基于WAS模型的水资源综合模拟与调配研究

王华 WANG Hua

（河南省豫北水利工程管理局，新乡 453002）

0 引言

水资源配置涉及社会经济发展的方方面面，通过综合协调生态环境保护、社会经济发展等各要素，实现水资源在这些要素之间科学合理的运行[1]。我国总体上是一个水资源匮乏的国家，实现水资源的合理配置，对于整个国家的长远发展至关重要[2]。在最新的“十四五”发展规划纲要中，也明确提及要加强水资源优化配置的能力[3]。因此，开展水资源配置相关研究有着重要的工程意义。

关于水资源配置方面的研究现状，国内外学者主要集中在如下几个方面：其一，水循环模型方面的研究；其二，水资源系统模拟和配置耦合模型方面的研究。这些研究取得了大量的研究成果，对于推动区域水资源优化配置，提高水资源的配置和利用水平，起到了良好的推动作用。但是，这些研究往往没有考虑水循环模型中人的活动对水资源的反馈。实际当中，人的活动以及再生水都对水资源配置有着不可忽视的影响。因此，本文基于水资源综合模拟与调配一体化模型（Water Allocation and Simulation Model，WAS），开展水资源配置的分析，以期为实现更优化的水资源利用提供理论支持。

1 水资源综合模拟与调配模型构建

水资源配置需要以水资源供需分析为基础，开展一系列的水量平衡计算，包含水的供给、水的利用以及水资源供给与利用相结合等3个方面。在水资源的需求方面，首先是合理调整各个产业对水资源的总体需求，根据自身水资源的条件，合理进行产业结构的调整与布局。在水资源的供给方面，则是加强各天然水资源的的管理，并通过工程技术手段进行适当地调节分配。开展流域水量平衡计算，需要根据实际情况对整个流域进行科学的单元划分，然后分别计算各个单元水量平衡关系，再将各个单元进行综合即可。

水资源的模拟则主要包含产流模拟、河流汇流模拟、再生水模拟等相关水资源的模拟。其中，产流模拟主要是根据某个时段的降水产流量，计算一定汇流面积下供水工程的总的来水量。河道汇流模拟则是计算单元本身的产流量、外调水利工程的流入量、单元上游流入量以及单元本身污水退水量。再生水模拟则是计算再生水的产生量、利用量等[4]。

构建水资源综合模拟与调配模型的意义在于模拟水资源输入与输出之间的动态关系，通过适当的调配实现平衡。对于每一个计算单元内部，都对应含产流、河流汇流的水量，同时还有取水与退水的过程；在计算单元之间，考虑单元水资源的循环要考虑内部的来水过程和上游单元的退水过程；考虑多个单元之间的产流水量、河流汇流水量、来水退水过程，结合水资源需求分析进行水资源配置，各个单元配置用水完成后，还要考虑退排水过程。这样一来，就可以实现整个水资源动态的模拟与配置。

2 水资源综合模拟与调配模型分析

2.1 水资源系统的概化处理

开展水资源调配之前，需要对实际的水资源系统进行抽样与概化，使得处理后的水资源系统在保持实际系统主要特征的同时，还能够满足数据模型的技术要求，以此为基础，开展水资源系统的综合模拟。水资源系统的概化处理主要包含两个方面：

图1 水资源综合模拟与调配模型架构图

①确定系统的计算分区，选择分区内涉及的水利工程、划分可利用水源；设置河流系统、可控制节点；划分用户分类，并建立水源之间的源汇关系、用户与水源之间的供求与回归关系等。

②构建水资源系统网络图；利用系统将概化后的水资源系统中的节点连接，使之构成水资源区域系统网络；该系统网络图既能够较为准确地反映出流域水资源系统的主要特征特点，还能够匹配水资源调配模型[5]。

2.2 WAS模型水资源供需分析

2.2.1 水资源供给分析

水资源综合模拟中，供水主要来自于两大类：其一，大型水源工程；如大型的调水工程、大型的引水工程、大型的蓄水工程等。其二，概化的水源工程；将计算分区中的中小型规模的水利工程概化，形成中小型的提水工程、中小型的引水工程、中小型的蓄水工程、地下水工程等。根据不同的水源的特点，系统可自动匹配模型库，使得各类水源能够模型化。这些模型主要包含大型蓄水工程计算模型、中小型蓄水工程计算模型、中小型提水工程计算模型、浅层地下水计算模型、中深层地下水利用计算模型、污水回用计算模型等。供水水源来水过程的计算，大型水库按照实际来水过程；中小型水库按照计算单元来水过程缩放；调水工程则是按照实际调水量确定来水过程。浅层地下水按照多年平均资源量及可开采量控制。

2.2.2 水资源需求分析

将水资源需求划分为农业用水、生态用水、生活需水、工业需水四大类型。其中，农业用水、生态用水主要是保障农村生活需水与维持正常的生态平衡，生态用水则是包含了河道内生态需水、河道外生态需水。生活用水是维持正常的城镇生活、农村生活用水；工业用水则是维持工业及其他产业生产活动需水，包括工业生产、第三产业用水等。

采用规划定额法对需水量进行预测计算。规划定额法需要解决两个关键指标：用水定额、规划水平年相应发展指标。其中，用水定额是根据实际的社会经济发展水平、产业结构现状及发展趋势、节水情况、相似条件城市的用水定额水平等，参考相关部门制定的用水定额标准，综合各类情况制定出各类用水户的用水定额。规划水平年发展指标一般是根据发展规划或经济发展演技成果制定的预测指标结果。将发展指标与用水定额结合，即可得到用水户的需水量。

根据不同用水户的特点，将需水预测模型分为工业需水行业预测模型、生活需水日定额预测模型、农业需水月定额预测模型、生态需水预测模型及需水预测汇总模型等。

2.2.3 水资源供需平衡分析

在模型系统中，最为关键的是处理好水资源的供需平衡，以实现水资源的配置均衡。主要内容包含如下几个方面：①河道水量平衡分析；降水水量经产流与汇流进入到河道，这是河道水量的主要供给来源；一部分水量经取用后消耗，并通过废水排放进入河道；上游河道会流向水库/湖泊，其他的水量会流入下游。同时考虑河道的蒸发与渗漏损失量。②水库/湖泊水量平衡分析；作为陆地径流的调蓄节点，水库/湖泊还是非常关键的供水节点，在模型中，水库/湖泊水量平衡主要考虑上游河道来水、外来调水、人工取水、泄水量等。同时考虑水库/湖泊的蒸发与渗漏损失量。③地下水水量平衡分析；地下水平衡主要包含浅层地下水平衡、中深层地下水平衡。主要考虑地下水的开采量、地下水径流量、地下水蒸发量；中深层地下水平衡还要考虑浅层地下水补充深层地下水的水量。④再生水平衡分析；污水的主要来源为生活用水与工业用水，这些污水经过集中处置后，能够作为一种水资源继续进入到水资源利用的环节当中。再生水平衡要考虑再生水的生产能力、再生水的供给分配、污水废水入河量等。⑤单元水量平衡分析；单元用户的供水量是响应工业、农业、生态、生活用水的总量，体现的是水资源的总体需求。单元水量平衡则要求单元用户的供水量与单元河道供水量、单元水库/湖泊供水量、地下水供水量、再生水供水量、其他供水量之和保持相等。

3 案例分析

河南省是我国最为重要的农业大省之一，处理好河南省水资源系统的模拟与调配问题，对于我国农业发展与民生都具有重要的意义。根据河南省水资源系统的实际情况，划分河南省水资源系统模拟模型计算单元为60个，以便于更好地分析；关键水资源要素为4大主要的流域，分别为淮河流域、黄河流域、长江流域、海河流域；主要的大型水库、湖泊数量约为30个；河南省内配置有大型的南水北调工程；近来来，河南省工业用水循环利用的比例不断提高。根据水资源分布数据、历年水文数据、气象数据、产业数据，开展河南省水资源需求及供给的模拟与配置分析，结果如表1所示。

表1 河南省水资源供需模拟与配置分析

可以看出，2000年以来，河南省总体上处于轻度水资源缺乏的状态，随着南水北调等水利工程的投入使用，以及各个产业水资源利用效率的提升，河南省水资源缺乏的情况有所缓解。各流域的缺水情况也有所不同，海河流域与淮河流域缺水情况相对较重。在水资源调配中，应适当向淮河流域倾斜。

4 结论

随着计算机技术的发展以及水资源配置系统分析方法的提升，使得复杂条件下水资源配置模型的求解更加精确。在理论上，加入更多的约束条件和模型内部关系的条件，能够实现更加满意的计算结果，也能够实现超大规模的水资源宏观规划与调控。本文中，主要研究了水资源模拟相关的产流模拟、河流汇流模拟、再生水模拟模型，以及水资源配置相关的供需关系，分析了河道水量平衡、水库/湖泊水量平衡、地下水水量平衡、再生水水量平衡等，最终实现单元水量平衡分析。以河南省为例，开展了简要的水资源模拟与配置分析，为河南省水资源精细化管理与评价提供了一定的参考。