浅谈涡河流域水资源系统及配置网络概化

吴 漩1 王敬磊1 刘开磊 陈竹青

（1.安徽淮河水资源科技有限公司 蚌埠 233000 2.水利部淮河水利委员会水文局（信息中心）蚌埠 233000）

1 引言

水资源系统是指处在一定范围或环境下，为实现水资源开发利用目标，由相互联系、相互制约、相互作用的若干水资源工程单元和管理技术单元所组成的有机体，即以水为主体构成的一种特定系统。流域水资源系统涉及水系、水资源、水利工程、用水单元等多类型对象。以单个流域为主体，进行流域水资源系统概化，建立水资源配置网络图，是开展水量调度模型构建的重要基础工作。本文以涡河流域为例，浅谈水资源系统要素概化、计算单元划分、构建水资源配置网络技术要点，以期为其他流域水资源系统及配置网络概化提供参考依据。

2 水资源系统要素概化

2.1 用户类型概化

流域内用水部门包括城市生活、工业、农村人畜、发电、灌溉、航运、环境等，数量多且类型繁杂。为了便于计算，可把地域相近的用水户进行归类合并，即进行分区，每一分区作为一个供水对象。分区的大小应根据流域特点和行政区划情况，结合水量调度模型建模需要合理确定。在最新版《全国水资源综合规划技术细则》中，按新口径对用水户的分类及其层次结构作了细致的规定。结合全国第三次水资源调查评价的最新要求，采用的用水户的细部分类包括：生活用水、生态用水、工业生产用水、农业生产用水四类。其中，生活需水包括生活用水中的城镇居民生活用水和农村居民生活用水，以及城镇公共用水中的建筑业和商饮业、服务业用水；林牧渔副用水计入农业用水中；城市绿化和河湖补水计入“美化城市景观”生态用水中。

2.2 水源类型概化

依据流域现状供水水源分类，结合流域水量分配方案所涉及水源划分相关内容，将水源划分为地表水水源工程、地下水水源工程、外调水水源和其他水源。地表水水源一般包括大型水源工程和概化水源工程两类，各单元水源节点通过输水通道形成水源网络系统。对于涡河流域来说，流域内部无大中型水库等控制性工程，只需要考虑概化水源工程。概化水源工程按照计算分区进行兴利库容概化，用于本单元水资源调蓄与供水调节。地下水源工程分为浅层地下水、深层承压水两类，分别按照用水分区进行划分概化。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”只考虑再生水的开发利用。外调水是涡河流域水资源配置、水量调度工作中举足轻重的一部分供水水源，主要包括引黄、引江济淮水量。外调水作为计算单元水资源配置的补充水源，仅当本地地表、地下、其他水源不够的时候，才采用外调水补充本地，相关配置水量主要依据引江济淮规划文件、涡河流域水量分配方案、河南省涡河流域水量分配方案中外调水水源水量配置成果。

2.3 水力联系概化

由于天然条件下水资源的时空分布不能满足需水要求，从而需要建立水利工程进行水资源在时间和空间上的调配。供水工程主要类型有：蓄水工程、引水工程、地表提水工程、输水工程等。水源与分区分类型用户之间，通过各种供水工程相联系。按照供水工程、概化用户在流域水系上和自然地理上的拓扑关系，把水源与用户连接起来，形成系统网络图。系统网络图是对真实系统的抽象概化，主要由水资源开发、利用、转化的概化元素构成。概化元素包括计算单元、水利工程、分汇水节点、以及各种输水通道等。

3 计算单元划分

表1 涡河流域水量调度计算单元基本信息与各单元水力联系概化表

计算单元是划分的最小级别计算分区，是各类资料收集整理的基本单元，也是水资源利用的主体对象；在网络图上用长方形框表示，属于“面”元素。水利工程是网络图上标明的水库及引提水工程等。分汇水节点包括天然节点和人为设置的节点两类，前者是重要河流的交汇点或分水点，后者主要是对水量水质有特殊要求或希望掌握的控制断面，在网络图上属于“点”元素。输水通道是对不同类别输水途径的概化，包括河流水系，水利工程到计算单元的供水传递关系，计算单元退水的传递关系、水利工程之间或计算单元之间的联系等，在网络图上属于“线”元素。以概化后的点、线、面元素为基础，构筑天然和人工用水循环系统，动态模拟逐时段多水源向多用户的供水量、耗水量、损失量、排水量及蓄变量过程，实现真实水资源系统的仿真模拟。

计算单元划分需要考虑流域水资源条件的地区差别，流域与行政区域有机结合、保持行政区域和流域分区的统分性、组合性与完整性，并充分考虑水资源管理的要求对研究流域进行分区。根据流域水量分配方案、水量调度方案中确定的考核断面、控制节点情况，考虑到输入、输出成果统计方便性需要结合水资源分区、市级行政分区进行单元划分，同时需要兼顾单元之间水利联系相对简单、模型计算复杂度不至于过高的原则。

涡河流域计算单元的划分，首先考虑涡河干流、惠济河、大沙河、武家河四条主要干支流水系；充分保证水系相对独立性以利于梳理出相对简单的水资源配置网络、利于模型构建；考虑的行政分区主要为市级行政区，辅助以省直管县(鹿邑县)的县域范围、以及部分市管县（如亳州市谯城区、涡阳县），考虑的控制断面主要为涡河流域玄武闸、东孙营闸、付桥闸、大寺闸、涡阳闸以及安溜、黄庄、蒙城等。涡河流域的计算单元划分为18 个单元。各计算单元的基本方位信息见图1，各计算单元基本信息与各单元水力联系概化结果，见表1。

图1 涡河流域计算单元与市级行政区嵌套关系示意图

图2 涡河流域水量调度系统网络概化图

由于涡河流域整体为平原地形，各级行政区、水资源分区之间不具有显著的分水岭等地形边界，因此在市级行政区内部划分多个计算单元时，主要依据水系条件，以直线、线段进行面切割。例如，在商丘市境内，依据其境内存在的惠济河、大沙河、武家河三大河流水系将市境划分为13#商丘—惠济河片、14#商丘—大沙河片、8#商丘—武家河片三个计算单元。

4 构建水资源配置网络

以涡河流域划分的计算单元作为描述资源配置的基本对象，将主要河流水系的主要控制断面作为基本节点，以自然河流或人工渠系作为输水通道，建立各单元内部各水源与用水户之间的供需平衡关系、各单元之间的水量平衡关系，以及用水户与水源之间回归关系，构建涵盖流域供用耗排全流程的流域水资源配置网络见图2。

4.1 计算单元之间水量平衡

流域各计算单元之间的水量平衡关系主要包括相邻单元之间的上下游水力联系以及流域内非相邻单元的调水关系。

上游单元的各类型用水户的退水以及部分地表水退入下游，当该上游单元有多个下游单元或对应下游单元的多个口门时，允许上游单元同时向各下游单元或口门泄水；下游单元承接上游单元的泄水量，当存在多个上游单元时，该下游单元接受的上游来水量应当与下游来水量一致，如该单元存在多个上游单元或上游单元的口门，则允许该单元同时接受上游各单元或口门的来水。

非相邻单元的调水关系是指非相邻的两计算单元之间，通过输水渠道、管道发生调水关系，主要为解决流域内水资源供需不平衡。此类调水关系往往发生在上游具备大型调蓄工程的流域，涡河流域不存在此类调水关系。

4.2 计算单元内部水量平衡

计算单元内部存在各类用水户以及外调水需求，水资源供需关系是建立供水水源与用水户之间的联系。根据供水可能性、不同用水部门对水质(水源类型)的要求，以及各水源水质状况，建立供需关系。流域水资源供需结构复杂，为保证流域水资源整体、全要素模拟模型的通用性，本项目将复杂供需结构进行分解，将计算单元内部水资源供需关系划分成单水源对单用水户、单水源对多用水户、多水源对单用水户三种基本类型，流域内水资源配置系统网络可以由三种基本类型组合而成。

4.3 退水

各用水单元除了从水资源系统中取水之外，还要将退水排入河道。用水与水源之间的回归关系中，农业供水的退水系数根据水资源公报耗水系数确定；城镇生活、工业供水产生的回归水，考虑经过污水处理厂、再生水厂消耗后剩余的水量。各用水户的退水量中，各水源退水量与地表水退水量一起退入河道，参与下游单元的水量调度。

5 结论

水资源系统是一个规模庞大、结构复杂、功能综合、影响因素众多的大系统，涉及社会、经济和生态等多个方面，既以水文循环这样的物理过程为基础，又需要考虑社会经济的发展需求以及环境的维持与改善。本成果所提出的水资源系统概化成果，在兼顾水资源系统的复杂性、概化合理性、成果易用性等前提下，结合现行相关成果的基础上提出了水资源系统概化方法体系，以涡河流域为例，展示了水资源配置网络概化成果，为涡河流域水量调度模型构建提供了重要技术支撑■