基于综合集成服务平台的动态水资源配置规划

张建龙，解建仓，牛 犇，张 刚

（西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048）

0 引言

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是生态与环境的控制性要素[1]。我国严峻的水资源问题已成为国民经济高速发展的突出瓶颈，成为可持续发展的制约因素。在 2009 年全国水利工作会议上，提出要实施最严格的水资源管理制度，在“十二五”期间，要全面落实最严格水资源管理制度，强化水资源管理，促进经济社会发展与水资源水环境相协调。要实现水资源可持续利用和严格水资源管理制度，就必须有 1 套针对性强、便于实施管理的水资源合理配置规划模型。

在以往国内外关于水资源配置研究的 60 多年中，水资源合理配置规划模型在理论和方法上都取得了重大进展，水资源配置类型经历了仅以水量为主的配置、考虑水质因素的配置、以水利工程为控制单元的水资源配置、区域和流域等水资源配置，直到跨流域水资源配置的发展[2]。研究方法从常规规划方法发展到模拟、优化与模拟相结合、随机规划、模糊优化、神经网络、复杂系统理论、智能规划等技术[3-6]。然而，无论是基于数学模型还是基于模拟模型的水资源配置都存在很大的问题，即实际应用的局限性很大，缺乏水资源系统网络求解技术，水资源配置模型缺乏通用性，可操作性差，且不易推广。为此提出基于综合集成服务平台的动态水资源配置规划。

1 动态水资源配置规划的理论

1.1 配置规划模型的分析

1.1.1 配置规划模型分类

水资源配置规划模型供水主体主要包括地表、地下和其他 3 类水源工程。地表水源工程分为蓄水、引水、提水和调水工程，地下水源工程主要是机电井工程，其他水源工程包括集雨利用、再生水、苦咸水、海水、矿井疏干水等工程。模型用水主体包括生活、生产和生态用水。生活用水分为城镇和农村生活用水，生产用水分为第一、第二和第三产业用水，生态用水分为河道内、外生态环境用水。

1.1.2 配置规划基础单元

主要决策信息是动态水资源合理配置规划的基础单元，为供需现状、用水水平、水生态环境等各种情况的分析提供依据，也可为最佳方案的推荐提供指导。主要内容包括：1）社会经济，主要是社会经济发展和和谐程度 2 方面；2）水资源及其开发利用状况；3）生态状况；4）水环境状况；5）其它决策信息，具体指土地开发利用、节能减排、交通、供电、安全、自然应对能力等方面的指标。

1.1.3 配置规划框架

水资源配置规划是以水资源及其开发利用情况调查评价为基础，结合需水预测、节约用水、供水预测、水资源保护等有关部分进行。水资源配置规划的各个环节及各部分工作是一个有机组合的整体，相互之间动态反馈，需综合协调。模型根据区流域（区域）人口、资源、环境与经济发展的基本关系，统筹考虑流域（区域）水量和水质的供需分析，将流域水循环和水资源利用的供水、用水、耗水、排水过程紧密联系，在按照水源配置和运行规则、用户配置准则、公平高效和可持续利用的基础上，经过手动或自动调整进行供需分析，通过经济、技术和生态环境分析论证与比选确定合理配置方案。基本框架如图 1 所示。

图1 动态水资源合理配置规划框架

1.2 配置规划模型系统的概化

系统网络图是对系统的抽象概化反映，主要由水资源利用转化相关处理的概念化元素构成。系统网络图主要由节点（点）、计算单元水传输系统（线）、流域单元水传输系统（面）3 类元素组成。其中，节点主要为以下 3 类节点：

1）水源节点。水库、引水枢纽、提水泵站、地下水管井、污水处理厂、集雨工程、矿井疏干水利用工程均为供水水源节点。

2）需（用）水节点。城镇和农村生活、工业及三产、农业、城镇生态、农村生态 6 个用水户，以及水电站、湖泊、湿地等均为需（用）水节点。

3）输水节点。河流、隧洞、渠道及长距离输水管线的交汇点或分水点，行政区间断面、水资源分区间断面、水汇等均为输水节点。

1.3 配置规划模型的运行策略

1.3.1 供水水源配置规则

各种水源利用的优先顺序依次为：雨水资源,污水经处理后的再生水，矿井疏干水，苦咸水，海水淡化或海水利用，满足用户要求的上级用户的退水，地表径流水或水库蓄水，地下水。

1.3.2 供水水源运用规则

运行策略包括以下几部分：1) 供水水源应遵循地域优先规则；2) 河流上游无调节水库的提水和引水工程优先利用，若有调节水库则应优先利用水库水量, 地表水供水工程应遵循其本身的调度规则和供水计划，首先按照规定的分配供水，若无规定则依照配置准则分配；3）各行业的回用量利用要优于地表水和地下水利用；4）地下水供水量在小于可以供水量时可以供水。

1.3.3 用水户配置准则

1）用户配水次序依次为城镇与农村生活，生态环境，二、三产业，农业，供水保证率分别为：城镇与农村生活为 100 %，二、三产业为 95 %，农业灌区为 75 %；2）分质用水准则；3）均衡用水准则；4）高效用水行业优先准则；5）低耗水行业（节能行业）优先准则；6）低碳经济行业优先准则；7）循环经济行业优先准则。

2 面向用户的综合集成服务平台

2.1 系统网络知识图构建

知识图不仅可以有效地描述规范化、系统化的显性知识，对于描述隐性知识也具备优势[7]。知识图中可以体现以下内容：1）区域基础信息情况，水资源条件、社会经济情况、节水型社会建设规划、节能减排指标措施及用水定额等；2）各类用水单元用水要求，现状、定额管理、节约用水要求等；3）各类用水单元的基本信息、发展趋势、用水、对应用水要求、社会经济和生态环境指标等；4）水资源供需不同展现模式，现状和规划、定额、节水等平衡，可以实施平衡配置的自动和手动调整，变化用水单元情况。

神木锦界工业园区位于陕西省神木县锦界，是陕北能源化工基地的核心组成部分，园区是陕北能源重化工基地的重要部分，将成为拉动神木乃至陕西经济的重要增长极。现以该区域为例简要说明模型开发的主要部分。这一主题的知识图如图 2～5 所示，图中用矩形表示用水户，圆形表示水源，各用户和水源利用图元进行连接，通过知识图可以直观显示水源、用户的信息，管道节点处可以显示节点前各用户的已用水量、节点处的可供水量、节点后用户的需供水量及供需平衡情况，通过知识图完全能够为区域水资源合理配置提供指导，并为该区域的工农业生产规划提供有力的支撑。

图2 神木锦界工业园区合理配置知识图

图3 工业园区化工厂水资源合理配置

图4 工业园区电石厂水资源合理配置

2.2 模型的分解与分层

随着社会经济发展，区域水资源配置规划问题规模越来越大，结构越来越复杂，涉及决策者越来越多，规划时段也不断变化，从而形成了具备高维和非线性特征的复杂大系统，需要对其研究方法进行创新。问题本身以可持续发展为指导，考虑社会、经济、生态环境效益等的多目标；决策者各自处于不同层次，上层可对下层行使某种控制引导，下层决策以上层决策变量为前提形成主从递阶决策；规划时段变化、前后相互关联、配置方案多等。

整体抽象模型应用中要分解和分层，按照从数据到信息、从信息到知识、从知识到智慧的方向，在水资源配置规划中，把数据、信息及知识可视化，通过知识图，实现人与计算机的和谐结合，在综合集成环境下提供信息、知识、决策等服务；基础数据信息、资源集成共享；与水资源配置规划具体业务适应，开发信息处理组件库；应用模型按照应用，分主题；把应用主题知识图化；在人机结合的综合集成平台上快速集成和组建水资源配置规划的不同应用。主题可以按照应用要求分层（相当于多个应用功能子主题），具体如下：1）按照不同流域、行政区域或行业分主题；2）按照配置主题内的农业、化工厂、生活用水户配置主题。针对具体应用主题，采用平台支持的模式，开展个性化的应用。

2.3 综合集成服务平台

综合集成服务平台的主要功能可以分为以下 4 大部分[8]：

1）知识图编辑。知识图是核心，系统通过知识图支持专家与专家，专家与计算机之间的知识、信息的感知和交流。为了满足决策的需要，一般情况下决策者需要对信息资源进行加工、运用。知识图编辑界面如图 6 所示。

2）知识图应用。知识图是专家与群体专家智慧的体现，其正确性需要通过实践加以验证，才能逐步接近实际，发现规律，通过知识图的验证管理，对知识图所代表的决策结果进行评估，反映其与实际接近程度，实现逐步迭代；对群体研讨结果，通过一定的综合方法，对协作知识图进行处理，得到体现群体专家意愿的对配置决策问题的解决方案。

3）模型集成。定量化的知识可以通过模型组件方式进行描述，并通过链接与知识图联系在一起。通过加载知识图，实现自动化、半自动化决策结果输出。其核心包括 2 个方面：一方面，是模型组件的创建、发布等管理，基于可视化的人机接口，专家可以采用直观的方式对定量模型组件进行描述；另一方面，由模型组件构成定量模型，组件要进行有效集成，并需要建立与知识图相适应的公共概念管理模块。

4）协作管理。基于 XMPP 协议，对研讨的主题，参与的专家进行统一的协调、管理，如注册、主题设置等，为专家基于知识图进行的协作研讨、合作提供支持。

图5 工业园区生活区水资源合理配置

图6 综合集成服务平台知识图编辑界面

3 动态水资源配置规划系统的应用

3.1 合理配置规划的基本应用模式

基本配置模式是利用水资源配置规划模型，结合特定的水源供水量数据和用水量资料能够进行供水、用水、耗水、排水的平衡，按照水资源和行政分区及不同用水行业的分类，以视图和表格 2 种平衡方式展现。基本动态配置规划模型能够建立区域基础信息、各类供用水单元的信息数据库，可实现不同分类系统和方案情况下的平衡结果展现，能够实现区域或行业的潜力分析，并能够建立水资源配置的基础数据库，进行初级的手动配置动态调整。

3.1.1 方案表现形式

水资源合理规划配置方案表现是在不同的水工程开发和区域经济发展模式下的水资源供需平衡分析，描述不同规划情景下的水资源合理规划配置结果，确定水工程的供水范围和可供水量，以及各用水单位的供水量、供水保证率、供水水源构成、缺水量、缺水过程及缺水破坏深度分布等情况。其主要表现形式包括以下几个方面：

1）现状平衡。以现状年供水水源、用户之间的联系所得到的平衡结果。

2）不同规划年平衡。反映规划年供水水源、用户之间的平衡结果。

3）随机动态平衡。在现状水源、用户等固定分布的基础上，在不同空间区域上添加供水水源或用水户的平衡结果，或者在任意时间添加供水水源或用水户的平衡结果。

4）节水平衡。以现状用水或规划需水为基础，在考虑节水水平的发展、节水工艺的提高及不同用水行业特点等的基础上，分析节水后的现状用水和规划需水，进行节水平衡方案表现。

5）定额平衡。以不同行业规定的用水定额为基础进行需水量计算，所反映的供水水源、用水户需水之间的平衡结果。

6）生态经济平衡模式。以现状生态和经济状况为基础，考虑经济和生态用水需求，按照多目标群决策总体模型和水资源开发利用策略，对经济和生态用水进行配置，以反映经济社会发展、生态保障情况下的水平衡结果。

7）水土优化平衡模式。在不同时间、空间水土资源规划的基础上，以提高水土资源利用率，保持和恢复生态系统平衡，实现生态、经济和社会效益的相对最优为目标的水平衡结果。

8）碳平衡发展模式。在节能减排和水土资源规划的基础上，以自然碳通量及捕获能力和不同行业人工碳通量为主导因素，分析现状及规划 2 种碳平衡发展模式。

3.1.2 区域潜力分析

区域潜力分析是在水资源配置规划方案的基础上，分析整个区域或区域内各地区的水资源供需、土地资源、新增用水户、水生态环境承载及碳减排等方面的潜力。

3.2 合理配置规划的扩展应用模式

动态合理配置规划扩展模式是在基本动态规划模式的基础上对系统进一步完善和发展，实现配置规划模型的自动配置调整，实现供水工程和用水户规划建设的自动分析功能，实现供水工程来水量的实时动态监测，实现用水户用水和排水的实时动态监测控制，并与用水户之间的动态水权交易平台的研究相结合。

3.2.1 配置规划模型的自动调整

通过优化算法的选择计算，对区域或子区域水资源不同配置平衡方案进行优化自动调整，从而得到最优化的水资源合理配置方案。主要分析内容包括：各用水单位的供水量、供水保证率和水源构成、缺水量、缺水过程及破坏深度分布、用水户产值效益等。

3.2.2 供水工程和用水户配置规划的自动分析

主要包括以下 2 部分内容：1）新建供水工程和用水户的子区域的规划合理性，分析其建设对子区域的影响；2）新建供水工程和用水户的全流域的规划合理性，分析其建设对全流域的影响。合理性分析内容如下：水资源状况、供水量、用水量、缺水率、用户产值效益、用户耗水类型、对其他用户的影响、区域产业配置、土地资源及其他资源状况等。

3.2.3 来水、需用水和排水实时动态监测

实现动态水资源合理配置规划模型的首要问题是算好水帐，准确弄清水资源，包括地表水、地下水和非常规水资源的水量及水质。因此，动态水资源合理配置规划模型要与现代水文监测手段相结合，建立不同供水水源的来水量和水质、不同用水户的用水和排水量及水质的实时动态控制，通过实时监测数据分析供水工程可供水量，可以与用户实时需用水量进行实时动态合理配置，使水资源合理配置结果能够在较短时段内进行平衡分析，计算各个用户的余缺水、水质达标情况。

3.2.4 与动态水权交易相结合

在对区域来水、需用水和排水及水质实时动态监测的基础上，为进一步提高水资源的利用效率，发挥社会市场机制，按照在较短时段内进行平衡分析计算的各用户余缺水情况，建立以政府为监督指导，第三方水务公司运营管理，用水户自身协商交易，并且具有不同宏观调整机制的动态水权市场交易模型，将动态水资源配置规划与水权水市场交易相结合。

3.2.5 与实行最严格水资源管理相衔接

以实行最严格水资源管理“三条红线”为基础，明确考核指标体系、管理考核方法和制度设计，在对来水、需用水和排水实时动态监测的基础上，建立实行最严格水资源管理系统。主要包括：水源监测与取水许可管理、用水管理及动态水资源配置规划、排污口管理与水功能区水质污染模拟，以及水资源综合管理、水权分配及交易、节水改造与水资源高效利用、水资源保护与生态修复、水资源评价和各项指标管理等。

3.2.6 极端事件下的水资源配置规划

充分考虑极端干旱和洪涝、水质污染等极端事件，从应急管理层面纳入到区域水资源配置规划，结合区域气候模式和变化及人类活动情况下，进行水资源供需极端模式下的演变和识别，分析区域极端事件情境下的水资源承载能力，优化区域产业和工程布局，进行未来可能极端干旱和洪涝、水质污染等极端事件情境下水资源的供给与需求分析。

4 结语

基于综合集成服务平台的动态水资源配置规划模型，是以综合集成服务平台为支撑，从理论的创新和完善、系统模型的开发构建、配置规划模型的表现模式等方面研究动态水资源配置规划模型。该模型能够建立区域基础信息、各类供用水单元的信息数据库，按照水资源和行政分区及不同用水行业等分类，以视图和表格 2 种方式进行不同方案下的平衡展现，能够实现区域或行业的潜力分析。同时，动态水资源配置规划模型能够实现配置规划模型的自动调整，供水工程和用水户配置规划的自动分析，来水、需用水和排水实时动态监测，与动态水权交易相结合，与实行最严格水资源管理相衔接和极端事件下的水资源配置规划等功能，建立的动态水资源配置规划模型具有可操作性和通用性，并易于推广利用。

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