WRMM模型復雜水資源罰值系統與操作策略的聯系

李承紅，姜卉芳，何 英，穆振俠

(新疆農業大學 水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

WRMM模型是加拿大阿爾伯特省的Water Resource Management Model為基礎的水資源配置模型，專家和學者根據新疆的獨特地域在WRMM模型中先后加入了河道損失[1]、地下水模塊[2]和污水回用模塊[3]，使得WRMM模型在水資源管理中運用得越來越廣泛，但在使用WRMM模型時，對于罰值和操作策略之間的相互聯系并沒有表述清楚，也沒有形成罰值系統。只有通過罰值，操作策略共同作用形成罰值系統，才能對整個水資源系統進行合理的水資源配置，罰值系統的建立對于WRMM模型的適應性起著決定性作用[1]。

簡單水資源系統中僅僅考慮了水庫、城鎮用水和灌溉用水，沒有考慮到天然渠道，多個水庫以及多個用水戶共同作用的水資源系統。本文建立的復雜水資源系統，包括2個水庫，2個天然渠道，1個城市用水，1個農村用水和1個灌溉用水，通過3種情景模擬，改變操作策略、罰值，建立不同的罰值系統。

1 WRMM模型簡介

1.1 WRMM模型結構

WRMM模型的主要包括3個輸入文件，分別是灌溉基本數據文件、水文氣象數據文件和仿真控制文件，其中仿真控制文件又包括7個子系統，分別是仿真標識符系統、時間控制信息系統、物理系統、罰值系統、需水數據系統、供水數據系統和渠道運移時間系統。

模型運行的關鍵是物理系統和罰值系統，物理系統是指水資源系統中各個元件之間的聯系關系。罰值系統的設置則顯得比較復雜，在第三章中罰值系統的建立將會詳細說明。

WRMM模型的輸出文件主要有仿真理想文件和仿真輸出文件，仿真理想文件是在水資源充足的情況下，滿足所有用水戶的要求；仿真輸出文件是在當下水平年的情況下，根據罰值系統的建立，可能出現個別用戶用水得不到滿足，即在缺水情況下的水資源配置結果，在實際來水情況符合理想情況時，仿真理想文件和仿真輸出文件的輸出結果相同。WRMM模型系統圖，見圖1。

圖1 WRMM模型系統圖Fig.1 System diagram of WRMM model

1.2 WRMM模型功能

WRMM模型可對整個流域進行水資源配置，主要有4個功能：①利用模型的仿真輸出文件(OUTSIM)可以模擬流域現狀罰值系統下的水資源配置結果對于缺水年份，造成部分水資源系統元件無供水量；②利用模型的仿真理想文件(OUTID)可以模擬流域多年來水情況下所有系統元件均達到理想條件的供水情況；③WRMM模型共有12個系統元件，當研究區域系統元件缺水時，可忽略缺失系統元件，進行現有系統元件的水資源配置；④利用WRMM模型中罰值系統和操作策略之間的關系，自主定義不同系統元件的供水優先序，可進行多種罰值系統的水資源配置分析。

1.3 WRMM模型說明

(1)罰值。WRMM模型中每一個元件的供水優先序是通過設置罰值大小來表示的，單獨的數值的大小不能表現供水優先序，只能通過完整的水資源罰值系統，才具有表達供水優先序的意義。

(2)元件。WRMM模型中的元件是指在水資源系統出現的所有的組成，包括水庫、水電站、泄水建筑物、河流、渠道、少量耗水、大量耗水以及灌溉用水。若所研究區域沒有某一個系統元件，省略該元件，不影響模型運行。

(3)操作策略。WRMM模型中的操作策略是指決策者對于水資源各個系統元件之間的供水先后順序的自主定義，即各個元件優先供水的定義。

(4)理想區域。WRMM模型中的理想區域是對于水資源系統元件達到決策者預期結果的定義，例如水庫的理想區域是規則曲線，即是正常來水情況下的興利庫容對應的正常高水位；灌區的理想區域是達到灌區的需水要求，城鎮用水的理想區域是滿足用戶的需水量，達到供水保證率。

(5)松弛區域。WRMM模型中的松弛區域是指理想區域的偏離程度。不同系統原件對應不同的松弛區域，例如防洪和興利綜合調度的水庫，水庫的調度曲線可以分為正常高水位線、防破壞線、限制洪水線、防洪調度線、死水位線，以上5條線構成了防洪水庫偏離理想區域的4個松弛區域。

2 罰值與操作策略之間的聯系

在WRMM模型中，每一個元件都定義了一個理想水平或者理想區域，用來表示理想的操作狀態，額外的水平或者區域被定義為偏離理想操作狀態，表現為高于或者低于的理想狀態。用戶可以定義罰值來定義優先序，來協調整個模擬系統的操作策略。各元件定義的操作策略見表1。本文主要包括了水庫，灌區，大量耗水(城市用水和農村用水)，天然渠道。

表1 WRMM模型中各元件的操作策略Tab.1 The operating policy of each component in WRMM model

3 復雜水資源系統的罰值與操作策略

水資源系統元件中，包括水庫，灌區，大量耗水(城鎮用水，工業用水等)，水電站，天然渠道，分水渠道，人工渠道。每一個元件都有其簡化描述[4-8]，見表2。

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在情景模擬中，充分考慮水庫，灌區，大量耗水，天然渠道以及人工渠道系統元件，建立復雜水資源系統，其水資源系統概化圖，見圖2。

如圖2所示，水資源系統概化圖包括了2個水庫，2段天然河道，城市用水，灌區用水以及農村用水，詳細代碼見表3。

水庫1 為多年調節水庫，總共分為6個區域，分別是泄洪區、洪水控制區、第一個松弛區域、第二個松弛區域、第三個松弛區域及第四個松弛區域；天然渠道1，分為4個區域，分別是洪水破壞去、第一個松弛區域、第二個松弛區域及第三個松弛區域；城市用水，分為2個區域，分別是第一個松弛區域及第二個松弛區域；天然渠道2，分為4個區域，分別是洪水破壞去、第一個松弛區域、第二個松弛區域及第三個松弛區域；水庫2，總共分為5個區域，分別是洪水控制區、第一個松弛區域、第二個松弛區域、第三個松弛區域及第四個松弛區域；灌溉用水，分為3個區域，分別是第一個松弛區域、第二個松弛區域及第三個松弛區域；農村用水，分為3個區域，分別是第一個松弛區域、第二個松弛區域及第三個松弛區域。在供水充足的情況下，各個用戶均達到理想供水，理想操作規則見表4。

操作策略與罰值之間的關系，主要取決于各個元件之間的供水先后順序；每一個元件是否進入到下一個松弛區域，取決于操作策略中是否將元件的缺水情況降低到下一個松弛階段，如果不降低元件需水要求，其元件的罰值應該大于其他元件罰值。通過不同情景下罰值，說明罰值、罰值系統和操作策略之間的關系。在罰值系統生成時，為了能夠充分考慮各個系統元件之間的相互影響，除了水庫在進入第一個松弛階段的罰值為1，其余罰值設置均采用相對大小相差5，便于表示各個元件操作策略與罰值之間的聯系。

圖2 水資源系統概化圖Fig.2 Generalized network diagram

名稱入流節點天然河道1天然河道1水庫1水庫2分流節點城市用水灌溉用水農村用水代碼100101102201202400501502503

表4 理想操作規則Tab.4 The ideal operating rules

3.1 情景1罰值系統的建立

情景1 城市用水重要性>農村用水重要性>灌溉用水重要性，罰值系統與操作策略的關系，見表5。

由表5可知，水庫1的罰值為1,5,25,105；天然渠道1的罰值為5,30,90；城市用水的罰值為60,100；天然渠道2的罰值為10,35,65；水庫2的罰值為15,40,70,85；灌溉用水的罰值為20,45,75；農村用水的罰值為50,80,95。當水資源系統出現供水不足時，水庫1首先進入第一個松弛區域，然后是天然渠道1進入到第一個松弛階段，當缺水程度為3時，按照越先被列出來，優先序越小的原則，應該是城市用水進入到第一個松弛區域，不符合操作策略中重要性的排序，通過改變罰值的相對大小，改變城市用水的優先序，所以在缺水程度為3時，天然渠道2進入第一個松弛區域。

在缺水程度為5時，此時除了城市用水和農村用水在理想需水狀態以外，其他所有系統元件均進入第一個松弛階段，通過操作策略的調整，因此在缺水程度為6時，水庫1進入到第二個松弛區域，其余系統元件陸續進入第二個松弛區域。直到缺水程度為11時，農村用水進入到第一個松弛階段，此時城市用水仍然是理想需水狀態。在缺水程度為13時，城市用水進入到第一個松弛區域。

3.2 情景2罰值系統的建立

情景2 城市用水的重要性完全高于農村用水和灌溉用水，罰值系統與操作策略的關系，見表6。

表5 情景1 罰值系統Tab.5 Scenario 1 penalty value of water resources system

表6 情景2 罰值系統Tab.6 Scenario 2 penalty value of water resources system

由表6可知，水庫1的罰值為1,30,100,105；天然渠道1的罰值為5,35,90；城市用水的罰值為85,95；天然渠道2的罰值為10,40,60；水庫2的罰值為15,45,65,80；灌溉用水的罰值為20,50,70；農村用水的罰值為25,55,75。當水資源系統出現供水不足時，缺水程度為1～2時，水庫1首先進入第一個松弛區域，然后是天然渠道1進入到第一個松弛階段，當缺水程度為3時，按照越先被列出來，優先序越小的原則，應該是城市用水進入到第一個松弛區域，不符合操作策略中重要性的排序，通過改變罰值的相對大小，改變城市用水的優先序，所以在缺水程度為3時，天然渠道2進入第一個松弛區域，一次是水庫2、灌溉用水和農村用水進入到第一個松弛階段。當缺水程度為17時，天然渠道2 、水庫2、灌溉用水和農村用水，4個系統元件均進到分區的最后一個松弛區域。當缺水程度為18時，城市用水首先進入到第一個松弛區域，天然渠道2 、水庫2、灌溉用水和農村用水均已經達到松弛區域底部，對操作策略不再產生影響，在此缺水程度下，主要是水庫1，天然渠道2和城市用水。

當缺水程度為20時，城市用水進入第二個松弛階段，城市用水進入分區的底部，對操作策略不再產生影響。缺水程度不斷增加，水庫1依次進入松弛區域，直到最終進入第一個松弛區域底部，整個操作策略完成，生成罰值系統。

3.3 情景3罰值系統的建立

情景3 城市用水與農村用水的重要性相同，罰值系統與操作策略的關系，見表7。

表7 情景3 罰值系統Tab.7 Scenario 3 penalty value of water resources system

由表7可知，水庫1的罰值為1,30,90,95；天然渠道1的罰值為5,35,85；城市用水的罰值為25,55；天然渠道2的罰值為10,40,60；水庫2的罰值為15,45,65,80；灌溉用水的罰值為20,50,70；農村用水的罰值為25,55,75。

當缺水程度為1～2時，水庫1和天然渠道1依次進入到第一個松弛階段；當缺水程度為3時，當缺水程度為3時，按照越先被列出來，優先序越小的原則，應該是城市用水進入到第一個松弛區域，不符合操作策略中重要性的排序，通過改變罰值的相對大小，改變城市用水的優先序，所以在缺水程度為3時，天然渠道2進入第一個松弛區域，一次是水庫2、灌溉用水進入到第一個松弛階段。在缺水程度為1～5時，城市用水和農村用水均達到理想需水要求。

當缺水程度為6時，城市用水和農村用水同時進入第一個松弛區域，滿足操作策略中，城市用水和農村用水重要性相同的要求。當缺水程度為7～11時，水庫1、天然渠道1、天然渠道2、水庫2以及灌溉用水依次進入第二個松弛區域，此時城市用水和農村用水仍然在第一個松弛區域 。

當缺水程度為12時，城市用水和農村用水進入到第二個松弛區域，隨著缺水程度不斷加深，其余系統元件依稀進入相應的區域底部。由于農村用水共分了3操作區域，城市用水共分了2個操作區域，當缺水程度為16時，農村用水進入第三個松弛區域，城市用水和農村用水均已達到分區底部，完成城市用水和農村用水的罰值生成。直到系統所有元件達到分區底部，整個操作策略完成，生成罰值系統。

4 結 語

通過3種情景模擬，考慮不同水資源系統元件的供水優先序，不同的操作策略建立不同的罰值系統。不同的操作策略致使供水優先序發生變，罰值也隨之變化，建立起來的罰值系統才能符合操作策略的需求。不同情景下，某一個元件的罰值可能沒有發生變化，例如在情景2和情景3的罰值系統中，天然渠道2的罰值沒有發生變化，但整個罰值系統相差卻比較大，證明單個元件罰值的大小，沒有任何意義，將所有元件的罰值聯系在一起形成的罰值系統才能對水資源配置起調配作用。在不同情景下，城市用水的重要性一旦發生變化，例如在情景1中，城市用水的罰值為60,100，在情景2中的罰值為85,95，在情景3中的罰值為25,55。不同的罰值設置是為了達到不同的供水優先序。罰值系統發生變，造成整個水資源系統的配置發生改變。

操作策略的體現，在于供水優先序，供水優先序的決定取決于罰值的相對大小，罰值越大，系統元件越優先供水，也越不容易偏離理想水平。

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