水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法

摘要

本发明公开了一种水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法，针对指定区域的未来水资源配置中考虑行业供水优先次序进行行业供水量确定，通过采用湿周法、外包线法、水量平衡法、SOR法，利用多种调查资料，建立行业供水优先次序三层结构，根据各供水行业用水户不同水位限制，不同供水优先级别，科学有效地实现了各供水行业各自的供水量计算。本发明基于引进生态水位控制的供水优先序，确定生活、工业、船闸、生态、农业等用水户不同水位限制及不同供水优先级别，分别确定供水量，不仅促进水资源利用效率的提升，而且保护了水生态，使水资源管理与配置更加科学有效。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水资源配置方法，尤其涉及一种对于不同行业的供水量确定方法，属于 产汇流模拟与供需预测、水资源配置、水工程集群调度、水利建设、水量分配等技术领域。

背景技术

近年来，为适应水系统多元化发展、实施高效管理，水资源配置由水量配置向外扩展， 开展了水量水质联合配置以及水资源调配等研究。

随着社会经济的发展及人们对水认识的加深，国内对水资源配置的理论研究从最初“以 需定供”的水量分配和供需平衡发展到以水资源开发治理为整体性目标，尝试以可持续的理 念实现流域和区域的水资源合理配置[王浩，游进军.水资源合理配置研究历程与进展[J].水 利学报，2008，39(10):1168-1175.]。王浩等提出了基于水资源可持续利用的“三次平衡” 配置方法[王浩，秦大庸，王建华，等.黄淮海流域水资源合理配置[M].北京:科学出版社， 2003，10:21-159.]，在流域及区域水资源规划中得到了普遍的推广应用。

在以往大多数水资源配置研究中，主要采用最低水位为控制水位，用水户同时供水，确 定水资源配置方案后根据管理实践人工确定供水优先序，由此造成了水资源宏观配置与用水 户的实际微观需求相脱节的河流水量分配问题。

申请号为201210241484.X的发明专利申请，公开了一种调水工程水资源优化配置动态模 型构建系统，其中：系统概化模块可以对实际问题进行抽象和概化形成数据文件，该数据文 件将在河道径流量计算模块和用水户需水量统计模块中被调用；河道径流获取模块获得河道 径流数据文件；用水户需水量统计模块统计用水户需水量；模型构建模块利用优化理论，确 定模型的目标函数和各项约束条件，建立数学模型，数学模型确认后，编写模型文件；模型 运算模块生成模型结果文件；模型结果处理模块对模型结果进行综合展示和处理。采用该发 明能够生成动态模型，根据实际降雨量情况对优化模型进行实时修正，从而提高了模型预测 的精度。

国内公开发表文献有《辽河平原地下水生态水位与水资源优化配置研究》，提出了面向生 态的区域地下水生态水位理论与水量调控计算方法，但是上述方案中未涉及水资源配置中考 虑供水优先序的行业供水量确定方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是落实行业水量分配工作，解决水资源宏观配置与用水户的 实际微观需求相脱节的河流水量分配问题，提供一种生活、工业、船闸、生态、农业等用水 户在水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法，针对指定区域的未来水资源 配置中考虑行业供水优先次序进行行业供水量确定，包括如下步骤：

步骤1、根据自来水厂取水口头部和工业自备水源取水口头部设计最低取水水深，确定 研究区域的河道断面底水水位Z_min，其中，Z_min＝E+H，E为河底高程，H为最低取水水深，单 位为m；

步骤2、根据河道的断面形态，采用基于河道形态的湿周法和河道最低通航水位确定研 究区域的河道断面生态水位Z_e，单位为m；

步骤3、根据以水位和流量为变量的平底梯形河道的水流非恒定运动的基本方程组建立 研究区域河网节点水量平衡方程组，然后采用SOR迭代法求解河道断面当前实时水位Z；

步骤4、获得研究区域所有用水户需水量D_kj、取水河道长度L_i、取水口门能力A_kj资料， 计算每条河道i上每个供水行业k的累计需水累计口门能力通过 公式确定每条河道i上各供水行业的口门供水量；其中，j为用水户个 数，j＝1,2,…N,i为河道个数，i＝1,2,…M，N、M均为自然数；

步骤5、根据河道河底高程E、底水水位Z_min、生态水位Z_e建立供水优先次序三层结构， 分别定义底水水位Z_min以上的供水行业和生态水位Z_e以上的供水行业，根据供水行业在三层 结构中所处层级、当前实时水位Z与Z_min及Z_e的关系，以及各供水行业的口门供水量与行业 允许利用的最大流量的关系，确定供水行业供水优先次序及其对应的供水量。

进一步的，本发明的一种水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法，所述步 骤2包括如下步骤：

步骤201、根据河道首末实测大断面资料，绘出其断面形态并进行分类，若该河道为天 然河道，则断面形态分为抛物线型或W型，若该河道为人工渠道，则断面形状分为四边形或 者近似的四边形形状；

步骤202、从多个河道断面的几何尺寸与流量关系实测数据推求，或从单一河道一组几 何尺寸与流量数据中计算得出湿周与流量的关系曲线；

步骤203、依据湿周与流量关系曲线中的突变点的位置，结合河道断面形态分类和河道 最低通航水位来确定河道生态水位。

进一步的，本发明的一种水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法，所述步 骤203中，针对湿周与流量关系曲线中的突变点的位置，是采用斜率法或最大曲率法求取。

进一步的，本发明的一种水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法，所述步 骤203中，结合河道断面形态分类和河道最低通航水位确定河道生态水位具体为：

(1)如果河道断面形态为抛物线型或W型，通过最大曲率法或斜率法得到其突变点， 突变点所对应的水位和河道最低通航水位二者中取最大值作为河道生态水位；

(2)如果河道断面形态为四边形或近似四边形断面，根据河道水生生物的最小生存水深 或河道湿周率要求、河道最低通航水位来确定河流的生态水位。

进一步的，本发明的一种水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法，步骤3 所述平底梯形河道的水流非恒定运动的基本方程组为：

$\frac{\partial Q}{\partial x}+B\frac{\partial Z}{\partial t}=q_L-{\delta }_{*},$

$\frac{\partial Q}{\partial t}+2u\frac{\partial Q}{\partial x}+(\mathrm{gA}-{\mathrm{Bu}}^2)\frac{\partial Z}{\partial x}+\frac{{\mathrm{gn}}^2\left|u\right|Q}{R^{4/3}}=0,$

其中，Q为流量，单位是m³/s；x为距离，单位是m；B为水面宽，单位是m；Z为水 位，单位是m；t为时间，单位是s；q_L为旁侧入出流量，单位是m²/s，入流为正，出流为 负；u为流速，单位是m/s；A为过水面积，单位是m²；R为水力半径，单位是m；其中，sz代表河道断面湿周，单位是m；g为重力加速度；n为河道糙率；S 为两侧边坡系数之和，ΔZ_*为上一时段水位增量，Δt是计算时间步长。

进一步的，本发明的一种水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法，步骤3 中所述SOR迭代法为：

$x_i^{(k+1)}=(1-\omega )x_i^{\left(k\right)}+\frac{\omega }{a_{\mathrm{ii}}}(b_i-\underset{j=1}{\overset{i-1}{\Sigma }}{a}_{\mathrm{ij}}{x}_j^{(k+1)}-\underset{j=i+1}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_{\mathrm{ij}}{x}_j^{\left(k\right)}),$

其中，x为水位，k为迭代次数，i＝1，2，…，n，j＝1，2，…，n，j≠i，n为区域河道节 点总数；ω＞0为松弛因子；代表第k次迭代后第i个节点的水位，a_ii为河网节点水量平 衡方程组的系数矩阵从左上到右下的对角线系数；b_i为河网节点水量平衡方程组的常数向量； a_ij为河网节点水量平衡方程组的系数矩阵除a_ii以外的系数。

进一步的，本发明的一种水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法，步骤4 中供水行业k＝{L,I,S,E,A}，其中L代表生活，I代表工业，S代表船闸，E代表生态，A代 表农业。

进一步的，本发明的一种水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法，步骤5 所述确定供水行业供水优先次序及其对应的供水量，包括缺水状态下限制或部分限制供水的 行业，限制或部分限制供水量，以及优先供水的行业。

进一步的，本发明的一种水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法，设生活、 工业、船闸、生态、农业的口门供水量分别为WL_口、WI_口、WS_口、WE_口、WA_口，步骤5包括如 下步骤：

步骤501、定义生活、工业依次供水在平均底水水位以上，船闸、生态、农业依次 供水在平均生态水位以上；

步骤502、若当前实时平均水位低于则所有行业不供水；若当前实时平均水位低于则定义在平均生态水位以上的供水行业不供水；否则，供水行业按照生活、工 业、船闸、生态、农业在三层结构中所处的层级确定供水次序及其供水量；

步骤503、若定义在平均底水水位以上供水行业供水总量超过行业允许利用的最大 流量Q_后，则定义在平均生态水位以上的供水行业不供水。

进一步的，本发明的一种水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法，步骤502 所述供水行业按照生活、工业、船闸、生态、农业在三层结构中所处的层级确定供水次序及 其供水量，具体如下：

步骤a、定义用水等级较低的行业允许利用的最大流量Q_后，用水等级较高的行业允许利 用的最大流量Q_先，

其中，为河道平均底宽、为河道平均底高、为河道平均水位、为河道平均生态 水位、S为边坡，L为河道长度，H为最低取水水深，单位均是m，Δt为时间步长，单位是 min；

步骤b、确定生活供水量WL：当WL_口>Q_先时，令WL＝Q_先，Q_先＝0；当WL_口≤Q_先时，令 WL＝WL_口，Q_先＝Q_先-WL_口；

步骤c、确定工业供水量WI：当WI_口>Q_先时，令WI＝Q_先，Q_先＝0；当WI_口≤Q_先时，令 WI＝WI_口，Q_先＝Q_先-WI_口；

步骤d、确定船闸供水量WS：当WS_口>Q_后时，令WS＝Q_后，Q_后＝0；当WS_口≤Q_后时，WS＝WS_口， Q_后＝Q_后-WS_口；

步骤e、确定生态供水量WE：当WE_口>Q_后时，令WE＝Q_后，Q_后＝0；当WE_口≤Q_后时，令 WE＝WE_口，Q_后＝Q_后-WE_口；

步骤f、确定农业供水量WA：当WA_口>Q_后时，令WA＝Q_后，Q_后＝0；当WA_口≤Q_后时，令 WA＝WA_口，Q_后＝Q_后-WA_口。

本发明引进生态水位控制概念，确定生活、工业、船闸、生态、农业等用水户不同水位 限制，不同供水优先级别，分别确定供水量。基于引进生态水位控制的供水优先序，不仅促 进水资源利用效率的提升，而且保护了水生态，使水资源管理与配置更加科学有效。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明设计的水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法通过采用湿周 法、外包线法、水量平衡法、SOR法，利用多种调查资料，建立行业供水优先次序三层结构， 根据各供水行业用水户不同水位限制，不同供水优先级别，科学有效地实现了各供水行业各 自的供水量计算。

(2)本发明设计的水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法获得的缺水状态 下限制或部分限制供水的行业、限制或部分限制供水量、优先供水的行业及供水量、供水量 时空分布等成果，为规划工程布局、闸站调度、节水型社会建设、产业布局及结构调整提供 决策依据。

(3)本发明设计的水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法获得的供水行业 用水户的供水计算过程、限制供水行业次序及限制供水量判断结果、分行业供水时空分布， 在区域、河道微观水资源配置中可以精准应用，提升了水资源配置、水量分配、调度、管理 考核的效率和精度。

附图说明

图1是本发明设计的水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法流程图。

图2是根据河道河底高程E、底水水位Z_min、生态水位Z_e建立供水优先次序三层结构图。

图3是节点水量平衡方程中的节点示意图。

图4是节点水量平衡方程组中的典型河网节点示意图。

图5是典型河道示意图。

图6是R9河道上南运西闸(上)1980年的实测大断面示意图。

图7是南运西闸的水位～湿周关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，一种水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法，针对指定区域 的未来水资源配置中考虑行业供水优先次序进行行业供水量确定，包括如下步骤：

步骤一、根据自来水厂取水口头部和工业自备水源取水口头部设计最低取水水深H，确 定研究区域的河道断面底水水位Z_min(单位：m),其中，Z_min＝E+H，E为河底高程，H为最低 水深。

步骤二、根据河道的断面形态(抛物线、W型、四边形或者近似的四边形等)，采用基于 河道形态的湿周法和河道最低通航水位确定研究区域的河道断面生态水位Z_e(单位：m)；其 具体包括如下分步骤：

步骤201、根据河道首末实测大断面资料，绘出其断面形态，并进行分类，分为天然河 道断面形态抛物线型或“W”型，和人工渠道断面形状四边形或者近似的四边形形状；

步骤202、从多个河道断面的几何尺寸与流量关系实测数据推求，或从单一河道一组几 何尺寸与流量数据中计算得出湿周与流量的关系曲线；

步骤203、依据湿周与流量关系曲线中的“突变点”的位置，结合河道断面形状分类和 河道最低通航水位来确定河道生态水位。

在步骤203中，针对湿周与流量关系曲线中的“突变点”的位置可以采用下述数学方法 求取：

(1)斜率法：选择△Pw/△Q＝1所对应的点为“突变点”，其中Pw为湿周，是指过流断 面上流体与固体壁面相接触的周界长度，单位m，△Pw为湿周的变化量，△Q为与△Pw相 对应的流量变化量。

(2)最大曲率法：在很多情况下，水位与湿周关系呈现幂函数的关系或多次线性关系， 曲线没有明显的“突变点”，这种情况下可运用最大曲率法确定“突变点”。曲率是正切角度 和弧长的函数。绘制曲率曲线图求取最大值。最大值对应的点即为“突变点”。

在步骤203中，采用基于河道形态的湿周法和河道最低通航水位确定河道生态水位，具 体为：

(1)如果断面形状为抛物线型或“W”型，则此种类型的河道有稳定的湿周流量关系曲 线，可通过最大曲率法或斜率法得到其“突变点”，“突变点”所对应的水位和河道最低通航 水位二者中取最大值作为河道生态水位；

(2)如果河道断面形状为四边形或近似四边形断面，河道流量从0开始增加，宽度和湿 周快速增加，在流量恰巧淹没河床时即产生突变点，此时，突变点对应的水位并不符合生态 水位的要求，此种情况下，需根据河道水生生物的最小生存水深或河道湿周率要求、和河道 最低通航水位来确定河流的生态水位。

其中，对于断面形状为四边形或者近似四边形形状的河道，其最小生存水深的确定，需 要从生物学的角度来考虑湿周法所求得的水深是否能够维持鱼类的生存，参考国外相关的研 究成果，选择根据鱼的生物学需要和河流的季节性变化分季节所制订的相应标准，其最小生 存水深取0.3m(即1ft)，所对应的达到生态需水要求的临界状态的水力几何形态特征是湿周 率占主河槽湿周的60％。

采用湿周法，获得曲率最大的“突变点”所对应的水位，并判断其水位是否符合最小生 存水深0.3m的标准或60％湿周率标准要求。表示如下：

Z_e＝max{Z₁,Z₂,Z₃}

式中，Z_e是河道生态水位，Z₁为根据湿周法的最大曲率法或斜率法计算出的水位，Z₂为 根据最小生存水深标准或60％湿周率标准计算的河道水位，Z₃为河道最低通航水位。

步骤三、根据以水位和流量为变量的平底梯形河道的水流非恒定运动的基本方程组建立 研究区域河网节点水量平衡方程组，其中平底梯形河道的水流非恒定运动的基本方程组：

$\frac{\partial Q}{\partial x}+B\frac{\partial Z}{\partial t}=q_L-{\delta }_{*},$

$\frac{\partial Q}{\partial t}+2u\frac{\partial Q}{\partial x}+(\mathrm{gA}-{\mathrm{Bu}}^2)\frac{\partial Z}{\partial x}+\frac{{\mathrm{gn}}^2\left|u\right|Q}{R^{4/3}}=0,$

其中，Q为流量，单位是m³/s；x为距离，单位是m；B为水面宽，单位是m；Z为水 位，单位是m；t为时间，单位是s；q_L为旁侧入出流量，单位是m²/s，入流为正，出流为 负；u为流速，单位是m/s；A为过水面积，单位是m²；R为水力半径，单位是m；其中，sz代表河道断面湿周，单位是m；g为重力加速度；n为河道糙率；S为两侧边坡系数之和，ΔZ_*为上一时段水位增量，Δt是计算时间步长；

采用SOR迭代法求解河道断面当前实时水位Z：

$x_i^{(k+1)}=(1-\omega )x_i^{\left(k\right)}+\frac{\omega }{a_{\mathrm{ii}}}(b_i-\underset{j=1}{\overset{i-1}{\Sigma }}{a}_{\mathrm{ij}}{x}_j^{(k+1)}-\underset{j=i+1}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_{\mathrm{ij}}{x}_j^{\left(k\right)}),$

其中，x为水位，k为迭代次数，i＝1，2，…，n，j＝1，2，…，n，j≠i，n为区域河道节 点总数；ω＞0为松弛因子；代表第k次迭代后第i个节点的水位，a_ii为河网节点水量平 衡方程组的系数矩阵从左上到右下的对角线系数；b_i为河网节点水量平衡方程组的常数向量； a_ij为河网节点水量平衡方程组的系数矩阵除a_ii以外的系数。

其中，建立研究区域河网节点水量平衡方程组包括如下步骤：

步骤301.建立节点水量平衡方程(以图3中典型节点N1为例)：

图3中，箭头所示方向为定义的流向。从首节点流向末节点为正号，反之则为负号。Q₁、 Q₂、Q₃为河道1、2、3流量，Q_g为堰流量，Q₄为直接加入到节点N1的流量，可以是有效 降雨(降雨扣除蒸发)、用水或泵站翻水量。

将流入或流出N1节点的流量表达为该河首末节点水位的线性函数：

$\left(\begin{array}{c}{Q}_1=b_{11}+b_{12}{Z}_{N1}+b_{13}+Z_{N2}\\ Q_2=b_{21}+b_{22}{Z}_{N1}+b_{23}{Z}_{N3}\\ Q_3=a_{31}+a_{32}{Z}_{N1}+a_{33}{Z}_{N4}\\ Q_g=f(Z_{N1},Z_{N5})\end{array}\right)---\left(33\right)$

Z_N1、Z_N2、Z_N3、Z_N4、Z_N5分别为节点N1、N2、N3、N4、N5的水位；a_ij、b_ij为系数矩 阵，通过步骤301的(2)、(3)求得。

其中，自由出流模式下：

Q_g＝C₁(Z_N1-H₀)，$C_1=\mathrm{\mu ϵBk}\sqrt{2g}\sqrt{H_u-H_0}$

淹没出流模式下：

Q_g＝C₂(Z_N1-Z_N5)，$C_2=\mathrm{\phi ϵBk}\sqrt{2g}\frac{H_d-H_0}{\sqrt{H_u-H_d}}$

其中，H_u为时段初闸上水位；H_d为时段初闸下水位；H₀为闸底高程；B为闸孔总净宽 度；ε为侧向收缩系数(取0.9)；μ为自由出流系数(取0.35)；φ为淹没出流系数(取0.90)； k为开闸系数；g为重力加速度。

节点N1水量平衡方程式为：

$Q_1+Q_2-Q_3-Q_g+Q_4=A\frac{Z_{N1}-Z_{N1}^j}{\mathrm{\Delta t}}---\left(34\right)$

A为节点面积，单位为m²，Δt为计算时间步长，为时段初水位，为每次迭代前的 已知值。

自由出流情况下将式(33)代入(34)得：

K_N1.1Z_N1+K_N1.2Z_N2+K_N1.3Z_N3+K_N1.4Z_N4＝K_N1.R     (35)

式中,K_N1.2＝b₁₃，K_N1.3＝b₂₃，K_N1.4＝-a₃₃， $K_{N1.R}=a_{31}-b_{11}-b_{21}-C_1{H}_0-Q_4-A\frac{Z_{N1}^j}{\mathrm{\Delta t}};$

淹没出流情况下将式(33)代入(34)得：

K_N1.1Z_N1+K_N1.2Z_N2+K_N1.3Z_N3+K_N1.4Z_N4+K_N1.5Z_N5＝K_N1.R  (36)

式中，K_N1.2＝b₁₃，K_N1.3＝b₂₃，K_N1.4＝-a₃₃，K_N1.5＝C₂$K_{N1.R}=a_{31}-b_{11}-b_{21}-Q_4-A\frac{Z_{N1}^j}{\mathrm{\Delta t}},$

式中K_N1,1、K_N1,2、K_N1,3、K_N1,4、K_N1,5、K_N1,R为节点水量平衡方程式中的系数，均可通 过下面的步骤(1)、(2)、(3)求得的系数。

在步骤301中，通过正向和反向递推获得每条河道首末节点6个系数b_j1、b_j2、b_j3，a_j1、 a_j2、a_j3，j代表计算河道；以图5中典型河道为例，方法如下：

(1).根据时段初已知值及选定的时步长和距离步长计算得到每条河道每个断面的下面 六个系数值。

$C_i=\frac{{\mathrm{\Delta x}}_i}{2\mathrm{\Delta t}}{B}_{i+1/2}^j$

$D_i=q_L\mathrm{\Delta x}+C_i(Z_i^j+Z_{i+1}^j)-\frac{S}{2}\frac{{\left(\Delta Z_{*(i+1/2)}\right)}^2}{\mathrm{\Delta t}}\Delta x_i$

$E_i=\frac{\Delta x_i}{2\mathrm{\Delta t}}-2u_{i+1/2}^j+\frac{g}{2}{\left(\frac{n^2\left|u\right|}{R^{4/3}}\right)}_i^j\Delta x_i$

$G_i=\frac{\Delta x_i}{2\mathrm{\Delta t}}-2u_{i+1/2}^j+\frac{g}{2}{\left(\frac{n^2\left|u\right|}{R^{4/3}}\right)}_{i+1}^j\Delta x_i$

$F_i={(\mathrm{gA}-{\mathrm{Bu}}^2)}_{i+1/2}^j$

式中，i为河道断面编号；j为计算时段初，凡下脚标为者均表示取i及i+1断面处 函数值的平均。

(2).节点N1为末节点(即水流流向N1)

从第一河段开始，设法把本断面流量Q_i表达成本断面水位Z_i和首断面水位Z₁的线性 函数：Q_i＝θ_i+η_iZ_i+ν_iZ₁

${\eta }_i=\frac{F_{i-1}{Y}_1-C_{i-1}{Y}_2}{W}$

${\nu }_i=\frac{{\nu }_{i-1}(Y_2+E_{i-1}{Y}_1)}{W}$

Y₁＝C_i-1-η_i-1

Y₂＝E_i-1η_i-1-F_i-1

W＝Y₂-Y₁G_i-1

递推起始值由下式计算：

${\eta }_2=-\frac{C_1{E}_1+F_1}{W}$

${\nu }_2=-\frac{F_1-C_1{E}_1}{W}$

W＝E₁+G₁

依次从第一河段向后递推到最后一个河段得θ_n、η_n、ν_n，然后将θ_n、η_n、ν_n对应赋值 给b_j1、b_j2、b_j3。

(3).节点N1为首节点(即水流流离N1)

从倒数第二河段开始，设法把本断面流量Q_i表达成本断面水位Z_i和末断面水位Z_n的线 性函数：Q_i＝α_i+β_iZ_i+ζ_iZ_n

${\beta }_i=\frac{Y_2{C}_i+Y_1{F}_i}{W}$

${\zeta }_i=\frac{{\zeta }_{i+1}(Y_2-Y_1{G}_i)}{W}$

Y₁＝C_i+β_i+1

Y₂＝G_iβ_i+1+F_i

W＝Y₂+Y₁E_i

递推起始值由下式计算：

${\beta }_{n-1}=\frac{1}{W}(C_{n-1}{G}_{n-1}+F_{n-1})$

${\zeta }_{n-1}=\frac{1}{W}(C_{n-1}{G}_{n-1}-F_{n-1})$

W＝G_n-1+E_n-1

依次从倒数第二河段向前递推到第一个河段得α₁、β₁、ζ₁，然后将α₁、β₁、ζ₁对应 赋值给a_j1、a_j2、a_j3。

步骤302.建立河网节点水量平衡方程组(以图4中典型河网节点为例)：

图4中为一简单河网，有9条河，11个节点，2个闸组成。

节点4、5、6为水位边界点，水位为已知值，对每个节点可列出下列方程式：

式中Z₁、Z₂…Z₁₁为11个节点水位，Q_g1、Q_g2分别为闸1与闸2的过闸流量，带下标的 K为公式(35)、(36)中的K。

步骤四、获得研究区域所有用水户需水量D_kj、取水河道长度L_i、取水口门能力A_kj资料， 计算每条河道i上每个供水行业k的累计需水累计口门能力通过 公式Wk_口＝∑_iMin(D_ki,A_ki)，确定每条河道i上的生活、工业、船闸、生态、农业的口门供水 量分别为WL_口、WI_口、WS_口、WE_口、WA_口；其中，k为按照生活、工业、船闸、生态、农业的 供水行业类别进行分类，k＝{L,I,S,E,A}，其中L代表生活，I代表工业，S代表船闸，E代 表生态，A代表农业；j为用水户个数，j＝1,2,…N,i为河道个数，i＝1,2,…M。

步骤五、根据河道河底高程E、底水水位Z_min、生态水位Z_e建立供水优先次序三层结构， 见图2，分别定义底水水位Z_min以上的供水行业和生态水位Z_e以上的供水行业，根据供水行 业在三层结构中所处层级、当前实时水位Z与Z_min及Z_e的关系，确定供水行业供水优先次序 及其对应的供水量(包括缺水状态下限制或部分限制供水的行业、限制或部分限制供水量、 优先供水的行业等)。具体如下：

步骤I、定义生活、工业依次供水在平均底水水位以上，船闸、生态、农业依次供水 在平均生态水位以上；

步骤II、若当前实时平均水位低于则所有行业不供水；若当前实时平均水位低 于则定义在平均生态水位以上的供水行业不供水；否则，供水行业按照生活、工业、 船闸、生态、农业在三层结构中所处的层级确定供水次序及其供水量；

步骤III、若定义在平均底水水位以上供水行业供水总量超过最大流量Q_后，则定义 在平均生态水位以上的供水行业不供水。

所述供水行业按照生活、工业、船闸、生态、农业在三层结构中所处的层级确定供水次 序及其供水量，具体如下：

步骤a、定义用水等级较低的行业允许利用的最大流量Q_后，用水等级较高的行业允许利 用的最大流量Q_先，

其中，为河道平均底宽、为河道平均底高、为河道平均水位、为河道平均生态 水位、S为边坡，L为河道长度，H为最低取水水深，单位均是m，Δt为时间步长，单位是 min；

步骤b、确定生活供水量WL：当WL_口>Q_先时，令WL＝Q_先，Q_先＝0；当WL_口≤Q_先时，令 WL＝WL_口，Q_先＝Q_先-WL_口；

步骤c、确定工业供水量WI：当WI_口>Q_先时，令WI＝Q_先，Q_先＝0；当WI_口≤Q_先时，令 WI＝WI_口，Q_先＝Q_先-WI_口；

步骤d、确定船闸供水量WS：当WS_口>Q_后时，令WS＝Q_后，Q_后＝0；当WS_口≤Q_后时，WS＝WS_口， Q_后＝Q_后-WS_口；

步骤e、确定生态供水量WE：当WE_口>Q_后时，令WE＝Q_后，Q_后＝0；当WE_口≤Q_后时，令 WE＝WE_口，Q_后＝Q_后-WE_口；

步骤f、确定农业供水量WA：当WA_口>Q_后时，令WA＝Q_后，Q_后＝0；当WA_口≤Q_后时，令 WA＝WA_口，Q_后＝Q_后-WA_口。

本发明设计的水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法获得的缺水状态下限 制或部分限制供水的行业、限制或部分限制供水量、优先供水的行业及供水量、供水量时空 分布等成果，为规划工程布局、闸站调度、节水型社会建设、产业布局及结构调整提供决策 依据。

本发明设计的水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法获得的供水行业用水 户的供水计算过程、限制供水行业次序及限制供水量判断结果、分行业供水时空分布，在区 域、河道微观水资源配置中可以精准应用，提升了水资源配置、水量分配、调度、管理考核 的效率和精度。

实施例：

本发明设计的水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法在实际的应用过程 中，包括如下步骤：

(1)调查获得研究区域的自来水厂取水口头部和工业自备水源取水口头部设计最低取水 水深H∈[0.5,1]，确定研究区域的R9河道首断面底水水位Z_min首＝E_首+H＝2.61m，末断面底水 水位Z_min末＝E_末+H＝3.23m，其他202条河道同理。

(2)根据R9河道上南运西闸(上)1980年的实测大断面资料，绘出其断面形态，如图 6所示。

(3)绘出南运西闸的水位～湿周关系曲线，如图7所示。

(4)根据水位～湿周关系曲线，采用最大曲率法获得“突变点”，得到对应的水位为4.17m， 60％湿周率标准对应的河道水位3.27m，R9河道上运东船闸闸上、闸下最低通航水位为0.8 米，根据公式Z_e＝max{Z₁,Z₂,Z₃}计算的R9河道首节点生态水位为Z_e＝4.17m，同理可获得 R9河道末节点生态水位以及其他202条河道首末节点生态水位。

(5)选定时步长15min和距离步长3km，根据现状1983年型第一个15分钟初已知值初 始水位、初始流量，计算R9河道(图5中N1＝“N213”，N2＝“N303”，分别代表首末节点) 每个断面的下面6个系数值(图5中n＝11代表断面数)。

$C_i=\frac{{\mathrm{\Delta x}}_i}{2\mathrm{\Delta t}}{B}_{i+1/2}^j$

$D_i=q_L\mathrm{\Delta x}+C_i(Z_i^j+Z_{i+1}^j)-\frac{S}{2}\frac{{\left(\Delta Z_{*(i+1/2)}\right)}^2}{\mathrm{\Delta t}}\Delta x_i$

$E_i=\frac{\Delta x_i}{2\mathrm{\Delta t}}-2u_{i+1/2}^j+\frac{g}{2}{\left(\frac{n^2\left|u\right|}{R^{4/3}}\right)}_i^j\Delta x_i$

$G_i=\frac{\Delta x_i}{2\mathrm{\Delta t}}-2u_{i+1/2}^j+\frac{g}{2}{\left(\frac{n^2\left|u\right|}{R^{4/3}}\right)}_{i+1}^j\Delta x_i$

$F_i={(\mathrm{gA}-{\mathrm{Bu}}^2)}_{i+1/2}^j$

式中：i为河道断面编号；j为计算时段15分钟初，凡下脚标为者均表示取i及i+1 断面处函数值的平均。

(6)节点N1为末节点

从第一河段1-2开始，把本断面流量表达成本断面水位和首断面水位的线性函数： Q_i＝θ_i+η_iZ_i+ν_iZ₁

${\eta }_i=\frac{F_{i-1}{Y}_1-C_{i-1}{Y}_2}{W}$

${\nu }_i=\frac{{\nu }_{i-1}(Y_2+E_{i-1}{Y}_1)}{W}$

Y₁＝C_i-1-η_i-1

Y₂＝E_i-1η_i-1-F_i-1

W＝Y₂-Y₁G_i-1

递推起始值由下式计算：

${\eta }_2=-\frac{C_1{E}_1+F_1}{W}$

${\nu }_2=-\frac{F_1-C_1{E}_1}{W}$

W＝E₁+G₁

依次从1-2河段向后递推到最后一个河段(n-1)-n得θ_n、η_n、ν_n，然后将θ_n、η_n、ν_n对应赋值给b_j1、b_j2、b_j3。

(7)节点N1为首节点

从倒数第二河段(n-2)-(n-1)开始，把本断面流量表达成本断面水位和末断面水位的线 性函数：Q_i＝α_i+β_iZ_i+ζ_iZ_n

${\beta }_i=\frac{Y_2{C}_i+Y_1{F}_i}{W}$

${\zeta }_i=\frac{{\zeta }_{i+1}(Y_2-Y_1{G}_i)}{W}$

Y₁＝C_i+β_i+1

Y₂＝G_iβ_i+1+F_i

W＝Y₂+Y₁E_i

递推起始值由下式计算：

${\beta }_{n-1}=\frac{1}{W}(C_{n-1}{G}_{n-1}+F_{n-1})$

${\zeta }_{n-1}=\frac{1}{W}(C_{n-1}{G}_{n-1}-F_{n-1})$

W＝G_n-1+E_n-1

依次从倒数第二河段向前递推到第一个河段1-2得α₁、β₁、ζ₁，然后将α₁、β₁、ζ₁对 应赋值给a_j1、a_j2、a_j3。

(8)建立节点水量平衡方程(图3中节点N1＝“N213”为河道R9首节点)

图3中，箭头所示方向为定义的流向。从首节点流向末节点为正号，反之则为负号。Q₁、 Q₂、Q₃为河道1、2、3流量，Q_g为堰流量，Q₄为直接加入到节点N₁的流量，为已知值。

将流入或流出N1节点的流量表达为该河首末节点水位的线性函数。

$\left(\begin{array}{c}{Q}_1=b_{11}+b_{12}{Z}_{N1}+b_{13}+Z_{N2}\\ Q_2=b_{21}+b_{22}{Z}_{N1}+b_{23}{Z}_{N3}\\ Q_3=a_{31}+a_{32}{Z}_{N1}+a_{33}{Z}_{N4}\\ Q_g=f(Z_{N1},Z_{N5})\end{array}\right)---\left(33\right)$

其中,自由出流模式下：

Q_g＝C₁(Z_N1-H₀)，$C_1=\mathrm{\mu ϵBk}\sqrt{2g}\sqrt{H_u^j-H_0}$

淹没出流模式下：

Q_g＝C₂(Z_N1-Z_NS)，$C_2=\mathrm{\phi ϵBk}\sqrt{2g}\frac{H_d^j-H_0^j}{\sqrt{H_u^j-H_d^j}}$

节点N1水量平衡方程式为：

$Q_1+Q_2-Q_3-Q_g+Q_4=A\frac{Z_{N1}-Z_{N1}^j}{\mathrm{\Delta t}}---\left(34\right)$

自由出流情况下将式(33)代入(34)得

K_N1.1Z_N1+K_N1.2Z_N2+K_N1.3Z_N3+K_N1.4Z_N4＝K_N1.R  (35)

式中K_N1.2＝b₁₃，K_N1.3＝b₂₃，K_N1.4＝-a₃₃， $K_{N1.R}=a_{31}-b_{11}-b_{21}-C_1{H}_0-Q_4-A\frac{Z_{N1}^j}{\mathrm{\Delta t}};$

淹没出流情况下将式(33)代入(34)得

K_N1.1Z_N1+K_N1.2Z_N2+K_N1.3Z_N3+K_N1.4Z_N4+K_N1.5Z_N5＝K_N1.R  (36)

式中K_N1.2＝b₁₃，K_N1.3＝b₂₃，K_N1.4＝-a₃₃，K_N1.5＝C₂$K_{N1.R}=a_{31}-b_{11}-b_{21}-Q_4-A\frac{Z_{N1}^j}{\mathrm{\Delta t}},$

式中K_N1,1、K_N1,2、K_N1,3、K_N1,4、K_N1,5、K_N1,R均可通过步骤(7)求得。

(9)建立河网节点水量平衡方程组(图4中为研究区域的部分典型河网节点，有9条河， 11个节点，2个闸组成)

节点4、5、6为水位边界点，水位为已知值，对每个节点可列出下列方程式：

式中Z₁、Z₂…Z₁₁为11个节点水位，Q_g1、Q_g2分别为闸1与闸2的过闸流量。

(10)设定SOR迭代公式中参数值：

$x_i^{(k+1)}=(1-\omega )x_i^{\left(k\right)}+\frac{\omega }{a_{\mathrm{ii}}}(b_i-\underset{j=1}{\overset{i-1}{\Sigma }}{a}_{\mathrm{ij}}{x}_j^{(k+1)}-\underset{j=i+1}{\overset{n}{\Sigma }}{a}_{\mathrm{ij}}{x}_j^{\left(k\right)}),$i＝1,2,…,n，n为区域河网节点编 号；松弛因子ω＝1.25，满足迭代次数K＞200或相邻2次迭代水位值x_i绝对误差小于0.01， 按15min时步长迭代求解R9河道及研究区域其他202条河道每个节点现状1983年型第一个 15分钟末水位Z＝x(单位：m)，然后采用公式Q_i＝θ_i+η_iZ_i+ν_iZ₁、Q_i＝α_i+β_iZ_i+ζ_iZ_n，i为 每条河道断面编号，对同一河道同一断面联立求解得每条河道每个断面的现状1983年型第一 个15分钟末水位Z_i(单位：m)，流量Q_i(单位：m³/S)。如求得的R9河道首末节点现状1983 年型第一个15分钟末水位分别为4.03m、5.22m，平均水位4.625m。

(11)根据研究区域所有用水户需水D_kj、取水河道长度L_i、取水口门能力A_kj等实测资料, 计算R9河道及研究区域其他202条河道上每个供水行业k的累计需水累计口门 能力通过公式Wk_口＝∑_iMin(D_ki,A_ki),确定R9河道及研究区域其他202条河道上 的现状1983年型第一个15分钟期间的生活、工业、船闸、生态、农业的口门供水量分别为 WL_口＝156m³，WI_口＝0m³，WS_口＝591m³，WE_口＝457m³，WA_口＝104m³。

(12)根据R9河道河底高程E＝2.42m、底水水位Z_min＝2.92m、生态水位Z_e＝4.17m建立供 水优先次序三层结构，见图2，定义底水水位Z_min以上的供水行业为生活和工业，定义生态 水位Z_e以上的供水行业为船闸、生态、农业，根据供水行业在三层结构中所处层级、现状1983 年型第一个15分钟末水位Z＝4.625m与Z_min及Z_e的关系，确定供水行业供水优先次序为生活、 工业、船闸、生态、农业，对应的供水量分别为156m³、0m³、591m³、457m³、104m³，R9 河道现状1983年型第一个15分钟没有限制供水行业及限制供水量。同理可求得研究区域其 他202条河道的供水行业供水优先次序及其供水量、限制供水行业及限制供水量。

(13)将现状1983年型第一个15分钟末研究区域203条河道的节点水位、断面流量作 为第二个15分钟初的初始值，重返步骤(5)进行第二个15分钟计算，依次类推，可以求得 现状1983年型研究区域203条河道全年的供水行业供水优先次序及其供水量、限制供水行业 及限制供水量。如R9河道全年生活、工业、船闸、生态、农业对应的供水量分别为0.05亿m³、 0亿m³、0.21亿m³、0.16亿m³、0.62亿m³，无限制供水行业和限制供水量。

本发明专利设计的水资源配置中考虑供水优先序的行业供水量确定方法，通过采用湿周 法、外包线法、水量平衡法、SOR法，利用多种调查资料，建立行业供水优先次序三层结构， 根据各供水行业用水户不同水位限制，不同供水优先级别，科学有效地实现了各供水行业各 自的供水量计算，包括缺水状态下限制或部分限制供水的行业、限制或部分限制供水量、优 先供水的行业及供水量、供水量时空分布等，在区域、河道微观水资源配置中可以精准应用， 提升了水资源配置、水量分配、调度、管理考核的效率和精度。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式， 在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种 变化。