典型年和長系列年計算方法對水資源配置結果影響實例分析

劉吉祥，袁文龍，康愛卿

(1.黑龍江省慶達水利水電工程有限公司，哈爾濱150080;2.黑龍江省黑河市水務局，黑龍江黑河164300;

3.中國水利水電科學研究院水資源所，北京100038)

1 前言

水資源配置是為保證地區社會經濟和生態環境的可持續發展對區域內有限的水資源通過工程或非工程措施在不同用水部門之間實現合理分配［1－2］。建立水資源配置模型，是當前解決水資源供需矛盾最為行之有效有效的手段之一。典型年和長系列年方法是水資源配置模型求解的不同策略，通過模型求解，可以得到不同方案的配置結果。

傳統的水資源配置大多采用典型年計算方法，是因為典型年計算簡潔、方便，對數據資料的要求較少。近年來，隨著水資源配置技術的不斷進步，長系列配置技術逐漸發展，已經有成為當前水資源配置計算的主流方法的趨勢。長系列方法在一定程度上能夠較好的實現水資源配置方案的求解，但是在實際應用中存在求解繁雜、數據依賴性強等問題。而典型年法則需要較少的數據支撐即可以快速簡潔的方式得到最終的配置方案。本文通過建立配置模型，對比分析兩種方法的配置方案，期望在開展水資源配置工作中因地制宜，選取合理、適當的的方法。

2 水資源配置模型建立

水資源配置模型建立是基于質量守恒定律、遵循水量平衡的基礎上，利用目標函數和約束方程對社會經濟系統、自然生態系統和水資源系統之間水量的供給與需求進行數學描述［3］。配置目標要實現水量損失最小、經濟效益最大和水庫蓄放優先等。約束條件則包括社會經濟約束、生態環境約束和水資源系統約束，可以劃分為水資源循環轉化平衡方程及約束條件和供用耗排平衡方程及約束條件。

供水凈效益目標函數為:

目標函數:min=–(工業生活缺水罰變量* 權重 +工業生活缺水量*工業生活缺水罰變量*權重 +農業缺水罰變量*權重 +農業缺水量*農業缺水罰變量*權重)–(水庫當地水11～3月棄水* 權重 +水庫外調水11～3月棄水*權重 +水庫當地水4～10月棄水*權重 +水庫外調水4～10月棄水*權重)+(時段1水庫當地水月末狀態 +時段1水庫外調水月末狀態)* 權重+(時段1水庫當地水12月末狀態 +時段1水庫外調水12月末狀態) * 權重+地下水供工業*權重+地下水供農業*權重+保護湖泊罰變量*權重

3 典型年和長系列年

無論是采用典型年還是長系列年進行水資源配置，首先要進行長系列的選擇，這是因為典型年方法是根據已有長系列進行排頻計算，選擇相應的典型年進行計算;而長系列方法則是通過已有長系列構造配置模型所需要的系列進行計算。由于降雨資料在一成程度上相對比較穩定容易獲得，本文選取該地1956～2005年降雨資料為長序列。

3.1 典型年法

典型年選擇是根據排頻選擇50%、75%和95%頻率下代表年來水過程作為實際的供水數據輸入。需水數據根據預測結果利用作物月需水過程進行分配。配置優選只是從選定的典型年和需水預測之間進行優化組合。實際典型年法只能反映某年小區域內具體情況，在大區域內，由于水文氣象條件的差異較大，某個單元該年受旱嚴重，另一單元該年可能不缺水，有余水，也可能洪澇。

3.2 長系列方法

長系列水資源配置求解策略首先要構造需水和供水長系列。在水資源配置中通常以各水平年的需水代表未來時段的需水水平，不同水平年的需水過程可構建出各水平年的長系列需水過程。對于需水系列，由于農業和生態需水受到降雨量影響，因此對于農業和生態需水量的長系列構造是:對于豐水年，選擇農業需水保證率較高的需水數據，枯水年對應保證率較低的需水數據，然后根據作物月需水數據進行年內分配，得到規劃年農業和生態需水系列數據;生活和工業及三產等需水數據按照年內平均分配，采用固定值。通過長系列轉化得到模型所需要的數據格式。對于供水端，則直接引用對應年份的來水量作為供水量輸入模型。對于年內、年際之間來水和用水之間的不協調性，則通過水庫庫容來調節。對于行業用水優先權，采用寬淺破壞式。長系列計算是從多年供水和需水之間通過優化求解來實現多年之間的最優化，可以從多年供需方案之間進行優選。長系列法的主要優點是:可進行多年調節，考慮了來用水年際變化，減少棄水損失;缺點是:要收集大量來用水資料，來用水計算工作量大，而對于中小型工程及引水工程，長系列資料是無法得到的，硬性地要求長系列法，其成果精度也是難以把握的［5，6，7］。

3.3 方法對比

傳統的水資源配置常采用代表年作為設計年徑流，對于流域來說區內水資源時空分布差異很大，設計徑流出現的概率很小，在一定程度上掩蓋了流域內相同時間水資源的豐枯變化，徑流成果偏于保守。在選擇全流域的徑流代表年時也會出現與控制斷面代表年的不同，從而不能將各斷面的徑流成果相加，流域及其控制斷面的設計年徑流的表達比較困難，采用設計徑流代表年也難以給定水利工程的初值，不能反映水庫年際間的水量調節［8］。

長系列計算可以消除代表年計算難以解決的水利工程初值設定，年際間水量調節、典型年選取的代表性等問題，能客觀地反映枯水年水資源的供需狀況和耗水狀態以及水利工程的調度［7］。目前，我國大多數河流有年以上的徑流實測資料和雨量站資料，經還原計算的天然徑流系列大多包含了豐平枯水年份，樣本的代表性較好，可以作為未來的徑流系列，這為長系列模擬分析提供了平臺。

設計代表年法與長系列分析法有較大的差別，計算結果也有一定的差距。設計代表年進行水資源配置法的優點:是計算簡單概念明確易理解;缺點:是初始條件設置年際間水量調節等存在一定的困難尤其是對于具有多年調節能力大型水庫的供水系統而言。長系列分析法計算相對比較復雜，對基礎資料的數量和精度要求高，但計算成果符合工程實際，能克服設計代表年法的缺陷。當水庫調蓄能力很大時設計代表年法會隨著不同的初始庫容得到不同的工程建設規模和供水結果，而長系列法的計算結果比較穩定;當水庫調蓄能力較小時兩者的計算結果差異不大。長系列法充分利用了已有水文資料考慮了枯水段年份對工程建設規模的影響和年際間水量的調節，而設計代表年法卻無法做到。

4 具體案例分析

地處西北干旱地區的五家渠市水資源極端短缺。地表徑流非常少，只有4 720萬m3，且來水主要為當年10月份到次年4月份。年降雨量不足150 mm，降雨對當地水資源量影響非常小，全市主要靠地下水和外調水來保證供水安全。

五家渠市水資源配置以2007年為基準年，2015年近期年，2020年為中期年，2030年為遠景年進行配置規劃。在分區單元上行政分區為101團、102團、103團和市區、北工業園區、東工業園區。供水配置工程是在現有供水工程的基礎上考慮節水工程和現有調水規模全面開通，也即在沒有新增外調水情況，五家渠市供水潛力已完全挖掘。五家渠市水資源配置通過選取典型年和長系列年的方法進行核算。長系列時間為1956～2005年。對于典型年的選擇，根據五家渠市農業需水保證率的基本要求，1956～2005年中分別選取75%保證率的代表年份作為老龍河來水典型年。針對五家渠市7個計算單元，根據農業灌溉月分配系數分別給出各計算單元長系列逐月需水過程和典型年逐月需水過程。根據不同水平年社會經濟發展指標和生態環境保護目標、需水定額，分別給出未來不同水平年7種需水方案，即方案DD(低增長＆低度節水)、方案DZ(中增長＆低度節水)、方案ZD(低增長＆中度節水)、方案ZZ(中增長＆中度節水)、方案ZG(高增長＆中節水)、方案GZ(中度增長＆高度節水)、方案GG(高增長＆高度節水)。通過典型年和長系列年方案配置計算，得到各方案配置結果。部分配置結果見表1。

表1 五家渠市水資源配置結果萬m3、%

通過以上配置結果可以看出:

1)利用典型年配置結果明顯好于長系列年配置結果，并且隨著時間的推移，計算效果更加明顯。相比較于長系列計算結果，到2015年利用典型年方法計算綜合缺水度降低1%左右，到2030年綜合缺水度降低達到2%。

2)通過典型年計算，到2030年五家渠市最少需要新增外調水7 672萬m3，同長系列計算，五家渠市2030年最少要新增外調水8 280萬m3。根據目前執行外水價，按照0.54元/m3計算，通過長系列計算結果比典型年計算結果多付水費328萬元。

另外，通過兩種方法對比可知，典型年調算在預測當年豐枯情況下，對年內來水調節較大，可以實現最大程度的水資源利用，減少汛期棄水。長系列年則對年際水量調算能力較大，對年內來水過程調節能力較小。

5 結論

通過以上分析可以看出，在進行五家渠市水資源配置過程中，典型年計算結果更好，分析其原因，主要在于該市主要河流老龍河來水問題。該河來水主要集中在當年的10月到次年4月，而在汛期則是沒有來水。通過典型年計算，初始水庫庫容都是基于死水位作為起調庫容，在75%來水頻率下，冬季來水可以通過水庫蓄存，在供水季節實現供水，更能夠反映五家渠市的實際情況。此外，由于五家渠市是干旱區，長年降雨少，河流來水也少，在這種情況下，起調年份初始庫容相對較高，因而能夠實現汛期大洪水最大可能的截留，提高年內來水的調節力度，實現最大供水量。

綜上所述，在開展地區水資源配置過程中要進行長系列年和典型年計算方法適應的選擇研究。對于西北干旱地區，特別是對于小流域、小尺度范圍內，在降雨對地區水資源總量和需水影響較小的地區，利用典型年方法進行水資源配置更適合。而在大尺度上，水文統計資料較全并且在整個配置體系中有年調節或者多年調節的水徐，采用長序列年法配置結果更合理。

［1］ 許新宜，王浩.華北地區宏觀經濟水資源規劃理論與方法［M］.鄭州:黃河水利出版社，1997.

［2］ 楊小柳，劉戈力，甘泓.新疆經濟發展與水資源合理配置及承載能力研究.鄭州:黃河水利出版社，2003.

［3］ 王志璋.水資源優化配置模型技術與應用研究［D］.北京:中國水利水電科學研究院，2007.

［4］ 謝新民，符傳軍等.水系規劃理論與實踐［M］.北京:中國水利水電出版社，1997.

［5］ 魏傳江，王浩.區域水資源配置系統網絡圖［J］.水利學報. 2007，38(9):1103－1108.

［6］ 魏傳江.利用水資源配置系統確定供水工程的建設規模［J］.中國水利水電科學研究院學報.2007，5(1):54－58.

［7］ 魏傳江.水資源配置中的生態耗水系統分析［J］.中國水利水電科學研究院學報.2006，4(4):282－286.

［8］ 陳斌.水資源綜合規劃配置階段若干問題探討［J］人民珠江. 2006，3:1－3.