李承紅，姜卉芳，何 英，穆振俠

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

WRMM模型是加拿大阿爾伯特省的Water Resource Management Model為基礎(chǔ)的水資源配置模型，專家和學(xué)者根據(jù)新疆的獨(dú)特地域在WRMM模型中先后加入了河道損失[1]、地下水模塊[2]和污水回用模塊[3]，使得WRMM模型在水資源管理中運(yùn)用得越來越廣泛，但在使用WRMM模型時(shí)，對(duì)于罰值和操作策略之間的相互聯(lián)系并沒有表述清楚，也沒有形成罰值系統(tǒng)。只有通過罰值，操作策略共同作用形成罰值系統(tǒng)，才能對(duì)整個(gè)水資源系統(tǒng)進(jìn)行合理的水資源配置，罰值系統(tǒng)的建立對(duì)于WRMM模型的適應(yīng)性起著決定性作用[1]。

簡單水資源系統(tǒng)中僅僅考慮了水庫、城鎮(zhèn)用水和灌溉用水，沒有考慮到天然渠道，多個(gè)水庫以及多個(gè)用水戶共同作用的水資源系統(tǒng)。本文建立的復(fù)雜水資源系統(tǒng)，包括2個(gè)水庫，2個(gè)天然渠道，1個(gè)城市用水，1個(gè)農(nóng)村用水和1個(gè)灌溉用水，通過3種情景模擬，改變操作策略、罰值，建立不同的罰值系統(tǒng)。

1 WRMM模型簡介

1.1 WRMM模型結(jié)構(gòu)

WRMM模型的主要包括3個(gè)輸入文件，分別是灌溉基本數(shù)據(jù)文件、水文氣象數(shù)據(jù)文件和仿真控制文件，其中仿真控制文件又包括7個(gè)子系統(tǒng)，分別是仿真標(biāo)識(shí)符系統(tǒng)、時(shí)間控制信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)、罰值系統(tǒng)、需水?dāng)?shù)據(jù)系統(tǒng)、供水?dāng)?shù)據(jù)系統(tǒng)和渠道運(yùn)移時(shí)間系統(tǒng)。

模型運(yùn)行的關(guān)鍵是物理系統(tǒng)和罰值系統(tǒng)，物理系統(tǒng)是指水資源系統(tǒng)中各個(gè)元件之間的聯(lián)系關(guān)系。罰值系統(tǒng)的設(shè)置則顯得比較復(fù)雜，在第三章中罰值系統(tǒng)的建立將會(huì)詳細(xì)說明。

WRMM模型的輸出文件主要有仿真理想文件和仿真輸出文件，仿真理想文件是在水資源充足的情況下，滿足所有用水戶的要求；仿真輸出文件是在當(dāng)下水平年的情況下，根據(jù)罰值系統(tǒng)的建立，可能出現(xiàn)個(gè)別用戶用水得不到滿足，即在缺水情況下的水資源配置結(jié)果，在實(shí)際來水情況符合理想情況時(shí)，仿真理想文件和仿真輸出文件的輸出結(jié)果相同。WRMM模型系統(tǒng)圖，見圖1。

圖1 WRMM模型系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram of WRMM model

1.2 WRMM模型功能

WRMM模型可對(duì)整個(gè)流域進(jìn)行水資源配置，主要有4個(gè)功能：①利用模型的仿真輸出文件(OUTSIM)可以模擬流域現(xiàn)狀罰值系統(tǒng)下的水資源配置結(jié)果對(duì)于缺水年份，造成部分水資源系統(tǒng)元件無供水量；②利用模型的仿真理想文件(OUTID)可以模擬流域多年來水情況下所有系統(tǒng)元件均達(dá)到理想條件的供水情況；③WRMM模型共有12個(gè)系統(tǒng)元件，當(dāng)研究區(qū)域系統(tǒng)元件缺水時(shí)，可忽略缺失系統(tǒng)元件，進(jìn)行現(xiàn)有系統(tǒng)元件的水資源配置；④利用WRMM模型中罰值系統(tǒng)和操作策略之間的關(guān)系，自主定義不同系統(tǒng)元件的供水優(yōu)先序，可進(jìn)行多種罰值系統(tǒng)的水資源配置分析。

1.3 WRMM模型說明

(1)罰值。WRMM模型中每一個(gè)元件的供水優(yōu)先序是通過設(shè)置罰值大小來表示的，單獨(dú)的數(shù)值的大小不能表現(xiàn)供水優(yōu)先序，只能通過完整的水資源罰值系統(tǒng)，才具有表達(dá)供水優(yōu)先序的意義。

(2)元件。WRMM模型中的元件是指在水資源系統(tǒng)出現(xiàn)的所有的組成，包括水庫、水電站、泄水建筑物、河流、渠道、少量耗水、大量耗水以及灌溉用水。若所研究區(qū)域沒有某一個(gè)系統(tǒng)元件，省略該元件，不影響模型運(yùn)行。

(3)操作策略。WRMM模型中的操作策略是指決策者對(duì)于水資源各個(gè)系統(tǒng)元件之間的供水先后順序的自主定義，即各個(gè)元件優(yōu)先供水的定義。

(4)理想?yún)^(qū)域。WRMM模型中的理想?yún)^(qū)域是對(duì)于水資源系統(tǒng)元件達(dá)到?jīng)Q策者預(yù)期結(jié)果的定義，例如水庫的理想?yún)^(qū)域是規(guī)則曲線，即是正常來水情況下的興利庫容對(duì)應(yīng)的正常高水位；灌區(qū)的理想?yún)^(qū)域是達(dá)到灌區(qū)的需水要求，城鎮(zhèn)用水的理想?yún)^(qū)域是滿足用戶的需水量，達(dá)到供水保證率。

(5)松弛區(qū)域。WRMM模型中的松弛區(qū)域是指理想?yún)^(qū)域的偏離程度。不同系統(tǒng)原件對(duì)應(yīng)不同的松弛區(qū)域，例如防洪和興利綜合調(diào)度的水庫，水庫的調(diào)度曲線可以分為正常高水位線、防破壞線、限制洪水線、防洪調(diào)度線、死水位線，以上5條線構(gòu)成了防洪水庫偏離理想?yún)^(qū)域的4個(gè)松弛區(qū)域。

2 罰值與操作策略之間的聯(lián)系

在WRMM模型中，每一個(gè)元件都定義了一個(gè)理想水平或者理想?yún)^(qū)域，用來表示理想的操作狀態(tài)，額外的水平或者區(qū)域被定義為偏離理想操作狀態(tài)，表現(xiàn)為高于或者低于的理想狀態(tài)。用戶可以定義罰值來定義優(yōu)先序，來協(xié)調(diào)整個(gè)模擬系統(tǒng)的操作策略。各元件定義的操作策略見表1。本文主要包括了水庫，灌區(qū)，大量耗水(城市用水和農(nóng)村用水)，天然渠道。

表1 WRMM模型中各元件的操作策略Tab.1 The operating policy of each component in WRMM model

3 復(fù)雜水資源系統(tǒng)的罰值與操作策略

水資源系統(tǒng)元件中，包括水庫，灌區(qū)，大量耗水(城鎮(zhèn)用水，工業(yè)用水等)，水電站，天然渠道，分水渠道，人工渠道。每一個(gè)元件都有其簡化描述[4-8]，見表2。

綜上所述，想要做好一個(gè)教師，首先就要具備良好的職業(yè)道德，也就是師德。在與學(xué)生培養(yǎng)了基本的感情之后，積極與學(xué)生打成一片，讓學(xué)生感受到自己的關(guān)愛，面對(duì)犯錯(cuò)誤的學(xué)生教師也要做到正確對(duì)待。

在情景模擬中，充分考慮水庫，灌區(qū)，大量耗水，天然渠道以及人工渠道系統(tǒng)元件，建立復(fù)雜水資源系統(tǒng)，其水資源系統(tǒng)概化圖，見圖2。

如圖2所示，水資源系統(tǒng)概化圖包括了2個(gè)水庫，2段天然河道，城市用水，灌區(qū)用水以及農(nóng)村用水，詳細(xì)代碼見表3。

水庫1 為多年調(diào)節(jié)水庫，總共分為6個(gè)區(qū)域，分別是泄洪區(qū)、洪水控制區(qū)、第一個(gè)松弛區(qū)域、第二個(gè)松弛區(qū)域、第三個(gè)松弛區(qū)域及第四個(gè)松弛區(qū)域；天然渠道1，分為4個(gè)區(qū)域，分別是洪水破壞去、第一個(gè)松弛區(qū)域、第二個(gè)松弛區(qū)域及第三個(gè)松弛區(qū)域；城市用水，分為2個(gè)區(qū)域，分別是第一個(gè)松弛區(qū)域及第二個(gè)松弛區(qū)域；天然渠道2，分為4個(gè)區(qū)域，分別是洪水破壞去、第一個(gè)松弛區(qū)域、第二個(gè)松弛區(qū)域及第三個(gè)松弛區(qū)域；水庫2，總共分為5個(gè)區(qū)域，分別是洪水控制區(qū)、第一個(gè)松弛區(qū)域、第二個(gè)松弛區(qū)域、第三個(gè)松弛區(qū)域及第四個(gè)松弛區(qū)域；灌溉用水，分為3個(gè)區(qū)域，分別是第一個(gè)松弛區(qū)域、第二個(gè)松弛區(qū)域及第三個(gè)松弛區(qū)域；農(nóng)村用水，分為3個(gè)區(qū)域，分別是第一個(gè)松弛區(qū)域、第二個(gè)松弛區(qū)域及第三個(gè)松弛區(qū)域。在供水充足的情況下，各個(gè)用戶均達(dá)到理想供水，理想操作規(guī)則見表4。

操作策略與罰值之間的關(guān)系，主要取決于各個(gè)元件之間的供水先后順序；每一個(gè)元件是否進(jìn)入到下一個(gè)松弛區(qū)域，取決于操作策略中是否將元件的缺水情況降低到下一個(gè)松弛階段，如果不降低元件需水要求，其元件的罰值應(yīng)該大于其他元件罰值。通過不同情景下罰值，說明罰值、罰值系統(tǒng)和操作策略之間的關(guān)系。在罰值系統(tǒng)生成時(shí)，為了能夠充分考慮各個(gè)系統(tǒng)元件之間的相互影響，除了水庫在進(jìn)入第一個(gè)松弛階段的罰值為1，其余罰值設(shè)置均采用相對(duì)大小相差5，便于表示各個(gè)元件操作策略與罰值之間的聯(lián)系。

圖2 水資源系統(tǒng)概化圖Fig.2 Generalized network diagram

名稱入流節(jié)點(diǎn)天然河道1天然河道1水庫1水庫2分流節(jié)點(diǎn)城市用水灌溉用水農(nóng)村用水代碼100101102201202400501502503

表4 理想操作規(guī)則Tab.4 The ideal operating rules

3.1 情景1罰值系統(tǒng)的建立

情景1 城市用水重要性>農(nóng)村用水重要性>灌溉用水重要性，罰值系統(tǒng)與操作策略的關(guān)系，見表5。

由表5可知，水庫1的罰值為1,5,25,105；天然渠道1的罰值為5,30,90；城市用水的罰值為60,100；天然渠道2的罰值為10,35,65；水庫2的罰值為15,40,70,85；灌溉用水的罰值為20,45,75；農(nóng)村用水的罰值為50,80,95。當(dāng)水資源系統(tǒng)出現(xiàn)供水不足時(shí)，水庫1首先進(jìn)入第一個(gè)松弛區(qū)域，然后是天然渠道1進(jìn)入到第一個(gè)松弛階段，當(dāng)缺水程度為3時(shí)，按照越先被列出來，優(yōu)先序越小的原則，應(yīng)該是城市用水進(jìn)入到第一個(gè)松弛區(qū)域，不符合操作策略中重要性的排序，通過改變罰值的相對(duì)大小，改變城市用水的優(yōu)先序，所以在缺水程度為3時(shí)，天然渠道2進(jìn)入第一個(gè)松弛區(qū)域。

在缺水程度為5時(shí)，此時(shí)除了城市用水和農(nóng)村用水在理想需水狀態(tài)以外，其他所有系統(tǒng)元件均進(jìn)入第一個(gè)松弛階段，通過操作策略的調(diào)整，因此在缺水程度為6時(shí)，水庫1進(jìn)入到第二個(gè)松弛區(qū)域，其余系統(tǒng)元件陸續(xù)進(jìn)入第二個(gè)松弛區(qū)域。直到缺水程度為11時(shí)，農(nóng)村用水進(jìn)入到第一個(gè)松弛階段，此時(shí)城市用水仍然是理想需水狀態(tài)。在缺水程度為13時(shí)，城市用水進(jìn)入到第一個(gè)松弛區(qū)域。

3.2 情景2罰值系統(tǒng)的建立

情景2 城市用水的重要性完全高于農(nóng)村用水和灌溉用水，罰值系統(tǒng)與操作策略的關(guān)系，見表6。

表5 情景1 罰值系統(tǒng)Tab.5 Scenario 1 penalty value of water resources system

表6 情景2 罰值系統(tǒng)Tab.6 Scenario 2 penalty value of water resources system

由表6可知，水庫1的罰值為1,30,100,105；天然渠道1的罰值為5,35,90；城市用水的罰值為85,95；天然渠道2的罰值為10,40,60；水庫2的罰值為15,45,65,80；灌溉用水的罰值為20,50,70；農(nóng)村用水的罰值為25,55,75。當(dāng)水資源系統(tǒng)出現(xiàn)供水不足時(shí)，缺水程度為1～2時(shí)，水庫1首先進(jìn)入第一個(gè)松弛區(qū)域，然后是天然渠道1進(jìn)入到第一個(gè)松弛階段，當(dāng)缺水程度為3時(shí)，按照越先被列出來，優(yōu)先序越小的原則，應(yīng)該是城市用水進(jìn)入到第一個(gè)松弛區(qū)域，不符合操作策略中重要性的排序，通過改變罰值的相對(duì)大小，改變城市用水的優(yōu)先序，所以在缺水程度為3時(shí)，天然渠道2進(jìn)入第一個(gè)松弛區(qū)域，一次是水庫2、灌溉用水和農(nóng)村用水進(jìn)入到第一個(gè)松弛階段。當(dāng)缺水程度為17時(shí)，天然渠道2 、水庫2、灌溉用水和農(nóng)村用水，4個(gè)系統(tǒng)元件均進(jìn)到分區(qū)的最后一個(gè)松弛區(qū)域。當(dāng)缺水程度為18時(shí)，城市用水首先進(jìn)入到第一個(gè)松弛區(qū)域，天然渠道2 、水庫2、灌溉用水和農(nóng)村用水均已經(jīng)達(dá)到松弛區(qū)域底部，對(duì)操作策略不再產(chǎn)生影響，在此缺水程度下，主要是水庫1，天然渠道2和城市用水。

當(dāng)缺水程度為20時(shí)，城市用水進(jìn)入第二個(gè)松弛階段，城市用水進(jìn)入分區(qū)的底部，對(duì)操作策略不再產(chǎn)生影響。缺水程度不斷增加，水庫1依次進(jìn)入松弛區(qū)域，直到最終進(jìn)入第一個(gè)松弛區(qū)域底部，整個(gè)操作策略完成，生成罰值系統(tǒng)。

3.3 情景3罰值系統(tǒng)的建立

情景3 城市用水與農(nóng)村用水的重要性相同，罰值系統(tǒng)與操作策略的關(guān)系，見表7。

表7 情景3 罰值系統(tǒng)Tab.7 Scenario 3 penalty value of water resources system

由表7可知，水庫1的罰值為1,30,90,95；天然渠道1的罰值為5,35,85；城市用水的罰值為25,55；天然渠道2的罰值為10,40,60；水庫2的罰值為15,45,65,80；灌溉用水的罰值為20,50,70；農(nóng)村用水的罰值為25,55,75。

當(dāng)缺水程度為1～2時(shí)，水庫1和天然渠道1依次進(jìn)入到第一個(gè)松弛階段；當(dāng)缺水程度為3時(shí)，當(dāng)缺水程度為3時(shí)，按照越先被列出來，優(yōu)先序越小的原則，應(yīng)該是城市用水進(jìn)入到第一個(gè)松弛區(qū)域，不符合操作策略中重要性的排序，通過改變罰值的相對(duì)大小，改變城市用水的優(yōu)先序，所以在缺水程度為3時(shí)，天然渠道2進(jìn)入第一個(gè)松弛區(qū)域，一次是水庫2、灌溉用水進(jìn)入到第一個(gè)松弛階段。在缺水程度為1～5時(shí)，城市用水和農(nóng)村用水均達(dá)到理想需水要求。

當(dāng)缺水程度為6時(shí)，城市用水和農(nóng)村用水同時(shí)進(jìn)入第一個(gè)松弛區(qū)域，滿足操作策略中，城市用水和農(nóng)村用水重要性相同的要求。當(dāng)缺水程度為7～11時(shí)，水庫1、天然渠道1、天然渠道2、水庫2以及灌溉用水依次進(jìn)入第二個(gè)松弛區(qū)域，此時(shí)城市用水和農(nóng)村用水仍然在第一個(gè)松弛區(qū)域 。

當(dāng)缺水程度為12時(shí)，城市用水和農(nóng)村用水進(jìn)入到第二個(gè)松弛區(qū)域，隨著缺水程度不斷加深，其余系統(tǒng)元件依稀進(jìn)入相應(yīng)的區(qū)域底部。由于農(nóng)村用水共分了3操作區(qū)域，城市用水共分了2個(gè)操作區(qū)域，當(dāng)缺水程度為16時(shí)，農(nóng)村用水進(jìn)入第三個(gè)松弛區(qū)域，城市用水和農(nóng)村用水均已達(dá)到分區(qū)底部，完成城市用水和農(nóng)村用水的罰值生成。直到系統(tǒng)所有元件達(dá)到分區(qū)底部，整個(gè)操作策略完成，生成罰值系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

通過3種情景模擬，考慮不同水資源系統(tǒng)元件的供水優(yōu)先序，不同的操作策略建立不同的罰值系統(tǒng)。不同的操作策略致使供水優(yōu)先序發(fā)生變，罰值也隨之變化，建立起來的罰值系統(tǒng)才能符合操作策略的需求。不同情景下，某一個(gè)元件的罰值可能沒有發(fā)生變化，例如在情景2和情景3的罰值系統(tǒng)中，天然渠道2的罰值沒有發(fā)生變化，但整個(gè)罰值系統(tǒng)相差卻比較大，證明單個(gè)元件罰值的大小，沒有任何意義，將所有元件的罰值聯(lián)系在一起形成的罰值系統(tǒng)才能對(duì)水資源配置起調(diào)配作用。在不同情景下，城市用水的重要性一旦發(fā)生變化，例如在情景1中，城市用水的罰值為60,100，在情景2中的罰值為85,95，在情景3中的罰值為25,55。不同的罰值設(shè)置是為了達(dá)到不同的供水優(yōu)先序。罰值系統(tǒng)發(fā)生變，造成整個(gè)水資源系統(tǒng)的配置發(fā)生改變。

操作策略的體現(xiàn)，在于供水優(yōu)先序，供水優(yōu)先序的決定取決于罰值的相對(duì)大小，罰值越大，系統(tǒng)元件越優(yōu)先供水，也越不容易偏離理想水平。

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