长江流域水量模型初步研究

长江流域水量模型初步研究（精选9篇）

篇1：长江流域水量模型初步研究

长江流域水量模型初步研究

基于MIKEBASIN平台,将长江流域划分为91个子流域,采用NAM模型来模拟各分区径流过程,再将各分区NAM模型连接成为整体,构建了长江流域水量模型,并完成了模型系统中面雨量计算、参数批量修改、水库调度等关键功能的二次开发.模拟结果表明,模拟径流过程与实测过程基本一致.鉴于部分子流域面积过大,取、排水用户未纳入模型等原因,导致模拟年径流有所偏大,以汉江流域为试点进行了模型细化研究,显著提高了模拟精度,表明长江流域水量模型模拟精度尚有进一步提高的空间.

作 者：肖志远 陈力 XIAO Zhi-yuan CHEN Li 作者单位：长江水利委员会水文局,湖北武汉,430010刊 名：人民长江 PKU英文刊名：YANGTZE RIVER年，卷(期)：39(24)分类号：P334关键词：MIKE BASIN NAM模型 二次开发 长江流域

篇2：长江流域水量模型初步研究

大型城市流域暴雨径流水量水质预测模型研究

于每场暴雨77 kg的平均排放量.

作 者：S.J.哈 周婷 李传哲 徐卫红 作者单位：中国水利水电科学研究院刊 名：水利水电快报英文刊名：EXPRESS WATER RESOURCES & HYDROPOWER INFORMATION年，卷(期)：30(8)分类号：P333.2关键词：城市区域 流域暴雨 暴雨水管理 水质预测 模型研究

篇3：长江流域水量模型初步研究

关键词：卧虎山水库,济南市,水量分配,模糊优选模型

0 引 言

目前,水资源问题已成为世界备受关注的问题之一。济南历城区卧虎山水库是全国321座大型水库之一,是南部山区水系的重要汇聚地、济南地表水和泉水的重要补给区和供水水源地,主要供给济南市经十路以南约40万居民的饮用水源。近年来,由于水库源流区(锦绣川、锦阳川、锦云川)与周围自然状况和社会发展的原因,造成卧虎山水库水量锐减,水环境日益恶化。另外,由于历史原因造成的流域内水资源地区分配不均匀,致使各地方的用水单元不能合理有效地利用源流区水资源,进而使得卧虎水库供水紧张的状况日益凸显。

目前水量分配的主要方法有水资源供需法、指标体系法和多目标优化法[1,2]。其中,指标体系法比水资源供需法考虑了更多的流域定性、定量信息从而能提高水资源的配置效率,同时又比多目标优化法易于表达和计算,因此得到广泛的应用。指标体系法的重点是指标的选取和指标的评价,郝永怀等[3]提出以经济效益为目标,定性考虑社会及人文因素进行水质优化分配;吕雁琴等[4]在三工河流域水量分配中,增加了单方水GDP指标,对用水效率的提高具有较好的借鉴意义。卧虎山流域上游源流区为景观生态区,下游为供水水源地和泉水补给区。在水量分配方案制定中,上下游有不同的立足点,上游是在满足生态用水的基础上进行,下游则以经济效益和社会因素为目标,且要考虑上下游产水量的差异和用水者(区)之间的现实矛盾。因此本研究选取多层次多类别的指标,采用杨恕等[2]提出的水量贡献量指标,以协调流域上下游间水资源利用与保护的矛盾,并根据本研究区的实际赋予水量贡献量指标一定的权重,再利用模糊选优,综合各层次、各类别,对流域各分水区合理地进行水量分配,以保障济南市的重要供水水源地持续安全运行,为卧虎山流域汛期水量调度方案的制订奠定了基础。

1 水量分配方法

在调查分析源流区和卧虎山水库水资源开发利用现状、水利工程供水现状的基础上,对区域水资源合理利用进行研究。考虑到源流区和卧虎山水库水量调度中的社会、经济利益和生态环境利益,选择能代表影响水资源优化分配因素的指标,并建立指标体系,构建层次结构图。然后利用层次分析法计算出各影响因素的权重,再根据两个层次多因素决策方案模糊优选方法,建立水量分配的数学模型,具体步骤如下。

1.1 确立水量指标体系

由于水资源系统复杂性,流域内水量分配将影响各分区之间及各分区内社会、经济、生态、环境等多个方面[4,5]。本文选取3个分配原则:有效性(a1)、公平性(a2)、可持续性原则(a3)。

根据所选取的原则,综合各方面的因素,依据概念清楚、资料易得、便于计算、各自独立的原则,拟定水量分配指标。

1.2 建立层次结构图

在建立流域层次结构图时,把总目标层放在最上层,往下依次是评价指标、约束条件,影响因素在最底层,在确定评价指标时,根据研究区域的实际状况,调查分析相关资料,建立层次结构图。

1.3 建立流域水量分配模型

首先确定水量分配的影响因素,然后确定每一个影响因素下面各地区的指标值,对于定性指标,根据人的经验知识量化原理确定相对优属度[6],对于定量指标,根据实际情况采用越大越优型的相对优属度公式或越小越优型的相对优属度公式。再根据人的经验知识量化原理确定子系统中各指标的目标权重。最后运用多目标多层次模糊优选模型计算上一层指标的相对优属度,如此往上直到最高层即可得到流域水量分配结果,具体计算如下。

设决策集为D=(d1,d2,…,dm)=(地区1,地区2,…,地区m)。

第一步:根据人的经验知识量化原理确定定性指标的相对优属度和各指标的相对权重。方法是首先确定各个指标之间的重要性,两两相比构成目标集二元对比重要性排序标度矩阵:

$\begin{array}{l}\mathit{E}=\left[\begin{array}{cccc}e{}_{11}& e{}_{12}& \cdots & e{}_{1m}\\ e{}_{21}& e{}_{22}& \cdots & e{}_{2m}\\ ⋮& ⋮& ⋮& ⋮\\ e{}_{m1}& e{}_{m2}& \cdots & e{}_{mm}\end{array}\right]=(e{}_{kl})\\ \text{满}\text{足}\{\begin{array}{l}(1)e{}_{kl}\in \{0,0.5,1\};\\ (2)e{}_{kl}+e{}_{lk}=1;\\ (3)e{}_{kk}=e{}_{11}=0.5,k=1\\ k=1,2,\cdots ,m;l=1,2,\cdots ,m\end{array}\end{array}$

排序一致性标度矩阵E满足条件:

$\{\begin{array}{l}(1)e{}_{hk}＞e{}_{hl},\text{有}e{}_{lk}＞e{}_{kl};\\ (2)e{}_{hk}＜e{}_{hl},\text{有}e{}_{lk}＜e{}_{kl};\\ (3)e{}_{hk}=e{}_{hl}=0.5‚\text{有}e{}_{lk}=e{}_{kl}=0.5;\\ h=1,2,\cdots ,m\end{array}$

检验矩阵E为排序一致性矩阵的规则:

$\{\begin{array}{l}(1)e{}_{hk}＞e{}_{hl},\text{有}e{}_{kl}=0；\\ (2)e{}_{hk}＜e{}_{hl},\text{有}e{}_{kl}=1;\\ (3)e{}_{hk}=e{}_{hl}=1\text{或}0,e{}_{kl}\text{可}\text{为}1,0.5,0;\\ h=2,\cdots ,n-1;k=2,\cdots ,n-1;l=3,\cdots ,n\end{array}$

排序一致性标度矩阵E各行和数由大到小的排列,给出目标集关于重要性的排序。矩阵E中标度等于0.5的两个目标,其对应行的数相等,排序相同。以排序为1的指标为标准,其他指标跟1比较,指标的评定值(表1)经过咨询专家获得,根据表1可以将各指标重要性量化,从而得到目标权重和定性指标的相对优属度。

第二步:对于定量指标,相对优属度根据实际情况采用越大越优公式$G{}_{ij}=\frac{X{}_{ij}}{X{}_{i\text{m}\text{a}\text{x}}}$或越小越优公式$G{}_{ij}=\frac{X{}_{i\text{m}\text{i}\text{n}}}{X{}_{ij}}$直接计算相对优属度。Xij为第j个决策方案中第i个目标的特征值,Gij为第j个决策方案对第i个定性目标的相对优属度。

第三步:将定性目标跟定量目标相对优属度矩阵组合在一起,构成了多目标相对优属度矩阵。

第四步:用单元模糊优选模型计算方案j的对优属度,设方案j以相对优属度vj为理想方案,相对劣属度v${}_j^c$为理想劣方案,其中vj+v${}_j^c$=1。g与b分别表示理想优方案与理想劣方案,m个指标的权向量为$w=(X{}_1,X{}_2,\cdots ,X{}_m)‚{\displaystyle \sum _{i=1}^{m}X}{}_i=1$。则方案j与二者的广义权距离分别为:

$\begin{array}{l}d{}_{jg}=\sqrt[p]{{\displaystyle \sum _{i=1}^m(}X{}_i|G{}_{ij}-1){}^p}(1)\\ d{}_{jb}=\sqrt[p]{{\displaystyle \sum _{i=1}^m(}X{}_{i}G{}_{ij}){}^p}(2)\end{array}$

式中:p为参数,当p=1时上述距离为海明距离,当p=2时为欧氏距离。

建立目标函数minf(vj)=(vjdjg)2+(vcjdjb)2=(vjdjg)2+(1-vj)2d${}_{jb}^2$,求解得到方案的相对优属度Lj的计算公式:

$L{}_j=\frac{1}{1+(\frac{d{}_{jg}}{d{}_{jb}}){}^2}(3)$

分别取p=1、p=2计算后求出平均值,即为方案j的综合相对优属度。对方案的优属度进行归一化处理,即得到目标的权重。

2流域内可分配水量的计算及水量指标体系的建立

2.1 计算可分配水量

卧虎山流域的源流区即锦绣川、锦阳川、锦云川,位于岱阴历城南部山区,俗称南三川。三川之水在仲宫镇汇合后入卧虎山水库。锦绣川位于三川北部,又名北川,发源于西营镇梯子山,绵延36 km,流域面积2.216亿m2。锦阳川位于仲宫及锦绣川之南,又名南川,源于柳埠长城岭下的窝铺峪,在柳埠镇纳周围诸水汇为一川,穿山越涧,顺流而下,泻入卧虎山水库,全长32 km,流域面积1.819亿m2。锦云川位于三川南端,又名锦银川,源于长城岭北历城区高而乡,至仲宫镇与锦阳川汇流入卧虎山水库,全长16 km,流域面积0.552亿m2。为了达到水资源的优化利用,继而对流域内的水量进行合理的分配,首先分析计算典型年各区产水量(表2)。

根据表2得出在典型年份下,卧虎山流域的产水量为表3。

计算出典型年的产水量,作为卧虎山流域可分配水量。

2.2 确定研究区域的各项指标

(1)经济发展指标(b1):

用区域内国民经济生产总值、工业产值和农业产值分别占全区GDP、工业总产值和农业总产值的比例, 表示其国民经济发展在区域内的重要程度,分别用c1、c2、c3表示。

(2)用水效益指标(b2):

以万元GDP用水量(c4)、人均分水量(c5)作为指标。

(3)现状用水量(b3):

以农业灌溉面积(c6)为指标。

(4)水量贡献量(b4):

对协调流域上下游间水资源利用与保护的矛盾产生重要的影响。

(5)生态环境(b5):

以植被覆盖度(c7)和旅游景点分布程度(c8)为指标。研究区域的GDP主要靠生态旅游收入,因此,本文把旅游景点分布程度作为一项重要指标。

(6)社会发展指标(b6):

以产业结构变动(c9)和人口增长(c10)作为指标。

以上指标中的第(1)、(2)反映了地区水量分配的有效性原则;第(3)、(4)反映了地区水量分配分配的公平性原则;第(5)、(6)反映了地区水量分配的可持续性的原则。

计算出总的分配水量,再根据对研究区域的实地调查分析,本文建立的层次结构图(图1)如下。

经调查,流域的水量经过上游的锦绣川、锦阳川、锦云川,最后注入卧虎山水库,考虑到西营镇有锦绣川水库,为体现水源地优先的原则,在水量丰沛的情况下,锦绣川水库达到要求蓄水量之后向下游输水,西营镇的用水主要来自锦绣川水库,在水量分配时,将用水地区笼统地分为锦绣川、锦云川、锦阳川、卧虎山水库四大片区,即决策集为D=(d1,d2,d3,d4)=(锦绣川,锦云川,锦阳川,卧虎山水库),卧虎山流域的水量就分配到这4个区域。影响卧虎山流域水量分配的各指标见下表4。

3 水量分配与可行性分析

3.1 水量分配

根据建立的模型,对卧虎山流域的水量分配进行计算,计算出3个地区对于优的相对优属度向量,计算结果列于表5。在可持续性系统中,产业结构变动是定性指标,需要用到人的经验知识量化原理对这个指标定量化。

根据以上计算的结果及公式(1),(2),(3)得出:

当p=1时,计算方案的归一化权重为S=(0.287 0.011 0.310 0.392)

当p=2时,计算方案的归一化权重为S=(0.244 0.255 0.248 0.253)

因此,目标的权重为S=(0.265 0.133 0.279 0.323)

根据典型年产水量,计算各分水区可分配水量见表6。

W分水=W总·S

3.2 可行性分析

由表6可知,基于模糊优选方法中卧虎山流域水量分配方案中,卧虎山水库分水量最多,其次为锦云川,锦阳川分配的水量最少。将平水年的分水结果与规划水平年的用水需求进行对比分析(如图2)可知,除锦云川外,其余各计算分区分水量基本与规划水平年需水量一致,这说明该分水结果基本符合实际,基于模糊优选方法的水量分配在卧虎山流域具有一定的现实可能性。锦云川分水量少而需水差额最大的原因主要有二:一是与水量分配的优先次序有关。根据源流区水量分配的基本原则,除基本生活保障用水外,应优先保证景观生态需水,其次才是农业需水和工业需水,因此,在这里分水指标总体上向生态倾斜。由于锦云川以农业生产为主,挤占生态用水量,使得其分水量也相对较少。二是与用水效率有关。分析规划水平年各分水指标的基础数据发现,在体现效率性原则的4项指标中,锦云川4项指标,即占国内生产总值比(c1)、占农业总产值比(c2)、占工业生产总值比(c3)、万元GDP用水量(c4)的预测值均排名最后,这说明用水效率低是导致其分水量较少而需水差额最大的重要原因。

4 结 语

卧虎山水库是济南市地表水和泉水的重要水源地和补给区,面临着严重的水资源短缺问题,亟须对水资源进行科学合理的分配。本文针对卧虎山流域的特征和实际需求,建立了多层次多类别指标体系,利用模糊选优模型对流域典型年产水量进行分配,得出了在不同水平年下锦绣川、锦阳川、锦云川以及卧虎山水库的水量分配方案,并进行了合理性分析,能够为促进区域水资源可持续利用提供借鉴。

参考文献

[1]许新宜.关于水量分配原则的几点看法[J].南水北调与水利科技,2011,(2):15-17.

[2]杨恕,沈晓晨.解决国际河流水资源分配问题的国际法基础[J].兰州大学学报(社会科学版),2009,(4):8-15.

[3]郝永怀,杨侃,程卓,等.调水量合理分配体系的建立及应用[J].水电能源科学,2011,29(3):13-15.

[4]吕雁琴,李旭东.基于层次分析决策法的新疆阜康三工河流域水量分配研究[J].生态经济,2011,(9):63-84.

[5]杨为城.沙溪流域梯级水库联合经济调度运作[J].中国农村水利水电,2009,(11)141-143.

篇4：长江流域水量模型初步研究

江北水城东昌湖需水量计算初步研究

近年来,聊城市提出了建设卓越秀美的.“江北水城”的战略决策,为了更好地反映江北水城河湖水系特征和水环境特征,模拟预测水质的时空变化,根据流体动力学和污染物迁移转化规律,采用水动力学--水质耦合概念,根据江北水城河湖水系的特点和实际情况,建立了二维水动力学数值模型和水质运移数值模型,对东昌湖水流运动和污染物变化进行了数值模拟,模拟预测了各污染物浓度的时空分布和变化规律.

作 者：王蕾 郝伟 王永华 梁雪  作者单位：王蕾,郝伟,梁雪(聊城市水利勘测设计院)

王永华(东昌府区水务局)

刊 名：科技信息 英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)： “”(4) 分类号：P3 关键词：江北水城   东昌湖   水动力学   水质   模型  

篇5：长江流域水量模型初步研究

漓江流域水污染控制软件系统初步研究

结合漓江的.水文和水质特点,综合利用数学建模、VisualBasic高级语言编程、ACCESS数据库技术、图形图像处理技术,初步开发了漓江流域水污染控制软件系统.该软件系统包括电子地图平台、水质模拟模块和水环境容量计算模块.针对中小型河流的特点,选择Streeter-Phelps模型微分式的托曼(Thomas)修正式,建立了漓江水质模型.水环境容量的计算同时考虑稀释、迁移和净化作用.该软件系统可为漓江流域水污染控制规划、决策、设计提供科学合理的依据,对其他流域的水污染控制提供借鉴.尽管软件功能尚显单一,但由于该系统提供了可自由拓展的接口,因此可根据实际需要随时添加相应的模块,使该软件系统在实际应用过程中不断得以完善,可极大提高流域水污染控制的效率和管理水平.

作 者：王洪涛 陆燕勤 王红君 郭纯青 WANG Hong-tao LU Yan-qin WANG Hong-jun GUO Chun-qing 作者单位：桂林工学院,资源与环境工程系,广西,桂林,541004刊 名：桂林工学院学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY年，卷(期)：25(3)分类号：X321.029关键词：漓江流域 水污染控制 软件

篇6：长江流域水量模型初步研究

应用数值模型提高GPS可降水量反演精度的研究

利用建立在长江三角洲地区GPS观测网的资料,以上海宝山探空观测为例,进行了应用数值模式提高GPS可降水量反演精度的试验.研究结果表明:大气平均温度的`估计误差直接影响大气可降水量的反演精度,用MM5中尺度数值预报模式预报估计的大气平均温度可减小大气平均温度的估计误差,从而提高大气可降水量的反演精度.

作 者：袁招洪 YUAN Zhao-hong 作者单位：上海市气象局,上海,30刊 名：测绘科学 ISTIC PKU英文刊名：SCIENCE OF SURVEYING AND MAPPING年，卷(期)：32(6)分类号：P228关键词：GPS可降水量 中尺度数值预报模式 大气平均温度

篇7：长江流域水量模型初步研究

当今城市用水日益紧张, 如能预测城市各小区的日用水量, 可为时段性调节供水和改善供水设施提供有效的依据。利用商业智能中的数据仓库技术, 建立基于神经网络基础模型 (BP模型) 的小区日水量预测模型。

1 人工神经网络

神经网络的原理及基本结构

神经网络的基本单元称为神经元, 它是对生物神经元的简化与模拟。神经元模型可以用图1来加以描述。

p1, pZ , …, p R代表神经元的R个输入;w1.1, w1.2, …, w1.R代表网络权值, 表示输入与神经元间的连接强度, b为阀值, 可以看作是一个输入恒为1的网络权值;f代表神经元的传递函数或激发函数;a, 代表最终的输出。整个模型用数学函数可表达为:

2 模型建立的理论依据

BP神经网络

BP神经网络是神经网络中的一种, 它基于误差方向传播算法 (BP算法) , 由一个输入层、一个输出层和一个或多个隐含层构成, 各层次的神经元之间单向全互联连接, 是由非线性变换单元组成的前馈型网络。

3 基于神经网络的小区用水量预测模型确定

3.1 影响小区日用水量的因素[1]

广州市和平新村小区拥有8000多人, 是一个传统小区, 所以用水量的密度大。为了预测该小区的日用水量, 从以下几方面假设影响因子。

(1) 月份, 输入数据。夏天运动人员增多, 用水需求增大。冬季则相反。另外, 每年的1、2、份, 部分居民返乡, 用水量亦会相应减少。

(2) 天气情况, 输入数据, 包括:每日最高温度、最低温度及晴雨情况。一般情况下, 温度越高, 用水量越大。晴天比阴雨天用水量大。而其它天气因素, 如风力、湿度等, 亦对用水量造成影响, 但影响不显著。

(3) 一周星期数, 作为输入数据。在周六、周日, 小区居民逗留在家的时间增长, 用水量变大。

(4) 时段, 作为隐含层。居民的作息有规律, 所以每天的用水量也有规律, 晨起床后和晚饭前后用水量最多, 形成两个用水高峰, 而深夜至黎明用水量最少, 为用水低谷。

(5) 街道, 作为隐含层。小区包含为5个街道——和平一街至五街, 一街建立的时间最长, 入住人数最多, 加上供水设施陈旧, 供水过程的耗水亦较多, 五街道建立时间最短, 入住人数亦最稀少, 供水设施较新, 耗水最少。因此街道不同, 用水量也不同。

每个街道又有相应的超市、士多、康体场所、物业管理和小区医院等不同的建筑物, 可用于再加一层隐含层, 方便更细化地调节。

3.2 输入节点的选取

但鉴于可调研得到的数据, 输入层只能取6个节点, 分别为:a小区日最高温度, b小区日最低温度, c小区当天的晴雨情况, d小区前一日的总用水量, e星期几, f月份。

3.3 输出节点的选取

输出层取1个节点, 为小区日用水量。

3.4 隐含层的确定

隐含层选择层:a时段, b街道, c不同的建筑物。

4 输入数据的处理

BP网络中非线性活性函数的值域一般都在0~1之间。下面分别从连续值变量、定性变量两个方面加以探讨。

(1) 连续值变量。对于用水量和温度, 变量是连续值型的, 比较常用的归一化处理方法是

(2) 定性变量[2]。对星期, 晴雨, 月份, 时段, 校区, 不同的建筑物各指标, 依次编号, 按照各自的实际意义转换成整数区间上分布的数字量按连续变量来处理。如星期直接取1~7之间的整数。

5 小区日用水量预测模型训练

数据处理完毕后, 开始训练模型。训练过程也就是神经网络的学习过程。设置网络的相应的权值和阈值:

网络结构图如图2所示:

训练方法——Hebb学习规则

Hebb学习规则, 即

其中, wji (k) 为连接从神经元i到神经元j的当前权值;IiIj为神经元的激活水平。

Hebb学习规则是一种没有指导的学习方法, 它只根据神经元连接间的激励水平改变权值。BP网络的学习规则为输入模式的顺传播和学习误差的逆传播, 整个学习过程归结为“模式顺传播、误差逆传播、记忆训练和学习收敛”四大过程。其中学习误差的逆传播过程是BP网络的精髓所在, 因它描述了误差敏感性从最后一层通过网络被反向传播到第一层的递推关系, 根据最速下降法来更新权值和阀值。设输入模式的向量为

对应输入模式的期望输出向量为

m:样本数;

n:输入层节点数;

q:输出层节点数

1计算隐层节点的输入

2计算隐层节点的输出

式中:f月输入层到隐层的传输

3计算输出层节点的输入

4计算输出层节点的输出

式中:f月隐层到输出层的传输函数。

6 结语

本文讨论了通过商业智能的数据仓库技术, 搭建基于神经网络的小区用水量预测模型的过程。使用该种模型预测小区用水量, 可以对时段性供水和改善供水设施做出良好的支撑依据。

摘要：商业智能现在已广泛应用于各个领域, 利用商业智能可以对趋势预测做出良好的支持, 本文将其中一种常用商业智能的工具——数据仓库技术, 应用于小区家庭的用水量预测研究。

关键词：商业智能,数据仓库技术,神经网络,BP模型,日用水量

参考文献

[1]阎立华, 吕科峰.《城市日用水量预测的神经网络方法》, 沈阳建筑工程学院学报 (自然科学版) 第20卷第2期, 2004.04.

篇8：长江流域水量模型初步研究

随着人口的增长, 经济社会的发展, 城镇化进程的加快和人民生活水平的提高, 水资源短缺、水环境污染和水生态恶化已成为制约社会经济和生态环境可持续发展的主要因素之一。由于水资源的稀缺性及其利用的竞争性, 人类与生态环境, 各生产部门和行政区域之间的用水矛盾日趋尖锐, 必须开展水量分配, 将水资源的可利用总量或者可分配的水量向行政区域进行逐级分配, 确定各行政区域生活、生产可消耗的水量份额或取用水水量份额[1]。经水量分配确定的行政区域水量份额是实施用水总量控制和定额管理相结合制度的基础, 对实行最严格水资源管理制度, 规范水资源开发利用, 优化水资源配置, 促进水资源可持续利用都具有重要意义[2,3]。

水量分配是落实最严格水资源管理制度的基础工作之一, 以追求全社会用水效益最大化为目标进行水资源的集中分配[4]。由于水资源天然禀赋条件、经济社会发展的区域差异, 同一流域内行政区域之间的用水紧张程度不同, 对水资源管理策略的期望也就不同, 对水量分配的方法也就存在偏好。同时, 水量分配属于利益的再分配, 涉及相关区域的切身利益, 必须在民主协商基础上, 妥善解决各种分歧和争议。

目前水量分配的主要方法有产水比例法[5]、定额预测法[6]、水资源优化配置法[7,8,9]和模糊综合评价法, 其中模糊综合分析法中常见的有模糊优选法[10]、层次分析法[11,12,13,14,15]、TOP-SIS模型法[16,17]等。这些方法既没有在分配原则上反映不同流域和区域用水紧张程度的差异性, 也没有在分配方法上建立利益诉求的民主协商机制。

本文研究的目的是在用水紧张程度的区域差异的基础上, 建立集中分配模式下跨界河流水量分配协商模型, 并在云南省跨州 (市) 河流分配试点方案研究中加以应用。

1 模型构建

一条河流从上游至下游依次流经N个行政区域, 在t规划水平年来水频率为p的水资源可利用总量或可分配水量为Qa (p, t) 。基于决策理论和博弈论, 跨界河流水量分配博弈的参与人集合为:

式中:I*表示流域管理职能部门 (流域管理机构, 水行政主管部门等) , 是进行水量分配的决策主体, 从全局的角度参与博弈, 追求全流域社会经济效益的最大化;I表示该流域涉及的行政区域的集合, 是进行水量分配的协商主体集, 从自身实际出发, 争取自身利益的最大化[18]。

一定时期内, 该流域的水资源管理制度是确定的, 并通过一系列的管理策略 (策略集) 来实行, 设此策略集为:

在单独实行管理策略sj时, 可用于水量分配的方法集为:

式中:mjk表示单独实行管理策略sj时, 可用于水量分配的第k种方法。

尽管方法集Mj中任意两种方法的分配结果可能不同, 但认为采取任意的mjk都是管理策略sj在水量分配上无差别的体现, 在实际工作中, 选取其中的实际应用广, 操作性强的一种方法即可。设该流域水量分配采用的方法集为:

式中:mj表示对应于策略sj的水量分配方法。假设采取方法mj进行水量分配i行政区域获得的水量份额占可分配水量的比重为rij (p, t) , 则分水比重矩阵为:

综合考虑流域内整体的用水紧张程度、社会经济发展等因素, 决策主体I*对水资源管理策略集S的偏好向量为:

式中:vi (p, t) 表示决策主体对管理策略sj的偏好系数 (权重) 。一个流域内用水紧张程度、社会经济发展要求、用水效率等存在区域差异, 各行政区域对水资源管理策略集S的偏好也不同。设i行政区域对管理策略集S的决策向量为:

式中:wij表示i行政区域对管理策略sj的偏好 (权重) 系数, 则协商主体I期望的水资源管理策略的决策矩阵为:

考虑产水面积、现状用水等因素差异, 设i行政区域对协调主体I确定的决策向量V影响 (权重) 系数为ei, 一般而言, 其取值为产水面积的权, 但为了体现尊重现状的原则, 避免大面积小用水的区域占用较多的水资源, 采用现状用水量来确定影响系数, 即:

式中:Q0i表示i行政区域的现状用水量;Q0表示该流域的现状用水总量。

于是, 该流域协商主体I采取水资源管理策略集S的决策向量为:

最终该流域对水资源管理策略S的决策向量为:

式中:α (p, t) 表示导向系数, 为来水频率的函数。

该流域水量分配的水量份额向量为:

一般而言, 在民主协商阶段, 可分配水量Qa (p, t) 、分水比重矩阵R (p, t) 、决策矩阵W (p, t) 、影响系数向量E、决策向量V* (p, t) 等参数已基本确定, α (p, t) 的取值就是水量分配博弈参与人 (决策主体I*、协商主体I) 之间进行博弈的参数。下面讨论参与人博弈下α (p, t) 的取值确定方法。为了叙述方便, 引入用以表征该流域内区域间水资源管理策略差异程度的区域差异系数:

式中:C (p, t) 表示区域差异系数, 当区域差异系数C (p, t) 较小时, 表明流域内各行政区域的水资源条件和社会经济发展较为相似, 对水资源管理策略集S的偏好相近。α (p, t) 的取值对决策向量V0 (p, t) 的影响较小, 协商没有实际意义。当区域差异系数C (p, t) 较大时, 表明流域内各行政区域的用水紧张程度差别较大, α (p, t) 的取值对决策向量V0 (p, t) 的影响较大。i行政区域的博弈目标就是影响α (p, t) 取值, 使得整个流域的决策向量与本区域的尽可能一致。引入i行政区域的决策向量与整个流域的差异系数:

跨界河流水量分配博弈的最终结果应为流域差异系数的和最小。此外, 为了体现基本生活用水优先保障, 工业用水优先于农业用水保障的原则, 对缺水率进行约束。因此, 整个流域进行博弈的目标函数为:

式中:min{xi}表示xi中的最小值;maxf (yi) 表示确定参数yi使得f (yi) 最小;β1i, β2i, β3i分别表示i行政区域城乡生活用水、工业用水和农业用水的缺水率;βi表示i行政区域的全社会缺水率;b为任意大于1的实数;χ为缺水容忍系数, 阀值[χ]根据流域水资源条件、用水结构、丰枯变化程度等情况确定;θ1, θ2为流域管理职能部门的影响系数取值范围。

联立式 (10) , (11) 和 (15) 即可求解出各行政区域水量分配份额的最优解。

2 实例应用

2.1 流域概况

云南省于2011年2月启动了跨州 (市) 河流水量分配方案试点研究工作, 甸溪河是试点流域之一。

甸溪河为珠江上游南盘江左岸一级支流, 流域面积4 416.1km2, 地表水资源总量12.81亿m3。流域涉及云南省曲靖市、昆明市、红河州等3个州 (市) 。现状2008年总人口84.94万人, 地区生产总值128.0亿元, 一、二、三次产业结构比为14∶66∶20, 有效灌溉面积4.646万hm2, 农田有效灌溉程度为35.2%, 现状水利工程供水总量31 957万m3, 地表水蓄、引、提工程供水结构为71:23:6, 全社会用水总量中, 城乡生活用水4 090万m3, 工业用水1 832万m3, 农业用水26 035万m3, 人均用水量376m3, 万元GDP用水量250 m3。但人均水资源量只有1 507m3, 水资源开发利用率达到24.96%, 超过了云南省及全国平均的水资源开发利用程度, 属水资源极度紧缺地区。

注:表中现状水平年为2008年。

2.2 实例计算

我国《水法》明确规定:国家对用水实行总量控制与定额管理相结合的管理体制;国家制定全国水资源战略规划, 制定规划必须进行水资源综合考察和调查评价;依据流域规划和水中长期供求规划, 以流域为单元制定水量分配方案。因此, 水量分配方案的水资源管理策略集为:

为实现管理策略集S, 在现有应用较广的方法中分别选取一种方法作为水量分配的方法集:

定额预测法立足于现状用水, 以用水定额作为控制指标, 承认各个行政区域用水定额及用水效率的差异, 从落实用水定额管理方面来进行水量分配[6]。水资源配置模型则是考虑一段时期内的水资源开发利用、节约保护、合理配置条件下的工程供水能力, 按“以供定需, 供需平衡”的原则, 从实现水资源的优化配置方面来进行水量分配。层次分析法是综合评判各用水区域多指标的影响, 在公平适度兼顾效率原则下进行水量分配。产水比例法则是从各用水区域的水资源禀赋条件考虑水量分配问题。根据《云南省水资源综合规划》、《云南省水中长期供求规划》等规划的成果, 并参照文献[13]的层次结构采用层次分析法进行水量分配, 确定甸溪河流域各州 (市) 的分水比重矩阵为:

根据目前国内外普遍认同的用水紧张程度的分类, 提出相应的水资源开发控制原则和水资源管理策略 (表2) 。在2020水平年多年平均来水下, 采用专家打分法、模糊优选法等 (限于篇幅不再详述) , 确定甸溪河流域对管理策略集S的决策向量:

和流域内各个州市的决策矩阵:

根据现状用水量, 采用式 (8) 确定影响系数向量:

取θ1=0, θ1=1, [χ]=1.25, 将式 (18) ~式 (21) 代入式 (16) 求得最优的导向系数:

代入式 (10) , 式 (11) , 求得甸溪河流域多年平均来水条件下, 2020水平年的水量分配比例为:

同理, 求得2030年的水量分配比例为:

由于甸溪河流域地处我国西南地区, 水资源较为丰富, 可分配水量基本能满足社会经济发展的需求, 且流域内农业用水为主, 水资源丰枯变化对生活和工业缺水率的影响不大, P=50%, P=75%和P=95%的分水比例与多年均值的相同。根据《云南省水资源综合规划》、《云南省水中长期供求规划》等规划成果确定的甸溪河流域的用水总量, 计算出该流域涉及的曲靖市、昆明市和红河州的水量份额 (表3) 。

2.3 合理性分析

甸溪河流域涉及曲靖市的师宗县、陆良县, 昆明市的石林县, 红河州的泸西县、弥勒县, 下面对多年平均来水条件下, 甸溪河水量分配涉及的州 (市) 的水量份额的合理性进行分析 (表4) 。

注:因该河水量分配方案尚未确定, 本文只作为实例应用, 不作为分配依据。

曲靖市师宗县、陆良县均属于国家级粮食主产县之一, 农业灌溉用水比重大, 现状用水效率较低, 限于物力财力, 近期内用水效率也不能大幅提高。此外, 在2020水平年, 新增灌溉面积0.21万hm2, 为现状有效灌溉面积的23.2%, 因此, 灌溉用水仍会有较大幅度的增加, 较现状年均增加10.8%。在2030水平年, 随着“云南省农业综合开发重点中型灌区节水改造”等项目的实施, 农业灌溉水利用系数大幅增高, 而新增有效灌溉面积不大, 因此, 全社会用水将减小, 较2020水平年平均每年减小0.9%。

昆明市石林县属于云南省高效节水示范县之一。虽然现状农业灌溉用水效率高, 但在2020水平年, 新增灌溉面积是现状灌溉面积的1.58倍, 加之现状城镇化率仅为4.0%, 因此, 该区域的用水较大幅度的增加, 较现状年均增加18.2%。在2030年, 农业灌溉水利用系数增高的幅度不会太大, 节水潜力较小, 随着工业化、城镇化进程的加快, 全社会用水仍会有较小幅度的增加, 较2020水平年平均每年增加1.6%。

红河州泸西县、弥勒县, 属于滇中地区的重要经济区之一, 区域内现状城镇化水平较高, 社会经济较发达, 弥勒坝、竹朋坝、虹溪坝等坝子为云南省烤烟主产区。在2020水平年, 新增灌溉面积0.21万hm2, 全社会用水以一定的幅度增加。虽然现状农业用水比重大, 但由于现状用水效率高, 节水潜力较小, 在2030水平年全社会用水以一个较小的幅度减少。

综上所述, 采用本文模型制定的甸溪河水量分配方案是合理的, 有利于总量控制与定额管理制度的落实, 水资源开发利用的有序开展, 用水效率的稳步提高。

3 结语

篇9：水量平衡法推求流域退水线

某水库位于浙江省金华市婺城区境内。水库校核洪水标准为2000年一遇, 相应洪水位147.78m, 总库容9805万m3, 是一座以防洪、灌溉为主, 结合供水、发电等综合利用的中型水库枢纽工程。坝址以上集雨面积119.5km2, 多年平均来水量1.4亿m3。

2 退水线的推求方法

如图1中的下包线Qg～t, 即为流域地下径流标准退水曲线, 其绘制方法为:

2.1 以相同的比例尺, 在方格纸上绘出各场洪水的退水流量过程线;

2.2 用一张透明纸描绘出最低的退水过程线;

2.3 将此曲线移到另一场洪水的次低的退水段, 在保持时间坐标重合的条件下左右移动透明纸, 使方格纸上的退水过程线在后部与透明纸上的退水过程线相重合, 并把它也描绘在透明纸上;

2.4 如此逐一描绘各场洪水的退水流量过程线, 取其下包线即为流域地下径流退水线。

3 存在的问题

3.1 部分未建立入库流量站的中小型水库无实测洪水过程线, 实测洪水过程线需要采用水量平衡法由库水位间接求得;

3.2 建有流量站的水库虽有实测洪水过程线, 但由于入库站的流量未计入库区区间来水量, 实际入库洪水与实测洪水过程线不符, 因此需要进行修正计算;

3.3 采用水量平衡法由库水位推求洪水过程线时, 选取长时段时不能满足计算精度需要;而选取短时段时, 由于地下退水段通常入库流量较小, 库水位变幅也较小, 受自记水位观测精度1cm限制, 因此常会出现连续几个时段水位观测数据无变化, 从而导致该时段计算流量为0的情况;或受水位观测误差的影响, 入库流量经常出现锯齿状的过程线。因此在实际绘制时, 往往难以达到各场次洪水的地下退水线重合较好的效果。

而且, 由水量平衡法求得的流量为时段平均值, 无法满足后续地下径流分割、推求单位线等工作要求, 需要转化为时刻流量过程线。

4 解决方法

4.1 方法

选取峰后无雨次洪水的退水水位过程线, 利用库容曲线转化为库容过程线, 再经整理计算后转化为时刻流量过程线。

4.2 库容过程线的数据整理

受水位数据误差影响, 库容过程线存在不合理数据, 导致时段流量出现时大时小的锯齿状。整理时从退水段库容过程线中剔除后时段流量比前时段流量大的数据, 从退水起始时刻开始计算该时刻到之后各时刻的平均流量, 取其最大值的时刻为过程线的控制点, 剔除两时刻之间的其他库容过程线点据, 再以该控制时刻点为起始时刻重复上述步骤向后计算。整理后使库容过程线符合退水段流量由大到小的规律性。其过程可以利用EXCEL函数逐时段进行计算, 或通过EXCELVBA编程完成。

4.3 原理及步骤

取时段Δt=1小时, 按照地下径流蓄量W=KQ的线性假定, 根据地下径流蓄泄水量平衡方程可以求得:

式中F、Rg为流域面积 (km2) 、地下净雨 (mm) 。

取b= (K-0.5) / (K+0.5) , 又因选取的地下退水段无雨即Rg=0, 则可求得:

根据流量定义可知Qt为Vt的时间导数, 则:

式中a=Q0/lnb, c=V0-a

取不同时刻t=i1, i2, i3…, 则:

上述各式中, K、Q0、V0、Vt分别为地下退水系数、地下退水起始时刻 (即后续无雨时刻) 的流量、库容和t时刻的库容。

Q0、V0因各场次洪水的降雨和库水位的不同而各不相同, 在同场次洪水中则为常数。K则通常在不同场次洪水中为同一常数, 但有些水库会出现因同场次洪水的退水区间不同而不同, 即表现为折线形退水曲线。

地表径流退水未结束时因受地表径流退水影响, 退水系数K各不相同, 只有在地表退水结束后退水水源才是稳定的地下径流, 表现为K值是同一常数。因此未建有入库流量站时应尽量靠后区间选取不同时刻t, 以保证该时刻处于地下退水段;反之则可以从实测洪水过程线大致确定地下退水区间。再利用式 (4) 求得一个或多个区段K值, 取其均值或较稳定的K值, 代入式 (3) 式, 求得各时刻Vt, 再采用最小二乘法对实测库容过程线拟合计算, 即可求得相应的Q0值, 按式 (2) 求得时刻流量退水线。通过多场次洪水退水线进行综合验算, 即可求得稳定的地下径流退水线。如果是折线形退水线, 则需要按上述方法分别求出不同退水段的K值和Q0值 (如图2) 。

5 结语

本文从实际出发, 较好的解决了推求流域地下径流退水线过程中的诸如呈锯齿状、时段与时刻流量转化的一些实际问题, 对于无流量站的中小型水库有较好的借鉴作用。

参考文献

[1]蒋金珠.工程水文与水利计算.中国水利水电出版社, 1998