平原河網區水資源優化配置模擬分析

1水域功能的約束條件研究和討論區域水面率是指承擔水保護功能的區域面積占區域總面積的比例。合理水面率是指從某一區域的現狀和現行有效法律、法規、規范、標準出發,考慮水域的多種功能,評估在自然力與人類活動雙重作用下人類社會和水域自身的協調發展程度的一項指標。水域功能包括提供可利用的水源、調蓄區域水資源、降解污染物和吸納營養物質、保護生物多樣性、休閑旅游、航運、調節氣候等功能。由于水域承載功能的特殊性,其部分功能(如行洪除澇、水資源利用)應作為合理水面率確定的約束條件,應予滿足;而景觀、生態、航運等功能的約束性較弱,是否作為合理水面率確定的約束條件應根據研究區域而定。本文試圖從確定合理水面率的基本方法出發,分析作為確定合理水面率約束條件功能的行洪除澇和水資源利用合理水面率的確定思路,并探討Mike11、MikeBasin軟件在確定行洪除澇功能和水資源利用功能合理水面率上的應用。2確定水面率的依據合理水面率的影響因素較多,包括自然條件、區域經濟發展水平、現有水利工程綜合能力等。合理水面率的確定以水域承載的行洪除澇、水資源利用、水環境、水景觀功能為切入點,在水域內部結構一定的前提下,采取多種方法分析計算滿足這些功能要求的水面率,并以各功能要求水面率的外包線作為確定合理水面率的依據。行洪除澇、水資源利用功能合理水面率的確定思路如下:2.1研究結構圖的說明對于承擔行洪除澇的水域,在防洪除澇標準、設計洪水、排澇流量和設計外邊界條件確定的條件下利用圖1結構模型模擬計算在滿足區域防洪和排澇標準下區域所需的水域調蓄能力,從而確定區域行洪除澇的合理水面率。對行洪除澇合理水面率研究結構圖的幾點說明:(1)區域內水力學模擬計算。水資源開發利用模擬計算是指模擬區域內的水力學計算,包括河網水域、河流水域,也包括水庫、湖泊等水域,采用Mike11軟件來完成。(2)計算自排閘的排澇能力。對于行洪除澇來說,首先考慮區域的自排能力,這是排水系統規劃和調度管理的基本原則之一。若區域內自排閘的排水能力不滿足要求,再考慮其它措施。(3)增加外排能力或內部滯蓄能力。對于閘站綜合能力不能滿足排水要求時,可能的途徑有2個:一是增加外排能力,二是增加內部滯蓄能力。具體采用哪種方式,需通過技術經濟比較來決定,其經濟指標也是相應模擬模型的目標函數。限于篇幅,模型從略。2.2率研究結構圖的說明在分析計算研究區域來水量、用水量的基礎上,通過模擬計算確定滿足供水保證率要求所需的水域調蓄能力,進而確定區域合理水面率,總體思路見圖2。對水資源調蓄合理水面率研究結構圖的幾點說明:(1)水資源開發利用的模擬計算。水資源開發利用模擬計算是根據用水戶與供水工程的對應關系,依據水量平衡原理模擬計算用水戶需水的滿足程度,采用MikeBasin軟件來完成。(2)虧水量內部解決、外部引入、二者結合。虧水量內部解決、外部引入、二者結合是指在供水量不能滿足用水戶要求的情況下,通過特定的目標模型確定解決缺水量的一種方式。(3)增加調蓄能力。增加調蓄能力是指通過疏浚、拓寬、新建河道等技術手段,增加水域調蓄能力來解決水資源短缺矛盾的一種方式。3ee系列軟件是水生動量小的軟件材料從合理水面率研究的基本方法可以看出,區域合理水面率的確定是個多次判斷、反復迭代的計算過程,計算工作量很大。DHI公司研發的Mike系列軟件是目前被業界廣泛認同的優秀軟件。軟件的應用范圍從降雨—產流—河流—城市—河口—近海—深海,從一維到三維,從水動力到水環境和生態系統。同時具有功能強大、界面友好、模擬計算快速準確等特點,因此本文采用該軟件來開展區域合理水面率的研究。4e-4軟件4.111年設計方法Mike11在行洪除澇合理水面率中的應用過程主要包括研究區河網概化、參數驗證和結果分析3個步驟。4.1.1河網概化的河網容積河網概化應遵循突出主干河道,保留需重點研究的非主干河,并使概化后河網的河道容積與實際河道的容積基本上保持一致的原則。某研究區河網概化如圖3所示。圖中,根據研究區河道水流方向將其河道概化為三縱三橫的格局,其洪澇水主要通過沿海閘和沿江閘外排。4.1.2暴雨、潮位過程和水位參數驗證主要指對河網糙率進行驗證。驗證采用1984年6月12日～15日暴雨、潮位過程和水位等實測資料。經計算,驗證點水位最大值和平均值誤差分別為1.3%和0.9%,該模擬模型可以用于進行方案比較分析。4.1.3設計暴雨條件下的水面率模型參數率定后,按照行洪除澇合理水面率研究結構圖的步驟計算設計暴雨條件下,研究區河道水域滿足行洪除澇要求的外排能力和區域內部滯蓄能力。同時,根據該區域的水位—水面—容積關系、排澇標準的合理內部滯蓄能力估算其水面率。其成果見表1。4.2典型的面率率運用MikeBasin在水資源調蓄功能合理水面率中的應用過程主要包括3個步驟:①對研究區域的水資源條件進行概化,建立水資源網絡系統概化圖;②設置概化節點的屬性;③計算結果分析。4.2.1供、用水戶關系水資源系統概化包括劃分計算單元和建立供、用水戶對應關系2個步驟。劃分計算單元在流域分區的基礎上,除水庫工程集雨面積單獨計算外,其余分區根據地形構造相似原則進一步劃分,一般分為山丘區和平原區。供、用水戶關系的建立主要指供、用水戶對應關系的建立和供水工程供水次序的設置。在由多個供水工程同時向用水戶供水時,必須設定供水優先次序。研究區水資源系統概化結果見圖4。4.2.2戶用水過程和用電工程運行規則MikeBasin屬性數據的設置主要包括計算單元入流量、用水戶用水過程和供水工程運行規則設置3個方面。計算單元入流量和用水戶用水過程的設置只要將數據分別賦予對應節點即可,供水工程運行規則設置需將工程實際運行規則、工程特性等數據賦予對應的供水工程。4.2.3水域內抽引水量和水面率模型建立后,按照水資源利用合理水面率研究結構圖的步驟計算研究區河道水域滿足水資源利用的年均外部抽引水量和區域內部調蓄能力。同時,根據該區域的水位—水面—容積關系計算其水面率。其成果見表2。5計算區域行洪除澇和水資源利用功能的合理水面率分別利用M