沂河河流需水量與水資源調度研究

李楠

摘 要：通過概化水流模型、水量平衡模型和水資源聯合調度模型對沂河流域的來水、需水進行預測，確定出調水量。針對不同來水頻率的來水量，基于相應的水量調度模塊進行優化調度，以此確定沂河流域水資源調度方案。

關鍵詞：需水量;水資源調度;沂河流域

中圖法分類號：TV213.9? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2020.0407

沂河流域水資源較為豐富，但隨著經濟社會發展，沂河流域的用水量不斷增加，從而引發水資源供應不足問題。因此，了解山東沂河流域水資源供需狀況，解決水資源供需矛盾迫在眉睫[1]。

1? 沂河流域概況

沂河也被稱作為沂水，發源于沂源縣，是山東省中部地區重要的河流之一，向南流經山東省8個縣區，最終流入徐州市，總長度約300 km，其中山東省240km，江蘇省40多km。沂河在劉家道口有一個引水口，長約75 km。沂河流域有許多復雜的支流。流域面積約12 000km2，年徑流量約35億m3。[2]

2? 模型原理

2.1? 流域概化及模型

通過對沂河流域的分析，將沂河流域概化為五個水庫、三個用水單元、三個水資源計算分區、化五個匯水區、化元素如下圖 1所示。

構建概化數學模型目標函數及其約束條件時，水庫調配優先保障生活用水，其次滿足河道內生態用水，合理安排工業、農業用水的原則。改水量配置模型中，水庫供給城鎮生活、工業生產用水的優先級要高于農業灌溉用水。以無定河年取水量的總和為目標函數;以各取水項目取用水地表徑流后的河川徑流量必須保障河流生態需水量為約束條件;以優先保障生活用水，其次保障河道內的生態需水量，盡可能的供給工業需水和農業需水為配置原則。求解目標函數最大值，即流域內的年最大取水量。具體計算公式如下。

其中：

Z為目標函數，是無定河流域年取水量的總和;

Xj為各個水庫向用水戶的年供水量;

A為無定河沿河農業灌溉年取水量;

Dk為無定河沿河生活用水年取水量，p為生活用水戶最大個數;

Cl為無定河沿河工業用水年取水量，q為工業用水戶最大個數;

Wi為為控制斷面年徑流量，m為設立的控制斷面個數;

X損失為控制斷面上游水庫因蒸發、滲漏造成的年損失水量;

X上游下滲量為控制斷面上游水庫年下滲損失量;

Wi生態為控制斷面上游的年生態需水量;

Xmax為各水庫年最大供水量;

Amax為流域農業灌溉用水沿河取水最大值;

Cmax為流域工業需水沿河取水最大量;

Dmax為流域生活用水沿河取水最大值;

W可利用為流域地表水資源最大可利用量.

2.2? 水量平衡模型

在滿足計算精度基礎上進行水調度時，需要設置不同的節點，如蓄水、取水、退水節點，同時確定出合適的取水路徑，基于這些而簡化沂河流域水資源系統，在此基礎上建立起基于數學語言的簡化系統，為其后的模擬分析提供支持[4]。

通過定義節點間的這幾種類型節點和水流路徑，且進行一定連接而建立起此流域的總體網絡圖。分析水文演變因素引發的影響，而引入線性規劃模式而標定節點和對應的路徑參數，建立了沂河流域水資源與水平衡模型[5]。水平衡模型主要用于水流演進過程中回水參數的標定，水平衡模塊的總體框架如圖2所示。

2.3? 水庫聯合調度模型

水資源調度涉及到各方面因素的影響，可將其看作為一個多種目標決策問題。在研究過程中應從城鎮居民用水、工業、農業生產和生態環境等方面考慮，在滿足防洪發電目標基礎上，使其用水效益盡可能的提升。在實際調度中，根據目標的重要性，調整各需水單位的用水量，優化總體目標。

3? 水文條件及需水量

3.1? 水文條件

沂河流域降雨量大，且表現出明顯的季節性特征。根據相關歷史降雨資料可知，20世紀60年代到80年代間，沂河流域的多年平均降雨量約為850mm，對應的徑流深327mm，年徑流量0.35億m3。而分析此方面的水文監測資料發現，其年徑流量在此階段的變化范圍為8.5～65.9億m3。此流域的降雨在6月至9月表現出明顯的集中性，降雨量占比例達到到全年的65%，相關情況具體如下。

3.2? 河流水資源量與需水量

對現有收集到的資料進行對比分析而確定出適宜的模型進行分析，在基礎上對沂河流域的需水情況進行準確的計算。確定出此流域相應的年人均用水定額取166.67m3/人。計算臨沂市用水單元、徐州市用水單元的生活用水量如下表1。相應的表達式如下所示，其中EW為用水總量;P為人口數;LW為年人均用水量。

對以往的水資源公報相關資料進行統計分析，而確定出此流域的萬元工業生產值耗水量為9.48m3/萬元?；谝延械臄祿⑼ㄟ^如下公式預測2019年此流域的用水單元、生活用水量相關情況，且進行一定匯總所得結果如表2。以下表達式中各字符的含義為，RW表示相應的產業用水總量;Sevi為產業生產總值;IR則表示水利用效率。

在研究過程中具體分析往年水資源公報和對應的年鑒數據，而確定出臨沂市、淄博市、徐州市沂河流域相應的農業用水定額。在此基礎上預測2019年這三個市各用水單元的農業灌溉用水量相關情況，對所得結果進行匯總如表3?？苫谌缦卤磉_式計算。

在研究時具體分析此流域水資源公報、年鑒相關的資料，且綜合考慮到當地工農業發展和人口增長情況，預測其2019年的需水量。對預測的各用水單元用水結果進行統計分析。相應的需水總額約89 434.18萬m2，而工業用水占比例為84.8%。總體上分析可知臨沂市第二第三產業相對發達，因而對應的工業用水量多，水資源供應緊張問題長期存在，因而很有必要進行合理的水資源利用規劃。

4? 水量調度方案

根據中長期供水預測，2019年沂河流域最大供水量15.26億m3。根據《沂河流域水資源配置報告》，考慮到現有工程的供水能力，預測供水量的10%作為河基流量，其余的為地表可供水量。在計算過程中假設水利工程供水量13.734億m3?；诖朔矫娴囊巹澏_定出此流域的年平均供水量19.66億m3，50%供水頻率20.56億m3，95%供水頻率12.92億m3。

在對2019年水量預測和需水量分析的基礎上，建立了新的月調水方案，并設置了初始水位為正常蓄水位的調水方案。初始水位為正常水位的調水結果，各用水單元的用水保證率見下表4。

沂河流域在每年的3月至5月出現明顯的缺水問題。對比分析發現各來水頻率下，徐州市用水保障水平明顯高于其他兩個市，這主要和徐州的取水方式以及供水原則都側重于生活用水有關。

5? 結論

本文在研究中主要選擇用水定額方法，進行沂水流域工農業用水和生態用水預測。水資源調度模塊在一定的計算結果精度約束基礎上，而調度水資源過程中，對沂河的來水、蓄水、取水節點等進行設定，且進行一定的簡化而確定出沂河流域的用水數學模型。帶入相關數據確定出沂河流域2019年總需水量為89 434.18萬m3，為對此年度的水庫調度量進行精確預測，而在設置不同來水頻率條件下，模擬分析了水庫調度情況，結果具有一定參考價值。

參考文獻

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