第五章水資源供需平衡分析

第五章水資源供需平衡分析

內(nèi)容提要概述水資源供需平衡分析方法水資源系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析水資源系統(tǒng)動態(tài)模擬分析實例第五章水資源供需平衡分析主要介紹供需平衡分析的原則和方法；平衡分析的典型年法；計算分區(qū)和計算時段、典型年和水平年的確定，可供水量和需水量的計算；水資源動態(tài)模擬分析。本部分的重點是可供水量和需水量的計算原理與計算方法、水資源系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析方法、模擬模型的建立、檢驗和運行。第一節(jié)概述自1949年以來，我國進行了規(guī)?？涨暗乃ㄔO(shè)，初步控制了大江大河的常遇洪水，大幅度提高年供水能力，達到5600多億m3，全國用水量從1949年的1000多億m3增加到1997年的5566×108m3，這些巨大成就為我國社會經(jīng)濟的發(fā)展起到了很好的保證作用。據(jù)中國工程院《中國可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略研究綜合報告》(2000)分析估計，全國按目前的正常需要和不超采地下水條件下，缺水總量約為300×108～400×108m3。總體上，因缺水造成的經(jīng)濟損失超過洪澇災(zāi)害。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測，我國用水高峰將在2030年前后出現(xiàn)，用水總量為7000×108～8000×108m3。經(jīng)分析，全國實際可利用的水資源量約為8000X108m3—9500×108m3，可見需水量已接近可能利用水量的極限。一、水資源供需平衡分析的目的和意義定義：水資源供需平衡分析，是指在一定范圍內(nèi)(行政、經(jīng)濟區(qū)域或流域)不同時期的可供水量和需水量的供求關(guān)系分析。其目的是：1、是通過可供水量和需水量的分析，弄清楚水資源總量的供需現(xiàn)狀和存在的問題；2、是通過不同時期不同部門的供需平衡分析，預(yù)測未來，了解水資源余缺的時空分布；3、是針對水資源供需矛盾，進行開源節(jié)流的總體規(guī)劃，明確水資源綜合開發(fā)利用保護的主要目標和方向，以期實現(xiàn)水資源的長期供求計劃第一節(jié)概述一、水資源供需平衡分析的目的和意義其意義是：水資源供需平衡分析是國家和地方政府制定社會經(jīng)濟發(fā)展計劃和保護生態(tài)環(huán)境必須進行的行動。也是進行水資源工程和節(jié)水工程建設(shè)，加強水資源、水質(zhì)和水生態(tài)系統(tǒng)保護的重要依據(jù)。第一節(jié)概述二、水資源供需平衡分析的原則

水資源供需子衡分析涉及社會、經(jīng)濟、環(huán)境生態(tài)等方面，不管是從可供水量是需水量方面分析，牽涉面廣且關(guān)系復(fù)雜。因此，供需平衡應(yīng)遵循以下原則：(1)近期和遠期相結(jié)合(2)流域和區(qū)域相結(jié)合(3)綜合利用和保護相結(jié)合第一節(jié)概述三、水資源供需平衡分析的方法

水資源供需平衡分析必須根據(jù)一定的雨情、水情來進行分析計算，主要有二種分析方法。一種為系列法，一種為典型年法(或稱代表年法)。系列法：按雨情、水情的歷史系列資料進行逐年的供需平衡分析計算；典型年法：僅根據(jù)雨情、水情具有代表性的幾個不同年份進行分析計算，而不必逐年計算。第一節(jié)概述這里必須強調(diào)，不管采用何種分析方法，所采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(如水文系列資料、水文地質(zhì)的有關(guān)參數(shù)等)的質(zhì)量是至關(guān)重要的，其將直接影響到供需分析成果的合理性和實用性，以下將主要介紹兩種方法：一種叫典型年法，另一種叫水資源系統(tǒng)動態(tài)模擬法(屬系列法的一種)。三、水資源供需平衡分析的方法第一節(jié)概述第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法典型年(又稱代表年法)：是指對某一范圍的水資源供需關(guān)系，只進行典型年份平衡分析計算的方法。優(yōu)點：是可以克服資料不全(如系列資料難以取得時)及計算工作量太大的問題。一、典型年法的涵義首先，根據(jù)需要來選擇不同頻率的若干典型年。我國規(guī)范規(guī)定：特別豐水年頻率=5%豐水年頻率=25%平水年頻率＝50％，一般枯水年＝75％，特別枯水年90％(或95％)。在進行區(qū)域水資源供需平衡分析時，北方干旱和半干旱地區(qū)一般要對：50％和：75％兩種代表年的水供需進行分析，在南方濕潤地區(qū)，一般要對P：50％、P：75％和P：90％(或95％)三種代表年的水供需進行分析。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法一、典型年法的涵義水資源供需分析，就某一區(qū)域來說，其可供水量和需水量在地區(qū)上和時間上分布都是不均勻的分區(qū)進行水資源供需分析研究，便于弄清水資源供需平衡要素在各地區(qū)之間的差異，以便對不同地區(qū)的特點采取不同的措施和對策。另外，將大區(qū)域劃分成若干個小區(qū)后，可以使計算分析得到相應(yīng)的簡化，便于研究工作的開展。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法二、計算分區(qū)和計算時段1區(qū)域劃分在分區(qū)時一般應(yīng)考慮以下的原則：

(1)盡量按流域、水系劃分，對地下水開采區(qū)應(yīng)盡量按同一水文地質(zhì)單元劃分，這樣便于算清水賬。

(2)盡量照顧行政區(qū)劃的完整性。這樣便于資料的收集和統(tǒng)計，另外，按行政區(qū)劃更有利于水資源的開發(fā)利用和保護的決策和管理。(3)盡量不打亂供水、用水、排水系統(tǒng)。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法二、計算分區(qū)和計算時段1區(qū)域劃分區(qū)域水資源計算時段可分別采用年、季、月、旬和日，選取的時段長度要適宜，劃得太大往往會掩蓋供需之間的矛盾，缺水期往往是處在時間很短的幾個時段里，因此只有把計算時段劃分得合適，才能把供需矛盾揭露出來。但劃分時段升非越小越好，時段分得太小，許多資料無法取得，而且會增加計算分析的工作量。對精度要求不高的，計算時段也可采用以年為單位。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法二、計算分區(qū)和計算時段2計算時段的劃分不同頻率系指水文資料統(tǒng)計分析中的不同頻率。前面已經(jīng)提到，通?？蛇x取如下幾種頻率，即P：50％，P：75％，P：90％或95％，以代表不同的來水情況，典型年來水量的選擇典型年的來水需要用統(tǒng)計方法推求。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法三、典型年和水平年的確定1不同頻率典型年的確定首先：根據(jù)各分區(qū)的具體情況來選擇控制站，以控制站的實際來水系列進行頻率計算，選擇符合某一設(shè)計頻率的實際典型年份，然后：求出該典型年的來水總量。可以選擇年天然徑流系列或年降雨量系列進行頻率分析計算。如：北方干旱半干旱地區(qū)，降雨較少，供水主要靠徑流調(diào)節(jié)，則常用年經(jīng)流系列來選擇典型年。南方濕潤地區(qū)，降雨較多，缺水既與降雨有關(guān)，又與用水季節(jié)徑流調(diào)節(jié)分配有關(guān)，故可以有多種的系列選擇。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法三、典型年和水平年的確定1不同頻率典型年的確定常采用的一種方法是按實際典型年的來水量進行分配，但地區(qū)內(nèi)降雨、徑流的時空分配受所選擇典型年所支配，具有一定的偶然性，故為了克服這種偶然性，通常選用頻率相近的若干個實際年份進行分析計算，并從中選出對供需平衡偏于不利的情況進行分配。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法三、典型年和水平年的確定2．典型年來水量的分布水資源供需分析是要弄清研究區(qū)域現(xiàn)狀和未來的幾個階段的水資源供需狀況，這幾個階段的水資源供需狀況與區(qū)域的國民經(jīng)濟和社會發(fā)展有密切關(guān)系，并應(yīng)與該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展的總目標相協(xié)調(diào)。一般情況下，需要研究分析四個發(fā)展階段的供需情況，即所謂的四個水平年的情況，分別為：（1）現(xiàn)狀水平年(又稱基準年，系指現(xiàn)狀情況以該年為標準)，（2）近期水平年(基準年以后5年或10年)，（3）遠景水平年(基準年以后15或20年)，（4）遠景設(shè)想水平年(基準年以后30～50年)。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法三、典型年和水平年的確定3水平年供水系統(tǒng)：一個地區(qū)的可供水量來自該區(qū)的供水系統(tǒng)。供水系統(tǒng)從工程分類，包括蓄水工程、引水工程、提水工程和調(diào)水工程。按水源分類可分為地表水工程、地下水工程和污水再生回用工程類型；按用用戶分類可分為城市供水、農(nóng)村供水和混合供水系統(tǒng)?？晒┧浚嚎晒┧渴侵覆煌侥?、不同保證率或不同頻率條件下通過工程設(shè)施可提供的符合一定標準的水量，包括區(qū)域內(nèi)的地表水、地下水、外流域的調(diào)水，污水處理回用和海水利用等。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算1可供水量可供水量計算項目匯總示意圖第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算1可供水量在供水規(guī)劃中，按照供水對象的不同，應(yīng)規(guī)定不同的供水保證率，例如居民生活供水保證率P：95％以上，工業(yè)用水P：90％或95％，農(nóng)業(yè)用水P＝50％或75％等等。供水保證率的概念，是指多年供水過程中，供水得到保證的年數(shù)占總年數(shù)的百分數(shù)，常用下式計算：第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算2典型年法中供水保證率的概念式中P——供水保證率；m——保證正常供水的年數(shù)；n——供水總年數(shù)。正常供水：通常按用戶性質(zhì)，能滿足其需水量的90％一98％(即滿足程度)，視作正常供水。兩種確定供水保證率的方法：(1)上述的在今后多年供水過程中有保證年數(shù)占總供水年數(shù)的百分數(shù)。今后多年是一個計算系列，在這個系列中，不管那一個年份，只要有保證的年數(shù)足夠，就可以達到所需保證率。(2)規(guī)定某一個年份(例如2000年這個水平年)，這一年的來水可以是各種各樣的，現(xiàn)在把某系列各年的來水都放到2000這一水平年去進行供需分析，計算其供水有保證的年數(shù)占系列總年數(shù)的百分數(shù)，即為2000年這一水平年的供水遇到所用系列的來水時的供水保證率。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算2典型年法中供水保證率的概念200019902005P：50％的來水就是指年來水總量大于或等于那一年(P：50％)的年數(shù)占統(tǒng)計樣本總年數(shù)的50％。既然來水總量等于那一年(P＝50％)的能保證，則大于那一年(P：50％)的一般也應(yīng)該能保證(當然還有來水的時間分配問題)，所以，在典型年法中，若P：50％供需能平衡，則其供水保證率為P；50％。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算2典型年法中供水保證率的概念對于P：95％的年份，供需分析得出不平衡，還缺水，說明其供水保證率不足95％。但這樣的結(jié)論太籠統(tǒng)，并不說明各用水部門供需的矛盾，實際上對生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)供水應(yīng)區(qū)別對待，有時生活工業(yè)部門仍可保證供水(只要供水系統(tǒng)有保證)，而所缺水主要應(yīng)由農(nóng)業(yè)等部門來承擔(dān)。因此，應(yīng)具體分析區(qū)域內(nèi)哪些用水部門真正缺水及其缺水程度和影響，然后做出科學(xué)的分析評價及提出解決的具體措施。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算2典型年法中供水保證率的概念需水量分析是供需平衡的主要內(nèi)容之一。需水量可分為河道內(nèi)用水和河道外用水兩大類。河道內(nèi)用水：包括水力發(fā)電、航運、放木、沖淤、環(huán)境、旅游等。河道內(nèi)用水一般并不耗水，但要求有一定的流量、水量和水位，其需水量應(yīng)按一水多用原則進行組合計算。河道外用水：包括城市用水和農(nóng)業(yè)用水。城市用水又分工業(yè)用水、生活用水和環(huán)境用水。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量①工業(yè)用水的計算：工業(yè)用水一般指工礦企業(yè)在生產(chǎn)過程中，用于制造、加工、冷卻、空調(diào)、凈化、和洗滌等方面的用水，是城市用水的一個重要的組成部分。根據(jù)1993年統(tǒng)計，我國工業(yè)用水量占總用水量的17.4％。由于工業(yè)部門內(nèi)不同的行業(yè)的用水量相差很大，所以工業(yè)用水要按行業(yè)劃分，利用水平衡法進行統(tǒng)計和計算：第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-----(1)工業(yè)用水Qt=QC+QD+QR式中Qt——總用水量，在設(shè)備和工藝流程不變時，為一定值，m3／a；第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-----(1)工業(yè)用水QtQcQDQRQWQc——耗水量，工礦企業(yè)生產(chǎn)過程中消耗掉的水量，包括蒸發(fā)、滲漏等損失水量，以及產(chǎn)品帶走的水量，m3／a；：QD——排水量，經(jīng)過工礦企業(yè)使用后，向外排放的水，多指未重復(fù)利用的廢污水量，QR——重復(fù)用水量，生產(chǎn)過程中二次以上的用水，包括循環(huán)用水量和二次以上的用水量，m3／a。耗水量和排水量必須加以補充，二者之和稱為補充水量，又稱為取用水量，以Qw。故總用水量Qt又可表示為補充水量和重復(fù)用水量之和：Qt=Qw+QR第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-----(1)工業(yè)用水工業(yè)用水重復(fù)利用率及越高，表示工業(yè)用水的有效利用程度越高。工業(yè)用水水平一般以單位產(chǎn)量或產(chǎn)值所需的補充水量和重復(fù)利用率這兩個指標來衡量，重復(fù)利用率R以重復(fù)利用水量QR。占總用水量Qt的百分數(shù)表示：第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-----(1)工業(yè)用水①趨勢法：用歷年工業(yè)用水量增長率來推算未來工業(yè)用水量，按下式進行計算，Si=S0(1+d)n式中Si——某一年所預(yù)測的工業(yè)需水量，m3；S0——起始年的工業(yè)用水量，m3；d——業(yè)用水量年平均增長率，％；n——從起始年份到預(yù)測年份所間隔的時間，a。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-----(2)工業(yè)用水的預(yù)測：②相關(guān)法：工業(yè)用水的統(tǒng)計參數(shù)(如單位產(chǎn)值耗水量、工業(yè)用水增長率等)與工業(yè)產(chǎn)值有一定的相關(guān)關(guān)系，常用以下兩種方法進行預(yù)測：建立工業(yè)用水增長率和工業(yè)產(chǎn)值增長率的相關(guān)關(guān)系來推求工業(yè)發(fā)展用水；建立工業(yè)產(chǎn)值和萬元產(chǎn)值用水量的相關(guān)關(guān)系來推求工業(yè)發(fā)展用水。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-----(2)工業(yè)用水的預(yù)測：③分行業(yè)重復(fù)利用率提高法：對于資料比較齊全的地方，一般采用按冶金、電力、煤炭、石化、化工、機械、建筑、食品、紡織、縫紉、皮革、造紙、文教、木材等14個行業(yè)或部門推算工業(yè)用水量，該法采用萬元產(chǎn)值用水量和重復(fù)利用率這二個指標來推算工業(yè)發(fā)展用水，用下式計算：式中q1q2——分別為起始年和預(yù)測年的萬元產(chǎn)值取用水量，m3／萬元；η1η2——分別為起始年和預(yù)測年的工業(yè)用水重復(fù)利用率，％。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-----(2)工業(yè)用水的預(yù)測：隨著生產(chǎn)水平發(fā)展、設(shè)備工藝的改進、更新，萬元產(chǎn)值的總用水量會逐漸減少，故上式可修改為：式中。α——考慮到設(shè)備工藝改進使得萬元產(chǎn)值的總用水量平均下降率(％)。α值愈大，則萬元產(chǎn)值用水量愈少；n——起始年與預(yù)測年的相距的時間，a。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-----(2)工業(yè)用水的預(yù)測：生活用水：在城市中扣除工業(yè)用水(包括生產(chǎn)區(qū)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，環(huán)境、景觀與娛樂用水，供熱用水及消防用水。在地域間我國的人均日生活用水量差異較大最高：我國南方海南三亞，人均日生活用水量高達522L／(人。d)，最低：我國北方的內(nèi)蒙額爾古納，人均日生活用水量僅為20．55L／(人．d)，兩者相差達25倍之多。根據(jù)1993年統(tǒng)計，我國城市生活用水約占總用水量的9.2％。城市用水要求供水的保證率不低于95％。城市用水量一般可根據(jù)實際調(diào)查求得，其大小與城市有關(guān)第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-------(3)生活用水城市生活用水量的預(yù)測常用人均生活用水定額法推算，其計算公式為：Q生活=365qm/1000式中Q生活——生活用水需求量，m3／a；q——人均生活用水定額，L／(人·d)；m——預(yù)測期用水人口數(shù)；人。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-------(3)生活用水農(nóng)村用水:包括農(nóng)、林、牧、副、漁業(yè)的用水，農(nóng)村居民的生活用水、農(nóng)村工業(yè)、企業(yè)用水等。農(nóng)業(yè)用水是我國主要的用水大戶，而農(nóng)業(yè)灌溉用水又是農(nóng)業(yè)用水的主體，其包括種植業(yè)灌溉用水、林業(yè)和牧業(yè)灌溉用水，是通過水利工程設(shè)施輸送到農(nóng)田、林地和牧場以滿足作物需水的水量。與城市工業(yè)和生活用水相比，具有面廣量大、一次性消耗的特點，而且受氣候的影響較大，同時也受作物的組成和生長期的影響。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-------(4)農(nóng)業(yè)用水①農(nóng)業(yè)灌溉用水量的計算和預(yù)測對一個地區(qū)而言，為進行農(nóng)業(yè)灌溉用水量的計算和預(yù)測，首先需要弄清以下幾個概念：Ⅰ作物需水量：作物在全生育期或某一時段內(nèi)正常生長所需的水量，它包括消耗于作物蒸騰量和株間蒸發(fā)量(合稱為騰發(fā)量)。農(nóng)作物需水量可以通過田間實驗來確定，它是決定灌溉用水量、灌溉引水量的重要的參數(shù)，也是進行地區(qū)水資源平衡分析計算的重要的依據(jù)。Ⅱ灌溉制度：是指作物播種前及全生育期內(nèi)的進行適時適量灌水的一種制度，它包括灌水定額、灌水時間、灌水次數(shù)和灌溉定額。灌水定額為一次灌水在單位面積上的灌水量(m3／畝)，灌溉定額則是全生育期內(nèi)多次灌水定額之和第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-------(4)農(nóng)業(yè)用水①農(nóng)業(yè)灌溉用水量的計算和預(yù)測Ⅲ灌溉用水量：是指灌溉面積上需要提供給作物的水量，其大小及其在年內(nèi)的變化情況，與各種作物的灌溉制度、灌溉面積以及渠系水利用系數(shù)等因素有關(guān)。一種作物一次田間灌水量(稱凈灌溉用水量)M凈可用下式求得：M凈=mω式中

m——作物某次灌水的灌水定額，m3／畝；·ω——該作物的灌溉面積，畝第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-------(4)農(nóng)業(yè)用水①農(nóng)業(yè)灌溉用水量的計算和預(yù)測Ⅳ毛灌溉水量灌溉水要經(jīng)過各級渠道輸送到田間，由于在渠道輸水過程中的各種損失(滲漏、蒸發(fā)等)，因此引水量(亦可稱作毛灌溉水量)必然大于田間的凈灌溉水量。式中M凈——凈灌水量，m3；η——灌溉水利用系數(shù)，它的大小與各級渠道的長度、沿線的土質(zhì)和水文地質(zhì)條件，渠道工程狀況(配套、襯砌等)以及灌溉管理的水平等有關(guān)第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-------(4)農(nóng)業(yè)用水②農(nóng)業(yè)的其他用水除了農(nóng)業(yè)灌溉用水外，還包括農(nóng)村居民生活用水、牲畜用水、漁業(yè)用水以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用水。這些用水雖然在整個農(nóng)業(yè)用水中所占的比例不大，但一般都要求保證供水。一般采用下述的方法進行估算，第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-------(4)農(nóng)業(yè)用水②農(nóng)業(yè)的其他用水Ⅰ農(nóng)村居民生活用水可通過典型調(diào)查人均生活用水標準，按下式進行估算式中——農(nóng)村居民生活用水量，m3／a——人均生活用水標準，L／(人，d)；——農(nóng)村居民用水人數(shù)。

第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-------(4)農(nóng)業(yè)用水②農(nóng)業(yè)的其他用水Ⅱ牲畜用水同理，可通過調(diào)查到或?qū)崪y到的牲畜用水定額，按下式進行估算：第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-------(4)農(nóng)業(yè)用水②農(nóng)業(yè)的其他用水Ⅲ漁業(yè)用水漁業(yè)用水指養(yǎng)殖水面蒸發(fā)和滲漏所消耗水的補充量，按下式估算：式中ω——養(yǎng)殖水面積，m2或km2E—水面蒸發(fā)量，α——蒸發(fā)器折算系數(shù)，P——年降雨量，S——年滲漏量β——單位換算系數(shù)，視具體情況而定

第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-------(4)農(nóng)業(yè)用水②農(nóng)業(yè)的其他用水Ⅳ村辦企業(yè)用水村辦企業(yè)包括小型工廠、小加工作坊等，其用水量的估算與工業(yè)用水的估算方法相類似，在調(diào)查的基礎(chǔ)上，分行業(yè)進行估算第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法四、可供水量和需水量的分析計算3需水量-------(4)農(nóng)業(yè)用水第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法五、供需平衡分析和成果綜合(一)水資源的供需平衡分析的分類一個區(qū)域水資源供需分析的內(nèi)容是相當豐富和復(fù)雜的，需要從以下的幾個方面進行：1．從分析的范圍考慮，可劃分為：(1)計算單元的供需分析；(2)整個區(qū)域的供需分析；，(3)河流流域的供需分析。計算單元:可視為一小的區(qū)域)是供需分析的基礎(chǔ)，屬于區(qū)域或流域內(nèi)的一個面積最小的小區(qū)。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法五、供需平衡分析和成果綜合(一)水資源的供需平衡分析的分類2．從可持續(xù)發(fā)展觀點，可劃分為(1)現(xiàn)狀的供需分析；(2)不同發(fā)展階段(不同水平年)的供需分析。現(xiàn)狀的供需分析：是針對當前的情況，而不同發(fā)展階段的供需分析是對未來情況的，含有展望和預(yù)測的性質(zhì)，但要做好不同發(fā)展階段(不同水平年)的供需分析，必須以現(xiàn)狀的供需分析的成果為依據(jù)，因此，現(xiàn)狀的供需分析是不同發(fā)展階段供需分析的基礎(chǔ)。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法五、供需平衡分析和成果綜合(一)水資源的供需平衡分析的分類3．從供需分析的深度，可劃分為：(1)不同發(fā)展階段(不同水平年)的一次供需分析；(2)不同發(fā)展階段(不同水平年)的二次供需分析。一次供需分析：初步地進行供需分析，不一定要進行供需平衡和提出供需平衡分析的規(guī)劃方案。二次供需分析：要求供需平衡分析和提出供需平衡分析的規(guī)劃方案。特別是當供需不平衡時，對解決缺水的途徑，要進一步分析論證并作出規(guī)劃方案。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法五、供需平衡分析和成果綜合(一)水資源的供需平衡分析的分類4．按用水的性質(zhì)，可劃分為：(1)河道外用水的供需分析；(2)河道內(nèi)用水的供需分析。河道外用水為消耗性用水，河道內(nèi)用水為非消耗性用水，在分析過程中應(yīng)分別進行考慮或綜合在一起協(xié)調(diào)考慮。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法五、供需平衡分析和成果綜合(一)水資源的供需平衡分析的分類計算單元的供需分析應(yīng)包括上述的幾方面的內(nèi)容，簡要分述如下：(1)現(xiàn)狀供需分析①調(diào)查統(tǒng)計現(xiàn)階段年份計算單元內(nèi)各水源的實際供水量和各部門的實際用水量。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法五、供需平衡分析和成果綜合(一)計算單元的供需分析(1)現(xiàn)狀供需分析②進行水量平衡校核。對于某一計算單元、某一水平年、某種保證率的供需平衡計算式為：式中——計算單元內(nèi)的分項供水量，m3／a；

n1——計算單元內(nèi)可供水量的分項數(shù)；——計算單元內(nèi)的分項需水量，m3／a；n2——計算單元內(nèi)城水量的分項數(shù)；ΔW——余缺水量，m3／a；第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法五、供需平衡分析和成果綜合(一)計算單元的供需分析(1)現(xiàn)狀供需分析③現(xiàn)狀供需狀況及分析對現(xiàn)狀年的實際供、用水情況和不同頻率來水情況下的供需平衡狀況可進行列表分析。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法五、供需平衡分析和成果綜合(一)計算單元的供需分析1典型年法，先根據(jù)全區(qū)域的雨情和水情情況，選定代表年，然后根據(jù)該代表年的來水情況，自上而下，先支流后干流逐個計算各個單元的供需情況，最后將各個單元的供需成果進行匯總，即得整個區(qū)域的水資源供需情況。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法五、供需平衡分析和成果綜合(二)整個區(qū)域的水資源供需分析2同頻率法：其一般的步驟是，根據(jù)實際情況先把整個區(qū)域劃分為若干個流域，每個流域根據(jù)各自的雨情、水情情況選擇各自的代表年。然后采用典型年法相同的方法，逐個進行計算單元水供需分析并將同一流域的計算單元水供需分析成果相加，最后，再把各流域同頻率的計算成果匯總即得到整個區(qū)域的水資源供需分析的成果。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法五、供需平衡分析和成果綜合(二)整個區(qū)域的水資源供需分析對今后不同發(fā)展階段的可供水量進行分析時，要注意研究區(qū)域上游用水的變化，如上游新建水庫或河道引水工程，則會減少來水量，必然造成可供水量的減少。因此，計算今后的可供水量要和水源工程的長遠規(guī)劃結(jié)合起來。在需水量預(yù)測分析中，則要和研究區(qū)域的社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃配合，做出切合實際的需水預(yù)測，既要滿足可持續(xù)發(fā)展對水的長期要求，又要做到水資源不受到破壞。第二節(jié)水資源供需平衡分析的典型年法五、供需平衡分析和成果綜合(三)不同發(fā)展階段(水平年)的供需分析一個區(qū)域的水資源供需系統(tǒng)：是由來水、用水、蓄水和輸水等諸子系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)。供水水源：有不同的來水、貯水系統(tǒng)、如地面水庫和地下水庫等、有本區(qū)產(chǎn)水和區(qū)外來水或調(diào)水，而且彼此互相聯(lián)系，互相影響。用水系統(tǒng)：由生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等用水部門組成，輸、配水系統(tǒng)：即相對獨立于以上的兩個子系統(tǒng)又起到相互聯(lián)系的作用。第三節(jié)水資源系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析一、水資源系統(tǒng)該方法的主要內(nèi)容包括以下幾方面：(1)基本資料的調(diào)查收集和分析：(2)水資源系統(tǒng)管理調(diào)度：(3)水資源系統(tǒng)的管理規(guī)劃：第三節(jié)水資源系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析

二、水資源系統(tǒng)供需平衡的動態(tài)模擬分析方法與典型年法相比，水資源供需平衡動態(tài)模擬分析有以下特點(1)該方法不是對某一個別的典型年進行分析，而是在較長的時間系列里對一個地區(qū)的水資源供需的動態(tài)變化進行逐個時段模擬和預(yù)測，(2)該方法不僅可以對整個區(qū)域的水資源進行動態(tài)模擬分析，由于采用不同子區(qū)和不同水源(地表水與地下水、本地水資源和外域水資源等)之間的聯(lián)合調(diào)度，能考慮它們之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化。(3)該方法采用系統(tǒng)分析方法中的模擬方法，仿真性好，能直觀形象地模擬復(fù)雜的水資源供需關(guān)系和管理運行方面的功能，第三節(jié)水資源系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析

二、水資源系統(tǒng)供需平衡的動態(tài)模擬分析方法由于水資源系統(tǒng)比較復(fù)雜，考慮的方面很多，諸如水量和水質(zhì)；地表水和地下水的聯(lián)合調(diào)度；地表水庫的聯(lián)合調(diào)度；本地區(qū)和外區(qū)水資源的合理調(diào)度；各個用水部門的合理配水；污水處理及其再利用，等等。因此在這樣龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)中有許多非線性關(guān)系和約束條件在最優(yōu)化模型中無法解決，而模擬模型具有很好的仿真性能，這些問題在模型中就能得到較好地模擬運行。第三節(jié)水資源系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析三、模擬模型的建立、檢驗和運行但模擬并不能直接回答規(guī)劃中的最優(yōu)解問題，而是給出必要的信息或非劣解集，可能的水供需平衡方案很多，需要決策者來選定。為了使模擬給出的結(jié)果接近最優(yōu)解，往往在模擬中規(guī)劃好運行方案，或整體采用模擬模型，而局部采用優(yōu)化模型。也常常采用這種兩種方法的結(jié)合，如區(qū)域水資源供需分析中的地面水庫調(diào)度采用最優(yōu)化模型，使地表水得到充分的利用，然后對地表水和地下水采用模擬模型聯(lián)合調(diào)度，來實現(xiàn)水資源的合理利用。水資源系統(tǒng)的模擬與分析，一般需要經(jīng)過模型建立、調(diào)參與檢驗、運行方案的設(shè)計等幾個步驟第三節(jié)水資源系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析三、模擬模型的建立、檢驗和運行1模型的建立建立模型是水資源系統(tǒng)模擬的前提。建立模型就是要把實際問題概化成一個物理模型，要按照一定的規(guī)則建立數(shù)學(xué)方程來描述有關(guān)變量間的定量關(guān)系。這一步驟包括有關(guān)變量的選擇，以及確定有關(guān)變量間的數(shù)學(xué)關(guān)系。模型只是真實事件的一個近似的表達，并不是完全真實，因此，模型應(yīng)盡可能的簡單，所選擇的變量應(yīng)最能反映其特征、。第三節(jié)水資源系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析三、模擬模型的建立、檢驗和運行例：一個簡單的水庫的調(diào)度，其有關(guān)變量包括水庫蓄水量，工業(yè)用水量、農(nóng)業(yè)用水量、水庫的損失量(蒸發(fā)量和水庫滲漏量)以及入庫水量等，用水量平衡原理來建立各變量問的數(shù)學(xué)關(guān)系，并按一定的規(guī)則來實現(xiàn)水庫的水調(diào)度運行，具體的數(shù)學(xué)方程如下所示：Wt,Wt-1——時段末、初的水庫蓄水量，m3；WIt，，WAt——時段內(nèi)水庫供給工業(yè)、農(nóng)業(yè)的水量，m3；WEQt，——時段內(nèi)水庫的蒸發(fā)、滲漏損失，m3；WQt,——時段內(nèi)水庫水量，m3。第三節(jié)水資源系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析三、模擬模型的建立、檢驗和運行2模型的調(diào)參和檢驗?zāi)M就是利用計算機技術(shù)來實現(xiàn)或預(yù)演某一系統(tǒng)的運行情況。水資源供需平衡分析的動態(tài)模擬就是在制定各種運行方案下重現(xiàn)現(xiàn)階段水資源供需狀況和預(yù)演今后一段時期水資源供需狀況。但是，按設(shè)計方案正式運行模型之前，必須對模型中有關(guān)的參數(shù)進行確定以及對模型進行檢驗來判定該模型的可行性和正確性。第三節(jié)水資源系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析三、模擬模型的建立、檢驗和運行2模型的調(diào)參和檢驗(1)求參：一個數(shù)學(xué)模型通常含有稱為參數(shù)的數(shù)學(xué)常數(shù)，如水文和水文地質(zhì)參數(shù)等，其中有的是通過實測的或試驗求得的，有的則是參考外地憑經(jīng)驗選取的，有的則是什么資料都沒有。第三節(jié)水資源系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析三、模擬模型的建立、檢驗和運行2模型的調(diào)參和檢驗（2）檢驗：所建的模型是否正確和符合實際，要經(jīng)過檢驗。檢驗的一般方法是輸入與求參不同的另外一套的歷史數(shù)據(jù)，運行模型并輸出結(jié)果，看其與系統(tǒng)實際記錄是否吻合，若能吻合或吻合較好，反映檢驗的結(jié)果具有良好的一致性，說明所建模型具有可行性和正確性，模型的運行結(jié)果是可靠的。第三節(jié)水資源系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析三、模擬模型的建立、檢驗和運行2模型的調(diào)參和檢驗（3）修正：模型與實際吻合好壞的標準，要作具體分析。計算值和實測值在數(shù)量上不需要也不可能要求吻合得十分精確。該法在水資源系統(tǒng)分析中用得最多的一種校核方法，可作各個方面的水量平衡校核，。第三節(jié)水資源系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析三、模擬模型的建立、檢驗和運行3模型中運行方案的設(shè)計在模擬分析方法中,決策者希望模擬結(jié)果能盡可能接近最優(yōu)解,同時,還希望能得到不同方案的有關(guān)信息,如高、低指標方案，不同開源節(jié)流方案的計算結(jié)果。（1）模型中所采用的水文系列，即可用一次歷史系列也可用歷史資料循環(huán)系列；（2）開源工程的不同方案和開發(fā)次序。（3）開源、節(jié)流措施的方案規(guī)劃和數(shù)量分析；（4）各部門的用水保證率及其他評價指標等。第三節(jié)水資源系統(tǒng)的動態(tài)模擬分析三、模擬模型的建立、檢驗和運行習(xí)題1.結(jié)合中國水資源供需平衡實際談?wù)勊Y源供需平衡分析的意義。2.如何確定典型年和水平年？3.在水資源供需平衡分析進行分區(qū)時一般要考慮哪些原則？第四節(jié)、水資源動態(tài)模擬的實例分析現(xiàn)以華北地區(qū)某縣作為研究區(qū)為例來簡要說明水資源動態(tài)模擬的過程。研究區(qū)的總面積為1035．6km3，其地貌屬某河流沖積扇的一部分，為地形平坦的平原區(qū)，地下水資源豐富，為研究區(qū)主要的用水來源，研究區(qū)水資源系統(tǒng)的構(gòu)成第四節(jié)、水資源動態(tài)模擬的實例分析一、研究區(qū)水資源動態(tài)模擬方法概述可劃分為以下四個部分：(1)來水系統(tǒng)：主要指當?shù)亟邓?、由境外進入本區(qū)的側(cè)向地下水補給、由外區(qū)入境的地表水及廢污水等；(2)儲水系統(tǒng)：研究區(qū)內(nèi)地下水含水層及境內(nèi)可攔蓄地表徑流的河道和地面蓄水工程；(3)用水系統(tǒng)：主要包括農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水等；(4)排水系統(tǒng)；主要指排泄到境外的地下水滲流和地表徑流及潛水的蒸發(fā)損第四節(jié)、水資源動態(tài)模擬的實例分析一、研究區(qū)水資源動態(tài)模擬方法概述根據(jù)河系界線，水文地質(zhì)和土壤的差異以及行政區(qū)界線等條件將研究區(qū)細分為七個子區(qū)，并以該七個子區(qū)作為既互相獨立又互相聯(lián)系的基本單元進行水資源的聯(lián)合調(diào)度和平衡分析。第四節(jié)、水資源動態(tài)模擬的實例分析一、研究區(qū)水資源動態(tài)模擬方法概述依照上述水資源系統(tǒng)的構(gòu)成，建立了研究區(qū)水資源動態(tài)模擬的數(shù)學(xué)模型。該模型結(jié)構(gòu)可視為若干個擔(dān)負不同工作任務(wù)又相互聯(lián)系的模塊組成，可歸納成如下幾種類型：?(1)用于存儲和傳遞各種數(shù)據(jù)和計算成果的工作模塊(亦稱數(shù)據(jù)文件庫)；(2)進行水資源系統(tǒng)中供需各方供水量和需水量計算的工作模塊，(3)用于各子區(qū)水資源聯(lián)合調(diào)度計算的工作模塊；(4)輸出各種計算成果的工作模塊。第四節(jié)、水資源動態(tài)模擬的實例分析一、研究區(qū)水資源動態(tài)模擬方法概述由于該研究區(qū)幾乎無地表水資源可用，地下水成為研究區(qū)的主要用水水源，因此以各子區(qū)的地下水體作為逐個時段水均衡分析的對象。實現(xiàn)水資源動態(tài)模擬計算的子模塊主要有：第四節(jié)、水資源動態(tài)模擬的實例分析二、主要工作模塊的描述對于地下水體而言，研究區(qū)水資源系統(tǒng)中主要來水項有當?shù)亟涤耆霛B補給、外區(qū)側(cè)向地下水補給、河道和魚塘蓄水的入滲及農(nóng)業(yè)灌溉回歸等。其中降雨入滲是主要的來水項，它與降雨系列的選擇有極大的關(guān)系。研究區(qū)各子區(qū)在某個時段內(nèi)的降雨入滲補給量；按下式進行估算：

式中p——某個時段內(nèi)的降雨量，mm；由逐日降雨資料統(tǒng)計求出；Ai——第i子區(qū)的面積，km3；αi——第i子區(qū)的降雨入滲補給系數(shù)，降雨入滲補給系數(shù)。與降雨量、土壤質(zhì)地、地下水埋深等因素有關(guān)可依據(jù)各子區(qū)的土質(zhì)分布特β——單位換算系數(shù)，是具體情況而定。第四節(jié)、水資源動態(tài)模擬的實例分析二、主要工作模塊的描述1確定來水量的子模塊研究區(qū)用水可按糧食作物灌溉用水，工業(yè)用水、城鄉(xiāng)居民用水、蔬菜灌溉用水、經(jīng)濟作物用水、農(nóng)村牲畜用水和漁業(yè)用水等七個部門分別進行推求。對于糧食作物灌溉用水，采用作物生長期根系層水量平衡原理分別對研究區(qū)的小麥、玉米和水稻三種主要作物的灌溉用水進行逐日推求，其計算公式為：式中Wi+1：，Wi；——分別為第i+1日末和第i日末根系層的水量，mm；Pi，Ei——分別為第i日的降雨量和作物耗水量，mm。第四節(jié)、水資源動態(tài)模擬的實例分析二、主要工作模塊的描述2用水預(yù)測計算的子模塊計算中可對根系層水量規(guī)定一個適宜的上下限Wmax和Wmin，如果Wi+1<Wmin，則表明作物根系層缺水，應(yīng)按下式確定灌水量

第四節(jié)、水資源動態(tài)模擬的實例分析二、主要工作模塊的描述2用水預(yù)測計算的子模塊工業(yè)用水采用分行業(yè)重復(fù)利用率及萬元產(chǎn)值取水量的計算方法，并按以下二個公式進行預(yù)測推求：

式中Q1、Q2——分別是起始年和預(yù)測年萬元產(chǎn)值的取用水量，m3／萬元；μ1、μ2——分別是起始年和預(yù)測年工業(yè)用水重復(fù)利用率，計算中取，的平均遞增率為4％；其中a是單位產(chǎn)值用水的年下降率，計算中取a平均值為0．65％；B2——預(yù)測年的工業(yè)萬元產(chǎn)值，萬元；IW2——預(yù)測年的工業(yè)取用水量，m3／a。IW2=B2Q2第四節(jié)、水資源動態(tài)模擬的實例分析二、主要工作模塊的描述2用水預(yù)測計算的子模塊該模塊用于模擬計算研究區(qū)七個子區(qū)各個時段內(nèi)的水量平衡Wi’——各子區(qū)地下水體在垂向的水量交換Wi”——各子區(qū)有外邊界的各子區(qū)與境外地下水在水平向的水量交換μ,Fi——第I區(qū)的給水度和面積(KM3)Hi（t0）——時段初t0各子區(qū)地下水位。Hi（t1）——時段末各子區(qū)地下水位第四節(jié)、水資源動態(tài)模擬的實例分析二、主要工作模塊的描述3地面水地下水聯(lián)合調(diào)度的工作子模塊ΔHi’ΔHi’’ΔHi地面水地下水聯(lián)合調(diào)度模擬可以給出各子區(qū)平均的地下水位的動態(tài)變化，但無法對此作出更詳細的描述。為了能反映出研究區(qū)范圍內(nèi)不同地點地下水位在規(guī)劃預(yù)測期內(nèi)的動態(tài)變化，采用地下水二維非穩(wěn)定流的數(shù)學(xué)方程進行計算，具體的模型形式參見地下水資源評價部分(3—41)式。應(yīng)用有限單元法求解上述定解問題。研究區(qū)的滲流域共劃分229個三角單元及133個結(jié)點，滲流域邊界條件根據(jù)1984年實測的地下水位等值線圖的分析，確定西北邊界和東南邊界分別為入流和出流邊界，其余邊界則按第二類邊界考慮。滲流域各單元的有關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)均由水文地質(zhì)實測剖面圖按插值法一一確定。在垂向上各時段的水量交換則作簡化處理，與上述的動態(tài)模擬法相一致。計算結(jié)果可輸出30年間各時段末各結(jié)點的地下水位值第四節(jié)、水資源動態(tài)模擬的實例分析二、主要工作模塊的描述4地下水動態(tài)有限元計算子模塊水資源動態(tài)模擬中降雨系列的合理選取是一個重要問題。由于水文現(xiàn)象的隨機性，對未來的降雨系列無法具體預(yù)測，可采用實測系列和隨機系列進行演算。實測系列即認為過去的降雨系列可在未來重演，隨機系列表現(xiàn)出降雨的隨機性，但生成隨機系列的水文特征值要符合實測系列的特征值。由于生成的降雨隨機系列其豐枯周期的組合不足以反映最不利的情況，且計算工作量大而復(fù)雜，故在模擬計算中主要采用了1983—1988、1958～1982年共31年的降雨實測系列，這樣也便于應(yīng)用1983～1988年實測地下水位動態(tài)對模型進行驗證。水資源動態(tài)模擬計算的全過程可用流程框圖5—