分层水资源网络及其应用（游进军,甘泓,王忠静）

关键词: 水资源系统; 模拟模型; 分层网络; 水量平衡

Layered water resources network and its application//You Jinjun, Gan Hong, Wang Zhongjing

Abstract: The theory and method of layered water resources network is introduced based on the method of conceptualizing water resources system. The movement process of varied water sources is divided according to actual situation and multi - layer water resources network that separates the surface water waste, river network transportation, effluent discharge, outside water transportation and underground water etc. is worked out. It demonstrates the inter- transaction and influence of varied water sources in the network quantitatively by means of describing hydraulic connections of various physical meanings and relationship of water balance. It presents a clear transformation process of varied water sources that may simplify calculation process, which provide a base for establishing and testing water balance simulation model applied in the Hai River Basin.

Key words: water resources system; simulation model; layered network; water balance

中图分类号: 213.9 文献标识码: A 文章编号: 1000- 1123( 2008) 05- 0014- 04

一、水资源系统概化及其框架

水资源系统具有众多元素和相互关联过程, 对水资源系统进行概化处理是建立分析框架的必然途径。通过系统概化可以识别系统主要过程和影响因素, 建立从实际系统到数学描述的映射关系, 进而实现系统模拟。该过程包括对实际水资源过程中各类元素的选取和整合形成概化元素, 如计算单元及其用水户的划分,系统节点、连线的定义等。最终通过概化元素建立反映系统水量转换的总体框架, 该框架包括各种水量转换传输关系描述, 由此描绘的系统网络图可以对研究区域作整体性描述。

通过系统概化将水量供用耗排过程与流域水运动过程以概化元素为承载体关联起来, 可以描绘出各类元素之间所有可能的水力关系, 由此建立系统模拟的框架。分层水资源网络方法基于概化水资源系统框架定义, 将系统水量运动和转化划分为水平和垂直两个方向, 通过数学描述关系离散物理过程不可分割的不同水源运动轨迹, 以相关概化元素为承载体将不同类别的水源分解到不同层次的网络上, 并按照物理基础建立各层网络之间的转化关系。通过对各层网络水量过程的描述, 即可把握不同类别水源和系统总体水量的状态。

二、分层网络划分与水量平衡关系

1.划分原则

从水源运动转化过程可以看出,不同类别的水源总是通过不同的水力关系传输, 可以将各类水源的运动关系分别定义为该水源的网络层, 相应水力关系就是建立该类水源运动层的基础。不同网络层的水源通过单元、节点等对象可以完成水源属性的转换, 这些对象成为能调蓄和转化水量的枢纽, 对不同水源的平衡关系有重要影响。

根据上述分层网络划分, 同类水源在所属网络层内传播, 通过计算单元和节点等基本元素可以实现不同水源的汇集和转换。同类水源在其本网络的运动过程中可以因为垂直方向的蒸发渗漏损失而减少, 但不能转化为其他水源, 只能在单元等系统节点上才能完成水源属性转化。这样,就可以比较简便地建立各类水源网络及其之间的转换和影响关系, 分析各网络层和整个系统的水量平衡关系等。通过对水源的分层描述, 可以实现对不同水源的单独描述, 为建立其运移转化和平衡关系提供便利条件。

2.本地径流及河网水网络层

根据系统概化定义, 本地径流和河网水网络中包括单元、节点和水汇三类点元素, 水量传输关系线为河网水渠道, 该网络层的水量运动转换关系如图1。

河网水网络层的水量平衡方程如下:

Wnetin-Wnetout-Wnv=0 (1)

式中:Wnetin 为进入河网水网络层水量,Wnetout 为排出河网水网络层的水量,Wnv 为河网水网络层的蓄变量。

Wnetin 包括不同层次网络进入河网水量:

Wnetin=Wlsin+Wresd+Wnsewin (2)

式中:Wlsin 为本地径流进入河网的水量, Wresd 为节点弃入河网水量,Wnsewin为河网所在单元进入河网的污水退水量:Wlsin 为河网所在单元地表径流经本地引提水工程供水后剩余的水量,Wnsewin 为扣除所在单元污水处理再利用后的剩余污水退水量。

Wnetout 中包括垂直方向的蒸发、渗漏, 以及水平方向上的水量排出和交换, 其计算式为:

Wnsewin=Wnetspl+Wnetevp+Wnetifl+Wndr+Wnd+Wncl(3)

式中:Wnetspl 为河网供水量,Wnetevp 为单元蒸发水量,Wnetifl 为河网渗漏水量,Wndr 为河网排入节点水量,Wnd 为河网弃入水汇水量,Wncl 为河网水传输渠道损失水量。

蓄变量Wnv 即时段末和时段首的蓄水量之差, 以下部分蓄变量意义与此相同, 其计算式为:

Wnv=Wend-Wbeg ( 4)

式中:Wend 为时段末河网蓄水量,Wbeg为时段初河网蓄水量。

超蓄河网水进入地表节点后转化为地表水。河网供给单元水量经用水耗水后转化为污水, 退水后进入污水网络层, 网络层中蒸发损失排出系统, 渗漏损失补给浅层地下水层, 以下其他网络层与此相同。

3.地表水网络层

地表水网络层包括节点、受水单元、供水渠道、弃水渠道以及水汇等五类基本元素, 这五类元素共同构成了包含供水和超蓄水量排放关系的地表水网络系统。其中节点包括系统中单独计算的蓄引提工程和控制节点两类, 图2 为地表水网络层各类元素及其供弃水关系的概化示意。

与河网水网络层水量平衡关系类似, 地表水网络层的水量平衡关系为:

Wresin-Wresout-Wrv=0 ( 5)

式中:Wrv 为节点时段蓄变量, 计算方法与河网蓄变量相同;Wresin 和Wresout 计算式见式( 6) 和( 7) 。

进入节点系统的水量Wresout 包括从作为数据输入的节点天然入流和其他网络层汇入地表水网络的水量,其计算式为:

Wresin=Wrin+Wrsewin+Wrnet+Wdivr (6)

式中:Wrin 为节点的天然入流量,Wrsewin为单元排入节点污水退水量,Wrnet 为河网弃入节点水量,Wdivr 为调水工程供入节点水量。

排出节点系统的水量Wresout 包括节点对用户的供水量和排出网络层的水量, 其计算式为:

Wresout=Wresevp+Wresifl+Wrd+Wresspl+Wrnet+Wrcl+Wgweff (7)

式中:Wresevp 为节点蒸发水量,Wresifl 为节点渗漏水量,Wrd 为节点弃入海水量,Wresspl 为节点供出水量( 河道外用户) ,Wrnet 为节点排入河网水量,Wrcl为节点供水及弃水传输渠道损失水量,Wgweff 为上游地区地下水超采引起的节点入流减少量。

蓄变量Wrv 包括系统中所有节点的时段蓄水量差值。地表水弃入河网后的水量转换为河网水。

4.污水网络层

污水网络描述废污水和退水的产生、排放和再利用的过程。其中废污水是指城镇生活生产用水后的剩余水量, 该部分水量是进行污水处理再利用的源水; 退水是指分散的农村地区生活和农业灌溉用水后剩余的退回系统的水量, 该部分水量与不参加再利用的污水按照相同路径排放。

污水网络层的水量平衡关系为:Wrs- (Wused+Wtosea+Wevp+Wifl+Wtores+Wtonet)=0 ( 8)

式中:Wrs 为污水退水量, 是用户用水耗水后的剩余水量。各项排出量包括污水利用量Wused、污水排入海量Wtosea、入节点水量Wtores、入河网水量Wtonet、蒸发和渗漏损失Wevp 与Wifl。

污水入河网水量转化为河网水网络层的输入水量, 入节点系统转化为地表水网络层的输入水量。

类似地还可以对地下水和跨流域调水进行网络层定义并建立其水量平衡关系。

5.网络层之间的水量交换

对水资源进行分层划分是为了更好地描述系统内的水量运动过程,尤其是不同水源之间的转换关系。分层网络方法使得这些水量交换可以得到规范的表达, 便于模型计算实现。以上述各层网络定义为基础, 可以得出各层网络之间的直接水量转换关系, 如图4 所示。

从图4 可以看出, 以水源网络层为整体, 其平衡关系为:

Wlsin+Wrsin+Wgin+Wdin+Wdrin-(Wevp+Wspl+Wdis+Wifl) -Wv=0 (9)

式中:Wlsin 为河网入流水量;Wrsin 为地表节点天然入流量;Wgin 为浅层地下水降雨补给量;Wdin 为外调水总量;Wdrin 为单元用水后余水排入各网络层总量;Wevp 为各网络层的蒸发总量;Wspl 为各网络层供水总量;Wdis 为各网络层水平方向排出系统总水量;Wifl为系统交换到深层承压水水量, 正值和负值分别表示补给和接受深层水量;Wv 为系统蓄变量, 包括各网络层蓄变量总和。

通过对系统作分层网络的划分可以比较清晰而深入地对系统进行分析。一方面, 这种划分有利于简化计算, 对于不同类别水源的网络层,可以分别进行计算, 避免了同时分析多类水源运动过程的复杂计算。按照不同层次水源在计算中的优先顺序, 先进行计算的水源网络层排出的水量可以由后续的水源网络层接收。另一方面, 还可以提高检验和分析模型的手段, 由于不同网络包含了该类别的全部水源运动和转化过程, 所以可以在不同范围按水源类别建立水量平衡分析, 同时可以不同网络层之间的水量关系分析水源的转换关系, 便于建立和检验系统总体水量关系平衡。

三、实例研究

根据上述设计方法, 以海河流域为实例进行了系统模拟。根据概化原则, 以省级行政区嵌套水资源三级区为基础将全流域划分了61 个基本计算单元和44 个节点, 包括107 条地表供水渠道, 45 条弃水渠道, 89 条河网水渠道, 32 条外调水渠道, 3 条处理后污水渠道和78 条未处理污水渠道。

模拟计算采用2000 年作为基准年, 以各计算单元的用水量为基础计算出全流域需水量, 采用1956—2000年资料进行长系列模拟计算。根据分层网络系统设计的模拟模型对海河流域进行模拟计算, 将近5 年结果平均值与2000 年实际情况进行了对比。表1 为流域供需平衡计算和对比结果, 表2 为各水源网络层的水量转化结果, 计算结果数据均为多年平均值。表1 中的污水供水包括处理后污水和农业直接利用的污水, 实际过程中的需水量即为用水量。由表1 可以看出, 计算模拟结果与实际发生状况比较接近, 其中总供水量计算值和实际值的偏差为5.7%, 证明模型计算结果基本可信。由于实际年用水中存在地下水超采、污水直接回用等, 而在模型模拟中对相应不合理用水参数进行了调整, 依据现状年的水平进行模拟, 因而与实际存在差距。模型计算得到的多年平均供水量低于2000年实际发生值, 其主要原因是模型计算中严格控制了地下水超采。由于2000 年为枯水年, 地表来水和引黄外调水均低于多年平均值, 而地下水存在较大超采, 现状下污水处理再利用低于其能力值, 而模型按照能力进行计算, 因而处理后污水利用量高于现状。因而模拟的地表水和外调水利用总量高于2000 年实际用水, 而地下水开采总量则低于2000 年实际值。此外, 2000 年天津市实施了应急引黄调水, 考虑该部分调水的非常规性,模型计算中未考虑天津引黄, 因而模型计算的城镇外调水利用量偏低。

因为缺乏资料, 计算中只考虑各网络层对地下水层的下渗补给, 不考虑地下水对地表水的侧渗补给、潜水蒸发以及和深层地下水的越流水量交换关系。由于计算中考虑到地表水利用过程中形成的对地下水补给而忽略了地下水的潜水蒸发, 故计算的多年平均地下水开采量大于地下水资源量。考虑海河流域因地下水持续超采使得浅层地下水位比较低, 上述假定基本符合实际情况。

从表2 可以看出各层网络水量转换排放关系。计算表明, 该转换关系与系统概化网络图以及相应参数密切相关。所以, 概化系统网络关系以及相应参数的准确性直接决定了模拟计算结果的可靠性。采用式(1)-(9) 检查各层水量平衡关系, 结果表明计算成果均符合各类平衡关系, 各类蓄变量在长系列结果中近似为零。此外, 计算结果还表明, 模型模拟所得到主要水库的入库流量与实际入流过程在年值上基本吻合。而计算所采用的需水过程与实际用水过程差异比较大, 导致月过程值尚有一定差异。

根据网络拓扑关系, 计算过程中部分水量在同时段存在多种转换关系。如上游河网水排入下游节点后形成了从河网水网络到地表水网络的水量转换, 该部分水量造成节点超蓄排放后进入节点下游的单元河网, 又可以形成地表水网络到河网水网络的水量转换。所以其交换水量可能大于其输入的总资源量, 但各层网络均满足第2 部分中列出的水量平衡约束。依此类推, 当系统结构越复杂时,这类重复转换关系也越普遍, 从而也越接近实际过程。对于更小范围的分区同样可以用表2 分析其水源的运动转换关系。通过表2 结合用水耗水结果还可以比较清楚地判定分析总水量平衡。

参考文献:

[1] 游进军, 王浩, 甘泓. 水资源系统模拟模型研究进展[J]. 水科学进展,2006, 16(3).

[2] 陈家琦, 王浩, 杨小柳. 水资源学[M]. 北京: 科学出版社, 2002.

[3] 翁文斌, 王忠静, 赵建世. 现代水资源规划———理论、方法和技术[M].北京: 清华大学出版社, 2004.

[4] 游进军, 甘泓, 王浩等. 基于规则的水资源系统模拟[J]. 水利学报,2005(9).

作者简介: 游进军(1977—), 男, 博士后, 从事水文学及水资源方面研究。

来源：《中国水利》2008.5