典型年和长系列年计算方法对水资源配置结果影响实例分析

刘吉祥，袁文龙，康爱卿

(1.黑龙江省庆达水利水电工程有限公司，哈尔滨150080;2.黑龙江省黑河市水务局，黑龙江黑河164300;

3.中国水利水电科学研究院水资源所，北京100038)

1 前言

水资源配置是为保证地区社会经济和生态环境的可持续发展对区域内有限的水资源通过工程或非工程措施在不同用水部门之间实现合理分配［1－2］。建立水资源配置模型，是当前解决水资源供需矛盾最为行之有效有效的手段之一。典型年和长系列年方法是水资源配置模型求解的不同策略，通过模型求解，可以得到不同方案的配置结果。

传统的水资源配置大多采用典型年计算方法，是因为典型年计算简洁、方便，对数据资料的要求较少。近年来，随着水资源配置技术的不断进步，长系列配置技术逐渐发展，已经有成为当前水资源配置计算的主流方法的趋势。长系列方法在一定程度上能够较好的实现水资源配置方案的求解，但是在实际应用中存在求解繁杂、数据依赖性强等问题。而典型年法则需要较少的数据支撑即可以快速简洁的方式得到最终的配置方案。本文通过建立配置模型，对比分析两种方法的配置方案，期望在开展水资源配置工作中因地制宜，选取合理、适当的的方法。

2 水资源配置模型建立

水资源配置模型建立是基于质量守恒定律、遵循水量平衡的基础上，利用目标函数和约束方程对社会经济系统、自然生态系统和水资源系统之间水量的供给与需求进行数学描述［3］。配置目标要实现水量损失最小、经济效益最大和水库蓄放优先等。约束条件则包括社会经济约束、生态环境约束和水资源系统约束，可以划分为水资源循环转化平衡方程及约束条件和供用耗排平衡方程及约束条件。

供水净效益目标函数为:

目标函数:min=–(工业生活缺水罚变量* 权重 +工业生活缺水量*工业生活缺水罚变量*权重 +农业缺水罚变量*权重 +农业缺水量*农业缺水罚变量*权重)–(水库当地水11～3月弃水* 权重 +水库外调水11～3月弃水*权重 +水库当地水4～10月弃水*权重 +水库外调水4～10月弃水*权重)+(时段1水库当地水月末状态 +时段1水库外调水月末状态)* 权重+(时段1水库当地水12月末状态 +时段1水库外调水12月末状态) * 权重+地下水供工业*权重+地下水供农业*权重+保护湖泊罚变量*权重

3 典型年和长系列年

无论是采用典型年还是长系列年进行水资源配置，首先要进行长系列的选择，这是因为典型年方法是根据已有长系列进行排频计算，选择相应的典型年进行计算;而长系列方法则是通过已有长系列构造配置模型所需要的系列进行计算。由于降雨资料在一成程度上相对比较稳定容易获得，本文选取该地1956～2005年降雨资料为长序列。

3.1 典型年法

典型年选择是根据排频选择50%、75%和95%频率下代表年来水过程作为实际的供水数据输入。需水数据根据预测结果利用作物月需水过程进行分配。配置优选只是从选定的典型年和需水预测之间进行优化组合。实际典型年法只能反映某年小区域内具体情况，在大区域内，由于水文气象条件的差异较大，某个单元该年受旱严重，另一单元该年可能不缺水，有余水，也可能洪涝。

3.2 长系列方法

长系列水资源配置求解策略首先要构造需水和供水长系列。在水资源配置中通常以各水平年的需水代表未来时段的需水水平，不同水平年的需水过程可构建出各水平年的长系列需水过程。对于需水系列，由于农业和生态需水受到降雨量影响，因此对于农业和生态需水量的长系列构造是:对于丰水年，选择农业需水保证率较高的需水数据，枯水年对应保证率较低的需水数据，然后根据作物月需水数据进行年内分配，得到规划年农业和生态需水系列数据;生活和工业及三产等需水数据按照年内平均分配，采用固定值。通过长系列转化得到模型所需要的数据格式。对于供水端，则直接引用对应年份的来水量作为供水量输入模型。对于年内、年际之间来水和用水之间的不协调性，则通过水库库容来调节。对于行业用水优先权，采用宽浅破坏式。长系列计算是从多年供水和需水之间通过优化求解来实现多年之间的最优化，可以从多年供需方案之间进行优选。长系列法的主要优点是:可进行多年调节，考虑了来用水年际变化，减少弃水损失;缺点是:要收集大量来用水资料，来用水计算工作量大，而对于中小型工程及引水工程，长系列资料是无法得到的，硬性地要求长系列法，其成果精度也是难以把握的［5，6，7］。

3.3 方法对比

传统的水资源配置常采用代表年作为设计年径流，对于流域来说区内水资源时空分布差异很大，设计径流出现的概率很小，在一定程度上掩盖了流域内相同时间水资源的丰枯变化，径流成果偏于保守。在选择全流域的径流代表年时也会出现与控制断面代表年的不同，从而不能将各断面的径流成果相加，流域及其控制断面的设计年径流的表达比较困难，采用设计径流代表年也难以给定水利工程的初值，不能反映水库年际间的水量调节［8］。

长系列计算可以消除代表年计算难以解决的水利工程初值设定，年际间水量调节、典型年选取的代表性等问题，能客观地反映枯水年水资源的供需状况和耗水状态以及水利工程的调度［7］。目前，我国大多数河流有年以上的径流实测资料和雨量站资料，经还原计算的天然径流系列大多包含了丰平枯水年份，样本的代表性较好，可以作为未来的径流系列，这为长系列模拟分析提供了平台。

设计代表年法与长系列分析法有较大的差别，计算结果也有一定的差距。设计代表年进行水资源配置法的优点:是计算简单概念明确易理解;缺点:是初始条件设置年际间水量调节等存在一定的困难尤其是对于具有多年调节能力大型水库的供水系统而言。长系列分析法计算相对比较复杂，对基础资料的数量和精度要求高，但计算成果符合工程实际，能克服设计代表年法的缺陷。当水库调蓄能力很大时设计代表年法会随着不同的初始库容得到不同的工程建设规模和供水结果，而长系列法的计算结果比较稳定;当水库调蓄能力较小时两者的计算结果差异不大。长系列法充分利用了已有水文资料考虑了枯水段年份对工程建设规模的影响和年际间水量的调节，而设计代表年法却无法做到。

4 具体案例分析

地处西北干旱地区的五家渠市水资源极端短缺。地表径流非常少，只有4 720万m3，且来水主要为当年10月份到次年4月份。年降雨量不足150 mm，降雨对当地水资源量影响非常小，全市主要靠地下水和外调水来保证供水安全。

五家渠市水资源配置以2007年为基准年，2015年近期年，2020年为中期年，2030年为远景年进行配置规划。在分区单元上行政分区为101团、102团、103团和市区、北工业园区、东工业园区。供水配置工程是在现有供水工程的基础上考虑节水工程和现有调水规模全面开通，也即在没有新增外调水情况，五家渠市供水潜力已完全挖掘。五家渠市水资源配置通过选取典型年和长系列年的方法进行核算。长系列时间为1956～2005年。对于典型年的选择，根据五家渠市农业需水保证率的基本要求，1956～2005年中分别选取75%保证率的代表年份作为老龙河来水典型年。针对五家渠市7个计算单元，根据农业灌溉月分配系数分别给出各计算单元长系列逐月需水过程和典型年逐月需水过程。根据不同水平年社会经济发展指标和生态环境保护目标、需水定额，分别给出未来不同水平年7种需水方案，即方案DD(低增长＆低度节水)、方案DZ(中增长＆低度节水)、方案ZD(低增长＆中度节水)、方案ZZ(中增长＆中度节水)、方案ZG(高增长＆中节水)、方案GZ(中度增长＆高度节水)、方案GG(高增长＆高度节水)。通过典型年和长系列年方案配置计算，得到各方案配置结果。部分配置结果见表1。

表1 五家渠市水资源配置结果万m3、%

通过以上配置结果可以看出:

1)利用典型年配置结果明显好于长系列年配置结果，并且随着时间的推移，计算效果更加明显。相比较于长系列计算结果，到2015年利用典型年方法计算综合缺水度降低1%左右，到2030年综合缺水度降低达到2%。

2)通过典型年计算，到2030年五家渠市最少需要新增外调水7 672万m3，同长系列计算，五家渠市2030年最少要新增外调水8 280万m3。根据目前执行外水价，按照0.54元/m3计算，通过长系列计算结果比典型年计算结果多付水费328万元。

另外，通过两种方法对比可知，典型年调算在预测当年丰枯情况下，对年内来水调节较大，可以实现最大程度的水资源利用，减少汛期弃水。长系列年则对年际水量调算能力较大，对年内来水过程调节能力较小。

5 结论

通过以上分析可以看出，在进行五家渠市水资源配置过程中，典型年计算结果更好，分析其原因，主要在于该市主要河流老龙河来水问题。该河来水主要集中在当年的10月到次年4月，而在汛期则是没有来水。通过典型年计算，初始水库库容都是基于死水位作为起调库容，在75%来水频率下，冬季来水可以通过水库蓄存，在供水季节实现供水，更能够反映五家渠市的实际情况。此外，由于五家渠市是干旱区，长年降雨少，河流来水也少，在这种情况下，起调年份初始库容相对较高，因而能够实现汛期大洪水最大可能的截留，提高年内来水的调节力度，实现最大供水量。

综上所述，在开展地区水资源配置过程中要进行长系列年和典型年计算方法适应的选择研究。对于西北干旱地区，特别是对于小流域、小尺度范围内，在降雨对地区水资源总量和需水影响较小的地区，利用典型年方法进行水资源配置更适合。而在大尺度上，水文统计资料较全并且在整个配置体系中有年调节或者多年调节的水徐，采用长序列年法配置结果更合理。

［1］ 许新宜，王浩.华北地区宏观经济水资源规划理论与方法［M］.郑州:黄河水利出版社，1997.

［2］ 杨小柳，刘戈力，甘泓.新疆经济发展与水资源合理配置及承载能力研究.郑州:黄河水利出版社，2003.

［3］ 王志璋.水资源优化配置模型技术与应用研究［D］.北京:中国水利水电科学研究院，2007.

［4］ 谢新民，符传军等.水系规划理论与实践［M］.北京:中国水利水电出版社，1997.

［5］ 魏传江，王浩.区域水资源配置系统网络图［J］.水利学报. 2007，38(9):1103－1108.

［6］ 魏传江.利用水资源配置系统确定供水工程的建设规模［J］.中国水利水电科学研究院学报.2007，5(1):54－58.

［7］ 魏传江.水资源配置中的生态耗水系统分析［J］.中国水利水电科学研究院学报.2006，4(4):282－286.

［8］ 陈斌.水资源综合规划配置阶段若干问题探讨［J］人民珠江. 2006，3:1－3.