典型年和長系列年計(jì)算方法對(duì)水資源配置結(jié)果影響實(shí)例分析

劉吉祥，袁文龍，康愛卿

(1.黑龍江省慶達(dá)水利水電工程有限公司，哈爾濱150080;2.黑龍江省黑河市水務(wù)局，黑龍江黑河164300;

3.中國水利水電科學(xué)研究院水資源所，北京100038)

1 前言

水資源配置是為保證地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展對(duì)區(qū)域內(nèi)有限的水資源通過工程或非工程措施在不同用水部門之間實(shí)現(xiàn)合理分配［1－2］。建立水資源配置模型，是當(dāng)前解決水資源供需矛盾最為行之有效有效的手段之一。典型年和長系列年方法是水資源配置模型求解的不同策略，通過模型求解，可以得到不同方案的配置結(jié)果。

傳統(tǒng)的水資源配置大多采用典型年計(jì)算方法，是因?yàn)榈湫湍暧?jì)算簡潔、方便，對(duì)數(shù)據(jù)資料的要求較少。近年來，隨著水資源配置技術(shù)的不斷進(jìn)步，長系列配置技術(shù)逐漸發(fā)展，已經(jīng)有成為當(dāng)前水資源配置計(jì)算的主流方法的趨勢(shì)。長系列方法在一定程度上能夠較好的實(shí)現(xiàn)水資源配置方案的求解，但是在實(shí)際應(yīng)用中存在求解繁雜、數(shù)據(jù)依賴性強(qiáng)等問題。而典型年法則需要較少的數(shù)據(jù)支撐即可以快速簡潔的方式得到最終的配置方案。本文通過建立配置模型，對(duì)比分析兩種方法的配置方案，期望在開展水資源配置工作中因地制宜，選取合理、適當(dāng)?shù)牡姆椒ā?/p>

2 水資源配置模型建立

水資源配置模型建立是基于質(zhì)量守恒定律、遵循水量平衡的基礎(chǔ)上，利用目標(biāo)函數(shù)和約束方程對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、自然生態(tài)系統(tǒng)和水資源系統(tǒng)之間水量的供給與需求進(jìn)行數(shù)學(xué)描述［3］。配置目標(biāo)要實(shí)現(xiàn)水量損失最小、經(jīng)濟(jì)效益最大和水庫蓄放優(yōu)先等。約束條件則包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)約束、生態(tài)環(huán)境約束和水資源系統(tǒng)約束，可以劃分為水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化平衡方程及約束條件和供用耗排平衡方程及約束條件。

供水凈效益目標(biāo)函數(shù)為:

目標(biāo)函數(shù):min=–(工業(yè)生活缺水罰變量* 權(quán)重 +工業(yè)生活缺水量*工業(yè)生活缺水罰變量*權(quán)重 +農(nóng)業(yè)缺水罰變量*權(quán)重 +農(nóng)業(yè)缺水量*農(nóng)業(yè)缺水罰變量*權(quán)重)–(水庫當(dāng)?shù)厮?1～3月棄水* 權(quán)重 +水庫外調(diào)水11～3月棄水*權(quán)重 +水庫當(dāng)?shù)厮?～10月棄水*權(quán)重 +水庫外調(diào)水4～10月棄水*權(quán)重)+(時(shí)段1水庫當(dāng)?shù)厮履顟B(tài) +時(shí)段1水庫外調(diào)水月末狀態(tài))* 權(quán)重+(時(shí)段1水庫當(dāng)?shù)厮?2月末狀態(tài) +時(shí)段1水庫外調(diào)水12月末狀態(tài)) * 權(quán)重+地下水供工業(yè)*權(quán)重+地下水供農(nóng)業(yè)*權(quán)重+保護(hù)湖泊罰變量*權(quán)重

3 典型年和長系列年

無論是采用典型年還是長系列年進(jìn)行水資源配置，首先要進(jìn)行長系列的選擇，這是因?yàn)榈湫湍攴椒ㄊ歉鶕?jù)已有長系列進(jìn)行排頻計(jì)算，選擇相應(yīng)的典型年進(jìn)行計(jì)算;而長系列方法則是通過已有長系列構(gòu)造配置模型所需要的系列進(jìn)行計(jì)算。由于降雨資料在一成程度上相對(duì)比較穩(wěn)定容易獲得，本文選取該地1956～2005年降雨資料為長序列。

3.1 典型年法

典型年選擇是根據(jù)排頻選擇50%、75%和95%頻率下代表年來水過程作為實(shí)際的供水?dāng)?shù)據(jù)輸入。需水?dāng)?shù)據(jù)根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果利用作物月需水過程進(jìn)行分配。配置優(yōu)選只是從選定的典型年和需水預(yù)測(cè)之間進(jìn)行優(yōu)化組合。實(shí)際典型年法只能反映某年小區(qū)域內(nèi)具體情況，在大區(qū)域內(nèi)，由于水文氣象條件的差異較大，某個(gè)單元該年受旱嚴(yán)重，另一單元該年可能不缺水，有余水，也可能洪澇。

3.2 長系列方法

長系列水資源配置求解策略首先要構(gòu)造需水和供水長系列。在水資源配置中通常以各水平年的需水代表未來時(shí)段的需水水平，不同水平年的需水過程可構(gòu)建出各水平年的長系列需水過程。對(duì)于需水系列，由于農(nóng)業(yè)和生態(tài)需水受到降雨量影響，因此對(duì)于農(nóng)業(yè)和生態(tài)需水量的長系列構(gòu)造是:對(duì)于豐水年，選擇農(nóng)業(yè)需水保證率較高的需水?dāng)?shù)據(jù)，枯水年對(duì)應(yīng)保證率較低的需水?dāng)?shù)據(jù)，然后根據(jù)作物月需水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行年內(nèi)分配，得到規(guī)劃年農(nóng)業(yè)和生態(tài)需水系列數(shù)據(jù);生活和工業(yè)及三產(chǎn)等需水?dāng)?shù)據(jù)按照年內(nèi)平均分配，采用固定值。通過長系列轉(zhuǎn)化得到模型所需要的數(shù)據(jù)格式。對(duì)于供水端，則直接引用對(duì)應(yīng)年份的來水量作為供水量輸入模型。對(duì)于年內(nèi)、年際之間來水和用水之間的不協(xié)調(diào)性，則通過水庫庫容來調(diào)節(jié)。對(duì)于行業(yè)用水優(yōu)先權(quán)，采用寬淺破壞式。長系列計(jì)算是從多年供水和需水之間通過優(yōu)化求解來實(shí)現(xiàn)多年之間的最優(yōu)化，可以從多年供需方案之間進(jìn)行優(yōu)選。長系列法的主要優(yōu)點(diǎn)是:可進(jìn)行多年調(diào)節(jié)，考慮了來用水年際變化，減少棄水損失;缺點(diǎn)是:要收集大量來用水資料，來用水計(jì)算工作量大，而對(duì)于中小型工程及引水工程，長系列資料是無法得到的，硬性地要求長系列法，其成果精度也是難以把握的［5，6，7］。

3.3 方法對(duì)比

傳統(tǒng)的水資源配置常采用代表年作為設(shè)計(jì)年徑流，對(duì)于流域來說區(qū)內(nèi)水資源時(shí)空分布差異很大，設(shè)計(jì)徑流出現(xiàn)的概率很小，在一定程度上掩蓋了流域內(nèi)相同時(shí)間水資源的豐枯變化，徑流成果偏于保守。在選擇全流域的徑流代表年時(shí)也會(huì)出現(xiàn)與控制斷面代表年的不同，從而不能將各斷面的徑流成果相加，流域及其控制斷面的設(shè)計(jì)年徑流的表達(dá)比較困難，采用設(shè)計(jì)徑流代表年也難以給定水利工程的初值，不能反映水庫年際間的水量調(diào)節(jié)［8］。

長系列計(jì)算可以消除代表年計(jì)算難以解決的水利工程初值設(shè)定，年際間水量調(diào)節(jié)、典型年選取的代表性等問題，能客觀地反映枯水年水資源的供需狀況和耗水狀態(tài)以及水利工程的調(diào)度［7］。目前，我國大多數(shù)河流有年以上的徑流實(shí)測(cè)資料和雨量站資料，經(jīng)還原計(jì)算的天然徑流系列大多包含了豐平枯水年份，樣本的代表性較好，可以作為未來的徑流系列，這為長系列模擬分析提供了平臺(tái)。

設(shè)計(jì)代表年法與長系列分析法有較大的差別，計(jì)算結(jié)果也有一定的差距。設(shè)計(jì)代表年進(jìn)行水資源配置法的優(yōu)點(diǎn):是計(jì)算簡單概念明確易理解;缺點(diǎn):是初始條件設(shè)置年際間水量調(diào)節(jié)等存在一定的困難尤其是對(duì)于具有多年調(diào)節(jié)能力大型水庫的供水系統(tǒng)而言。長系列分析法計(jì)算相對(duì)比較復(fù)雜，對(duì)基礎(chǔ)資料的數(shù)量和精度要求高，但計(jì)算成果符合工程實(shí)際，能克服設(shè)計(jì)代表年法的缺陷。當(dāng)水庫調(diào)蓄能力很大時(shí)設(shè)計(jì)代表年法會(huì)隨著不同的初始庫容得到不同的工程建設(shè)規(guī)模和供水結(jié)果，而長系列法的計(jì)算結(jié)果比較穩(wěn)定;當(dāng)水庫調(diào)蓄能力較小時(shí)兩者的計(jì)算結(jié)果差異不大。長系列法充分利用了已有水文資料考慮了枯水段年份對(duì)工程建設(shè)規(guī)模的影響和年際間水量的調(diào)節(jié)，而設(shè)計(jì)代表年法卻無法做到。

4 具體案例分析

地處西北干旱地區(qū)的五家渠市水資源極端短缺。地表徑流非常少，只有4 720萬m3，且來水主要為當(dāng)年10月份到次年4月份。年降雨量不足150 mm，降雨對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源量影響非常小，全市主要靠地下水和外調(diào)水來保證供水安全。

五家渠市水資源配置以2007年為基準(zhǔn)年，2015年近期年，2020年為中期年，2030年為遠(yuǎn)景年進(jìn)行配置規(guī)劃。在分區(qū)單元上行政分區(qū)為101團(tuán)、102團(tuán)、103團(tuán)和市區(qū)、北工業(yè)園區(qū)、東工業(yè)園區(qū)。供水配置工程是在現(xiàn)有供水工程的基礎(chǔ)上考慮節(jié)水工程和現(xiàn)有調(diào)水規(guī)模全面開通，也即在沒有新增外調(diào)水情況，五家渠市供水潛力已完全挖掘。五家渠市水資源配置通過選取典型年和長系列年的方法進(jìn)行核算。長系列時(shí)間為1956～2005年。對(duì)于典型年的選擇，根據(jù)五家渠市農(nóng)業(yè)需水保證率的基本要求，1956～2005年中分別選取75%保證率的代表年份作為老龍河來水典型年。針對(duì)五家渠市7個(gè)計(jì)算單元，根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉月分配系數(shù)分別給出各計(jì)算單元長系列逐月需水過程和典型年逐月需水過程。根據(jù)不同水平年社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)、需水定額，分別給出未來不同水平年7種需水方案，即方案DD(低增長＆低度節(jié)水)、方案DZ(中增長＆低度節(jié)水)、方案ZD(低增長＆中度節(jié)水)、方案ZZ(中增長＆中度節(jié)水)、方案ZG(高增長＆中節(jié)水)、方案GZ(中度增長＆高度節(jié)水)、方案GG(高增長＆高度節(jié)水)。通過典型年和長系列年方案配置計(jì)算，得到各方案配置結(jié)果。部分配置結(jié)果見表1。

表1 五家渠市水資源配置結(jié)果萬m3、%

通過以上配置結(jié)果可以看出:

1)利用典型年配置結(jié)果明顯好于長系列年配置結(jié)果，并且隨著時(shí)間的推移，計(jì)算效果更加明顯。相比較于長系列計(jì)算結(jié)果，到2015年利用典型年方法計(jì)算綜合缺水度降低1%左右，到2030年綜合缺水度降低達(dá)到2%。

2)通過典型年計(jì)算，到2030年五家渠市最少需要新增外調(diào)水7 672萬m3，同長系列計(jì)算，五家渠市2030年最少要新增外調(diào)水8 280萬m3。根據(jù)目前執(zhí)行外水價(jià)，按照0.54元/m3計(jì)算，通過長系列計(jì)算結(jié)果比典型年計(jì)算結(jié)果多付水費(fèi)328萬元。

另外，通過兩種方法對(duì)比可知，典型年調(diào)算在預(yù)測(cè)當(dāng)年豐枯情況下，對(duì)年內(nèi)來水調(diào)節(jié)較大，可以實(shí)現(xiàn)最大程度的水資源利用，減少汛期棄水。長系列年則對(duì)年際水量調(diào)算能力較大，對(duì)年內(nèi)來水過程調(diào)節(jié)能力較小。

5 結(jié)論

通過以上分析可以看出，在進(jìn)行五家渠市水資源配置過程中，典型年計(jì)算結(jié)果更好，分析其原因，主要在于該市主要河流老龍河來水問題。該河來水主要集中在當(dāng)年的10月到次年4月，而在汛期則是沒有來水。通過典型年計(jì)算，初始水庫庫容都是基于死水位作為起調(diào)庫容，在75%來水頻率下，冬季來水可以通過水庫蓄存，在供水季節(jié)實(shí)現(xiàn)供水，更能夠反映五家渠市的實(shí)際情況。此外，由于五家渠市是干旱區(qū)，長年降雨少，河流來水也少，在這種情況下，起調(diào)年份初始庫容相對(duì)較高，因而能夠?qū)崿F(xiàn)汛期大洪水最大可能的截留，提高年內(nèi)來水的調(diào)節(jié)力度，實(shí)現(xiàn)最大供水量。

綜上所述，在開展地區(qū)水資源配置過程中要進(jìn)行長系列年和典型年計(jì)算方法適應(yīng)的選擇研究。對(duì)于西北干旱地區(qū)，特別是對(duì)于小流域、小尺度范圍內(nèi)，在降雨對(duì)地區(qū)水資源總量和需水影響較小的地區(qū)，利用典型年方法進(jìn)行水資源配置更適合。而在大尺度上，水文統(tǒng)計(jì)資料較全并且在整個(gè)配置體系中有年調(diào)節(jié)或者多年調(diào)節(jié)的水徐，采用長序列年法配置結(jié)果更合理。

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