WRMM模型复杂水资源罚值系统与操作策略的联系

李承红，姜卉芳，何 英，穆振侠

(新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

WRMM模型是加拿大阿尔伯特省的Water Resource Management Model为基础的水资源配置模型，专家和学者根据新疆的独特地域在WRMM模型中先后加入了河道损失[1]、地下水模块[2]和污水回用模块[3]，使得WRMM模型在水资源管理中运用得越来越广泛，但在使用WRMM模型时，对于罚值和操作策略之间的相互联系并没有表述清楚，也没有形成罚值系统。只有通过罚值，操作策略共同作用形成罚值系统，才能对整个水资源系统进行合理的水资源配置，罚值系统的建立对于WRMM模型的适应性起着决定性作用[1]。

简单水资源系统中仅仅考虑了水库、城镇用水和灌溉用水，没有考虑到天然渠道，多个水库以及多个用水户共同作用的水资源系统。本文建立的复杂水资源系统，包括2个水库，2个天然渠道，1个城市用水，1个农村用水和1个灌溉用水，通过3种情景模拟，改变操作策略、罚值，建立不同的罚值系统。

1 WRMM模型简介

1.1 WRMM模型结构

WRMM模型的主要包括3个输入文件，分别是灌溉基本数据文件、水文气象数据文件和仿真控制文件，其中仿真控制文件又包括7个子系统，分别是仿真标识符系统、时间控制信息系统、物理系统、罚值系统、需水数据系统、供水数据系统和渠道运移时间系统。

模型运行的关键是物理系统和罚值系统，物理系统是指水资源系统中各个元件之间的联系关系。罚值系统的设置则显得比较复杂，在第三章中罚值系统的建立将会详细说明。

WRMM模型的输出文件主要有仿真理想文件和仿真输出文件，仿真理想文件是在水资源充足的情况下，满足所有用水户的要求；仿真输出文件是在当下水平年的情况下，根据罚值系统的建立，可能出现个别用户用水得不到满足，即在缺水情况下的水资源配置结果，在实际来水情况符合理想情况时，仿真理想文件和仿真输出文件的输出结果相同。WRMM模型系统图，见图1。

图1 WRMM模型系统图Fig.1 System diagram of WRMM model

1.2 WRMM模型功能

WRMM模型可对整个流域进行水资源配置，主要有4个功能：①利用模型的仿真输出文件(OUTSIM)可以模拟流域现状罚值系统下的水资源配置结果对于缺水年份，造成部分水资源系统元件无供水量；②利用模型的仿真理想文件(OUTID)可以模拟流域多年来水情况下所有系统元件均达到理想条件的供水情况；③WRMM模型共有12个系统元件，当研究区域系统元件缺水时，可忽略缺失系统元件，进行现有系统元件的水资源配置；④利用WRMM模型中罚值系统和操作策略之间的关系，自主定义不同系统元件的供水优先序，可进行多种罚值系统的水资源配置分析。

1.3 WRMM模型说明

(1)罚值。WRMM模型中每一个元件的供水优先序是通过设置罚值大小来表示的，单独的数值的大小不能表现供水优先序，只能通过完整的水资源罚值系统，才具有表达供水优先序的意义。

(2)元件。WRMM模型中的元件是指在水资源系统出现的所有的组成，包括水库、水电站、泄水建筑物、河流、渠道、少量耗水、大量耗水以及灌溉用水。若所研究区域没有某一个系统元件，省略该元件，不影响模型运行。

(3)操作策略。WRMM模型中的操作策略是指决策者对于水资源各个系统元件之间的供水先后顺序的自主定义，即各个元件优先供水的定义。

(4)理想区域。WRMM模型中的理想区域是对于水资源系统元件达到决策者预期结果的定义，例如水库的理想区域是规则曲线，即是正常来水情况下的兴利库容对应的正常高水位；灌区的理想区域是达到灌区的需水要求，城镇用水的理想区域是满足用户的需水量，达到供水保证率。

(5)松弛区域。WRMM模型中的松弛区域是指理想区域的偏离程度。不同系统原件对应不同的松弛区域，例如防洪和兴利综合调度的水库，水库的调度曲线可以分为正常高水位线、防破坏线、限制洪水线、防洪调度线、死水位线，以上5条线构成了防洪水库偏离理想区域的4个松弛区域。

2 罚值与操作策略之间的联系

在WRMM模型中，每一个元件都定义了一个理想水平或者理想区域，用来表示理想的操作状态，额外的水平或者区域被定义为偏离理想操作状态，表现为高于或者低于的理想状态。用户可以定义罚值来定义优先序，来协调整个模拟系统的操作策略。各元件定义的操作策略见表1。本文主要包括了水库，灌区，大量耗水(城市用水和农村用水)，天然渠道。

表1 WRMM模型中各元件的操作策略Tab.1 The operating policy of each component in WRMM model

3 复杂水资源系统的罚值与操作策略

水资源系统元件中，包括水库，灌区，大量耗水(城镇用水，工业用水等)，水电站，天然渠道，分水渠道，人工渠道。每一个元件都有其简化描述[4-8]，见表2。

综上所述，想要做好一个教师，首先就要具备良好的职业道德，也就是师德。在与学生培养了基本的感情之后，积极与学生打成一片，让学生感受到自己的关爱，面对犯错误的学生教师也要做到正确对待。

在情景模拟中，充分考虑水库，灌区，大量耗水，天然渠道以及人工渠道系统元件，建立复杂水资源系统，其水资源系统概化图，见图2。

如图2所示，水资源系统概化图包括了2个水库，2段天然河道，城市用水，灌区用水以及农村用水，详细代码见表3。

水库1 为多年调节水库，总共分为6个区域，分别是泄洪区、洪水控制区、第一个松弛区域、第二个松弛区域、第三个松弛区域及第四个松弛区域；天然渠道1，分为4个区域，分别是洪水破坏去、第一个松弛区域、第二个松弛区域及第三个松弛区域；城市用水，分为2个区域，分别是第一个松弛区域及第二个松弛区域；天然渠道2，分为4个区域，分别是洪水破坏去、第一个松弛区域、第二个松弛区域及第三个松弛区域；水库2，总共分为5个区域，分别是洪水控制区、第一个松弛区域、第二个松弛区域、第三个松弛区域及第四个松弛区域；灌溉用水，分为3个区域，分别是第一个松弛区域、第二个松弛区域及第三个松弛区域；农村用水，分为3个区域，分别是第一个松弛区域、第二个松弛区域及第三个松弛区域。在供水充足的情况下，各个用户均达到理想供水，理想操作规则见表4。

操作策略与罚值之间的关系，主要取决于各个元件之间的供水先后顺序；每一个元件是否进入到下一个松弛区域，取决于操作策略中是否将元件的缺水情况降低到下一个松弛阶段，如果不降低元件需水要求，其元件的罚值应该大于其他元件罚值。通过不同情景下罚值，说明罚值、罚值系统和操作策略之间的关系。在罚值系统生成时，为了能够充分考虑各个系统元件之间的相互影响，除了水库在进入第一个松弛阶段的罚值为1，其余罚值设置均采用相对大小相差5，便于表示各个元件操作策略与罚值之间的联系。

图2 水资源系统概化图Fig.2 Generalized network diagram

名称入流节点天然河道1天然河道1水库1水库2分流节点城市用水灌溉用水农村用水代码100101102201202400501502503

表4 理想操作规则Tab.4 The ideal operating rules

3.1 情景1罚值系统的建立

情景1 城市用水重要性>农村用水重要性>灌溉用水重要性，罚值系统与操作策略的关系，见表5。

由表5可知，水库1的罚值为1,5,25,105；天然渠道1的罚值为5,30,90；城市用水的罚值为60,100；天然渠道2的罚值为10,35,65；水库2的罚值为15,40,70,85；灌溉用水的罚值为20,45,75；农村用水的罚值为50,80,95。当水资源系统出现供水不足时，水库1首先进入第一个松弛区域，然后是天然渠道1进入到第一个松弛阶段，当缺水程度为3时，按照越先被列出来，优先序越小的原则，应该是城市用水进入到第一个松弛区域，不符合操作策略中重要性的排序，通过改变罚值的相对大小，改变城市用水的优先序，所以在缺水程度为3时，天然渠道2进入第一个松弛区域。

在缺水程度为5时，此时除了城市用水和农村用水在理想需水状态以外，其他所有系统元件均进入第一个松弛阶段，通过操作策略的调整，因此在缺水程度为6时，水库1进入到第二个松弛区域，其余系统元件陆续进入第二个松弛区域。直到缺水程度为11时，农村用水进入到第一个松弛阶段，此时城市用水仍然是理想需水状态。在缺水程度为13时，城市用水进入到第一个松弛区域。

3.2 情景2罚值系统的建立

情景2 城市用水的重要性完全高于农村用水和灌溉用水，罚值系统与操作策略的关系，见表6。

表5 情景1 罚值系统Tab.5 Scenario 1 penalty value of water resources system

表6 情景2 罚值系统Tab.6 Scenario 2 penalty value of water resources system

由表6可知，水库1的罚值为1,30,100,105；天然渠道1的罚值为5,35,90；城市用水的罚值为85,95；天然渠道2的罚值为10,40,60；水库2的罚值为15,45,65,80；灌溉用水的罚值为20,50,70；农村用水的罚值为25,55,75。当水资源系统出现供水不足时，缺水程度为1～2时，水库1首先进入第一个松弛区域，然后是天然渠道1进入到第一个松弛阶段，当缺水程度为3时，按照越先被列出来，优先序越小的原则，应该是城市用水进入到第一个松弛区域，不符合操作策略中重要性的排序，通过改变罚值的相对大小，改变城市用水的优先序，所以在缺水程度为3时，天然渠道2进入第一个松弛区域，一次是水库2、灌溉用水和农村用水进入到第一个松弛阶段。当缺水程度为17时，天然渠道2 、水库2、灌溉用水和农村用水，4个系统元件均进到分区的最后一个松弛区域。当缺水程度为18时，城市用水首先进入到第一个松弛区域，天然渠道2 、水库2、灌溉用水和农村用水均已经达到松弛区域底部，对操作策略不再产生影响，在此缺水程度下，主要是水库1，天然渠道2和城市用水。

当缺水程度为20时，城市用水进入第二个松弛阶段，城市用水进入分区的底部，对操作策略不再产生影响。缺水程度不断增加，水库1依次进入松弛区域，直到最终进入第一个松弛区域底部，整个操作策略完成，生成罚值系统。

3.3 情景3罚值系统的建立

情景3 城市用水与农村用水的重要性相同，罚值系统与操作策略的关系，见表7。

表7 情景3 罚值系统Tab.7 Scenario 3 penalty value of water resources system

由表7可知，水库1的罚值为1,30,90,95；天然渠道1的罚值为5,35,85；城市用水的罚值为25,55；天然渠道2的罚值为10,40,60；水库2的罚值为15,45,65,80；灌溉用水的罚值为20,50,70；农村用水的罚值为25,55,75。

当缺水程度为1～2时，水库1和天然渠道1依次进入到第一个松弛阶段；当缺水程度为3时，当缺水程度为3时，按照越先被列出来，优先序越小的原则，应该是城市用水进入到第一个松弛区域，不符合操作策略中重要性的排序，通过改变罚值的相对大小，改变城市用水的优先序，所以在缺水程度为3时，天然渠道2进入第一个松弛区域，一次是水库2、灌溉用水进入到第一个松弛阶段。在缺水程度为1～5时，城市用水和农村用水均达到理想需水要求。

当缺水程度为6时，城市用水和农村用水同时进入第一个松弛区域，满足操作策略中，城市用水和农村用水重要性相同的要求。当缺水程度为7～11时，水库1、天然渠道1、天然渠道2、水库2以及灌溉用水依次进入第二个松弛区域，此时城市用水和农村用水仍然在第一个松弛区域 。

当缺水程度为12时，城市用水和农村用水进入到第二个松弛区域，随着缺水程度不断加深，其余系统元件依稀进入相应的区域底部。由于农村用水共分了3操作区域，城市用水共分了2个操作区域，当缺水程度为16时，农村用水进入第三个松弛区域，城市用水和农村用水均已达到分区底部，完成城市用水和农村用水的罚值生成。直到系统所有元件达到分区底部，整个操作策略完成，生成罚值系统。

4 结 语

通过3种情景模拟，考虑不同水资源系统元件的供水优先序，不同的操作策略建立不同的罚值系统。不同的操作策略致使供水优先序发生变，罚值也随之变化，建立起来的罚值系统才能符合操作策略的需求。不同情景下，某一个元件的罚值可能没有发生变化，例如在情景2和情景3的罚值系统中，天然渠道2的罚值没有发生变化，但整个罚值系统相差却比较大，证明单个元件罚值的大小，没有任何意义，将所有元件的罚值联系在一起形成的罚值系统才能对水资源配置起调配作用。在不同情景下，城市用水的重要性一旦发生变化，例如在情景1中，城市用水的罚值为60,100，在情景2中的罚值为85,95，在情景3中的罚值为25,55。不同的罚值设置是为了达到不同的供水优先序。罚值系统发生变，造成整个水资源系统的配置发生改变。

操作策略的体现，在于供水优先序，供水优先序的决定取决于罚值的相对大小，罚值越大，系统元件越优先供水，也越不容易偏离理想水平。

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