從實(shí)際需要出發(fā)探討并給出了水資源系統及水資源配置模型的基本概念和定義；研究了水資源系統網(wǎng)絡(luò )圖的繪制方法；給出了用該圖概化和表示系統中的需水、水源、工程以及水的運動(dòng)等復雜關(guān)系的方法；從時(shí)間結構和空間結構兩個(gè)方面介紹了全面考慮生活用水、生產(chǎn)用水和生態(tài)環(huán)境用水要求的、系統反映各種水源及工程供水特點(diǎn)的水資源配置模型的建模思路和技巧，給出了模型的基本任務(wù)和主要約束方程。該模型在河南省安陽(yáng)市水資源可持續利用綜合規劃中進(jìn)行了實(shí)際應用，推薦的配置方案合理，計算速度很快。該模型可以應用于大型復雜水資源系統。

　　當前國際上水資源系統規劃的發(fā)展趨勢，一是對水資源系統結構、供求關(guān)系的描述更深入和具體，更多地采用水文長(cháng)系列分析方法；二是從區域社會(huì )、經(jīng)濟、環(huán)境及生態(tài)持續發(fā)展的動(dòng)態(tài)角度研究水資源工程布局與供需平衡。自20世紀80年代初以來(lái)，我國開(kāi)展了一系列大型水資源項目，有力地推動(dòng)了水資源系統分析理論方法和模型技術(shù)的發(fā)展和應用。這些項目所建立的復雜水資源配置模型，主要研究的是如何滿(mǎn)足生活、生產(chǎn)需水要求，沒(méi)有同時(shí)考慮生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的需水要求。

　　本文模型是在中國水利水電科學(xué)研究院研制的水資源配置模型（它反映的因素相對比較全面，在我國應用最廣泛）的基礎上改進(jìn)的，全面考慮了生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的需水要求。

　　1 水資源配置模型的基本概念及水資源系統網(wǎng)絡(luò )圖

　　1.1 水資源系統及水資源配置模型的概念

　　1.1.1 水資源系統的定義《中國資源百科全書(shū)》（2000年）對水資源系統的定義是：在一定區域內由可為人類(lèi)利用的各種形態(tài)的水所構成的統一體。顯然這一定義是局限于水的范疇定義的。本文從實(shí)際需要出發(fā)，給出水資源系統的如下定義：在一定區域內由可為人類(lèi)及生態(tài)環(huán)境利用的各種形態(tài)的水以及與水存在、運動(dòng)、演變有關(guān)的物體和社會(huì )所構成的系統。

　　1.1.2 水資源配置模型的定義本文對水資源配置模型的定義是：針對以供水為主要目的的水資源系統，以系統分析理論、運籌學(xué)方法、知識規則、邏輯推理等為技術(shù)基礎，對各種工程措施和非工程措施進(jìn)行適當組合和合理的聯(lián)合調度運用，以追求系統整體的可持續利用功能最優(yōu)為目標的計算機模型。

　　該定義有幾個(gè)要點(diǎn)：首先，水資源配置模型是計算機模型而不是物理模型，其主要用途是合理地安排和調度水資源開(kāi)發(fā)利用的工程措施和非工程措施，配置水資源，使水資源系統的可持續利用功能最優(yōu)。第二，分析的問(wèn)題可以是規劃階段的問(wèn)題，其重點(diǎn)是進(jìn)行多種水利工程措施和非工程措施組合方案的分析比較，推薦出合理的水利工程布局；也可以是運行管理階段的問(wèn)題，其重點(diǎn)是在已有水資源系統條件下合理地調度各種水源和工程使其發(fā)揮最大效益。第三，對“水資源系統整體的可持續利用功能最優(yōu)為目標”要廣義地理解，充分體現實(shí)際需要和現實(shí)可行性。

　　1.2 水資源系統概化及系統網(wǎng)絡(luò )圖建立水資源配置模型需要先對實(shí)際水資源系統進(jìn)行抽象和概化，并繪制系統網(wǎng)絡(luò )圖。水資源配置模型可概化由五部分構成：①基本物理元素（集合）；②各物理元素量度數據（參數及變量）；③物理元素之間的相互關(guān)系（約束條件）和系統協(xié)調準則（調度規則和目標函數）；④解決問(wèn)題的方法；⑤各物理元素在此基礎上所處的狀態(tài)（結果）。

　　水資源系統中各類(lèi)物理元素（水庫工程、攔河閘、引水工程或揚水站、水資源計算單元、河渠道交匯點(diǎn)等）概化為節點(diǎn)，各結點(diǎn)間通過(guò)線(xiàn)段（河道或渠道等）連接，形成水資源系統概化網(wǎng)絡(luò )圖。在平面上不方便表示地下水庫，則假定每個(gè)計算單元都有一個(gè)地下水庫，統一不在網(wǎng)絡(luò )圖中標出。如果某單元實(shí)際上沒(méi)有地下水，則可令其地下水庫的庫容和水量為零。水資源配置系統方案的生成以及對每一方案的詳細供需平衡分析及流域水循環(huán)分析等都以水資源系統網(wǎng)絡(luò )圖為基礎。凡是圖上標明的水利工程、分區、河流及控制點(diǎn)或斷面的有關(guān)問(wèn)題，模型就能夠給出詳細的分析結果；如果圖上沒(méi)有，一般來(lái)說(shuō)模型就不能給出具體結果。

　　2 水資源配置模型

　　2.1 建模的基本思路在水資源系統描述方面，該模型以系統網(wǎng)絡(luò )圖為基礎，采用了多水源（地表水、地下水、外調水及污水處理回用水）、多工程（蓄水工程、引水工程、提水工程、污水處理工程以及閘堰湖泊洼淀等）、多傳輸系統（包括當地地表水傳輸系統、外調水傳輸系統、棄水污水傳輸系統和地下水的側滲補給與排泄系統）的描述法，使系統中的各種水源、水量在各處的調蓄情況及來(lái)去關(guān)系都能夠得到客觀(guān)的、清晰的描述，為得到正確結果打基礎。

　　從模型的空間結構方面看，要抓住兩條主線(xiàn)索：一條是水資源循環(huán)運動(dòng)的線(xiàn)索，即沿流域自上而下，整個(gè)研究區域由各個(gè)流域及其不同層次的子流域組成。各種水資源的調查評價(jià)也是按照流域分區進(jìn)行的。另一條是社會(huì )、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境的需水線(xiàn)索，人口、經(jīng)濟、需水、用水、耗水、水利工程等統計資料多是依照各級行政分區統計的。水資源配置模型需要按照流域分區和行政分區獲取資料和出成果。按照這兩條線(xiàn)索相結合的要求劃分計算單元。

　　從模型的時(shí)間結構方面看，也是抓住兩條主線(xiàn)索：一條是反映水文變化規律的時(shí)間線(xiàn)索，也就是歷史水文資料系列，即從哪一年到哪一年以及年內的時(shí)間層次（如月、旬、日等，根據精度需要和資料獲得的可能性確定）；另一條是反映水資源利用規劃與管理需要的時(shí)間線(xiàn)索，也就是規劃水平年以及年內的時(shí)間層次。按照這兩條線(xiàn)索相結合的要求確定計算時(shí)段（最短的時(shí)間層次）。

　　在運行方案上考慮了對各個(gè)工程組合方案，各水平年的需水量、來(lái)水量的預測，以及污水處理與回用能力、節水水平、地下水可開(kāi)采量、工程運行規則、各種參數等。

　　在結果分析上包括了各系統元素的水平衡分析、系統內各分區的供水能力及供水量分析、供水效益分析、水源利用情況、棄水情況、污水排放情況、工程分水情況、河流與渠道過(guò)流情況、河道水質(zhì)狀況、系統發(fā)電量等，并對各模擬計算方案進(jìn)行綜合分析比較，尋找出合理可行的規劃方案。

　　在軟件實(shí)現方面，采用GAMS語(yǔ)言編制分析計算核心模塊，采用Foxpro語(yǔ)言編制用戶(hù)界面以及實(shí)現數據庫管理。

　　2.2 模型的基本任務(wù)水資源配置模型是研究和解決水資源問(wèn)題的一種重要模型。它的主要任務(wù)是：

　�、傧到y配置方案的生成；

　�、诿恳幌到y方案的優(yōu)化調度及供需平衡分析；

　�、勖恳环桨傅乃�平衡分析；

　�、芨鱾�(gè)系統方案的綜合比較，推薦最佳的配置方案；

　�、菰\斷水資源系統的薄弱環(huán)節等等。

　　2.3 主要約束方程下面給出水資源配置中，任意一年水資源供需平衡設計的主要約束方程。方程中關(guān)鍵符號的含義為：i代表水庫；j代表計算單元及與單元對應的地下水庫；k代表渠道或河流節點(diǎn)；t代表計算時(shí)段；l代表渠道或河流；s代表用水種類(lèi)，s＝1，2，3，4，5依次為城市用水（包括生活用水和工業(yè)用水）、農業(yè)用水、河道外生態(tài)環(huán)境用水、河道內生態(tài)環(huán)境用水、發(fā)電用水；α為降雨入滲補給系數；β為灌溉入滲補給系數；γ為地表供水河流渠道滲漏補給系數；φ為潛水蒸發(fā)系數；ls（），ld（），lo（），lg（）依次為地表水供水河流渠道集合、外調水供水河流渠道集合、棄水河流渠道集合、地下水聯(lián)系集合，括號內有兩個(gè)參數，分別為起點(diǎn)和終點(diǎn)；u（），d（）分別表示上游對象集合和下游對象集合，括號內有1個(gè)參數，為對象，如水利工程、計算單元、節點(diǎn)等。式中沒(méi)有被運算符號隔開(kāi)的連續幾個(gè)字母表示同一個(gè)變量，變量名第4個(gè)字母A，I，E分別表示農業(yè)供水、工業(yè)（包括城鎮生活）供水和生態(tài)供水；V為水庫蓄水庫容；C為有關(guān)系數。

　　a.地表水庫當地水平衡方程：

　　c.水庫分水量限制。對于有些向多個(gè)計算單元供水的地表水庫，如果各地區的供水有約定，調度就必須遵守。

　　d.計算單元的城市供水平衡方程：

　　f.計算單元的生態(tài)供水平衡方程。生態(tài)需水分河道內需水與河道外需水，要分別進(jìn)行平衡。單元河道外生態(tài)供水采用方程（6）計算。原則上所有地表水、地下水、外調水、污水回用水及上游棄水、回歸水等均可以參加河道外生態(tài)需水的平衡。河道外生態(tài)需水與生活需水和生產(chǎn)需水要求不一樣，生活需水和生產(chǎn)需水要求每一個(gè)時(shí)段必須平衡，而河道外生態(tài)需水彈性要大得多，可以每個(gè)時(shí)段剛好平衡，也可以不平衡，只要每個(gè)時(shí)段的供需量在允許的上下限之間，而全年或兩三年的供水量與需水量平衡即可。河道內需水的供需平衡約束方程主要有：最小流量約束、年最小過(guò)水量約束、河道水質(zhì)約束等。本模型在安陽(yáng)市的規劃中，對于該市河道內需水選擇的是在重點(diǎn)保護河段上建立水量、水質(zhì)約束方程。方程式比較多、比較復雜，在此省略。

　　2.4 目標函數模型目標函數為

　　式中：Ws為權重；fs為用水效益。其他一些約束方程和效益計算公式，譬如河流渠道節點(diǎn)的分水約束（包括引、提水）、計算單元河網(wǎng)調蓄約束、地下水補給、地下水開(kāi)采限制、地表徑流的利用、灌溉入滲水量、污水排放量、污水處理回用、節點(diǎn)地表水平衡、節點(diǎn)外調水平衡等等，受篇幅限制，在此不作論述。

　　3 模型在安陽(yáng)市水資源規劃中的應用河南省安陽(yáng)市水資源系統網(wǎng)絡(luò )圖見(jiàn)圖1，系統要素及配置模型規模見(jiàn)表1.在安陽(yáng)市水資源可持續利用綜合規劃中，按照水資源三次平衡的思想應用本模型對13個(gè)系統方案（每方案又包括1998年、2010年、2015年和2030年四個(gè)水平年的子方案）進(jìn)行了長(cháng)系列模擬計算。一次平衡分別考慮了允許地下水超采和不允許地下水超采兩種情況。一次平衡結果給出了不采取有效措施的水資源供需平衡動(dòng)態(tài)趨勢。二次平衡考慮了三種情況：一是保持現狀水平年地下水超采程度，各規劃水平年都采取了城市污水處理及回用措施，除此之外沒(méi)有新建其它供水工程；二是各水平年都不允許超采地下水，都采取了城市污水處理及回用措施，沒(méi)有新建其它供水工程；三是各水平年不允許超采地下水，但都采取了城市污水處理及回用措施，新建了當地供水工程。二次平衡結果給出了安陽(yáng)市只依靠當地水資源和現有外調水量情況下的水資源供需動(dòng)態(tài)平衡趨勢及缺水變化趨勢。三次平衡所擬訂的方案都不允許超采地下水，但都配置了跨流域調水工程。

　　 通過(guò)三次平衡計算和多方案分析與對比發(fā)現，該市的最佳配置方案與南水北調中線(xiàn)方案2010年是否通水有密切關(guān)系。若2010年南水北調中線(xiàn)工程建成通水，則最佳推薦方案當屬F方案；若2015年南水北調中線(xiàn)工程才能建成通水，則最佳推薦方案為M方案。受篇幅限制，F和M兩方案的節水及水源配置情況在此省略。與F方案比較，M方案在水資源工程布局上有些重復建設，這是為了滿(mǎn)足2015年以前的供水需要。南水北調中線(xiàn)工程的進(jìn)度不是安陽(yáng)市所能決定的，因此，我們推薦了F和M兩個(gè)方案作為合理配置方案，供安陽(yáng)市領(lǐng)導根據今后的實(shí)際情況進(jìn)行決策。以F方案2030水平年為例，河道外總供水量22.86億m³，其中生活用水占16.90％，工業(yè)用水占31.75％，農業(yè)用水占46.33％，河道外生態(tài)環(huán)境用水占5.02％；不同水源的供水比例為當地地表水30.65％、地下水44.97％、回用水2.62％、外流域調水21.76％。河道內用水表現為年均總過(guò)水量和各月過(guò)水量過(guò)程。河道內用水實(shí)際上與河道外其它用水有較大程度的重復利用。

　　本文介紹的方法和模型在安陽(yáng)市水資源綜合規劃中經(jīng)受了應用檢驗，分析計算結果合理可靠，計算速度很快。該模型可以推廣應用于大型復雜水資源系統。值得注意的是，水資源配置問(wèn)題是非常復雜的，配置模型還需要不斷在實(shí)際應用中改進(jìn)和完善。