基于水量平衡的高效节水潜力计算

张 红

(新疆乌苏市水利局，新疆 乌苏 833000)

水量平衡严格遵守质量守恒定律的变化规则，通过计算水资源数量或质量的方式，对某地区的水文现象及水文过程进行深入分析。这种计算规则要求参与水循环的水体数量，在任意给定时间或地域空间内，始终保持连续的相变关系，即水资源数量总是维持收支平衡状态。在水量平衡概念的影响下，可将节水潜力表示为某个固定用水单位在社会经济条件发生改变情况下，能够节约的最大水资源量[1]。以往，我国相关单位利用节水评价指标，确定回归水的重复利用效率，再通过衡量水平衡要素的方式，建立地区节水潜力的计算公式。这种方法虽然充分考虑了回归水指标的利用效率，但在水平衡数据收集过程中不能清晰体现节水指标的波动幅度，易造成节水潜力计算结果出现偏差。为避免上述情况的发生，引入水量平衡相关概念，并通过节水指标重新定义的方式，建立一种新型高效节水潜力计算方法。对比实验结果显示，这种新型计算方法有较强的应用价值。

1 基于水量平衡的需水量预测

它是新型潜力计算方法的搭建基础，在需水系统划分等流程的支持下，具体预测方法可按如下步骤进行。

1.1 需水系统划分

需水系统作为水循环的重要组成环节，包含水载体、水工程、水管理机构等多个基本调节模块。需水系统中循环的水体分为天然水和社会水两种，且各组成模块间同时存在相互依赖和相互作用两种制约关系。天然水主要包含降水、蒸发两个组成单元，在不考虑影响因素的条件下，需水系统中的天然水成分几乎不存在任何不平衡问题。社会水包含生活用水中的供水、用水、排水、回收利用等多个组成部分，通常以人工能量作为水体流通的主要推动力。具体需水系统结构划分结果如图1所示。

图1 需水系统结构划分效果图

1.2 需水系统特征分析

需水系统特征是描述水汽输送、地表底下径流情况等环节水体消耗总量的重要物理量。因自然界水循环的存在，水分子始终处于不停息的运动状态，使得需水系统成为一个巨大的动态系统。受季节、温度、空气湿度等条件的影响，需水系统水资源总量呈现阶段性变化趋势。随着水体循环的不断进行，地表形成了形态不一的湿润区、干旱区，且年降水量、年蒸发量等数据都对地区需水系统的特征产生影响[2- 3]。设m代表需水系统的运动状态参数，x代表外界条件影响因子，利用m和x可将需水系统的特征分析结果表示为：

(1)

式中，c—需水系统的动态调节下限参数；v—需水系统的动态调节上限参数；g—水体循环系数，k—水分子的运动条件误差因子；l—水资源总量的实部参数。

1.3 水量平衡关系的确定

节水潜力计算公式的确定以水量平衡关系获取作为基础环节，并通过消耗水量分析的方式，完成对该区域内水体总量的统筹分析。在给定的均衡周期内，需水系统中水体总量的变化情况，主要受到大气圈降水情况的影响，且随着地表水体蒸腾作用程度的逐渐增加，大气圈降水增量也呈现大幅增加的变化趋势。水量平衡关系作为影响节水潜力计算结果的关键指标，与大气降水总量始终维持正向相关的变化趋势。设ξ代表地表水体蒸腾作用强度，σ代表大气圈降水总量，联立式(1)可将水量平衡关系表示为：

(2)

式中，s—消耗水量分析参数；d—均衡周期的条件参数；j—水体统筹分析系数；f—水体资源总量的平均变化周期。

2 高效节水潜力计算分析

在需水量预测的基础上，通过节水指标定义、潜力指标简化、计算公式确定三个步骤，完成高效节水潜力的计算分析。

2.1 节水指标定义

节水指标定义为可节约水资源在水体总量中所占比重，即：

(3)

式中，q—节水指标；W1—可节约水资源总量；W—水体总量；η—百分制计算规则。

2.2 潜力指标简化

潜力指标以水量平衡理念作为研究背景，在节水指标的支持下，通过激发地区水体综合利用能力的方式，确定与节水潜力计算结果相关的指标参数。但该项指标参数通常具备多个齐次多项式，不利于后续运算过程。为解决此问题，引入二次回归曲线，对其进行简化约分，并通过回归水量分析的方式，将其结果约分到最简状态[4]。设p代表二次回归曲线的状态参数，y代表回归水量分析条件的存在系数，联立式(3)可将节水潜力指标的简化结果表示为：

(4)

式中，u—齐次多项式的分解权限系数；e—二次回归尺度周期；r—节水潜力指标的回归常数；b—地区水体的综合激发条件初始量；τ—目标潜力指标的幂周期实部；χ—原始潜力指标的幂周期实部。

2.3 高效节水潜力计算公式的确定

高效节水潜力计算公式以简化后的潜力指标和水量平衡关系作为基础变量，并通过确定尺度范围的方式，圈画出在区域范围内可激发的节水潜力极限。设α代表区域范围的横向规划尺度，β代表区域范围的纵向规划尺度，联立式(2)、(4)可将高效节水潜力计算公式表示为：

(5)

式中，o—高效节水潜力计算结果；Z1—横向节水潜力极限条件的定值参数；Z0—纵向节水潜力极限条件的定值参数。整合上述搭建步骤，实现基于水量平衡的高效节水潜力计算。

3 实验结果与分析

为突出说明基于水量平衡新型高效节水潜力计算方法的实用性价值，设计如下对比实验。模拟某地区日常用水情况，分别应用传统计算方法、新型计算方法对该区域内的节水潜力进行计算，其中前者作为对照组、后者作为实验组。在相同的实验时间内，分别记录应用实验组、对照组方法后，节水指标波动幅度的变化趋势。

3.1 实验参数设置

为保证实验结果的真实性，可按照表1对相关实验参数进行设置。

表1中参数依次代表实验时间、水体资源总量、节水指标权限系数，为保证

表1 实验参数设置表

实验的公平性，实验组、对照组实验参数始终保持一致。

3.2 节水指标波动幅度对比

在水体资源总量不超过7.28×109t、节水指标权限系数为0.67的条件下，以30min作为实验时间，分别记录在该段时间内，实验组、对照组节水指标波动幅度的对比情况。具体实验对比情况如图2所示。

图2 节水指标波动幅度对比图

已知标准波动曲线与实际波动曲线间的差值越大，水指标的波动幅度越能得到清晰体现。分析图2可知，实验时间为18min时，实验组实际波动曲线与标准波动曲线的间差值达到最大51.14%；实验时间为12min时，对照组实际波动曲线与标准波动曲线的间差值达到最大26.52%，远低于实验组。综上可知，应用基于水量平衡的高效节水潜力计算方法后，确实能够清晰体现节水指标的波动幅度。

4 结语

节水指标波动幅度既能体现水量平衡技术的约束效力，又能充分展示节水潜力计算方法的应用效果。传统方法在体现指标波动幅度方面存在一定劣势，而新型计算方法针对传统方法的弊端，进行有效改进设计，在水量平衡理论支持下完成节水潜力计算，简化了复杂的数值求取过程，且不需考虑其他因素对计算结果的影响。在应用方面，这种新型计算方法更贴近需水系统的结构划分准则，能够始终贴合节水指标的纵向趋势，具备极强的实用性。未来相关研究机构可以这种新型节水潜力计算公式作为基础，通过不断细化水量平衡理论的约束作用，使得我国基础节水效果达到国际领先水平。