水资源供需平衡分析.ppt

《水资源供需平衡分析.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水资源供需平衡分析.ppt（156页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第五章 水资源供需平衡分析,第五章 水资源供需平衡分析,5.1 概述-目的、原则和方法5.2 平衡分析的典型年法5.3 水资源系统动态模拟分析5.4水资源系统动态模拟实例,5.1 概述-目的、原则和方法,1949年以来，我国进行了规模空前的水利建设，全国用水量从1949年的1000多亿m3增加到1997年的5566108m3。据有关专家预测，我国用水高峰将在2030年前后出现，用水总量为70008000108m3。经分析，全国实际可利用的水资源量约为80009500108 m3。总体上，我国因缺水造成的经济损失超过洪涝灾害。,解决水资源问题，必须实施最严格的水资源管理制度。在管理观念上，不能走

2、传统的以需定供的老路，必须加快推进供水管理向需水管理转变。对于稀缺资源，采取需求管理实现供需平衡，是国际通行的道路。,定义：水资源供需平衡分析，是指在一定范围内(行政、经济区域或流域)不同时期的可供水量和需水量的供求关系分析。水资源开发长期规划、经济发展长期规划、生态环境保护的必须。,5.1.1 目的和意义,目的是：1、通过可供水量和需水量的分析，弄清楚水资源总量的供需现状和存在的问题；2、通过不同时期不同部门的供需平衡分析，预测未来，了解水资源余缺的时空分布；3、针对水资源供需矛盾，进行开源节流总体规划，明确水资源综合开发利用保护的主要目标和方向，以期实现水资源长期供求计划,2030 亿方,

3、2012,“国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见”1、加强水资源开发利用控制红线管理，严格实行用水总量控制2、加强用水效率控制红线管理，全面推进节水型社会建设3、加强水功能区限制纳污红线管理，严格控制入河湖排污总量,5.1.2 水资源供需平衡分析的原则,水资源供需平衡分析涉及社会、经济、环境生态等方面，牵涉面广且关系复杂，应遵循以下原则：(1)近期和远期相结合(2)流域和区域相结合(3)综合利用和保护相结合,5.1.3 水资源供需平衡分析的方法,水资源供需平衡分析主要有两种分析方法。系列法：按雨情、水情的历史系列资料进行逐年的供需平衡分析计算；典型年法：仅根据雨情、水情具有代表性的几个不同

4、年份进行分析计算，而不必逐年计算。,不管采用何种分析方法，所采用的基础数据(如水文系列资料、水文地质的有关参数等)的质量至关重要，将直接影响到供需分析成果的合理性和实用性，以下将主要介绍两种方法：典型年法，水资源系统动态模拟法(属系列法的一种)。,第五章 水资源供需平衡分析,5.1 概述-目的、原则和方法5.2 平衡分析的典型年法5.3 水资源系统动态模拟分析5.4水资源系统动态模拟实例,5.2 平衡分析的典型年法,典型年(又称代表年法)：是指对某一范围的水资源供需关系，只进行典型年份平衡分析计算的方法。优点：是可以克服资料不全(如系列资料难以取得时)及计算工作量太大的问题。,5.2 平衡分析

5、的典型年法,5.2.1 典型年法的涵义5.2.2 计算分区和时段5.2.3 典型年和水平年的确定5.2.4 可供水量和需水量的计算,我国规范规定：特别丰水年频率=5%;丰水年频率=25%;平水年频率50;一般枯水年75;特别枯水年=90(或95)。,5.2.1 典型年法的涵义,北方干旱和半干旱地区一般要对：50和：75两种代表年的水供需进行分析，在南方湿润地区，一般要对P：50、P：75和P：90(或95)三种代表年的水供需进行分析。,洪水重现期 1/p枯水重现期 1/（1-p）,水资源供需分析，就某一区域来说，其可供水量和需水量在地区上和时间上分布都是不均匀的。分区进行水资源供需分析研究，便

6、于弄清水资源供需平衡要素在各地区之间的差异，以便对不同地区的特点采取不同的措施和对策。另外，将大区域划分成若干个小区后，可以使计算分析得到相应的简化，便于研究工作的开展。,5.2.2 计算分区和时段,在分区时一般应考虑以下的原则：(1)尽量按流域、水系划分，对地下水开采区应尽量按同一水文地质单元划分，这样便于算清水账。(2)尽量照顾行政区划的完整性。这样便于资料的收集和统计，另外更有利于水资源的开发利用和保护的决策和管理。(3)尽量不打乱供水、用水、排水系统。,区域水资源计算时段可分别采用年、季、月、旬和日，选取的时段长度要适宜，太大会掩盖供需之间的矛盾，缺水期往往是处在时间很短的几个时段里，

7、因此只有把计算时段划分得合适，才能把供需矛盾揭露出来。但划分时段升非越小越好，时段分得太小，许多资料无法取得，而且会增加计算分析的工作量。对精度要求不高时，计算时段也可用年为单位。,不同频率系指水文资料统计分析中的不同频率，通常可选取P：50，75，90，95，以代表不同的来水情况。典型年来水量的选择典型年的来水需要用统计方法推求。,5.2.3 典型年和水平年的确定,根据各分区的具体情况来选择控制站，以实际来水系列进行频率计算，选择典型年。可以选择年降雨量系列进行频率分析计算。如：北方主要靠径流调节，则常用年经流系列。南方湿润地区，全年需要灌溉，可选择降水。,1 不同频率典型年来水量的选择,按

8、实际典型年的来水量进行分配，但地区内降雨、径流的时空分配受所选择典型年所支配，具有一定的偶然性，为了克服这种偶然性:通常选用频率相近的若干个实际年份进行分析计算，并从中选出对供需平衡偏于不利的情况进行分配。,水资源供需分析是要弄清研究区域现状和未来的几个阶段的水资源供需状况，这几个阶段的水资源供需状况与区域的国民经济和社会发展有密切关系，并应与该区域的可持续发展的总目标相协调。一般情况下，需要研究分析四个水平年：,2 水平年,（1）现状水平年(又称基准年，系指现状情况以该年为标准)，（2）近期水平年(基准年以后5年或10年)，（3）远景水平年(基准年以后15或20年)，（4）远景设想水平年(基

9、准年以后3050年)。,5.2 平衡分析的典型年法,5.2.1 典型年法的涵义5.2.2 计算分区和时段5.2.3 典型年和水平年的确定5.2.4 可供水量和需水量的计算5.2.5 供需平衡分析和成果综合,5.4.2.1 可供水量,供水系统：一个地区的可供水量来自该区的供水系统。供水系统从工程分类，包括蓄水工程、引水工程、提水工程和调水工程。按水源分类可分为地表水工程、地下水工程和污水再生回用工程类型；按用用户分类可分为城市供水、农村供水和混合供水系统。,可供水量：可供水量是指不同水平年、不同保证率或不同频率条件下通过工程设施可提供的符合一定标准的水量，包括区域内的地表水、地下水、外流域的调水

10、，污水处理回用和海水利用等。可供水量与来水条件、工程条件、用水条件、,可供水量计算项目汇总示意图,供水保证率的概念，是指多年供水过程中，供水得到保证的年数占总年数的百分数，常用下式计算：,保证率,在供水规划中，按照供水对象的不同，应规定不同的供水保证率，例如居民生活供水保证率P：95以上，工业用水P：90或95，农业用水P50或75等等。,供水规划有优先次序。,两种确定供水保证率的方法：(1)上述的在今后多年供水过程中（供需都变化）有保证年数占总供水年数的百分数，只要有保证的年数足够，就可以达到所需保证率。(2)规定某一个年份(例如2000年这个水平年)，这一年的来水可以是各种各样的，现在把某

11、系列各年的来水都放到2000这一水平年去进行供需分析，计算其供水有保证的年数占系列总年数的百分数，即为这一水平年的供水保证率。典型年本身是频率的概念年。,对于P：95的年份，供需分析得出不平衡，还缺水，说明其供水保证率不足95，但这样的结论太笼统，并不说明各用水部门供需的矛盾。实际上对生活、工业、农业供水应区别对待，因此，应具体分析区域内哪些用水部门真正缺水及其缺水程度和影响，然后做出科学的分析评价及提出解决的具体措施。,5.4.2.2 需水量分析,需水量可分为河道内用水和河道外用水两大类。河道内用水：包括水力发电、航运、放木、冲淤、环境、旅游等。河道内用水一般并不耗水，但要求有一定的流量、水

12、量和水位，其需水量应按一水多用原则进行组合计算。河道外用水：包括城市用水和农业用水。城市用水又分工业用水、生活用水和环境用水。,工业用水的计算：工业用水一般指工矿企业在生产过程中，用于制造、加工、冷却、空调、净化、和洗涤等方面的用水，是城市用水的一个重要的组成部分。由于工业部门内不同的行业的用水量相差很大，所以工业用水要按行业划分，利用水平衡法进行统计和计算：,Qt=QC+QD+QR式中Qt总用水量，在设备和工艺流程不变时，为一定值，m3a；,Qc耗水量：QD排水量QR重复用水量。,工厂的耗水量和排水量必须加以补充，二者之和称为补充水量，又称为取用水量，以Qw。故总用水量Qt又可表示为补充水量

13、和重复用水量之和：Qt=Qw+QR,工业用水重复利用率及越高，表示工业用水的有效利用程度越高。,工业用水水平一般以单位产量或产值所需的补充水量和重复利用率这两个指标来衡量，重复利用率R以重复利用水量QR。占总用水量Qt的百分数表示：,趋势法：用历年工业用水量增长率来推算未来工业用水量，按下式进行计算，Si=S0(1+d)n式中Si某一年所预测的工业需水量，m3；S0起始年的工业用水量，m3；d业用水量年平均增长率，；n从起始年份到预测年份所间隔的时间，a。,(2)工业用水的预测：,相关法：工业用水的统计参数(如单位产值耗水量、工业用水增长率等)与工业产值有一定的相关关系，常用以下两种方法进行预

14、测：建立工业用水增长率和工业产值增长率的相关关系来推求工业发展用水；建立工业产值和万元产值用水量的相关关系来推求工业发展用水。,分行业重复利用率提高法：对于资料比较齐全的地方，一般采用按冶金、电力等14个行业推算工业用水量，该法采用万元产值用水量和重复利用率这二个指标来推算工业发展用水 q1 q2起始年和预测年的万元产值取用水量，m3万元；1 2分别为起始年和预测年的工业用水重复利用率，,随着生产水平发展、设备工艺的改进、更新，万元产值的总用水量会逐渐减少，故上式可修改为：式中。考虑到设备工艺改进使得万元产值的总用水量平均下降率()。值愈大，则万元产值用水量愈少；n起始年与预测年的相距的时间，

15、a。,生活用水：在城市中扣除工业用水(包括生产区的生活用水)之外所有的用水，它包括城市居民住宅用水，公共建筑用水，市政用水，环境、景观与娱乐用水，供热用水及消防用水。,在地域间我国的人均日生活用水量差异较大最高：我国南方海南三亚，人均日生活用水量高达522L(人d)，最低：我国北方的内蒙额尔古纳，人均日生活用水量仅为2055L(人d)，两者相差达25倍之多。城市用水要求供水的保证率不低于95。城市用水量一般可根据实际调查求得，其大小与城市有关.,城市生活用水量的预测常用人均生活用水定额法推算，其计算公式为：Q生活=365qm/1000式中Q生活生活用水需求量，m3a；q人均生活用水定额，L(人

16、d)；m预测期用水人口数；人。,农村用水:包括农、林、牧、副、渔业的用水，农村居民的生活用水、农村工业、企业用水等。与城市工业和生活用水相比，具有面广量大、一次性消耗的特点，而且受气候的影响较大，同时也受作物的组成和生长期的影响。,农业灌溉用水量的计算和预测对一个地区而言，为进行农业灌溉用水量的计算和预测，首先需要弄清以下几个概念：作物需水量：作物在全生育期或某一时段内正常生长所需的水量，它包括消耗于作物蒸腾量和株间蒸发量(合称为腾发量)。农作物需水量可以通过田间实验来确定，它是决定灌溉用水量、灌溉引水量的重要的参数，也是进行水资源平衡分析计算的重要的依据。,灌溉制度：是指作物播种前及全生育期

17、内的进行适时适量灌水的一种制度，它包括灌水定额、灌水时间、灌水次数和灌溉定额。灌水定额为一次灌水在单位面积上的灌水量(m3亩)，灌溉定额则是全生育期内多次灌水定额之和,灌溉用水量：是指灌溉面积上需要提供给作物的水量，其大小及其在年内的变化情况，与各种作物的灌溉制度、灌溉面积以及渠系水利用系数等因素有关。一种作物一次田间灌水量(称净灌溉用水量)M净可用下式求得：M净=m式中 m作物某次灌水的灌水定额，m3亩；该作物的灌溉面积，亩,毛灌溉水量灌溉水经过各级渠道输送到田间发生各种损失。式中M净净灌水量，m3；灌溉水利用系数，它的大小与各级渠道的长度、沿线的土质和水文地质条件，渠道工程状况(配套、衬砌

18、等)以及灌溉管理水平有关,农业的其他用水除了农业灌溉用水外，还包括农村居民生活用水、牲畜用水、渔业用水以及乡镇企业用水。这些用水虽然在整个农业用水中所占的比例不大，但一般都要求保证供水。一般采用下述的方法进行估算，,农村居民生活用水可通过典型调查人均生活用水标准，按下式进行估算式中 人均生活用水标准，L(人，d)；农村居民用水人数。,牲畜用水同理，可通过调查到或实测到的牲畜用水定额，按下式进行估算：,渔业用水渔业用水指养殖水面蒸发和渗漏所消耗水的补充量，按下式估算：式中 养殖水面积，m2或km2E水面蒸发量，蒸发器折算系数，P年降雨量，S年渗漏量单位换算系数，视具体情况而定,村办企业用水村办企

19、业包括小型工厂、小加工作坊等，其用水量的估算与工业用水的估算方法相类似，在调查的基础上，分行业进行估算.,我国工业需水预测P111，表5-2我国生活用水预测P113，表5-3我国农业需水预测P114-115,表5-4,阅读：,5.2 平衡分析的典型年法,5.2.1 典型年法的涵义5.2.2 计算分区和时段5.2.3 典型年和水平年的确定5.2.4 可供水量和需水量的计算5.2.5 供需平衡分析和成果综合,5.2.5.1 分类,1从分析的范围考虑，可划分为：(1)计算单元的供需分析；(2)整个区域的供需分析；(3)河流流域的供需分析。计算单元:是供需分析的基础，属于区域或流域内的一个面积最小的(

20、计算)区。,2从可持续发展观点，可划分为(1)现状的供需分析；(2)不同发展阶段(不同水平年)的供需分析。不同发展阶段的供需分析是对未来情况的，含有展望和预测的性质，但要做好预测，必须以现状的供需分析的成果为基础。,3从供需分析的深度，可划分为：(1)不同发展阶段(不同水平年)的一次供需分析；(2)不同发展阶段(不同水平年)的二次供需分析。,一次供需分析：初步地进行供需分析，不一定要进行供需平衡和提出供需平衡分析的规划方案。二次供需分析：要求供需平衡分析和提出供需平衡分析的规划方案。特别是当供需不平衡时，对解决缺水的途径，要进一步分析论证并作出规划方案。,4按用水的性质，可划分为：(1)河道外

21、用水的供需分析；(2)河道内用水的供需分析。河道外用水为消耗性用水，河道内用水为非消耗性用水，在分析过程中应分别进行考虑或综合在一起协调考虑。,调查统计现阶段年份计算单元内各水源的实际供水量和各部门的实际用水量。大型水源工程、城市供水都有记录。分散水源、农村生活用水很少记录。,5.2.5.2 计算单元的供需分析,进行水量平衡校核。对于某一计算单元、某一水平年、某种保证率的供需平衡计算式为：,现状供需状况及分析对现状年的实际供、用水情况和不同频率来水情况下的供需平衡状况可进行列表分析p121。,1典型年法，先根据全区域的雨情和水情情况选定代表年然后根据该代表年的来水情况，自上而下，先支流后干流逐

22、个计算各个单元供需情况，最后将各个单元的供需成果进行汇总，即得整个区域的水资源供需情况。,5.2.5.3 整个区域的水资源供需分析,2同频率法：其一般的步骤是，根据实际情况先把整个区域划分为若干个流域，每个流域根据各自的雨情、水情情况选择各自的代表年。然后采用典型年法相同的方法，逐个进行计算单元水供需分析。最后，再把各流域同频率的计算成果汇总即得到整个区域的水资源供需分析的成果。,要注意研究区域上游用水的变化，如新建水库或河道引水工程，则会减少来水量，必然造成可供水量的减少。因此，计算今后的可供水量要和水源工程的长远规划结合起来。在需水量预测分析中，要和研究区域的社会经济的可持续发展规划配合，

23、做出切合实际的需水预测，既要满足可持续发展对水的长期要求，又要做到水资源不受到破坏。,5.2.5.4 不同发展阶段的供需分析,实例：田山灌区供需平衡,田山灌区位于济南市平阴县、泰安市肥城市境内,是山东省境内最大的电力引黄灌溉工程。灌区包括平阴县6个乡镇和肥城市的5个乡镇，东西宽36km，南北长30km，总面积162万亩，其中耕地面积7 1.65万亩，人口 77.21万人，其中农业人口 52.01万人。主要种植小麦、玉米、谷子、棉花、地瓜葡萄、果树等，年粮食总产量3.99亿kg。,1、田山灌区可供水量分析,灌区水资源分客水和当地水资源两种。客水为黄河水;当地水资源包括地表水、地下水。,1.1 黄

24、河水,灌区渠首取水泵站位于黄河艾山水文站下游15.2km处,水源条件依艾山站1960-2008年实测资料分析。艾山站多年平均径流量435.42亿m3,其中3-6月份为89.52亿m3。经水文分析平水年(P=50%)为422亿m3,偏估年(P=75%)为325亿m3,特枯年(P=95%)为232亿m3。多年平均流量1279m3/s,含沙量6.66kg/m3，PH值为8.1,溶解氧为8.9mg/l,耗氧量1.49mg/l,表明有机污染较轻,水质是良好的。,根据省水利厅关于印发山东省20112015年用水总量控制指标(暂行)的通知(鲁水资字20109号)和济南市水利局有关文件，现状田山灌区允许年引黄

25、水总量为7000万m3,灌区年均引水时间40天。由于小浪底水库的建成投入使用,黄河水调蓄能力增强,分配水量受丰枯年的影响减小。,1.2 地表水,(1)降雨量济南水文局根据田山灌区历年降雨资料(1971-2008)，计算灌区多年平均降雨量590.2mm，其中春灌期3-5月多年平均降雨量91.15mm，仅占全年的15.44%,降雨所产生的水量,全灌区多年平均6.37亿m3,3-5月份为0.98亿m3。,频率分析,（2）可利用水,根据平阴县水长期供求计划和肥城市水长期供求计划,灌区内地表水多年平均可利用量为3207万m3,不同保证率,地表水可利用量见下表。,1.3 地下水,地下水资源量：灌区地下水资

26、源，主要是指大气降水后，渗透补给的浅层地下水淡水量。灌区内地下水水质优良,满足灌溉和饮用水标准。根据平阴县水长期供求计划、肥城市水长期供求计划，灌区多年平均地下水资源量16265万m3，灌区地下水资源计算成果见下表,1.4 田山灌区内可供水量,2、田山灌区需水量分析及预测,田山灌区主要需水量有农业灌溉用水量、灌区人畜生活用水量、灌区工业用水量、灌区林地、水产蔬菜用水量和生态环境用水量组成。,2.1 灌区农业灌溉用水量,田山灌区总控制面积 162万亩。其中设计灌溉面积31.7万亩，林果占地30.53万亩，城镇与民宅、工业、交通占地32.55万亩，其他占地22.61万亩,灌区设计灌溉面积31.7万

27、亩，其中粮棉作物种植面积26.1万亩，占82.3%；蔬菜种植5.6万亩，占7.7%。,计算方法,水量平衡方程式如下:Wt-W0=WT+P0+K+M-EW0时段初土壤计划湿润层内的含水量Wt 土壤计划湿润层内的含水量WT由于土壤计划湿润层增加（根系下扎）而增加的水量，计划期短时没有此项P0保持在土壤计划湿润层内的有效雨量K 时段t内地下水补给量M 时段t内的灌溉水量E 时段t内的作物田间需水量,（1）P0,以其灌水分配过程较为不利的年份1996-1997年，将该年降雨按50%保证率551.8mm的降雨同倍比放大做为设计典型年雨量；分配到天计算有效降雨；,有效降雨系数：低于5mm不计，其他取0.7

28、-0.9,分配到天计算有效降雨,(2)地下水补给,地下水补给量是指地下水借助毛细管作用上升至作物根系吸水层而被作物利用的水量，它随灌区地下水动态和各阶段计划湿润层不同而变化。根据地勘报告灌区沿黄平原地下水埋深1220m,对计划湿润层的补给量很小,故忽略不计。,（3）作物需水量E,根据水量平衡图解分析法拟定作物全生育期需要的次数及灌水定额。,根据灌区多年实际灌溉经验,确定冬小麦灌水5次,夏玉米灌水4次,棉花灌水4次。,确定渠系水利用系数为0.52，田山灌区水利用系数为0.92，由此确定田山灌区灌溉水利用系数为0.48。,2.2灌区人畜生活用水量及预测,据统计,田山灌区内2010年人口 77.21

29、万人,大牲畜12.12万头。人口增长按千分之三的人口增长率预测。预测大牲畜数量在现状基础上略有减少，2015、2020、2030分别为11.7、11.4、10.5万头。依据山东省节水型社会建设技术指标确定用水定额。,2.3灌区林地、蔬菜、水产用水量及预测,根据统计,2010年灌区内共有林地11.1万亩,水产3.65万亩,蔬菜2.1万亩。随着田山灌区续建配套与节水改造工程的实施,灌区水利用系数得到的提高,预计菜田、林果地灌溉面积及水产面积会略有增加。依据山东省节水型社会建设技术指标确定用水定额。,2.4 灌区工业用水量及预测,工业用水量以万元产值耗水量为需水指标,根据平阴县国民经济和社会发展“十

30、二五“规划以及肥城市国民经济和社会发展“十二五规划,灌区内工业产值按平均8%增长率递增,工业用水重复利用率达 83.73%。2010年统计资料,灌区内工业产值43.4亿元，万元产值耗水量50m3，年耗水量2170万m3,随着污水处理技术进步和循环水利用以及山东省节水型社会建设技术指标的要求,2015万元产值耗水量降至45m3,预计2020年降至43m3预计2020至2030年,灌区内经济结构成型后增速降低,工业产值按平均5%增长率递增,，万元产值耗水量降至40m3。计算出2015，2020，2030的年耗水量分别为：2886，4029，6140m3。,2.5 生态环境需水量及预测,分为河道外生

31、态环境需水和河道内的生态环境需水。河道内生态环境需水量不参与水资源的供求平衡分析。河道外生态环境需水量分为城镇生态环境需水量和农村生态环境需水量。结合田山灌区实际情况，只对城镇生态环境需水量进行计算和预测，主要包括绿化需水量和洒饶道路(环境卫生)需水量。,2010年灌区内绿地灌溉面积126.2万m2,绕洒道路面积102.8万m2，需水定额分别是2.0L/m2.d和2.5L/m2.d。预测2015年田山灌区绿地灌概面积和绕洒道路面积分别为236.3万m2和238万m2；2020年分别为321.9万m2和319.8万m2；2030年分别为504.9万m2和496万m2。,灌区总需水量（万m3）,3

32、、供需平衡,分析：,至2015年,由于田山灌区续建配套与节水改造项目的完成,田山灌区的水利用系数得到了提高,从而使农业需水量得到了降低。但随着灌区内工业的迅猛发展以及人畜用水量的增大,灌区内的用水量逐年上升,灌区缺水率也在不断地增加。预计到2030年田山灌区供水保证率95%时缺水率将高达40%。水资源量的严重不足己经成为田山灌区经济发展最大障碍。,补充：济南市用水控制,当地水资源：全市多年平均降水量647.9mm，多年平均地表水资源量为92873万m3，可利用量为46601万m3；多年平均地下水资源量为122812万m3，可开采量为91384万m3，扣除重复量，全市多年平均水资源总量为1747

33、79万m3，可利用总量为126723万m3。客水：济南市客水资源主要有黄河水和规划建设中的南水北调长江水。根据关于印发山东境内黄河及所属支流水量分配暨黄河取水许可总量控制指标细化方案的通知，济南市引黄指标为每年6.36亿m3。,第五章 水资源供需平衡分析,5.1 概述-目的、原则和方法5.2 平衡分析的典型年法5.3 水资源系统动态模拟分析5.4 水资源系统动态模拟实例,5.3 水资源系统动态模拟分析,典型年法是一种静态分析。长系列法是一种动态的分析。分析工作由程序完成，减少工作量，反映更多内容。水资源系统动态模拟。,5.3.1 水资源系统5.3.2 分析方法5.3.3 模型的建立、检验和运行

34、,一个区域的水资源供需系统：是由来水、用水、蓄水和输水等诸子系统组成的大系统。供水水源：有不同的系统、如地面、地下水库，有自产水和客水，互相联系。用水系统：由生活、工业、农业、环境等。输、配水系统：相对独立于以上的两个子系统又起到相互联系的作用。根据问题需要概化系统。,5.3.1 水资源系统,水价问题-威海,烟台,5.3.2 分析方法,该方法的主要内容包括以下几方面：(1)基本资料的调查收集和分析：(2)水资源系统管理调度：(3)水资源系统的规划：,与典型年法相比，动态模拟分析有以下特点(1)该方法不是对某一个别的典型年进行分析，而是在较长的时间系列里对一个地区的水资源供需的动态变化进行逐个时

35、段模拟和预测.,(2)该方法不仅可以对整个区域的水资源进行动态模拟分析，由于采用不同子区和不同水源之间的联合调度，能考虑它们之间的相互联系和转化。(3)能直观形象地模拟复杂的水资源供需关系和管理运行方面的功能。,水资源系统复杂，系统中有许多非线性关系和约束条件在最优化模型中无法解决，这些问题在模型中就能得到较好地模拟运行。模拟并不能直接给出最优解，而是给出必要的信息或非劣解集，可能的水供需平衡方案很多，需要决策者来选定。,5.3.3 模型的建立、检验和运行,为了使模拟给出的结果接近最优解，往往在模拟中规划好运行方案，或整体采用模拟模型，而局部采用优化模型。水资源系统模拟与分析，一般需要经过模型

36、建立、调参与检验、运行方案的设计等几个步骤.,1、模型的建立建立模型就是要把实际问题概化成一个物理模型，要按照一定的规则建立数学方程来描述有关变量间的定量关系。模型只是真实事件的一个近似的表达，并不是完全真实，因此，模型应尽可能的简单，所选择的变量应最能反映其特征。,例：一个简单的水库的调度，用水量平衡原理来建立各变量问的数学关系，并按一定的规则来实现水库的水调度运行：Wt,Wt-1时段末、初的水库蓄水量，m3；WIt，WAt时段内水库供给工业、农业的水量，m3；WEQt，时段内水库的蒸发、渗漏损失，m3；WQt,时段内水库水量，m3。,2 模型的调参和检验 按设计方案正式运行模型之前，必须对

37、模型中有关的参数进行确定以及对模型进行检验来判定该模型的可行性和正确性。,(1)求参：数学模型通常含有参数，如水文和水文地质参数等。有的可通过实验求得，比如地下水导水率；有的则是参考外地凭经验选取的，比如地下水给水度、水利坡度、叶面指数；有些不容易得到，回水系数。一般要根据历史资料反推。,（2）检验：所建的模型是否正确和符合实际，要经过检验。一般方法是输入与求参不同的另外一套的历史数据，运行模型并输出结果，看其与系统实际记录是否吻合。,（3）修正：模型与实际吻合好坏的标准，要作具体分析。计算值和实测值在数量上不需要也不可能吻合得十分精确。但如果偏差太大，可能重建模型。比如传统的降雨径流模型都不

38、考虑人工活动。降雨、截留、填洼、蒸发和下渗、产流,3、模型中运行方案的设计模型确定以后，就可以设计不同方案输入系统，模拟系统运行的结果，供决策者使用。在模拟分析方法中，决策者希望模拟结果能尽可能接近最优解。在进行不同方案设计时，应考虑以下几个方面：,（1）模型中所采用的水文系列，即可用一次历史系列也可用历史资料循环系列；（2）开源工程的不同方案和开发次序。（3）开源、节流措施的方案规划和数量分析；（4）各部门的用水保证率及其他评价指标等。,第五章 水资源供需平衡分析,5.1 概述-目的、原则和方法5.2 平衡分析的典型年法5.3 水资源系统动态模拟分析5.4水资源系统动态模拟实例,现以华北地区

39、某县作为研究区为例来简要说明水资源动态模拟的过程。研究区的总面积为1035.6km3，其地貌属某河流冲积扇的一部分，为地形平坦的平原区，地下水资源丰富，为研究区主要的用水来源，研究区水资源系统的构成。,可划分为以下四个部分：(1)来水系统：主要指当地降水、由境外进入本区的侧向地下水补给、由外区入境的地表水及废污水等；(2)储水系统：研究区内地下水含水层及境内可拦蓄地表径流的河道和地面蓄水工程；(3)用水系统：主要包括农业用水、工业用水、生活用水等；(4)排水系统；主要指排泄到境外的地下水渗流和地表径流及潜水的蒸发损.,根据河系界线，水文地质和土壤的差异以及行政区界线等条件将研究区细分为七个子区

40、，并以该七个子区作为既互相独立又互相联系的基本单元进行水资源的联合调度和平衡分析。,依照上述水资源系统，建立了数学模型。该模型结构可视为若干个担负不同工作任务又相互联系的模块组成：(1)用于存储和传递各种数据和计算成果的工作模块(亦称数据文件库)；(2)进行水资源系统中供需各方供水量和需水量计算的工作模块，(3)用于各子区水资源联合调度计算的工作模块；(4)输出各种计算成果的工作模块。,由于该研究区几乎无地表水资源可用，地下水成为研究区的主要用水水源，因此以各子区的地下水体作为逐个时段水均衡分析的对象。实现水资源动态模拟计算的子模块主要有：,对于地下水体而言，研究区水资源系统中主要来水项有当地

41、降雨入渗补给、外区侧向地下水补给、河道入渗及农业灌溉回归等。其中降雨入渗是主要的来水项：研究区各子区在某个时段内的降雨入渗补给量；按下式进行估算：,1确定来水量的子模块,研究区用水可按粮食作物灌溉用水，工业用水、城乡居民用水、蔬菜灌溉用水、经济作物用水、农村牲畜用水和渔业用水等七个部门分别推求。对于粮食作物灌溉用水，采用作物生长期根系层水量平衡原理分别对研究区的小麦、玉米和水稻三种主要作物的灌溉用水进行逐日推求，以土壤含水量进行均衡，其计算公式为：,2用水预测计算的子模块,计算中可对根系层水量规定一个适宜的上下限Wmax和Wmin，如果Wi+1Wmin，则表明作物根系层缺水，应按下式确定灌水量

42、：,工业用水采用分行业重复利用率及万元产值取水量的计算方法，并按以下二个公式进行预测推求：,IW2=B2Q2,该模块用于模拟计算研究区七个子区各个时段内的水量平衡Wi各子区地下水体在垂向的水量交换Wi”各子区有外边界的各子区与境外地下水在水平向的水量交换,Hi,Hi,Hi,3、地面水地下水联合调度的工作子模块,地面水地下水联合调度模拟可以给出各子区平均的地下水位的动态变化，但无法对此作出更详细的描述。为了能反映出研究区范围内不同地点地下水位在规划预测期内的动态变化，采用地下水二维非稳定流的数学方程进行计算。应用有限单元法求解上述定解问题。,4、地下水动态有限元计算子模块,水资源动态模拟中降雨系

43、列的合理选取是一个重要问题。可采用实测系列和随机系列进行演算。实测系列即认为过去的降雨系列可在未来重演，随机系列表现出降雨的随机性，但生成随机系列的水文特征值要符合实测系列的特征值。,5、输入序列的选择,模拟计算中主要采用了1958 1982、19831988年共31年的降雨实测系列应用19831988年实测地下水位动态对模型进行验证。,5、动态模拟计算步骤,开始,输入数据和参数,输入指令选择方案,推求玉米和小麦灌溉制度,降雨资料、各子区的种植面积如给水度、入渗系数渠系利用系数等,1、正常满足用水2、汛期能回灌地下水,不同降水时不同,求本区与外区地下水交换,按部门求用水量,求降雨入渗和潜水蒸发

44、,求地下水开采和回补量求出地下水位,分区计算,按旬计算,调入第k年逐日降雨资料,计算下一年,是否计算其他方案,是,设置方案重新开始,所建立的教学模型的合理性和可行性有赖于模型的验证。19841988年用于检验。调用的降雨资料、各子区种植面积以及工业用水和生活用水都是研究区的实测资料。19841988年共五年的不同地点观测井地下水位实测数据,四、水资源动态模拟模型的可行性验证,比较结果除个别情况外，各子区地下水的计算值与实测值在验证期间的变化趋势有较好的一致性。有限元法的计算值比动态模拟计算求到的各子区平均地下水位值更逼近实测值。验证结果说明所建立的水资源动态模拟模型及选用的参数基本上符合实际情

45、况。,根据人工指令可进行多方案的演算，在此仅从中选择两种方案的计算成果加以分析以求对研究区水资源均衡动态变化作出分析评价。方案一：在充分满足各部门用水条件下，研究区19842013年的水资源的动态变化。模拟计算可输出以下的主要计算结果：,五、水资源动态模拟计算成果分析,(1)研究区主要用水部门的逐年用水量(表58)；(2)各子区水资源供需平衡及地下水位30年间逐年的变化过程(见表59)；(3)全研究区水资源的均衡计算结果(表510)。,方案二：条件同方案一，但假定每年汛期可从研究区内的河流引进1000X104m3的河道弃水存储于第3子区原已干涸的一个水库用以回补地下水。模拟结果表明：各子区地下

46、水都能得到不同程度的回补，30年全境地下水位平均可回升3.2m，其中第3区受益最大，回升达1.2m。对缓解区域水资源短缺效果明显。,两个方案都表明，研究区未来水资源将面临紧缺局面，应从开源和节流两方面寻求解决途径。开源近期难以实施，农业用水占80%，有潜力。如果将小麦和玉米的平均定额从267.65方/亩和96方/亩分别减少到210和80方/亩，则研究区每年可节水2800万方（总用水量的10%），加上其他节水措施，能缓解供需矛盾。,规划与对策,思考：,水资源平衡分析在水资源管理中的基础作用。复习水资源系统分析相关内容。,作业：,从文献中查一个水资源供需平衡分析的实例（典型年和长系列均可），撰写800-1000字摘要。,