一种量质双控的水资源模拟与调控方法

本发明涉及水资源调控，具体是一种量质双控的水资源模拟与调控方法。

背景技术：

1、全球极端枯水事件多发，经济社会与生态需水增加，产业聚集区部分河段水污染问题严重，导致流域/区域存在不同程度的水资源短缺问题。建立水资源刚性约束制度，落实水资源“三条红线”管理要求，引导推动经济社会发展量水而行，成为实现我国经济社会高质量发展的重要保障之一。为了将用水总量控制红线、用水效率控制红线和水功能区限制纳污红线等水资源“三条红线”落实到水资源模拟与调控实践中，需要确定水资源“三条红线”管理目标并充分体现在流域水资源调控过程。面向量质双控的流域水资源模拟与调控涉及三个问题：一是结合“三条红线”和流域与行政特点对分析单元的划分和确定；二是年度用水总量控制指标和限制纳污指标下流域水资源量质联合模拟与调控技术；三是筛选流域不同区域与行业的水资源调控可行方案的评价方法。针对第一个问题，通常采用水资源系统拓扑关系结构来体现水资源模拟与调控的网络关系，划分分析单元时需要结构水资源管理的目标和需求；针对第二个问题，目前以水量的时空分配为主，实际上具有一定数量且达到一定水质标准的水资源才能满足行业用水需求，用水与排污过程对河流水环境产生相应影响，同时，与工程调度有机结合的水资源调控是指导实际运行调度的有效手段和核心任务；第三个问题，通常将水资源的短缺与空间不均衡作为评价标准，将用水总量控制指标列入约束条件，没有考虑限制纳污指标和用水效率指标在水资源调控中的体现。鉴于此，本发明提出一种量质双控的水资源模拟与调控方法，将径流模拟、水资源分配及工程调控相互融合，从流域角度实现用水区域自然-社会水循环过程的实时互馈模拟和动态响应，实现在不同类型工程对各区域不同行业精细化供水过程，不仅有利于水行政主管理部门对流域/区域水资源刚性约束制度的落实，也是对流域水资源调控方法和技术的丰富和补充。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种量质双控的流域水资源模拟与调控方法，以实现面向水资源“三条红线”管理目标的水资源模拟与调控。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种量质双控的水资源模拟与调控方法，所述方法包括以下步骤；

4、采集目标区域水资源“三条红线”管理目标及相关基础数据，所述基础数据包括水文水资源、污染物浓度以及水利工程数据；

5、根据目标区域水资源管理需求，构建目标区域水资源系统网络关系结构；

6、运用水量平衡方法，计算各个径流区域的天然径流量，所述径流区域可根据雨量站分布按照行政或流域边界划分；

7、基于构建的水资源系统网络关系，结合“自然-社会”二者之间水量互馈作用关系，建立各单位取耗排水与天然来水动态平衡的模拟方法；

8、根据所述基础数据，结合污染物排放过程，建立河湖污染物浓度模拟方法；

9、基于所述各单位取耗排水与天然来水动态平衡的模拟方法和河湖污染物浓度模拟方法，嵌套水工程调控规则，构建流域水资源量质模拟与调控方法；

10、考虑“三条红线”管理目标要求，提出量质双控的水资源模拟与调控方法。

11、作为本发明进一步的技术方案，所述根据目标区域水资源管理需求，构建目标区域水资源系统网络关系结构的步骤包括：

12、根据目标区域水资源管理需求，将目标区域水资源系统划分为供水单元、排水单元、河道外用水单元以及河道内用水单元，通过输水系统、天然河网以及退排水系统相互连接，构建水资源系统网络关系结构；

13、其中，供水单元取水口选择河道中重要水库、引提水工程集中区或水功能区开发利用区，从上游向下游依次划分，概化为位于河道或水库供蓄引提工程取水位置的点元素；

14、排水单元退水口选择河道中排污口集中断面或水功能区开发利用区，概化为位于河道的用水单元退排水位置的点元素，供水单元和排水单元可相互嵌套、相互重叠；

15、河道外用水单元考虑生活和工业聚集及农田分布的地理位置，按行政分区套水资源分区概化为位于河道外的点元素，也可按生活、工业、农田灌溉和生态环境等用水类型概化；

16、河道内用水单元选择河道重要生态控制断面、行政分区的交界断面，概化为位于河道或水库的点元素，该类单元只需保证所需的流量和水质要求，没有耗水过程和污染负荷产生。

17、作为本发明进一步的技术方案，所述运用水量平衡方法，计算各个径流区域的天然径流量的步骤包括：

18、根据目标区域雨量站的分布划分径流区域，运用vwbm水量平衡方法计算区域的天然径流量，计算各径流模拟单元的自产水量；

19、基于实测数据运用sce-ua算法对vwbm模型参数迭代调整；

20、“自然-社会”二元水循环过程中的社会经济供用耗排过程增加了目标区域的实际蒸发量，将社会经济耗水量增加至实际蒸发量，实时映射至相应时段自然水循环过程，实现水资源系统动态互馈变化；

21、；

22、式中，e(t)和pet(t)分别为实际蒸发量和潜在蒸发量；w(t)为由降水量和土壤含水量计算获得的水量；qc(t)为社会经济供用耗排过程增加的实际蒸发量。

23、作为本发明进一步的技术方案，所述基于构建的水资源系统网络关系，结合“自然-社会”二者之间水量互馈作用关系，建立建目标区域取耗排水与天然来水动态平衡模拟方法的步骤包括：

24、基于构建的水资源系统网络关系，结合“自然-社会”二者之间水量互馈作用关系，建立各单位取耗排水与天然来水动态平衡的模拟方法；上游供水单元的出境水量与退至本级排水单元水量之和构成下游供水单元的入境水量，通过连接单元之间水的传输关系，构成了考虑了社会取排水影响的河流径流过程；

25、以天然降水量、蒸发量计算各时段供水单元的自产水量，结合上游单元出境水量计算本供水单元的水资源量，根据河段径流过程和重要断面适宜生态需水要求，利用水量平衡分析供水单元的可供水量；

26、以生活、工业、农田灌溉及生态的量质要求计算供水单元分质供水量，通过供输水线路进入用水单元各用水户；

27、以生活、工业、农田灌溉及生态耗水情况估算用水单元的排水量，通过污水处理设施或退排水线路进入排水单元，再退入河流水系成为下游单元的入境水量。

28、作为本发明进一步的技术方案，所述基于构建的水资源系统网络关系，结合“自然-社会”二者之间水量互馈作用关系，建立各单位取耗排水与天然来水动态平衡的模拟方法的步骤包括：

29、供水单元考虑过境水量、自产水量与不同工程取水量之间的平衡关系，在时段t时供水单元i的水量平衡公式如下：

30、；

31、排水单元考虑过境水量、自产水量与不同行业排水量之间的平衡关系，在时段t时排水单元j的水量平衡公式如下：

32、；

33、用水单元考虑用水户供用耗排水之间的平衡关系，在时段t时用水单元k的水量平衡公式如下：

34、；

35、其中：；

36、；

37、；

38、；

39、式中，、分别为供水/排水单元下泄水量和上游来水量；为供水/排水单元的自产水量；为供水/排水单元的损失水量；为分析单元的蓄变量，即时段初与时段末的蓄水量变化，一般供水单元为水库时考虑；为供水单元的总供水量，分为水库供水、引水供水、提水供水、地下水开采供水以及非常规水供水；为用水单元的总用水量，分为生活用水、工业用水、农田灌溉用水和河道外生态用水；为用水单元的总耗水量，分为生活工业耗水和农田灌溉生态耗水；为用水单元的总排水量，分为点源排水和农田灌溉排水。

40、作为本发明进一步的技术方案，所述根据所述基础数据，结合污染物排放过程，建立河湖污染物浓度模拟方法的步骤中，基于生活、工业和农田灌溉的用水量，分析用水单元相应时段的污染物排放量，其中，生活和工业污染物排放量通过用水量推算，而农田灌溉的面源污染采用灌溉面积推算，公式如下：

41、；

42、；

43、式中，为城镇生活或工业污染物排放量；为农田灌溉面源污染量；为点源污染物浓度量；、分别为面源污染物浓度和农田灌溉面积；

44、根据河流污染物本底情况和河段径流过程，利用河流或湖库水质模拟模型，分析河流控制断面污染物负荷变化并评价水质状况。

45、作为本发明进一步的技术方案，所述基于所述各单位取耗排水与天然来水动态平衡的模拟方法和河湖污染物浓度模拟方法，嵌套水工程调控规则，构建流域水资源量质模拟与调控方法的步骤中，所述水工程包括引提水工程和水库工程，引提水工程的引提水调控能力取决于工程的引提水能力，水库工程取决于实际调蓄能力，在时段t时水库n的调控过程计算公式如下：

46、；

47、式中，、为水库入库和下泄水量；为水库库区的自产水量；为水库供给用水单元的调控水量；为水库库区的损失水量。

48、作为本发明进一步的技术方案，所述考虑“三条红线”管理目标要求，提出量质双控的水资源模拟与调控方法的步骤指的是：根据目标区域水资源“三条红线”管理目标要求，考虑不同用水行业最低供水保障程度要求，通过适度缺水、削减排污、工程调度等方面拟定水资源调控可行方案，运用水资源量质模拟与调控方法对比分析调控的实际效果，以缺水程度为调控目标，建立了量质双控的水资源模拟与调控方法，进一步包括：

49、从流域干支流源头开始模拟流域径流过程，结合蓄引提工程调控能力分析可调控水量，根据工程供水及行业用水优先次序等调控规则供给流域用水行业水量，将社会经济供用耗排水过程实时反馈给河道汇流过程；

50、考虑分质供水分析用水单元的实际调控水量，通过排水单元向河道径流过程提供排污信息，采用相互迭代确定重要断面的水质状况；

51、模拟下一计算单元的水资源量质实时变化，以及相应的水资源调控水量，直至流域最后一个计算单元，以此往复下一计算时段直到结束获得全时段的流域量质双控的水资源调控方案；

52、比较模拟结果与用水总量控制目标、限制纳污控制目标，达到预设条件时减少用水总量和削减污染物入河总量，减少用水总量采用的措施包括提高用水效率和适度缺水，削减污染物入河总量的措施包括提高用水效率和污水处理水平。

53、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

54、本发明根据水资源管理的实际要求，构建自然径流过程与社会取排水过程相融合的流域水资源量质联合模拟过程，以实现经济社会、生态环境供需水的空间均衡为目标，考虑水资源“三条红线”管理目标，同时嵌套水利工程调控规则，建立了量质双控的流域水资源模拟与调控方法。本发明具有较强的物理机理，充分结合了水资源“三条红线”管理要求，能够很好地反映流域水资源量质互馈过程和工程的实际调控方式，实现水资源配置与工程调控相互关联和映射，为流域行业取用水量控制和污染物削减等水资源管理工作提供了更客观、更具体的操作依据，也为流域水利工程实际运行和管理工作提供了有效的技术支撑。