沂河河流需水量与水资源调度研究

李楠

摘 要：通过概化水流模型、水量平衡模型和水资源联合调度模型对沂河流域的来水、需水进行预测，确定出调水量。针对不同来水频率的来水量，基于相应的水量调度模块进行优化调度，以此确定沂河流域水资源调度方案。

关键词：需水量;水资源调度;沂河流域

中图法分类号：TV213.9              文献标志码：A                DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2020.0407

沂河流域水资源较为丰富，但随着经济社会发展，沂河流域的用水量不断增加，从而引发水资源供应不足问题。因此，了解山东沂河流域水资源供需状况，解决水资源供需矛盾迫在眉睫[1]。

1  沂河流域概况

沂河也被称作为沂水，发源于沂源县，是山东省中部地区重要的河流之一，向南流经山东省8个县区，最终流入徐州市，总长度约300 km，其中山东省240km，江苏省40多km。沂河在刘家道口有一个引水口，长约75 km。沂河流域有许多复杂的支流。流域面积约12 000km2，年径流量约35亿m3。[2]

2  模型原理

2.1  流域概化及模型

通过对沂河流域的分析，将沂河流域概化为五个水库、三个用水单元、三个水资源计算分区、化五个汇水区、化元素如下图 1所示。

构建概化数学模型目标函数及其约束条件时，水库调配优先保障生活用水，其次满足河道内生态用水，合理安排工业、农业用水的原则。改水量配置模型中，水库供给城镇生活、工业生产用水的优先级要高于农业灌溉用水。以无定河年取水量的总和为目标函数;以各取水项目取用水地表径流后的河川径流量必须保障河流生态需水量为约束条件;以优先保障生活用水，其次保障河道内的生态需水量，尽可能的供给工业需水和农业需水为配置原则。求解目标函数最大值，即流域内的年最大取水量。具体计算公式如下。

其中：

Z为目标函数，是无定河流域年取水量的总和;

Xj为各个水库向用水户的年供水量;

A为无定河沿河农业灌溉年取水量;

Dk为无定河沿河生活用水年取水量，p为生活用水户最大个数;

Cl为无定河沿河工业用水年取水量，q为工业用水户最大个数;

Wi为为控制断面年径流量，m为设立的控制断面个数;

X损失为控制断面上游水库因蒸发、渗漏造成的年损失水量;

X上游下渗量为控制断面上游水库年下渗损失量;

Wi生态为控制断面上游的年生态需水量;

Xmax为各水库年最大供水量;

Amax为流域农业灌溉用水沿河取水最大值;

Cmax为流域工业需水沿河取水最大量;

Dmax为流域生活用水沿河取水最大值;

W可利用为流域地表水资源最大可利用量.

2.2  水量平衡模型

在满足计算精度基礎上进行水调度时，需要设置不同的节点，如蓄水、取水、退水节点，同时确定出合适的取水路径，基于这些而简化沂河流域水资源系统，在此基础上建立起基于数学语言的简化系统，为其后的模拟分析提供支持[4]。

通过定义节点间的这几种类型节点和水流路径，且进行一定连接而建立起此流域的总体网络图。分析水文演变因素引发的影响，而引入线性规划模式而标定节点和对应的路径参数，建立了沂河流域水资源与水平衡模型[5]。水平衡模型主要用于水流演进过程中回水参数的标定，水平衡模块的总体框架如图2所示。

2.3  水库联合调度模型

水资源调度涉及到各方面因素的影响，可将其看作为一个多种目标决策问题。在研究过程中应从城镇居民用水、工业、农业生产和生态环境等方面考虑，在满足防洪发电目标基础上，使其用水效益尽可能的提升。在实际调度中，根据目标的重要性，调整各需水单位的用水量，优化总体目标。

3  水文条件及需水量

3.1  水文条件

沂河流域降雨量大，且表现出明显的季节性特征。根据相关历史降雨资料可知，20世纪60年代到80年代间，沂河流域的多年平均降雨量约为850mm，对应的径流深327mm，年径流量0.35亿m3。而分析此方面的水文监测资料发现，其年径流量在此阶段的变化范围为8.5～65.9亿m3。此流域的降雨在6月至9月表现出明显的集中性，降雨量占比例达到到全年的65%，相关情况具体如下。

3.2  河流水资源量与需水量

对现有收集到的资料进行对比分析而确定出适宜的模型进行分析，在基础上对沂河流域的需水情况进行准确的计算。确定出此流域相应的年人均用水定额取166.67m3/人。计算临沂市用水单元、徐州市用水单元的生活用水量如下表1。相应的表达式如下所示，其中EW为用水总量;P为人口数;LW为年人均用水量。

对以往的水资源公报相关资料进行统计分析，而确定出此流域的万元工业生产值耗水量为9.48m3/万元。基于已有的数据并通过如下公式预测2019年此流域的用水单元、生活用水量相关情况，且进行一定汇总所得结果如表2。以下表达式中各字符的含义为，RW表示相应的产业用水总量;Sevi为产业生产总值;IR则表示水利用效率。

在研究过程中具体分析往年水资源公报和对应的年鉴数据，而确定出临沂市、淄博市、徐州市沂河流域相应的农业用水定额。在此基础上预测2019年这三个市各用水单元的农业灌溉用水量相关情况，对所得结果进行汇总如表3。可基于如下表达式计算。

在研究时具体分析此流域水资源公报、年鉴相关的资料，且综合考虑到当地工农业发展和人口增长情况，预测其2019年的需水量。对预测的各用水单元用水结果进行统计分析。相应的需水总额约89 434.18万m2，而工业用水占比例为84.8%。总体上分析可知临沂市第二第三产业相对发达，因而对应的工业用水量多，水资源供应紧张问题长期存在，因而很有必要进行合理的水资源利用规划。

4  水量调度方案

根据中长期供水预测，2019年沂河流域最大供水量15.26亿m3。根据《沂河流域水资源配置报告》，考虑到现有工程的供水能力，预测供水量的10%作为河基流量，其余的为地表可供水量。在计算过程中假设水利工程供水量13.734亿m3。基于此方面的规划而确定出此流域的年平均供水量19.66亿m3，50%供水频率20.56亿m3，95%供水频率12.92亿m3。

在对2019年水量预测和需水量分析的基础上，建立了新的月调水方案，并设置了初始水位为正常蓄水位的调水方案。初始水位为正常水位的调水结果，各用水单元的用水保证率见下表4。

沂河流域在每年的3月至5月出现明显的缺水问题。对比分析发现各来水频率下，徐州市用水保障水平明显高于其他两个市，这主要和徐州的取水方式以及供水原则都侧重于生活用水有关。

5  结论

本文在研究中主要选择用水定额方法，进行沂水流域工农业用水和生态用水预测。水资源调度模块在一定的计算结果精度约束基础上，而调度水资源过程中，对沂河的来水、蓄水、取水节点等进行设定，且进行一定的简化而确定出沂河流域的用水数学模型。带入相关数据确定出沂河流域2019年总需水量为89 434.18万m3，为对此年度的水库调度量进行精确预测，而在设置不同来水频率条件下，模拟分析了水库调度情况，结果具有一定参考价值。

參考文献

[1]宋松柏，冯国章，王双银，等.综合利用水库优化调度决策支持系统[J].水科学进展.2002（03）：358-362.

[2]Mays L W，Tung Y K. Hydrosystems engineering and management.[M].1992.

[3]张铭，王丽萍，安有贵，等.水库调度图优化研究[J].武汉大学学报（工学版）.2004（03）：5-7.

[4]金鑫，郝彩莲，王刚，等.供水水库多目标生态调度研究[J].南水北调与水利科技.2015，13（03）：463-467.

[5]郭文献，王艳芳，彭文启，等.水库多目标生态调度研究进展[J].南水北调与水利科技.2016，14（04）：84-90.

[6]郭生练，陈炯宏，刘攀，等.水库群联合优化调度研究进展与展望[J].水科学进展.2010，21（04）：496-503.

[7]Dariane A，Karami F. Deriving Hedging Rules of Multi-Reservoir System by Online Evolving  Neural  Networks[J].  Water  Resources  Management.  2014，28（11）：3651-3665.