探讨模拟地表水地下水联合调度的演算方法

探讨模拟地表水地下水联合调度的演算方法

作者：魏鸿

来源：《农业与技术》2015年第02期

摘 要：地表水地下水联合调度的模拟演算，是针对生态环境面临的水资源总量不足、地下水开采过度、水污染加剧、水生态环境脆弱等主要问题，采取的综合治理措施的探讨，是对进一步深化认识生态水利，构建生态水利工程体系、资源优化配置体系、社会化节水体系、水环境保护体系、水土流失防治体系等5大体系的建设思路指明方向。本文通过建立模拟模型，分析各种约束条件，进行调试与调度方案选优，确定最优调度方案。 关键词：地表水地下水联合调度模拟模型演算 中图分类号：TV213.9 文献标识码：A 1 系统模拟技术概述

系统模拟（system simulation，或称系统仿真）是根据研究目的建立反映系统结构、行为和功能的数学模型，通过计算机对模型进行求解，得到所模拟系统的有关特性，为系统预测、决策等提供依据。在水资源管理中，模拟方法越来越受到重视，根据不同地区水资源的特点可建立地表水调度模型、地下水调度模型、地表水地下水联合调度模型等。此外，农田灌溉用水在总用水量中占有相当大的比重，还要考虑土壤水与地表水、地下水的相互转化关系。 2 地表水地下水联合调度模拟模型

根据研究问题的特点，地表水、地下水联合调度问题可以用不同的模型来描述，如动态规划、线性规划、大系统优化理论、模拟模型等。对于复杂的地表水、地下水系统，可以通过模拟模型来实现地表水地下水的联合调度。以莱芜市地表水地下水联合调度为例，建立模拟模型进行演算。

当前对各类供水的经济效益缺乏统一的计算，在水量不足时，水源供水量的分配有较强的政策因素。因此拟定的供水目标为：在满足城市与农业供水保证率的前提下，使水资源利用量最大或弃水最少。其中工业和城市生活保证率取95%，农业供水保证率取50%，则目标函数F（x）为：

式中Wu，i，t和Ww，i，t分别为第i子系统第t时段水资源利用量和弃水量；PG和PN分别为城市生活及工业供水保证率和农业供水保证率；M为子系统数；N为计算系列总时段数（N=年数×12月）。 模型的约束条件包括：

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2.1 水库的库容或水位约束

水库在调度运用时应受到库容或水位或约束，即汛期：V死≤V≤≤V限或H死≤H≤H限；非汛期：V死≤V≤≤V兴或H死≤H≤H兴

式中V死和H死分别为水库死库容和死水位；V限和H限分别为水库汛期限制库容和限制水位；V兴和H兴分别为水库兴利库容和兴利水位。 2.2 水库的水量平衡约束

水库水量满足水量平衡方程，在计算时段内即Vj，t+1= Vj，t+Ij，t-Qj，t-Ej，t

式中Vj，t+1和Vj，t分别为第j水库第t+1和第t时段初定蓄水量；Ej，t，Qj，t，Ij，t分别为第j水库第t时段内的蒸发和渗漏损失水量、出流量和入流量。 2.3 地下水源地水量平衡约束

在计算时段内的含水层蓄水变化量等于地下水源地总补给量与总排泄量之差，即△Wk，t=WRk，t-WDk，t

式中：△Wk，t为含水层蓄水变化量，WDk，t和WRk，t分别为第k个地下水源地第t时段内的总排泄量、总补给量。 2.4 供水系统关联约束 Wd-Wg=Wr

式中：Wd为供水系统总需水量；Wg为地下水供水量；Wr为供水量。 2.5 地下水提水能力约束 Wgm≥Wg≥0

式中：Wg为地下水供水量，Wgm为地下水井群的提水能力。 3 模拟调试与调度方案优选

3.1 水库调度区划分、调度线的优选及供水原则

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水库承担城市供水和农业供水2类任务，供水保证率分别为95%、50%，为了使2类供水均达到相应保证率并减少弃水，将水库调节库容划分为以下各区：停止供水区、城市生活及工业供水区、农业限制供水区、正常供水区、调洪区，如图1。 图1 水库调度分区图

图中的4条调度线：兴利蓄水限制线VX、农业供水限制线VN、城市生活及工业供水线VG、停止供水线VO。兴利蓄水限制线VX取兴利库容值（或汛期限制库容值），停止供水线VO取死库容值，需要优选的是VG线和VN线。 3.2 最优调度方案的确定

以水资源利用量最大为目标函数确定最优方案时，应考虑满足生活及工业供水保证率的要求；考虑模型总供水量最大；考虑弃水量最小指标，从而确定水库最优调度方案。 3.3 地下水源地调度分区及开采控制线确定

地下水的开采上限水位ZM的确定应保证作物高产和防止次生土壤盐碱化；开采下限水位ZO的确定应考虑选配的水泵吸程，防止超采，保证地下水资源的持续利用。 3.4 调度原则

根据地表水资源和地下水资源的特点，进一步考虑水库调节能力及各用水户的重要程度，参考供水设施情况，拟定调水原则。水库供水优先顺序为：城市生活用水、工业用水和农业用水；地下水源地的供水顺序为：城市生活用水、工业用水、纯井灌区灌溉用水和井渠双灌区灌溉用水。

4 莱芜市地表水库和地下水源联合调度模拟

莱芜市地表水、地下水供水系统分为2个子系统：雪野子系统和乔店子系统（如图）。雪野子系统供水水源有雪野水库、羊里水源地和吴家岭水源地，用水户有莱城生活、莱芜电厂、莱城电厂、鲁中铁矿、雪野水库灌区和羊里井灌区。乔店子系统供水水源有乔店水库、鹏山泉水源地和莱城地下水源地，用水户有莱城生活和乔店水库灌区。 图2 莱芜市地表水、地下水联合调度系统网络图

根据2座水库和4个地下水源地1985～2005年历年月来水系列、城市生活及工农业历年月需水系列，运用以上模拟模型，按月进行模拟计算，调出2005年及2010年2个水平年的地表水地下水优化调度方案及各项供水量、供水保证率和弃水量等。

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按照拟定的水库优化调度线进行调度，可使供水系统的水资源得到充分利用，减少无效弃水，具有显著的社会效益和经济效益。 5 结 语

地表水地下水联合调度的模拟演算，是针对生态环境面临的水资源总量不足、地下水开采过度、水污染加剧、水生态环境脆弱等主要问题，采取的综合治理措施的探讨，是对进一步深化认识生态水利的4层含义，即人类与生态环境对水资源的共享、经济建设与水生态环境保护兼顾并重、良好水生态对经济社会发展的反哺性和综合治理与恢复，并由此形成了构建生态水利工程体系、资源优化配置体系、社会化节水体系、水环境保护体系、水土流失防治体系等5大体系的建设思路具有重大意义。 参考文献

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