序，水源工程根據其與用水戶的拓撲關系以及其他規則，進行長系列——逐時段調節計算，從而得到各水源工程對應不同用水戶的逐時段的供水量。

1.2 考慮用水戶之間公平原則對模型進行調整

當優先級調度規則使得不同地區之間優先級較高的用水戶的供水保證率、缺水率與優先級較低的用水戶相差太大時，考慮到用水戶之間公平原則，需要對水資源配置進行局部調整；當不同優先級的用水戶的保障程度相差不大時可以不做調整。調整通過設置水量分配權重系數矩陣E=（eim）來實現，例如水源i供m個用水戶，對各個用水戶設定一個權重系數eim，水源i在用水戶優先級調度基礎上，其當前時段可供水量通過權重系數分配給m個用水戶。各橫向權重系數之和為1，即∑eim=1，如圖3所示。

圖3 水量分配權重系數Fig.3 Water distribution weight coefficient

1.3 輸水規模約束控制

骨干引調水或輸配水工程對地區水資源配置的典型結構如圖4所示。水庫按調蓄方式分為三種：充蓄調節水庫、在線調節水庫和補償調節水庫。骨干引調水或輸配水工程或直供用水戶，或與蓄水工程產生水力聯系，其各個節點的輸配水量都受輸水系統的規模限制。模型構建時需對各節點處的渠系進行編碼，順水流方向節點以下各分支渠系各時段的供水量之和不能超出節點以上渠系的最大輸水能力。

圖4 輸水規模約束控制Fig.4 Water carrying capacity constraint

1.4 其他規則

（1）水庫優先滿足防洪要求：有防洪任務的水庫汛期按對應不同時段的防洪限制水位進行調度。

（2）供水限制線規則：根據各計算單元及水源工程的實際情況設置相應的供水限制線或加大供水線，明確邊界條件，使得水源工程在不同水位條件下按相應規則進行調度。

（3）充庫、補償調節規則：明確水庫選擇何種調節方式的適應性判別條件、水庫年內不同時段的充蓄水位或補償調度水位等。

2 模型的應用

2.1 蘄水灌區基本情況

蘄水灌區位于湖北省黃岡市蘄春縣境內，大別山南麓與長江之間，如圖5 所示。灌區涉及漕河鎮等11 個鄉鎮，灌區現狀總人口70.1萬人，總土地面積654.66 km2，其中耕地面積2.77 萬hm2，現狀灌溉面積1.30 萬hm2，設計灌溉面積2.58 萬hm2。整個灌區工程包括大同水庫、蟹子地攔河閘等水源工程，以及大同總干渠、其他干渠、支渠、斗渠及田間配套等灌溉工程。大同水庫位于蘄水上游侍郎廟河谷口，為多年調節水庫，控制流域面積176.5 km2，多年平均降水量1 417 mm，蒸發量1 374 mm，徑流深754 mm，總庫容2.66 億m3，興利庫容1.6 億m3。水庫正常蓄水位122 m，汛期5-9 月相應的汛限水位為118 m，相應庫容為1.5 億m3。大同總干渠全長84.52 km，控制灌溉面積1.53 萬hm2，渠首設計引水流量15 m3∕s。灌區以種植水稻、油菜、蔬菜、花生、中草藥為主。

圖5 蘄水灌區地理位置示意圖Fig.5 Geographical location of Qishui irrigation area

圖6 蘄水灌區供水、灌溉系統概化網絡圖Fig.6 Generalized network diagram of water supply and irrigation system in Qishui irrigation area

（1）各水庫生活供用水由單獨的生活取水口和輸水工程供給。

（2）蟹鴨片、飛躍片通過支渠從大同總干渠取水灌溉。

（3）花園片主要供水水源為花園水庫，花園東干渠延伸新增部分灌溉面積，花園水庫優先保障原有灌溉面積，其次為東干渠延伸新增灌溉面積，該部分灌溉不足水量由大同總干渠引水補充。

（4）鷂鷹巖片水源包括鷂鷹巖水庫、白河攔河堰以及沿江沿湖閘站。鷂鷹巖水庫優先供蘄春縣漕河鎮和經濟開發區的生活工業用水，其次供農業灌溉用水，通過泉水坳干渠連通長林崗支渠引水進入新橋河可實現大同總干渠給鷂鷹巖水庫充庫。

（5）黃河廠片水源包括黃河廠水庫、陳云水庫，黃河廠水庫優先供生活工業用水，其次通過向大同總干渠補水供農業灌溉；大同總干渠可以通過蘇圩支渠直供農業灌溉以及向陳云水庫充庫補水。

（6）優先利用蟹子地攔河閘的水量通過大同總干渠供灌區各片農業灌溉，其次利用各片本地水源，最后不足部分由大同水庫通過總干渠補充，充分發揮大同水庫的調蓄作用。大同水庫的調度規則為：首先退還下游河道被擠占的基本生態水量，其次供城鄉生活用水，最后供農業灌溉用水；為充分保障城鄉供水安全，對大同水庫供農業灌溉設置供水限制線；大同電站發電用水主要是在汛期泄洪以及灌溉期引水發電，利用電站的發電尾水來灌溉，因此電站運行不影響大同水庫灌溉供水。

2.2 灌區需水量分析預測

灌區河道外需水量分析采用定額法，根據現狀及預測的社會經濟指標，乘以相應的用水定額，得到河道外分行業需水預測成果。蘄水灌區現狀基準年、2035年多年平均需水量分別為15 904 萬m3、24 918 萬m3，P=80%需水量分別為17 290 萬m3、28 057 萬m3，如表1所示。

表1 蘄水灌區需水預測表 萬m3Tab.1 Water demand forecast of Qishui irrigation area

灌區河道內基本生態需水量分析：按照水生態文明建設要求，結合蘄水灌區當地水文水資源情況、用水現狀調查分析，以及湖北省水利廳關于做好水庫生態調度工作的通知（鄂水利函〔2017〕38 號）等，灌區內蓄水工程需下放下游河道基本生態水量，汛期按照斷面多年平均來水量的30%、枯期按照斷面多年平均來水量的10%控制。

2.3 灌區水資源配置計算

根據上述蘄水灌區供水灌溉系統構建灌區水資源配置模型，進行1956-2018年長系列調算，得到灌區水資源配置計算結果，包括灌區各灌片不同用水戶分配水量，總干渠分段流量復核結果，總干渠向鷂鷹巖、陳云等水庫充庫水量，大同水庫和蟹子地攔河閘聯合調度等。限于篇幅，在此僅列出大同水庫和蟹子地攔河閘聯合調度供水成果，以及蘄水灌區多年平均、P=80%情況下的配置計算結果，如表2、3所示。結果分析如下：

表2 大同水庫和蟹子地攔河閘聯合調度多年平均供水成果表 萬m3Tab.2 Multi year average water supply results of joint dispatching of Datong reservoir and Xiezidi sluice

（1）蘄水灌區大部分區域處于地下水水源涵養區，現狀地下水開發利用量較小，設計水平年維持現狀水平；根據新時期節水要求，設計水平年蘄春城區新增部分中水回用供水量，主要用于綠化、澆灑道路等城市生態環境用水以及部分對水質要求不高的工業用水。

（2）蘄水灌區基準年灌溉渠系配套不到位，有效灌溉面積僅1.30 萬hm2，該部分農業灌溉需水量1.27 億m3；設計水平年達到設計灌溉面積2.58 萬hm2，農業灌溉需水量2.04 億m3，農業灌溉供水量1.94 億m3，滿足設計灌溉保證率要求。

（3）當單用水戶對應多水源時，根據各水源調節性能、在灌區灌溉供水系統中的節點位置等因素，綜合確定各水源工程供水的優先級。以蘄水灌區農業灌溉為例，灌溉水源包括蟹子地攔河閘、灌區內部水源工程、大同水庫。蟹子地攔河閘無調蓄能力，其供水優先級最靠前；其次為灌區內部水源工程；大同水庫為大型多年調節水庫，調節性能高，且在灌區灌溉系統中位于大同總干渠渠首以上，可通過大同總干渠控制整個灌區，因此其供水次序置于最后，充分利用其調蓄能力向整個灌區補水，提高灌區灌溉保證率。

（4）當單水源對應多用水戶時，根據各用水戶對水資源需求的迫切程度、用水戶重要性、用水戶對缺水的敏感程度等因素，綜合確定各用水戶的受水優先級。以鷂鷹巖水庫為例，對應蘄春縣城區生活工業需水和灌區農業灌溉需水，鷂鷹巖水庫優先供蘄春縣城區生活工業，其次供農業灌溉。

表3 蘄水灌區水資源配置成果表 萬m3Tab.3 Results of optimal allocation of water resources in Qishui irrigation area

3 結論

（1）基于水源-用水戶拓撲關系優先級調度的水資源配置模型通過構建多層次的拓撲關系和優先級，能夠較好地模擬“多水源-多用戶”的復雜的水資源供需系統的配置計算。

（2）蘄水灌區新建擴建工程實施后，有效灌溉面積由現狀年的1.30 萬hm2提高到設計灌溉面積2.58 萬hm2。規劃水平年蘄水灌區多年平均總需水2.49 億m3，總供水2.38 億m3，缺水量0.11 億m3，生活工業供水保證率95%，農業灌溉供水保證率80%，滿足設計保證率要求，灌區水資源供需實現平衡。

（3）本模型能夠較好地模擬蘄水灌區的水資源系統，反映水源與用水戶在空間上的分布及水力聯系，分析成果可為蘄水灌區綜合管理提供支撐。模型可用于水資源綜合管理、規劃等分析工作，在模型規則設置中還可以進一步補充完善。