配置模型与系统软件

（一）水资源配置模型的概念

水资源配置模型是在给定的系统结构和参数以及系统运行规则下，对水资源配置系统进行逐时段的调度操作，然后得出水资源配置系统的供需平衡结果。水资源配置系统网络图反映了一般水资源配置系统的基本结构以及各种水源通过蓄水、输水、用水而建立起的相互依存、相互转换关系。由于水资源配置系统的复杂性，对系统的全部特性和演变规律都详尽地模拟是不现实的。因此，必需根据模型计算的目的与需要，紧紧抓住主要问题和主要矛盾，深入分析和研究水资源配置系统，对与配置计算的目的相关的各种重要特性和规律都要真实地在模型中加以反映，而对其他次要方面需作适当的概化。

（二）基本要求

（1）水资源配置应将流域水资源循环过程与人工侧支循环的供、用、耗、排水过程相适应并互相联系为一个整体，通过对流域或区域之间、用水目标之间、用水部门之间进行水量和水环境容量的合理调配，实现水资源开发利用、流域和区域经济社会发展与生态环境保护的协调，促进水资源的高效利用，提高水资源的承载能力，缓解水资源供需矛盾，遏制生态环境恶化的趋势，支持经济社会的可持续发展。

（2）水资源配置以水资源供需分析为手段，在现状供需分析和对各种合理抑制需求、有效增加供水、积极保护生态环境的可能措施进行组合及分析的基础上，对各种可行的水资源配置方案进行生成、评价和比选，提出推荐方案。

（3）水资源配置以水资源调查评价、水资源开发利用情况调查评价为基础，结合需水预测、节约用水、供水预测、水资源保护等有关部分进行，其所提出的推荐方案应作为制定总体布局与实施方案的基础。在分析计算中，数据的分类口径和数值应保持协调，成果互为输入与反馈，方案与各项规划措施相互协调。水资源配置的主要内容包括基准年供需分析、方案生成、规划水平年供需分析、方案比选和评价等。

（4）水资源供需分析在流域和行政区范围内以计算分区（单元）进行，对城镇和农村须单独划分。流域与行政区的方案和成果应相互协调，提出统一的供需分析结果和推荐方案。

（5）水资源供需分析计算一般采用长系列月调节计算方法，以反映流域或区域的水资源供需的特点和规律。主要水利工程、控制节点、计算分区的月流量系列应根据水资源调查评价和供水预测部分的结果进行分析计算。

（6）水资源配置在多次供需反馈并协调平衡的基础上，除考虑各水资源分区的水量平衡外，还应考虑流域控制节点的水量平衡。

（7）水资源配置应充分利用水资源保护部分工作的有关成果，对水功能区或控制节点的纳污能力与污染物入河控制量进行分析；对入河污染物量和水资源量进行区域与时间的调配。此外，在分区与节点的水量平衡计算时，应考虑水质因素，即供需分析中的供水应满足不同用水户的水质要求。对不满足水质要求的水量不应计算在供水之中。

（8）通过流域和区域、水利工程及节点/断面水资源供需平衡分析，提出流域和区域供水量和供水保证率，缺水量及缺水破坏程度、水资源开发程度，水利工程供水量和供水保证率、弃水量、输水管道/河道过流能力、各节点/断面过水量，不同水源利用效率和利用消耗率，不同水源利用比例、地下水利用状况和利用策略，以及各种工程措施或因素（节水、治污、经济结构调整、工程布局、城市化发展、社会发展水平等）对水资源供需平衡结果的影响等成果。

（9）水资源配置模型，实际上是一个模型系统，由相关的功能模块组成，具有开放式的模块结构，根据需要可以随意增减功能模块，以适应流域水资源动态规划和管理的需要。

（三）建模思路

水资源配置模型是根据对水资源配置系统中人类经济活动所形成的水资源供用耗排关系及其特点的描述，建立以“三生”用水需求与天然水资源在水利工程调度运行下的供给与需求之间平衡计算为基础的模型。

模型以水资源配置系统“点、线、面”的水量平衡关系作为水资源平衡计算的基础，包括流域或区域分区的水资源供需平衡及其水资源供用耗排过程的水量平衡、水量转化和水源转化的平衡分析计算等。其中“点”的水量平衡计算主要对象为水资源配置系统中各节点，包括计算单元节点、水利工程节点、分水汇水节点、控制断面等，其平衡关系为计算单元的供需平衡、水量平衡、水量转化关系、水源转化关系、水利工程的水量平衡和分水汇水节点或控制断面的水量平衡等；“线”的水量平衡计算对象为水资源配置系统中各类输水线段，包括地表水输水管道、渠道、河道，跨流域调水的输水线路、弃水传输线路、污水排放的传输线路等，其平衡关系为供水量、损失水量和接受水量间的平衡、地表水地下水的水量转化关系等；“面”的水量平衡计算对象主要为流域或完整区域，其平衡关系为流域或区域的水资源供需平衡、水量平衡和水量转化关系。

将水资源配置系统的各类水量平衡关系概化为对系统内“点”、“线”、“面”对象关系的供需平衡、水量平衡和水量转化计算的描述，有助于对整个水资源配置系统关系的理解、有助于对各类水源变化的认识和处理、有助于设计和建立相应的计算规程、有助于对模型运行结果的分析，可极大地提高模型系统运行的有效性。

在水资源配置系统描述方面，采用了多水源（地表水、地下水、外调水及污水处理回用水），多工程（蓄水工程、引水工程、提水工程、污水处理工程等），多水传输系统（包括地表水传输系统、外调水传输系统、弃水污水传输系统和地下水的侧渗补给与排泄关系）的系统网络描述法。该方法使水资源配置系统中的各种水源、水量在各处的调蓄情况及来去关系都能够得到客观的、清晰的描述，为得到水资源供需平衡合理结果打下了基础。

在配置方案上考虑了对系统内的不同流域或区域的选择和定义，各工程方案组合，各水平年的需水量、来水量的预测，以及污水处理与回用能力、节水水平、地下水可开采量、工程运行规则、各种参数等。

在结果分析上包括了各系统元素的水平衡分析、系统内各分区的供水量及供水能力分析、供水效益分析、水源利用情况、弃水情况、污水排放情况、工程分水情况、河流与渠道过流情况、系统发电量等，并对各模拟计算方案进行综合分析比较，寻找出合理可行的工程设计方案。

（四）系统概化与网络图

水资源配置系统内的各类物理元素（如水平衡计算单元、水利工程、河道、渠道交汇点）之间通过线段（河、渠道）的相互联结形成水资源配置系统网络。各类元素线段的物理特征、规则指标反映了该系统的特性，其输入量（入流量、需水量、工程组成及有关参数等）直接影响系统行为，通过不同的规则对系统进行求解运行，得到其系统响应。水资源供需平衡分析即对此系统所涉及的各有关单元进行计算，因此需要对一个复杂的水资源配置系统进行一定程度的概化处理，使其既可反映水资源配置系统供需平衡关系和一般性问题，又可通过概化将水资源配置系统的复杂问题进行简化处理，通过一定的系统调度运行策略，对不确定的天然水资源按照各种用水户的要求进行时空调节分配，达到水资源供需平衡分析的基本要求，以实现水资源配置的基本目标。

1.系统概化

系统概化包括确定系统计算分区（单元）、选择重要水利工程、划分可利用水源、设置控制性节点或断面、区分用水户分类、河流渠道系统、河网概化等。

计算分区要以流域或区域水资源综合规划的基本要求来确定，既要考虑行政区域在基础经济社会资料条件和行政管理上的便利，又要考虑流域水资源特性及流域管理趋势的要求。例如以水资源四级区套地市行政区划分水资源供需平衡的基本计算单元。

工程的选取应视工程在水资源供需平衡分析中的重要作用进行。一般选择大型和重要的中型水利工程作为水资源配置系统网络图绘制的基本工程节点，主要包括：总库容在1亿m3以上的蓄水工程及库容小于1亿m3的重要中型蓄水工程；引水能力在30m3/s以上（或灌溉面积在30万亩以上）的引水工程；提水能力在30m3/s以上（或灌溉面积在30万亩以上）的提水工程。

对上述规模以下的水利工程原则上进行合并概化处理，对于个别重要的中型蓄水工程或概化后的引水、提水工程可根据需要单独作为工程节点处理；污水处理工程在分析计算单元水量平衡和水源利用时予以考虑；节水工程在需水预测中予以考虑；给排水工程不予单独作为水量调节工程考虑。

节点或断面的设置一方面应考虑具有水资源分配过程中的水量变化，如具有一定区间来水的汇流节点和进行水量分配的分水节点；一方面也要考虑省际间对水量水质控制的要求。另外，将系统水量最终流入的海洋或内陆河流的尾闾湖泊设置为系统的水汇。对于重要的湿地应单独列出，可作为汇水节点处理，计算上可作为计算单元的需水处理。

水源的划分一般条件下基于对水资源可利用量的划分，包括地表水、地下水、污水处理再利用水、跨流域调入水、其他非常规水源（如微咸水、淡化海水、海水）等。其中地表水主要以水利工程控制的天然水量为主，包括作为单个工程或概化工程的各水利工程控制断面或区域的来水量和区间来水量，以历年逐月天然径流量来体现；对不作为单个工程或概化工程的水利工程控制的地表水资源量，在供水量能力统计分析后，作为各计算单元的当地地表水资源可利用的水量加以处理；地下水主要分析和计算各计算单元的地下水补给量和可开采量；污水处理再利用水源以各计算单元的排放率、污水处理率、污水处理再利用率等参数进行分析计算；调水工程的界定，主要是根据需要来考虑。如有时以跨流域二级区（或省级行政区）的调水工程定义为跨流域（或跨行政区）调水工程，并进行单独分析计算；对于二级区以下内部的调水工程，除非需要强调其跨流域调水的意义和作用，其水源一般仍作为地表水处理；对于其他非常规水源应结合当地具体情况进行具体分析和处理。

用水户的划分是根据《全国水资源综合规划技术细则》要求，划分为农村生活、城市生活、工业、农业、城市河湖补水、一般河道外生态用水等六个用户。对于河道内的各分项用水需求，如发电、航运、冲沙、环境容量要求、入海水量等不作为单独用水户考虑，而在模型中以约束条件的形式给出。

根据全国水资源综合规划统一要求，以生活、生产、生态用水需求为水资源配置模型所考虑的基本用水户，但由于对城市与农村的供水保证率要求相差较大且城市需考虑污水排放与处理，需要有所区分，因此模型所考虑的用户则划分为城市生活、生产、生态和农村生活、生产、生态六个用户。其中城市生活用水主要指具有供水设施的城镇居民生活用水；农村生活用水为分散在农村广大地区的农业人口的生活用水；工业用水主要指第二产业和第三产业用水，位于农村的大型企业由于其生产规模和供水保证率也应与位于城市的工业企业相同，也作为工业用水处理；农业用水则主要为农业灌溉用水，林木、渔业和草场用水，及生产性牲畜用水；河道外生态环境用水，其中城市生态用水主要为城市河湖补水、环境绿地用水等，农村生态环境用水可指湿地及泡沼湖泊补水；河道内用水需求，包括河道内生态环境和生产用水，如发电、航运、冲沙、环境容量、入海水量等不作为单独用水户考虑，而在模型中以约束条件的形式给出。

河流、渠道以及供水管道的概化是根据水源划分情况和水资源供用耗排关系将水流传输系统设置为地表水供水系统、跨流域调水系统、污水排放与弃水系统，对于各计算单元之间地下水的补给排泄关系由于侧向补排量占总补排量的比例较小，一般不予单独考虑。地表水供水系统主要为各水利工程或通过下游水利工程经过河流、渠道、管道直接或间接供给各计算单元用水户的供水体系。跨流域调水系统本质上与地表水供水系统完全相同，但其水源具有相对特殊的意义，在水资源配置模型中也具有举足轻重的作用（如其水价较高、工程投资浩大、效益影响决策因素敏感等），因此在模型中需要单独加以区别，在描述其关系时应将跨流域供水工程从供水水源至最终受水区域的所有可能的连接均单独明显地区分。弃水系统是指超过水利工程存蓄能力的水量、各计算单元灌溉渠系和田间退水量、城市污水处理未利用量、污水未处理排放量等通过下游河道传输至下游工程或计算单元的水流传输系统。地表水供水系统、跨流域调水系统和弃水系统的构成可以是由具体有形的河流、渠道、管道组成，但大多数情况（视分区的疏密）则是由这些河道、渠道、管道概化而来。相应的参数（如利用系数、过流能力、河道内用水约束等）需要进行统计分析确定。

河网调蓄为各计算单元中的重要水利工程以外的蓄水库容和河流的槽蓄对地表水具有一定的调蓄作用。在水资源短缺地区或北方枯水季节，进入河网的调蓄水量仍可作为可利用的有效水源加以利用。河网调蓄能力是通过对中小水库总库容和河槽容积进行综合分析后给出；河网调蓄可利用水量则根据计算单元内中小水库综合调节能力确定，经模型动态计算给出供水量；河网调蓄水量的来源主要是水库至计算单元的弃水、本计算单元产生的回归水、上游计算单元的退水；考虑其调蓄作用较低，一般仅利用其一个滞时的水量，即本时段本计算单元产生的河网调蓄水量（包括退至下游计算单元的河网调蓄水量）只能在下一个时段由本计算单元或下游计算单元使用，多余水量在下第二个时段则不继续使用，而作为弃水继续向下游计算单元或河道直接排放。

2.时间描述

模型计算时段一般以月为单位，在特殊需求条件下也可以旬为单位。但是也可由于条件限制（如资料条件、模型过于复杂和庞大、模型调算等）也可考虑以年为单位的计算时段。

计算时段长是按照全国水资源综合规划的统一部署，进行历年逐月长系列（1956～2000年）的水资源供需平衡分析计算。若条件不允许可考虑选用不同频率的典型年（如50%、75%、90%的典型年）或不同时间段（如1981～1990年、1996～2000年、丰平枯均存在的最短时间段、枯水期等）的水资源供需平衡分析计算。

由于地表水量传播时受河槽调蓄作用和水力压力传导的影响，一般对以月时段进行水资源供需平衡计算时不必考虑水量的传播时间的影响。对大流域的水资源调度，特别是跨流域调水工程，从水源到用户输水线路较长远、输水滞时超过一个计算时段时，水量的传播时间所产生的影响将比较突出。此时，模型在进行地表水资源分配时需要专门考虑传播时间的不同所带来的影响，具体计算方法需在模型编制与分析过程中予以解决。

3.系统网络图绘制

（1）基本原理。水资源配置系统网络图，是指导水资源配置模型编制，确定各水源、用水户、水利工程相互关系，以及建立系统供用耗排关系的基本依据。它基于水资源配置系统概化、按照系统网络的基本概念进行绘制。一个复杂的水资源配置系统网络图中的各类水利工程为供水节点，各分区计算单元为需水节点，河流、隧洞、渠道及长距离输水管线的交汇点或分水点为输水节点。网络中的任意两个节点间由若干条有向弧线联结，形成了水资源配置系统网络图。显然，河流、渠道及管线在网络中由一组弧表示，反映地表水传输关系，跨流域外调水及弃水排水传输系统采用另外两组弧表示。

（2）绘制要求。根据流域水资源配置系统特点和现状、规划的水利工程情况以及水资源配置的要求等，将流域水资源配置系统中各类物理元素（重要水利工程、计算单元、河渠道交汇点等）作为节点，各节点间通过上述水资源传播系统的各类线段连接，形成流域水资源配置系统网络图（或称节点图、系统图）。系统网络图绘制要求：①要充分反映流域水资源配置系统主要特点（如水资源配置系统的供用耗排特点）及各种关系（如各级水系关系、各计算单元的地理关系、水利工程与计算单元的水力联系、水流拓扑关系等）；②要恰如其分地满足水资源配置模型的需要，通过系统图的绘制正确体现模型系统运行所涉及的各项因素（如各种水源、各类工程、各类用水户以及各类水资源传输系统等）。

水资源配置系统网络图应按照水资源配置系统概化的要求，标明各计算单元、重要水利工程、各类水流传输系统、重要控制断面（或节点）。各项元素应尽可能简洁明了，避免过多的类似元素以不同的方式标注。计算单元的位置应能基本反映其相对的地理位置。重要水利工程应区别蓄水工程、引提水工程，也要区别已建工程和规划工程。水流传输系统应以不同颜色或线型区别供水系统、退水系统、跨流域调水系统。控制断面/节点的标注与工程标注也应有所区别。

对于个别对象，虽然不符合单独标出的一般要求，但由于它们在实际水资源配置中的重要性，需要具体考虑，明确标出。对于不需要单独考虑的对象，可以概化地表示，或者在网络图中不标出，只在模型中考虑。

（3）系统网络图。按照松辽流域水资源综合规划的要求，以水资源四级区套地市行政区确定大凌河流域水资源配置基本计算单元，共计8个。流域内的引、提水枢纽和大型水库、重要的中型水库等水利工程作为水资源配置的工程节点。按照各计算单元、水利工程之间的各种水源的传输关系及水力联系，将计算单元与工程节点通过输排水河渠相连接，得到大凌河流域水资源配置系统网络图，见图8-1。大凌河流域水资源配置系统各种水量需求、供给、利用与排泄关系通过该图得以较为全面地反映，以此作为水资源供需平衡计算的基础。

（五）水资源配置模型

水资源配置模型，是一种用数学方法尽可能真实地描述系统的各种重要特性和系统行为的模型技术，是实现水资源长系列配置计算的一种工具，应用它能够观察和了解已有或虚拟配置系统对给定输入的响应，便于在系统工程规模设计和运行中正确决策，从而避免实际决策的失误或节省物理模拟的大量费用。

1.系统集合、参数与变量

图8-1　大凌河流域水资源配置系统网络图

系统集合表示组成系统的各类元素以及反映它们之间关系的所有元素的总称。基本物理元素、时间元素、分析元素等称为基本元素或基本集合。在基本集合内按照某一特性划分的不同元素集合为该基本集合的子集合，而反映基本集合相互之间关系并具有某一特性的集合为复合集合。在以下叙述的公式中，以大写字母表示集合的全体，小写字母表示集合元素。表8-1为各类集合名称及意义。

表8-1　集合名称及其意义

在系统集合的基础上可进一步定义参数和变量。参数是模型的外生变量，即模型的输入，由统计资料分析确定。变量是模型的内生变量和决策因子，由模型运行后求得。为了方便起见，参数和变量分别加前缀“P”和“X”以示区别。参数与变量名称及意义，见表8-2、表8-3。

表8-2　参数名称及其意义

2.目标函数

水资源配置系统满足其全部约束条件限制的可行运行方式是无穷多的。为了从某一角度衡量这些可行运行方式的优劣，就需要制定评价的标准。在水资源配置模型中，所采用的评价运行方式优劣的标准由目标函数表示。当目标函数给定之后，模型求解软件对所定义的问题进行求解，即从所有可行解中找到使目标函数达到最大值（或最小值）的解。其物理意义便是满足系统的水平衡要求、运行要求、容量要求及其他要求后，使系统的经济效益（或水量损失，或按优先级）达到最好。

表8-3　变量名称及其意义

水资源配置模型具有三类目标函数：净效益最大调度原则、损失水量最小调度原则、水库蓄放水优先级。它们可用统一的数学结构表达。通过对选择项参数赋值，可选择任一种目标函数，也可以根据经验将两种目标函数结合起来，使模拟模型的应用更加灵活。

（1）净效益最大调度原则。区域水资源系统要满足社会、经济、环境等方面的要求。经济方面主要是工业与城市供水、灌溉用水及发电用水，利用相应的生产模型，可求出其净效益曲线。环境方面主要是河道内环境水量要求、河流尾闾水量要求，以及地下水超采限制等，这些均可用约束条件加以限制，使各分水方案均满足环境质量要求。对于社会效益，农业生产模型和工业生产模型中已经考虑了人均蔬菜、人均口粮、农村劳力利用、城镇就业人口及城乡人均收入的限制，隐含地考虑了社会方面的目标。因此，在目标函数中仅考虑供水经济效益。

水资源配置是在水资源配置系统中的水利工程系统给定的情况下进行优化分水的，供水及输水单元的投资年费用和运行费均已知。对配置模型每次的两时段运行而言，系统的费用项为常数，可仅追求其供水净效益最大。基于上述分析，单纯考虑两时段内的供水净效益的目标函数为

式中：B 2为t及t＋1两时段系统内各水资源利用分区的供水效益之和；等式右边为当前时段及第二时段城市、农村供水及水电站发电供水效益之和。

在目标函数中仅考虑两时段内的供水效益最大是不够的，只有每两时段决策所构成的决策整体序列所导致的水资源系统的长期经济效益最好，才是模型所追求的真正目标。两时段（即当前期）模型中的目标函数应由两部分组成：一部分是当前期效益的量度，即B 2；另一部分是余留期效益的量度，记为Br，其具体形式为

式中：DMB及DLB分别为当前期决策所导致的各水库i期末实际状态与时段末理想状态的偏离值，而WM及WL分别为前述正、负偏离值的权重，其物理意义为偏离当前期末的理想状态所导致的余留期经济损失。

若把外生得到的各时段各水库的时段末理想蓄水库容记为IB，则水库的正负偏离值显然为

因此，在经济效益最大调度原则下的两时段模拟模型目标函数的完整形式为

在已知N年水库入流实测系列情况下，假定每年的水库入流均为已知确定值，然后在全年经济效益最大的目标函数下连续求解N次水库优化调度模型。当N年调节完成后，每座水库的某个时段末蓄水库容便有N个值。对这N个时段末蓄水库容值按其相应的效益进行适当地加权平均后，便可得到每座水库每个时段末的理想库容值IR。若对调节结果的精度要求较高，则可在长系列来水已知条件下得到理想的调度线，或用多组随机生成的数据进行调节而得到。

（2）损失水量最小调度原则。按损失水量最小的原则进行调度的目标函数形式为

式中：L 2为当前期两个时段水量损失最小的量度，Lr为余留期诸时段水量损失最小的量度。在水资源调节计算中，来水、用水、各水库初始库容是已知的，水库在当前期末的蓄水库容愈大，就意味着当前期内的蓄水与输水损失愈小。水量损失包括蒸发与渗漏。对于当前期决策所导致的期末蓄水库容分布对余留期水量损失的影响，也同样用逼近水库期末理想蓄水库容的方法来解决。各水库各时段的期末理想蓄水库容IR是在全年来水已知条件下，按全年水量损失最小求解N年的水库调度问题后得到。L 2与Lr的形式为

式中：变量DML与DLL分别为当前期末水库实际蓄水状态与理想状态IL的正负差距，其形式为

根据实际调度需要，可对蒸发、渗漏等不同水量损失赋予不同的权重。

（3）水库蓄放水优先级。各个水库蓄放水优先级是通过对各水库的时段末蓄水库容变量赋予不同的权重来实现的。在对目标函数求极大的情况下，一个水库蓄水库容变量的权重愈大，该水库在调度决策时愈倾向于蓄水，即让那些权重更小的水库优先供水。对大中型水库而言，处于经常的蓄水高水位可增加系统对缺水区补水的机动性，有助于提高供水保证率及提高发电量；另一方面由于大中型水库的兴利库容及防洪库容相对较大，因而弃水情况也较少发生。

给定蓄放水优先级条件下的目标函数形式为

式中：P 2及Pr为在水库蓄放水优先级条件下的两时段模拟模型目标函数的量度。其具体形式为

若记水库在给定蓄水优先级条件下的当前期末理想蓄水状态为IP，则有

式中：P为各库各时段的优先级权重；DMP和DLP分别为当前期末水库实际蓄水状态与水库理想蓄水状态的偏离值，可根据实际情况对正负偏差分别赋予不同权重。

对于当前期末各水库理想蓄水状态IP的推求，可以采用IB或IL的值，也可以根据实际调度经验给出。

上述的三种目标函数形式，一般情况下以经济效益准则较为合理。但在模型不具备或基本经济数据不足的情况下，可以采用水量损失最小准则。特别是对于缺水地区，因它在某种意义上体现了对水资源充分利用的观点。对于蓄放水优先级准则，不仅各水库优先级组合众多，而且还涉及到各库供水后的渠道分水比例问题，工作量大且结果因人而异，难以具有说服力。模型同时具有上述三类目标函数，可根据实际情况选用配合使用，如可对一部分水库赋予优先级，则其余水库一律按效益准则或损失准则由模型进行优化调度。

3.平衡方程及约束条件

（1）水库地表水库容水平衡方程。

（2）水库外调水库容水平衡方程。

（3）水库库容限制。

其中

式（8-14）为汛限水位的限制条件。当上时段水库库水位在防洪限制水位以上时，以防洪限制水位为上限，否则仍以最大库水位为上限。当上时段末水库库水位在限制供水线以下时，则停止向农业供水，如式（8-16）表示：

（4）水库分水量限制。在水库泄流计算时，水库对下游输水按确定分水比进行水量的地区分配。

其中PCSD为某渠道分水比例。

（5）河流渠道过流能力约束。

（6）河流、渠道最小流量要求。

（7）水平衡计算单元城市供水水平衡方程。(www.xing528.com)

（8）水平衡计算单元农村供水水平衡方程。

（9）分区内地表水源的利用。

（10）回归水量计算。

（11）污水排放量计算。

（12）污水处理回用水量计算。

其中

（13）地下水库容水平衡方程。

（14）地下水开采限制。

（15）节点地表水平衡方程。

（16）节点外调水平衡方程。

（17）发电水量计算。

（18）发电量计算。

（19）系统保证出力约束。

式中：PNET为系统保证出力。

（20）农业供水效益计算。

上式称为农业生产函数。

（21）工业供水效益计算。

其中

Qjw为综合万元产值取水量。

（22）发电效益计算。

（23）其他约束（略）。

由于水资源配置系统内部结构十分复杂，涉及方面非常广泛，简单使用某些优化方法难以取得水资源供需平衡的合理结果。因此，所建立的水资源配置模型需要综合运用系统分析方法、运筹方法、多水平年动态水资源供需平衡思想、水文长系列操作方法以及风险分析及统计学方法等求解，以确保得到比较符合实际的计算结果。通过近20年的理论和技术改进，本次所建立的水资源配置模型具有以下主要特点。

（1）不仅能较完整地反映单站地表径流的季节和年际变化，又能反映多站地表径流间（不同流域间水资源丰枯）的不同步性。这是进行系统长系列调节计算的必然结果。

（2）合理地反映农业需水的变动要求。长系列调节计算能够同时考虑所在地域降水系列，通过有效降水的转换求出种植业的需水过程，以反映系统的变动需水要求，这样就能够更深入地反映供需矛盾的客观事实。

（3）可考虑地下水各项补给源的系列变化。利用分区地下水各项参数，逐时段计算地下水的各项补给量。

（4）可实现地表水与地下水的联合运用，尽可能发挥年际变化相对较小、调节作用相对较强的地下水对地表水的供水补偿作用，提高供水可靠性。

（5）可较真实地确定供水保证率及确定超出保证率年分的供水破坏深度及其持续性影响。

（6）通过不同优化目标，综合分析和评价各个水资源配置方案的差异，并给出相应的水资源供需态势。

（六）水资源配置系统软件

1.系统软件的构成

传统的系统软件开发过程中，客户机/服务器（CLIENT/SERVER）体系结构得到了广泛的应用。其特点是，应用程序逻辑通常分布在客户和服务器两端，客户端发出数据资源访问请求，服务器端将结果返回客户端。但CLIENT/SERVER结构存在着很多体系结构上的问题，如当客户端数目激增时，服务器端的性能会因为负载过重而大大衰减；一旦应用的需求发生变化，客户端和服务器端的应用程序都需要进行修改，给应用维护和升级带来了极大的不便；大量的数据传输增加了网络的负载等。

随着分布式对象技术的逐渐成熟，多层分布式应用体系结构得到了越来越多的应用。应用系统只有向多层分布式转变，才能最终解决CLIENT/SERVER结构存在的问题。在多层架构下，应用可以分布在不同的系统平台上，通过分布式技术实现异构平台间对象的相互通信。将应用系统集成于分布式系统之上，能极大地提高系统的可扩展性。

在多层分布式应用中，在客户端和服务器之间加入了一层或多层应用服务程序，将业务逻辑应用服务、数据库查询代理、合法性校验等工作放到了中间层进行处理。通常情况下，客户端（应用）不直接与数据库进行交互，而是通过COM/DCOM通信与中间层建立连接，再经由中间层与数据库进行交互。随着这层组件的增加，两层结构向三层结构转变后，客户端和服务器端的负载就相应减轻了，跨平台、传输不可靠等问题也得到了解决。增加的这层组件又称“中间件”，中间件在三层结构中主要充当中间层，完成数据安全和完整传输，通过负载均衡来调节系统的工作效率，从而弥补两层结构的不足。

基于上述考虑，水资源配置系统软件主要由综合数据库、模型库和人机交互界面等部分组成。

（1）综合数据库。综合数据库是整个水资源配置系统软件的基础和重要组成部分，直接为水资源供需平衡计算和统计分析等提供强大的数据及信息支持。

综合数据库采用先进的“数据仓库”技术进行设计。数据仓库是一个面向主题的、集成的、相对稳定的、随时间不断变化的数据集合，用于支持管理决策。首先，数据仓库用于支持决策，面向分析型数据处理，它不同于现有的操作型数据库；其次，数据仓库是对多个异构的数据源有效集成，集成后按照主题进行了重组，并包含历史数据，而且存放在数据仓库中的数据一般不再修改。

数据库是系统设计的核心，是系统实现的前提，是系统成败的关键，也是衡量系统好坏的一个重要的因素。其基本原则主要包括以下几个方面。

1）全面准确。所涉及的数据库内容应该尽可能全面，字段的类型、长度都应该准确地反映业务处理的需要，所采用的字段类型、长度能够满足当前和未来的业务需要。

2）关系一致。应准确表述不同数据表的相互关系，如一对一、一对多、多对多等，应符合业务数据实际情况。同时应包含是否使用各种强制关系（指定维护关系的各种手段，如强制存在、强制一对一等）。

3）松散耦合。各个子系统之间应遵循松散耦合的原则，即在各个子系统之间不设置强制性的约束关系。一方面避免级联、嵌套的层次太多；另一方面避免不同子系统的同步问题。子系统之间的联系可以通过重新输入、查询、程序填入等方式建立，子系统之间的关联字段是冗余存储的。

4）适度冗余。数据库设计中应尽量减少冗余，同时应保留适当的冗余。主要基于下面几点考虑：

a.为了提高性能：如果数据的记录数较多，执行多表联合查询时会显著降低性能。通过在表中保留多份拷贝，使用单表即可完成相应操作，会显著改善性能。

b.为实现耦合关系的松弛，需要保留冗余信息，否则当数据记录不同步时，会因为其中一个子系统无法运行而导致整个系统均无法运行。

c.为备份而冗余，如果其中某些数据或某些子系统不是一直可用，则可以考虑在可用时保存到本系统的数据库中以提高整个系统的可用性。

5）高频分离。将高频使用的数据进行从主表中分离或者冗余存储（如限制信息的检测等），将有助于大幅度提高系统运行的性能。

按信息类别，综合数据库可分为属性数据库和空间数据库。属性数据库主要包括水资源配置系统网络属性数据库、需水数据库、供水数据库、社会经济数据库、生态环境数据库等组成；空间数据库主要包括行政区划、河流水系、水库、水利工程、水资源分区、计算单元等电子地图组成。如水资源配置系统网络属性数据库主要由供水渠道属性表SPLCAN、调水渠道属性表DIVCAN、弃水渠道属性表DISCAN、单元弃水利用属性表PASSUNIT、处理后污水渠道属性表CDEALSEW、未处理污水渠道属性表CRAWSEW、污水河道基本属性表DRIVER等组成。此外，在综合数据库的建设中要进行严格的数据库编码设计，对于已经有国家标准或行业标准的空间数据、业务数据均采用现成的标准编码；对于没有标准编码的空间数据、业务数据，在建设中应依据空间数据和业务数据的一般编码规则，给出能反映专题分类层次结构的编码体系，并使编码与数据库中的其他编码保持结构上的一致性。如水资源分区代码。

编制水资源分区代码时，水资源分区为在水文分区的基础上，考虑水资源的特点确定的分区；参考资料为全国水资源分区（《全国水资源综合规划技术细则附件》，2002年）；编码方法由7位大写英文字母及数字混合组成，其含义如下：第1位表示流域片代码；第2～3位表示二级分区在该流域片中的顺序码；第4～5位表示三级分区在该二级分区中的顺序码（若没有三级分区，则用00表示）；第6位表示四级分区在该三级分区中的顺序码（若没有四级分区，则用0表示，超出9的用大写英文字母顺序排列）。第7位表示四级分区在该四级分区中的顺序码（若没有五级分区，则用0表示）。

（2）模型库。水资源配置模型库由水资源供需平衡分析模型、流域/区域水量平衡模型、地下水计算模块、动态需水计算模块、水库（群）优化调度模块、地表水与地下水联合高效利用模式及其调控计算模块、多目标方案比选模型和统计分析模块等组成。为适应水资源配置的需要，要求水资源配置模型库具有开放式的模块结构，可根据需要增加或减少相关的功能模块。

1）模型的存储管理。水资源配置模型的各组成模块均采用C#语言编制，并以组件形式存在于系统中。为方便对模型进行查询和维护，采用数据库表的形式存放组件模型相关的各种信息，即建立模型字典。其相关数据表设计，见表8-4和表8-5。

表8-4　模型基本信息表ModelBaseInfo

表8-5　模型参数信息表ModelParaInfo

2）模型的运行管理。模型运行的过程就是方案生成的过程，新建或修改一个方案需要运行一个或一系列模型。需要对建立方案（即模型运行）过程的相关信息进行存储管理，其关系如图8-2所示；方案有关信息，见表8-6～表8-8。

图8-2　模型运行管理流程框图

表8-6　方案基本信息表ProjectBaseInfo

表8-7　方案模型相关信息表ProjectRelateModel

表8-8　方案运行信息表ProjectExcute

通过以上数据库表可以方便地实现以下功能。

（1）方案的建立。系统选择具体应用对象后，如饮马河流域，输入方案名称、标识后，即可开始新建方案，并在表ProjectBaseInfo中建立相应记录。

（2）模型的选择。用户可以方便为新建方案选择一个或多个模型，并建立各模型间的先后运行顺序，在表Project RelateModel中建立相应记录。

（3）模型参数的率定。系统可以根据选择好的模型自动获取所需输入的各种模型参数（设置其参数类型为输入参数），并提示用户根据具体应用的历史数据进行模型参数率定操作等，各种参数输入完毕后，方案（即各模型的组合）即可进行运行。模型和方案的输出结果仍存放Project Excute表中（设置其参数类型为输出结果）。

2.系统软件的功能

根据上述水资源配置系统软件的基本流程及系统逻辑框架，系统功能按照其所要完成的任务分为数据管理、需水预测、供水预测、水资源供需平衡分析、流域/区域水量平衡分析、多目标方案比选等功能。

（1）数据管理是维持系统正常运转的基础，包括系统的输入输出接口、系统的内部数据流管理。具体功能包括数据的录入（数据的增删改）、数据的导入导出、数据的合理性检查及校对、数据的异常值提示、报表输出、统计计算、图形输出、数据的专用格式打印、数据库系统维护以及系统联机帮助等。

（2）需水预测包括社会经济发展预测和需水定额分析等功能。

（3）供水预测包括地表水供水预测、地下水供水预测、其他水源开发利用预测、供水预测与供水方案推荐等功能。

（4）水资源供需平衡分析包括供水、用水、耗水和排水平衡分析等功能。

（5）流域/区域水量平衡分析包括流域四级区水量平衡分析，包括水资源量与耗水量、下泄水量的平衡，国民经济耗水与非用水耗水平衡等功能。

（6）多目标方案比选包括不同工程组合方案的多目标比选分析等功能。

3.系统软件开发和运行环境

（1）系统的开发环境。系统软件分析与设计将采用面向对象的系统分析与设计（OOA&OOD）方法。开发过程中将应用Rational的统一开发过程（Rational Unified Process，简称RUP）进行计算机辅助系统分析、软件设计、开发和文档生成。RUP是基于可重用构件的开发过程，采用新的可视化建模标准，确保系统设计与开发符合软件工程的规范，开发出规范化、具有较高可移植性、可靠性的系统，提高系统开发的效率。

综合数据库设计统一使用Power Designer 9.0软件进行设计，并使用该软件生成报表。在实际部署到数据库之前，应该首先对PDM生成相应的SQL脚本文件，仔细进行阅读或者作出必要的修改、优化后再创建物理的数据库。生成的SQL脚本文件应该进行版本化的管理。

开发平台选用微软的.net平台，采用C#语言进行编程。

（2）系统的运行环境。

1）软件运行环境：操作系统选用Windows 2000 Server，数据库管理系统选用MSSqlServer 2000，地理信息系统选用MapObjects 2.2控件，系统安装微软的.net Framework 1.1。

2）硬件运行环境：CPU为PIV 1.6G以上，内存为256M以上，硬盘为20G以上。

4.系统软件结构

水资源配置系统软件设计遵循开放式模块化的原则，以利于模型库的应用、修订或升级、加载等。系统软件由前处理模块、计算模块和后处理模块三大部分组成。

（1）前处理模块。前处理模块的功能是完成模拟计算前的各种准备工作，其中包括读入数据、部分数据的预处理及数据合理性检验。读入的数据包括各种基本数据、部分参数初始值及程序控制数据。数据预处理可以减少模型计算时的重复计算量，提高计算效率，缩短计算时间。数据合理性检验也是必要的环节，可以有效预防不必要的错误。

（2）计算模块。计算模块的功能是完成长系列逐时段的调节计算。包括参数赋初值、生成水资源配置系统网络、长系列调节计算、计算结果储存等。

（3）后处理模块。后处理模块的功能是对计算结果进行统计处理。此模块由一组相对独立、但又有联系的子程序组成，将计算结果转换为易读的表格形式，以便于结果分析。

单独编制后处理程序来输出计算成果，好处是只需要编制、调整、编译和运行后处理程序，而不需要反复地修改、编译及运行前处理模块和计算模块。在模型的应用中，经常需要输出不同种类、不同详细程度及不同格式的成果，因此编制了一系列相对独立的子程序来进行各种后处理，输出各种成果。