多源供水条件下的水源追踪方法与流程

本发明涉及水源追踪方法，尤其是一种跨区域调水过程中多水源供水条件下水源来源地的追踪方法。

背景技术：

世界各地均存在水资源分布不均的现象，该状况严重影响部分地区的经济、社会发展。因此实施不同区域间的调水工程、对水资源进行跨区域调配成为一种较实用的解决方式。以我国为例，我国水资源南多北少，南水北调工程的实施解决了山东、河北、北京、天津等地的水资源短缺问题，同时改善了当地居民的用水质量。调水工程中的水价必须兼顾水资源价值、工程造价、生态维护、工程管理等多方面因素。现行的南水北调工程水价采用“两部制水价”，即供水采用基本水价和计量水价结合。

南水北调工程现行的水价仅采用两部分水价相结合的方法，尚未形成成熟的税费收取模式，在受水地区无系统化科学的水价制定标准。两部制水价的推行在提高居民节水意识方面效果不明显，考虑到居民经济负担及用水安全的条件下，水资源短缺的原因未得到根本上的改善。因此，亟待解决上述问题。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种多源供水条件下的水源追踪方法，数字化各河道及节点的各水源比例，实现水资源的高效利用，为调水工程制定精细化水价标准提供数据支持。

技术方案：为实现以上目的，本发明所述跨区域调水过程中多源供水条件下的水源追踪方法，采用新增水源比例法进行水源追踪；包括以下步骤：

步骤1，进行河网与节点概化，将输水干线、输水支线、其它河道和湖泊进行河网概化，并对河道节点进行概化；

步骤2，设置初始条件，计算各河道上、下断面面积及河道蓄水量，得到河道蓄水量中对应各水源的比例；计算河道水源比例；到所有河道计算结束后，计算节点平衡和下一时段入流断面水源比例；

步骤3，计算湖泊水源比例；

步骤4，根据步骤2-3的计算结果，得到各节点、河道、区域范围的供水水源比例及各水源的分布情况。

进一步地，所述水源追踪方法的计算假设前提为：出节点的水源比例是入节点水源比例的加权平均，来水均匀混合后再使用，计算比例时不考虑用水。

进一步地，利用河底宽度、河底高程、边坡系数三个参数概化河道断面，把河道节点概化为闸站枢纽节点、用水户节点、管理节点、边界节点、调蓄节点以及普通河道节点。

进一步地，步骤2中所设置的初始条件为：将n条调水来源河道按照第1引入河道、第2引入河道、……第n引入河道进行编号，与本地河道构成n+1条河道；设置每条河道的上、下断面及河道蓄水量的水源比例，本地河道中本地水占全额，第1引入河道中第1引入水源水占全额，第2引入河道中第2引入水源水占全额……第n引入河道中第n引入水源水占全额。

进一步地，步骤2中计算河道水源比例具体包括以下步骤：

(1)设定引入河道水源(除本地水源外的河道水源)上、下断面以及河道蓄水量水源比例；

(2)计算上断面各水源入流量及下断面各水源出流量；

(3)计算河道蓄水中对应各水源蓄水量；

(4)计算用水户用水量的各水源比例；

(5)计算河道输水损失量的各水源比例；

(6)计算出流断面各水源比例，等同蓄水量中的水源比例。

进一步地，用水户用水量的各水源比例计算方法为：采用河道蓄水量各水源比例，所有出流比例均采用河道蓄水量水源比例，各水源对应的用水户用水量累计相加得到该河段用水户总用水量。

进一步地，河道输水损失量的各水源比例的计算方法为：采用河道蓄水量各水源比例，各水源输水损失量累计相加得到该河段输水总损失量。

进一步地，步骤2中计算节点平衡和下一时段入流断面水源比例具体包括以下步骤：

(1)查找与节点相连的河道；

(2)累加河道所有节点各引入水源水量，混合后重新计算水源比例；

(3)将比例赋给该节点出流流入的河道上断面水源比例，河道下断面水源比例按上一时段出流比例计算；

(4)计算在节点用户的各水源用水量，并累加统计。

进一步地，步骤3中对湖泊水源比例的计算方法为：调蓄节点，计算调蓄量的水源比例，用水水源优先顺序按距离河道或节点的远近程度排序，距离越远的水源越优先使用。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明提供了一种跨区域调水过程中多源供水条件下水源来源地的追踪方法，以水源划分与定量统计为手段，从优化水源结构出发，为达到水资源高效利用提供实现途径；本发明采用新增水源比例法进行水源追踪，以调水过程中不同水源从水源地出发的移动途径与占比为切入点，数字化各河道及节点的各水源比例，在水资源价值、调水工程投入、水价等评估研究领域具有广泛的应用前景，为调水工程制定精细化水价标准提供数据支持，在水资源价值、调水工程投入、水价等评估研究领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明多源供水条件下水源追踪方法的流程图；

图2为本发明具体实施方式中闸站及过流概化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

图1所示的是本发明所述的多源供水条件下水源追踪方法的流程图。该方法采用新增水源比例法进行水源追踪，包括河网与节点概化、河道水源追踪方法、湖泊水源追踪方法，具体包括以下步骤：

步骤1，河网与节点概化。

步骤101，河网概化。明确河网内各输水干线，将跨县或者对多个灌区供水的输水河道作为输水支线，可根据研究需要加入河道，对各级河道进行河网概化；

步骤102，断面概化。在考虑计算机容量、计算机工作量及资料等限制的条件下，对天然河网、湖泊进行合并、概化，概化河道断面为水平底坡、梯形断面。概化河网、断面在输水能力与调蓄能力两个方面必须与天然河网相似。各概化断面都用河底宽度、河底高程、边坡系数三个参数来描述。对于一些次要的河道，可以将两条或更多条平行的河道，概化用一条河道来代替。

步骤103，节点概化，根据模型计算和管理的需要，按照现状工程和规划工程分别把河道节点概化为闸站枢纽节点、用水户节点、管理节点、边界节点、调蓄节点以及普通河道节点等。概化时，为减少节点的数量，避免枢纽内部错综复杂的结构，对枢纽内部采用“打包”的办法，用首末两个节点控制。

步骤2，计算河道水源比例。

步骤201，设置初始条件。按照本地河道、第1引入河道、第2引入河道……第n引入河道分成n+1类，即n+1个水源；分别设置上、下断面及河道蓄水量的各水源比例，本地河道中本地水占全额，第1引入河道中第1引入水源水占全额，第2引入河道中第2引入水源水占全额……第n引入河道中第n引入水源水占全额；根据图2所示的闸站及过流概化示意图及边坡系数计算各河道上、下断面面积及河道蓄水量，推求河道蓄水量中对应各水源的比例；

①赋值本地河道上断面水源比例k1i＝0(i＝1，2，......，n)，k1b＝1

赋值本地河道下断面水源比例k2i＝0(i＝1，2，..….，n)，k2b＝1

赋值本地河道蓄水量水源比例klj＝0(i＝1，2，..….，n)，klb＝1

②赋值河道rj上断面水源比例k1i＝0(i＝1，2，..….，n，i≠j)，k1j＝1，k1b＝0

赋值河道rj下断面水源比例k2i＝0(i＝1，2，..….，n，i≠j)，k2j＝1，k2b＝0

赋值河道rj蓄水量水源比例kli＝0(i＝1，2，..….，n，i≠j)，klj＝1，klb＝0

式中，k1i、k2i、kli分别指河道中上断面入流量、下断面出流量、河道蓄水量的对应的其他水源比例，k1j、k2j、klj分别指第j条引入河道rj(j＝1，2，......，n)中上断面入流量、下断面出流量、河道蓄水量的对应该河道水源比例，k1b、k2b、klb分别指河道中上断面入流量、下断面出流量、河道蓄水量的对应本地水源比例。在本实施方式中，下标i表示其他水源对应的相关物理量；下标j表示第j条引入河道所对应的相关物理量；下标b表示本地水源所对应的相关物理量。

③计算河道初始蓄水量

上断面面积a1＝(z1-z01)*(b1+(z1-z01)*m1)

下断面面积a2＝(z2-z02)*(b2+(z2-z02)*m2)

河道蓄水量v0＝(a1+a2)/2*l河长

各水源的河道蓄水量v0i＝v0*kli，v0j＝v0*klj，v0b＝v0*klb

式中，z1、z2分别为上、下断面水面高程，z01、z02分别为上、下断面河底高程，b1、b2分别为上、下断面河底宽度，m1、m2分别为上、下断面边坡系数，a1、a2分别为河道上、下断面面积，l河长为河道长度。v0表示河道蓄水量，v0i、v0j、v0b分别表示对应水源i、j、b的河道蓄水量。

步骤202，计算河道水源比例。

①永远固定引入河道水源(除本地水源外的河道水源)上、下断面以及河道蓄水量水源比例为kpi＝0；kpj＝1；kpb＝0(p＝1、2、l，见步骤201②)

②上断面各水源入流量分别为：

w1i＝q上*k1i*t，

w1j＝q上*k1j*t，

w1b＝q上*k1b*t，

下断面各水源出流量分别为：

w2i＝q下*k2i*t，

w2j＝q下*k2j*t，

w2b＝q下*k2b*t，

旁侧入流量为：

w3b＝q旁入*l河长*t，

式中，q上、q下分别为上、下断面的单位时间流量，q旁入为单位长度的旁侧流量，l河长为河段长度，t为计算时段。其中，q上、q下、q旁入为常流量或实测流量，可查阅水文年鉴，亦可运用水文模型得到模拟流量。

③计算河道蓄水中对应各水源蓄水量。

以v0作为计算时段初河道蓄水量，已知计算时段初河道蓄水量对应各水源蓄水量分别为v0i＝v0*kli，v0j＝v0*klj，v0b＝v0*klb(步骤201②)。

计算时段末对应各水源蓄水量

v0i＝v0i+w1i-w2i，

v0j＝v0j+w1j-w2j，

v0b＝v0b+w1b-w2b+w3b。

计算时段末蓄水量中对应各水源比例

kli＝v0i/(v0i+v0j+v0b)，

klj＝v0j/(v0i+v0j+v0b)，

klb＝v0b/(v0i+v0j+v0b)。

④计算用水户用水量各水源比例。比例采用河道蓄水量各水源比例(所有出流比例均采用河道蓄水量水源比例)，各水源对应的用水户用水量累计相加得到该河段用水户总用水量；

⑤计算河道输水损失量各水源比例。比例采用河道蓄水量各水源比例，各水源输水损失量累计相加得到该河段输水总损失量；

⑥判断计算出流断面各水源比例，等同蓄水量中的水源比例。

步骤203，直到所有河道计算结束后，计算节点平衡和下一时段入流断面各水源比例；

①查找与节点相连的河道；

②累加河道所有节点各引入水源水量，混合后重新计算水源比例；

③将比例赋给该节点出流流入的河道上断面水源比例，河道下断面水源比例按上一时段出流比例计算；

例如：河道1入节点水源+河道2入节点水源(各自用水量)，混合后重新计算水源比例，并将比例赋给河道3和河道4：

v0i＝v1i+v2i，v0j＝v1j+v2i，v0b＝v1b+v2b，

k1i(3)＝v0i/(v0i+v0j+v0b)，k1j(3)＝v0j/(v0i+v0j+v0b)，k1b(3)＝v0b/(v0i+v0j+v0b)，

k1i(4)＝v0i/(v0i+v0j+v0b)，k1j(4)＝v0j/(v0i+v0j+v0b)，k1b(4)＝v0b/(v0i+v0j+v0b)，

其中，v1i、v1j、v1b分别为河道1入节点各水源用水量，v2i、v2j、v2b分别为河道2入节点各水源用水量，v0i、v0j、v0b分别为河道1和河道2混合后各水源用水量。k1i(3)、k1j(3)、k1b(3)分别为出节点进入河道3的各水源比例，k1i(4)、k1j(4)、k1b(4)分别为出节点进入河道4的各水源比例。

④计算在节点用户的各水源用水量，并累加统计。

循环步骤202和步骤203，直到所有河道与节点计算平衡。

步骤3，计算湖泊水源比例。

调蓄节点，考虑调蓄量的水源比例，且用水水源优先顺序按距离河道(节点)的远近程度排序，距离越远的水源越优先使用。例如，r1、r2、rb分别为第1引入河道水源、第2引入河道水源、本地水水源，r1、r2均为外来水源且r1比r2距离远，则用水水源的优先顺序为r1、r2、rb。

下面以r1、r2、rb的水源条件为例介绍计算过程。若r1水源量大于出流量，则供水水源仅为r1；若r1水源量小于出流量，供水水源优先使用r1水源后，不足量依次取r2与本地水。具体如下：

q1入＝k11×q1+k12×q2+q1存

q2入＝k21×q1+k22×q2+q2存

qb入＝kb1×q1+kb2×q2+qb存+q汇

q汇＝h汇×a汇

q出＝q3+q4

式中，

k11、k12-支流1、2入节点r1对应水源比例；

k21、k22-支流1、2入节点r2对应水源比例；

kb1、kb2-支流1、2入节点rb对应水源比例；

q1、q2-支流1、2对应入节点流量(m³)；

q3、q4-支流3、4对应出节点流量(m³)；

q1入、q2入、qb入-r1、r2、rb对应入节点流量(m³)；

q1存、q2存、qb存-上次用水过程储蓄水量中r1、r2、rb对应水量(m³)；

q汇-汇流流量(m³)；

q出-出流流量(m³)；

h汇-水面汇流深(m/s)；

a汇-水面面积(m²)；

q汇-单位汇流流量(m³/m)；

①q1入＜q出

q2出＝k21×(q出-q1入)

qb出＝kb1×(q出-q2入)

q1出＝0

q2存＝q2入-q2出

式中，

q2出、qb出-r2、rb出流流量；

k1出-r1水源比例；

k2出’、kb出’-入节点r2、rb水源用水比例；

k2出、kb出-出节点r2、rb水源比例；

如果q2存＜0，则q2存＝0

qb存＝qb入-qb出

如果qb存＜0，则qb存＝0

②q1入＞q出

k1出＝1

k2出＝0

kb出＝0

q1存＝q1入-q出

q2存＝q2入

qb存＝qb入

步骤4，供水水源结构优化。

步骤401，选定用水现状年，以近n年供水趋势研究为基础，结合当地实际的经济、资源等因素，采取经验系数，从灌溉水利用系数、万元gdp用水量等具体指标出发，挖掘节水潜力，并确定高效用水模式下的用水总量，以此作为规划工情用水量。

步骤402，分别统计现状工情、规划工情下各节点、河道、区域范围的供水水源比例情况。

步骤403，不同水源供水付出代价不同，供水水源结构规划应合理评估各水资源价值。以南水北调工程江苏段为例，项目应以引长江水最小为控制目标进行水源优化，从节水型社会建设和精细化水资源管理要求出发，提高水利工程利用效率，实现水资源高效利用。