淺談渦河流域水資源系統及配置網絡概化

吳 漩1 王敬磊1 劉開磊 陳竹青

（1.安徽淮河水資源科技有限公司 蚌埠 233000 2.水利部淮河水利委員會水文局（信息中心）蚌埠 233000）

1 引言

水資源系統是指處在一定范圍或環境下，為實現水資源開發利用目標，由相互聯系、相互制約、相互作用的若干水資源工程單元和管理技術單元所組成的有機體，即以水為主體構成的一種特定系統。流域水資源系統涉及水系、水資源、水利工程、用水單元等多類型對象。以單個流域為主體，進行流域水資源系統概化，建立水資源配置網絡圖，是開展水量調度模型構建的重要基礎工作。本文以渦河流域為例，淺談水資源系統要素概化、計算單元劃分、構建水資源配置網絡技術要點，以期為其他流域水資源系統及配置網絡概化提供參考依據。

2 水資源系統要素概化

2.1 用戶類型概化

流域內用水部門包括城市生活、工業、農村人畜、發電、灌溉、航運、環境等，數量多且類型繁雜。為了便于計算，可把地域相近的用水戶進行歸類合并，即進行分區，每一分區作為一個供水對象。分區的大小應根據流域特點和行政區劃情況，結合水量調度模型建模需要合理確定。在最新版《全國水資源綜合規劃技術細則》中，按新口徑對用水戶的分類及其層次結構作了細致的規定。結合全國第三次水資源調查評價的最新要求，采用的用水戶的細部分類包括：生活用水、生態用水、工業生產用水、農業生產用水四類。其中，生活需水包括生活用水中的城鎮居民生活用水和農村居民生活用水，以及城鎮公共用水中的建筑業和商飲業、服務業用水；林牧漁副用水計入農業用水中；城市綠化和河湖補水計入“美化城市景觀”生態用水中。

2.2 水源類型概化

依據流域現狀供水水源分類，結合流域水量分配方案所涉及水源劃分相關內容，將水源劃分為地表水水源工程、地下水水源工程、外調水水源和其他水源。地表水水源一般包括大型水源工程和概化水源工程兩類，各單元水源節點通過輸水通道形成水源網絡系統。對于渦河流域來說，流域內部無大中型水庫等控制性工程，只需要考慮概化水源工程。概化水源工程按照計算分區進行興利庫容概化，用于本單元水資源調蓄與供水調節。地下水源工程分為淺層地下水、深層承壓水兩類，分別按照用水分區進行劃分概化。其他水源工程主要指雨水、再生水等特殊水源工程，模型中“其他水源”只考慮再生水的開發利用。外調水是渦河流域水資源配置、水量調度工作中舉足輕重的一部分供水水源，主要包括引黃、引江濟淮水量。外調水作為計算單元水資源配置的補充水源，僅當本地地表、地下、其他水源不夠的時候，才采用外調水補充本地，相關配置水量主要依據引江濟淮規劃文件、渦河流域水量分配方案、河南省渦河流域水量分配方案中外調水水源水量配置成果。

2.3 水力聯系概化

由于天然條件下水資源的時空分布不能滿足需水要求，從而需要建立水利工程進行水資源在時間和空間上的調配。供水工程主要類型有：蓄水工程、引水工程、地表提水工程、輸水工程等。水源與分區分類型用戶之間，通過各種供水工程相聯系。按照供水工程、概化用戶在流域水系上和自然地理上的拓撲關系，把水源與用戶連接起來，形成系統網絡圖。系統網絡圖是對真實系統的抽象概化，主要由水資源開發、利用、轉化的概化元素構成。概化元素包括計算單元、水利工程、分匯水節點、以及各種輸水通道等。

3 計算單元劃分

表1 渦河流域水量調度計算單元基本信息與各單元水力聯系概化表

計算單元是劃分的最小級別計算分區，是各類資料收集整理的基本單元，也是水資源利用的主體對象；在網絡圖上用長方形框表示，屬于“面”元素。水利工程是網絡圖上標明的水庫及引提水工程等。分匯水節點包括天然節點和人為設置的節點兩類，前者是重要河流的交匯點或分水點，后者主要是對水量水質有特殊要求或希望掌握的控制斷面，在網絡圖上屬于“點”元素。輸水通道是對不同類別輸水途徑的概化，包括河流水系，水利工程到計算單元的供水傳遞關系，計算單元退水的傳遞關系、水利工程之間或計算單元之間的聯系等，在網絡圖上屬于“線”元素。以概化后的點、線、面元素為基礎，構筑天然和人工用水循環系統，動態模擬逐時段多水源向多用戶的供水量、耗水量、損失量、排水量及蓄變量過程，實現真實水資源系統的仿真模擬。

計算單元劃分需要考慮流域水資源條件的地區差別，流域與行政區域有機結合、保持行政區域和流域分區的統分性、組合性與完整性，并充分考慮水資源管理的要求對研究流域進行分區。根據流域水量分配方案、水量調度方案中確定的考核斷面、控制節點情況，考慮到輸入、輸出成果統計方便性需要結合水資源分區、市級行政分區進行單元劃分，同時需要兼顧單元之間水利聯系相對簡單、模型計算復雜度不至于過高的原則。

渦河流域計算單元的劃分，首先考慮渦河干流、惠濟河、大沙河、武家河四條主要干支流水系；充分保證水系相對獨立性以利于梳理出相對簡單的水資源配置網絡、利于模型構建；考慮的行政分區主要為市級行政區，輔助以省直管縣(鹿邑縣)的縣域范圍、以及部分市管縣（如亳州市譙城區、渦陽縣），考慮的控制斷面主要為渦河流域玄武閘、東孫營閘、付橋閘、大寺閘、渦陽閘以及安溜、黃莊、蒙城等。渦河流域的計算單元劃分為18 個單元。各計算單元的基本方位信息見圖1，各計算單元基本信息與各單元水力聯系概化結果，見表1。

圖1 渦河流域計算單元與市級行政區嵌套關系示意圖

圖2 渦河流域水量調度系統網絡概化圖

由于渦河流域整體為平原地形，各級行政區、水資源分區之間不具有顯著的分水嶺等地形邊界，因此在市級行政區內部劃分多個計算單元時，主要依據水系條件，以直線、線段進行面切割。例如，在商丘市境內，依據其境內存在的惠濟河、大沙河、武家河三大河流水系將市境劃分為13#商丘—惠濟河片、14#商丘—大沙河片、8#商丘—武家河片三個計算單元。

4 構建水資源配置網絡

以渦河流域劃分的計算單元作為描述資源配置的基本對象，將主要河流水系的主要控制斷面作為基本節點，以自然河流或人工渠系作為輸水通道，建立各單元內部各水源與用水戶之間的供需平衡關系、各單元之間的水量平衡關系，以及用水戶與水源之間回歸關系，構建涵蓋流域供用耗排全流程的流域水資源配置網絡見圖2。

4.1 計算單元之間水量平衡

流域各計算單元之間的水量平衡關系主要包括相鄰單元之間的上下游水力聯系以及流域內非相鄰單元的調水關系。

上游單元的各類型用水戶的退水以及部分地表水退入下游，當該上游單元有多個下游單元或對應下游單元的多個口門時，允許上游單元同時向各下游單元或口門泄水；下游單元承接上游單元的泄水量，當存在多個上游單元時，該下游單元接受的上游來水量應當與下游來水量一致，如該單元存在多個上游單元或上游單元的口門，則允許該單元同時接受上游各單元或口門的來水。

非相鄰單元的調水關系是指非相鄰的兩計算單元之間，通過輸水渠道、管道發生調水關系，主要為解決流域內水資源供需不平衡。此類調水關系往往發生在上游具備大型調蓄工程的流域，渦河流域不存在此類調水關系。

4.2 計算單元內部水量平衡

計算單元內部存在各類用水戶以及外調水需求，水資源供需關系是建立供水水源與用水戶之間的聯系。根據供水可能性、不同用水部門對水質(水源類型)的要求，以及各水源水質狀況，建立供需關系。流域水資源供需結構復雜，為保證流域水資源整體、全要素模擬模型的通用性，本項目將復雜供需結構進行分解，將計算單元內部水資源供需關系劃分成單水源對單用水戶、單水源對多用水戶、多水源對單用水戶三種基本類型，流域內水資源配置系統網絡可以由三種基本類型組合而成。

4.3 退水

各用水單元除了從水資源系統中取水之外，還要將退水排入河道。用水與水源之間的回歸關系中，農業供水的退水系數根據水資源公報耗水系數確定；城鎮生活、工業供水產生的回歸水，考慮經過污水處理廠、再生水廠消耗后剩余的水量。各用水戶的退水量中，各水源退水量與地表水退水量一起退入河道，參與下游單元的水量調度。

5 結論

水資源系統是一個規模龐大、結構復雜、功能綜合、影響因素眾多的大系統，涉及社會、經濟和生態等多個方面，既以水文循環這樣的物理過程為基礎，又需要考慮社會經濟的發展需求以及環境的維持與改善。本成果所提出的水資源系統概化成果，在兼顧水資源系統的復雜性、概化合理性、成果易用性等前提下，結合現行相關成果的基礎上提出了水資源系統概化方法體系，以渦河流域為例，展示了水資源配置網絡概化成果，為渦河流域水量調度模型構建提供了重要技術支撐■