区域水资源动态变化和配置的模拟方法与流程

本发明涉及区域水资源系统，具体涉及区域水资源动态变化和配置的模拟方法。

背景技术：

水是生命之源，是人类生存和社会经济发展的物质基础，是一种不可替代的稀缺资源，是人类社会可持续发展的重要保障，水资源的相对紧缺已经成为制约区域经济发展的主要因素之一。

水资源的优化配置是解决水资源短缺问题的有效途径，对促进区域社会、经济、环境的协调持续发展具有重要意义。水资源优化配置的前提是对区域水资源进行动态模拟，以获知该区域水资源中水循环的动态变化，如何精确模拟水循环的动态变化，已经成为目前国内外研究的热点。

模拟水循环的动态变化在实际处理上存在许多困难，主要体现在：区域水资源是一个实时变化的复合体，其中径流的利用涉及供水、用水、排水以及环境、生态等多个方面，在空间上又涉及上下游、左右岸，它们之间相互影响、互为反馈，除了天然来水的复杂性之外，人类生产生活的供水、排水(退水)的不确定变化又极大地改变了下一阶段径流利用的数量和质量，从而使得目前的整个区域水资源体现出来明显的“自然-社会”(天然水和社会取用水)二元特征，因而，河道径流表象为由原来的一次径流转化为一次径流与退排水二次利用的复合径流。

目前，基于传统人类活动影响下的水循环模拟通常采用的是“实测—还原—建模—调控”的静态模式，或者“实测—分离—耦合—建模—调控”的耦合模式，上述两种模式在模拟水资源动态变化过程中均未能实现水资源配置与水循环过程之间的实时反馈，难以完全反映各时段内的“自然-社会”二者之间紧密动态相互作用和时段来水及用水行为不确定性带来的水循环通量变化。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有区域水资源的水循环模拟方式，难以完全反映各时段内的“自然-社会”二者之间紧密动态相互作用和时段来水及用水行为不确定性带来的水循环通量变化的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种区域水资源动态变化和配置的模拟方法，包括以下步骤：

获取区域水资源系统的水网网状结构，并转换为“供水-用户”二叉树结构，所述区域水资源系统由供水单元、供水对象和连接二者之间的输水管线组成；

根据区域水资源系统的实际情况，建立水资源时序动态反馈模拟模型，其中区域水资源系统中的水循环模块与水资源配置模块聚合为一个时序模拟模块的两个成分；

进行水资源时序动态反馈模拟，输出各时段水循环动态变化和水资源响应调控。

在上述方法中，采用哈夫曼树原理构造所述“供水-用户”二叉树结构，其中：父节点左支所有的节点为该父节点的供水单元，父节点右支的节点为供水单元的编号，在左支结构中，上级单元下一级的左侧节点，代表最上侧父供水单元的直接供水对象，而上级单元下一级的右侧节点，则代表最上侧父供水单元的间接供水对象。

在上述方法中，构造所述“供水-用户”二叉树结构的具体算法如下：

根据n个供水单元构造出n棵树的森林R＝{R1，R2，…，Rn}；

对森林R各子树按照以下方法转化为二叉树：

(1)根据二叉树表示法，任何一棵和树对应的二叉树其右子树必空，因此，保留第一个父供水单元的供水单元作为其左子树，右子树为空；

(2)断开父供水单元与其他供水单元链接，同时将其他供水单元依次链接前面的供水单元，并将其他供水单元变成前一个单元的右子树R/＝{R11，R21，…，Rn1}；

对子树森林R各子树供水根节点链接到前一个子树供水根节点，并变成前面供水根节点的右子树。

在上述方法中，所述时序动态反馈模拟的具体算法如下：

步骤31：按顺序构建水循环模拟时段数据集T＝{T1，T2，…，Tn}；

步骤32：对时段数据集T1进行水循环模拟，得到各供水单元的径流来水量；

步骤33：根据供水单元的来水信息及工程信息，基于所述树状结构进行水资源配置；

步骤34：获取时段数据集T1中各供水单元的剩余水量以及用水单元的退水量，并以此作为时段数据集T1的输入数据进行水循环模拟，得到各供水单元的径流来水量；

步骤35：再次根据供水单元的来水信息及工程信息，基于所述树状结构进行水资源配置；

采用步骤32-35的方法对时段数据集T2-Tn进行模拟，获得整个时段T的水循环动态变化和水资源配置。

在上述方法中，根据研究区域内水资源中供水单元的实际情况、径流以及供水对象的取用水实测信息，分离出相应的河道天然径流和社会取用水数据，进而获得区域水资源系统的水网网络结构。

本发明，在典型的水循环四水转化模拟模型基础上，设计一个天然来水、工程特征与用水主体之间的动态映射方法，实现社会侧支水循环实时映射到时段天然水系统过程，实时模拟来水变化对用水变化、用水变化对下一阶段径流及供水变化的实时响应，从而实现水资源动态变化。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中区域水资源的一种具体实施例示意图(网状结构)；

图3为本发明中区域水资源转换为树状结构的示意图；

图4为现有水循环模拟的模型示意图；

图5为本发明中水循环时序动态反馈模拟的模型示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种区域水资源循环体动态变化和水资源动态配置的模拟方法，将社会侧支水循环实时映射到时段天然水系统中，实时模拟来水变化对用水变化、用水变化对下一阶段径流及供水变化的实时响应，从而实现了天然水和社会取用水复合径流循环体的实时互动模拟，为区域水资源的优化配置提供支撑。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细的说明。

如图1所示，本发明提供的区域水资源动态变化和配置的模拟方法，包括以下步骤：

步骤1：确定研究区域，根据研究区域内水资源中供水单元的实际情况、径流以及供水对象的取用水实测信息，分离出相应的河道天然径流和社会取用水数据，进而获得区域水资源系统(社会供用水系统)的水网网络结构；

区域水资源一般包括供水单元(水库、水井、闸坝等)和供水对象(城市生活、工业、农村生活、农业、城市生态等)以及连接二者之间的输水管线。如图2所示的具体实施例中，区域水资源包括3个供水单元(水库R1、R2、R3)和7个供水对象(用户U1-U7)，其中水库R1供给供水对象U1-U3，水库R2供给供水对象U4，水库R3先供给供水对象U5和U6，再供给供水对象U7。由此形成了一个区域水资源系统的网状结构。

步骤2：采用哈夫曼(Huffman)树原理将区域水资源系统的网状结构转换为树状结构，构造出区域水资源系统的“供水-用户”二叉树，实现区域水资源系统的数字化映射，形成与自然水系树状结构一致、水流相反的对接模式，实现自然水系水流汇集和社会水网水流发散的底层结构匹配和科学对接。

其中：父节点左支所有的节点为该父节点的供水单元，父节点右支的节点为供水单元的编号，在左支结构中，上级单元下一级的左侧节点，代表最上侧父供水单元的直接供水对象，而上级单元下一级的右侧节点，则代表最上侧父供水单元的间接供水对象。具体构造算法如下：

(1)根据n个供水单元构造出n棵树的森林R＝{R1，R2，…，Rn}；

(2)对森林R各子树按照以下方法转化为二叉树：

①根据二叉树表示法，任何一棵和树对应的二叉树其右子树必空，因此，保留第一个父供水单元的供水单元作为其左子树，右子树为空；

②断开父供水单元与其他供水单元链接，同时将其他供水单元依次链接前面的供水单元，并将其他供水单元变成前一个单元的右子树R/＝{R11，R21，…，Rn1}；

(3)对子树森林R各子树供水根节点链接到前一个子树供水根节点，并变成前面供水根节点的右子树。

构造完成的树状结构如图3所示。

这种树状结构，可快速遍历各供水单元，进行查询、搜索各供水单元的供水对象、供水范围以及供水单元到供水对象的供水成本、输水损失、供水效益等信息，为水资源的优化配置提供支撑。

步骤3：根据区域水资源系统的实际情况，建立水资源时序动态反馈模拟模型，其中区域水资源系统中的水循环模块与水资源配置模块聚合为一个时序模拟模块的两个成分。

如图4所示，传统人类活动影响下的水循环模拟模型多采用“实测—分离—耦合—建模—调控”的耦合模式，该模式在计算过程中未能实现水资源配置与水循环过程之间的实时反馈，难以完全反映各时段内的“自然-社会”紧密、动态相互作用和时段来水及用水行为不确定性带来的水循环通量变化。如图5所示，本发明的水循环时序动态反馈模拟模型采用了“实测—分离—聚合—建模—调控”的水循环时序动态反馈模拟方式，实现了社会取用水和天然水循环的实时互动，进而实现水循环高内聚模拟和时序动态反馈模拟。与传统方式的区别在于“耦合”与“聚合”，“耦合”是松散的、外部关联的，“聚合”是紧密的、内部关联的，“耦合”关注的是某一模块和其他模块之间的关联性，“聚合”关注的是一个模块内部各成分之间相关联程度。

时序动态反馈模拟的具体算法如下：

步骤31：按时段顺序构建水循环模拟的时段数据集T＝{T1，T2，…，Tn}；

步骤32：对时段数据集T1进行水循环模拟，得到各供水单元的径流来水量；

步骤33：基于树状结构，根据供水单元的来水信息及工程信息进行水资源配置；

步骤34：获取时段数据集T1中各供水单元的剩余水量以及用水单元的退水量，并以此作为时段数据集T1的输入数据进行水循环模拟，得到各供水单元的径流来水量；

步骤35：再次基于树状结构，根据供水单元的来水信息及工程信息进行水资源配置；

采用步骤32-34同样的方法对时段数据集T2-Tn进行模拟和水资源配置，获得整个时段T的水循环动态变化和水资源配置。

步骤4：对上述水资源时序动态反馈模拟模型进行校验；

步骤5：通过对校验后的水资源时序动态反馈模拟模型进行水资源时序动态反馈模拟，输出各时段水循环动态变化和水资源响应调控。

本发明在典型的水循环“四水”(大气水、地表水、土壤水和地下水)转化模拟模型基础上，设计一个天然来水、工程特征与用水主体(供水单元、输水管线与供水对象)之间的动态映射方法，实现了将社会侧支水循环实时映射到时段天然水系统，实时模拟来水变化对用水变化、用水变化对下一阶段径流及供水变化的实时响应，从而实现了水资源动态变化的模拟，为区域水资源的优化配置提供了支撑。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。