（水利水电工程专业论文）太子河流域水资源可持续利用与决策支持系统研究.pdf

河海大学工程硕士学位论文 摘要 为了进一步完善和提高我国区域水资源的管理体制和科学管理水平，水利部选 择辽宁省为试点进行区域水资源优化配置调度系统关键技术研究。太子河流域涉及 的水资源问题齐全，在全国具有代表性和普遍性。太子河流域的试点建设，将对区 域水资源优化配置调度的理论研究和全国的水资源优化配置调度系统建设起到示范 作用和推动作用。本文从以下五个部分进行太子河流域水资源可持续利用研究： 第一部分：简要回顾了可持续发展及相关理论与技术的进展情况，并介绍了太 子河流域的基本概况。 第二部分：根据太子河流域汛期水资源的特点，分析了目前汛期水资源利用的 现状和存在的主要问题，并提出了新的思考。 第三部分：旱灾分析及太子河水资源利用研究。重点分析水资源开发利用现状 和供需平衡计算，在此基础上分析太子河流域水资源可持续利用存在的主要问题并 提出了相应的对策。 第四部分：根据浑太流域的具体特点和水利工程的布置情况，划分浑太流域水 资源优化配置单元，确定了优化配置的目标及约束条件，概化出了太子河流域水资 源优化配置调度系统的概念模型。 第五部分：为了实现太子河流域的水资源优化配置调度，进行了智能决策支持 系统的总体设计。 最后对全文进行了扼要的总结，并提出展望。 关键词：水资源可持续发展优化配置决策评价 河海大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt op e r f e c ta n di m p r o v em a n a g i n gs y s t e ma n ds c i e n t i f i cm a n a g i n gl e v e lo f w a t e rr e s o u r c e s ，a sa l le x p e r i m e n t a lu n i to fm i n i s t r yo fw a t e rr e s o u r c e s ，l i a o n i n g p r o v i n c ei ss t u d y i n g o ft h ep i v o t a lt e c h n o l o g yo nt h es y s t e mo fw a t e rr e s o u r c e s o p t i m i z i n ga l l o c a t i o na n dc o n t r o li nt h er e g i o n i tc o v e r sa l lk i n d so fp r o b l e m so fw a t e r r e s o u r c e si nt a l z i h ev a l l e yt h a ta r ec o m p r e h e n s i v ea n dr e p r e s e n t a t i v ea l lo v e rt h ec o u n t r y a n di t ss u c c e s sw i l lp r o m o t et h et h e o r ya n dp r a c t i c ea sad e m o n s t r a t i o ni nc h i n a a sa s y s t e m a t i cs t u d yo nt h es u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o ni nt h et a i z i h ev a l l e y , t h ep r e s e n tt h e s i s c o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gs e c t i o n s t h ef i r s ts e c t i o ns u m m a r i z e si nr e t r o s p e c tt h eh i s t o r yo fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n d r e l a t e dt h e o r i e sa n d p r a c t i c e s ，a n di n t r o d u c e st h eo u t l i n eo f t h et a i z i h ev a l l e y t h es e c o n ds e c t i o ns t u d i e st h es u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e si nf l o o d s e a s o ni nt h et a i z i h ev a l l e ya n da n a l y z e st h ea c t u a l i t ya n dt h em a j o rp r o b l e m s ，a n dt h e n p u t sf o r w a r ds o m ei d e a s t h et h i r ds e c t i o nm a k e sab r i e fa n a l y s i so ft h eu s a g ea n db a l a n c eb e t w e e nt h es u p p l y a n dt h ed e m a n do fw a t e rr e s o u r c e sa n dt h em a j o rp r o b l e m si nt a i z i h ev a l l e y , a n dt h e n p r o p o s e ss o m ec o r r e s p o n d i n gc o u n t e r m e a s u r e s t h ef o u r t hs e c t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ev a l l e ya n dt h ed i s t r i b u t i o n o ft h ew a t e rc o n s e r v a n c yi nt h et a l z i h ev a l l e y , p l o t so u tt h em o d e lm o d u l e ，a n dd e f i n e s t h em o d e lt a r g e t sa n dr e s t r i c t i o n s ，a n do u t l i n e st h en o t i o n a lm o d e lo nt h eo p t i m i z e d a l l o c a t i o na n dc o n t r o ls y s t e mo fw a t e rr e s o u r c e si nt a i z i h ev a l l e y t h ef i f t hs e c t i o nb r i n g sf o r w a r dt h ei n t e g r a t e dd e s i g no ft h ed e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m o ft h eo p t i m i z e da l l o c a t i o na n dc o n t r o ls y s t e mo fw a t e rr e s o u r c e si nt h et a i z i h ev a l l e y k e yw o r d s ：w a t e rr e s o u r c e s s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t o p t i m i z e a l l o c a t e d e c i s i o na s s e s s m e n t 河海大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题选择的背景 中国经过5 0 年的建设，以仅占全球约6 的可更新水资源、9 的耕地，养活了占 世界2 2 的人1 2 1 ，取得了举世瞩目的巨大成就【l 】。由于水资源与人1 2 1 分布、耕地资源 的分布、经济发展布局极不匹配，同时水资源管理机制和手段落后等原因，导致水资 源的掠夺性开发利用，造成一方面用水浪费，另一方面水资源的供需矛盾日益加剧， 严重地威胁着我国2 l 世纪社会经济的可持续发展。 为了满足社会经济可持续发展的要求，水利部提出了我国2 1 世纪的治水新思路， 这种治水思路的战略性调整就是要实现由“工程水利”向“资源水利 的转变、由“传 统水利 向“现代水利、可持续发展水利”的转变。 为了进一步完善和提高我国区域水资源的管理体制和科学管理水平，水利部选择 辽宁省为试点进行区域水资源优化配置调度系统研究。整个项目以保障2 1 世纪社 会经济可持续发展为前提，以水资源优化配置与科学管理的实际需求为依据，以水利 现代化促进实现社会主义现代化第三步战略目标为目的，研究基于社会经济可持续发 展的水利现代化模式和区域水资源现代化管理的基础理论、政策法规以及技术工作平 厶 口。 本论文的选题来源于该项目，是在项目建设中的一些学习心得与体会。 1 2 主要的理论观点与技术方法的进展情况 1 2 1 资源与水资源 “资源”的概念源于自然学科，是作为生产实践的自然条件和物资基础提出来的， 具有实体性。1 9 7 0 年联合国出版的有关文献指出：人在其自然环境中发现的各种成分， 只要能以任何方式为人类提供福利的都属于自然资源，从广义上来说，自然资源包括 全球范围内的一切要素。 虽然社会各界及各家对自然资源的理解在广度和深度上都存在着很大的差异，但 是都存在共同点，即：首先自然资源不但具有自然属性，而且具有社会经济属性；其 次自然资源具有价值属性，能给人类带来福利、舒适或价值，是生产要素；最后自然 河海大学工程硕士学位论文 资源具有动态属性，受社会经济发展水平的限制，不同时代和不同地点的资源种类、 数量、质量都不刚2 1 。 “水资源 是自然资源中重要一类，其定义应在自然资源的框架内，但目前对于 水资源的定义也是多种多样，1 9 7 7 年联合国教科文组织和世界气象组织共同提出了水 资源的涵义：“水资源是指可资利用或有可能被利用的水源，这种水源应当有足够的数 量和可用的质量，并在某一地点为满足某种用途而得以利用 。1 3 1 国内对水资源也存在不同的见解，1 9 9 1 年水科学进展编辑部组织国内专家对 “水资源定义及内涵的笔谈中，提出了许多的观点( 陈家琦等，1 9 9 6 年) ：1 2 1 水是大陆上一切水分的来源，但降水只是一种潜在的水资源，只有降水量中可 被利用的那一部分才是真正的水资源( 张家诚) 。 人类所利用的水资源包括农业用水、工业用水和生活用水。河槽水流是工农业 用剩的水量，不应误作为全国水资源( 黄万里) 。 从自然资源的观点出发，水资源可定义为与人类生产和生活( 有关) 的天然水 源( 刘昌明) 。 水资源是指可供国民经济利用的淡水资源，它来源于大气降水，其数量为扣除 降水期蒸发的总降水量( 曲耀光) 。 一切有利用价值，包括各种不同来源和形式的水，均属于水资源的范畴( 陈梦 熊) 。 不能把降水、天然水或地表水称为水资源，犹如不能把海水、洪水、气态水当 作水资源一样，( 要) 把具有稳定径流量、可供利用的相应数量的水定义为水 资源( 施德鸿) 。 水资源主要指与人类社会用水密切相关而又能不断更新的淡水，包括地表水、 地下水和土壤水，其补给来源为大气降水( 贺伟程) 。 作为维持人类社会存在并发展的重要自然资源之一的水资源，应当可以按照社 会的需要提供或有可能提供的水量、有可靠的来源且可以通过自然界水文循环 不断得到更新或补偿、可以由人- r _ j n 以控制、水质能够适应人类用水的要求( 陈 家琦) 。 2 河海大学工程硕士学位论文 以上对水资源的不同定义及内涵的解释的主要差别在于对水资源范围的认识。狭 义的概念和定义考虑了水资源的时间、空间和数量、质量的限制，强调在现有人类社 会经济和技术条件下能够被人类利用和对人类有价值的水。现在随着资源水利和可持 续发展理论的提出，人们关心的主要是广义上的水资源，汛期水资源、污水资源等都 是水资源，在水资源的优化配置研究中均需要进行考虑。 1 2 2 可持续发展理论 中国古代哲学家提出的“天人合一”的观点，强调人与自然的和谐相处，实际上这就 是萌芽阶段的可持续发展思想。现代可持续发展思想是在2 0 世纪8 0 年代在寻求解决 环境与发展矛盾的出路中提出的，并在可再生的自然资源领域相应提出可持续利用问 题。其基本思路是在自然资源的开发中，注意因开发所致的不利于环境的副作用和预 期取得的社会效益相平衡。1 9 8 7 年“世界环境发展委员会”出版的我们共同的未来 一书中给出了明确的概念，即“可持续发展 是指既满足于当代人的需求，又不对后 人满足其需求能力构成危害的发展。 可持续发展涉及“可持续”和“发展”两个概念。“可持续 ( s u s t a i n a b l e ) 起源于 生态平衡。一个生态系统如果达到某种生态平衡，则它是可持续的，p e a r c e 和 t u r n e r ( 1 9 9 0 ) 给“可持续”下的定义是“以小于或等于再生资源的再生速度利用再生资 源，优化其利用效益和对非再生资源的替代能力 。发展“是指事物由小到大、由弱变 强、由低级到高级、由简单到复杂的变化。后来这一概念被引入到经济学领域，当作 经济增长的代名词得到普及使用【4 】。 在可持续发展概念的产生和发展过程中，有2 个事件具有重大的历史意义，一是 1 9 7 2 年的联合国人类环境会议，另一个是1 9 9 2 年联合国环境与发展大会。 1 9 7 2 年的联合国人类环境会议通过了联合国人类环境会议宣言( 简称人类环 境宣言) ，呼吁各国政府和人民为维护和改善人类环境，造福全体人民，造福后代而 努力。人类环境宣言之中宣布了联合国人类环境会议提出和总结出的7 个共同观点、 2 6 项共同原则。共同观点主要包括：人是环境的产物，也是环境的塑造者。保护 和改善人类环境，是人民的迫切愿望，是各国政府应尽的责任。人类改造环境的能 力是一把双刃剑。发展中国家多数环境问题是发展迟缓引起的。因此，它们首先要 3 河海大学工程硕士学位论文 致力于发展，同时也要注意改善环境。发达国家的环境问题一般是由工业和技术引起 的。人口增长不断引起环境问题。当今的历史阶段要求人类在计划行动时更加谨 慎地考虑给环境带来的后果。为达到这个环境目标，要求每个公民机关团体和企业 都负起责任，共同创造未来的世界环境。 1 9 9 2 年6 月联合国环境与发展大会在巴西里约热内卢召开，共有1 8 3 个国家的代 表团和联合国及其下属机构等7 0 个国际组织代表出席会议，1 0 2 位国家元首或政府首 脑到会讲话。会议通过和签署了里约热内卢环境与发展宣言、2 l 世纪行动议程、 关于森林问题的原则声明、联合国气候变化框架公约、生物多样性公约等重 要文件。2 1 世纪行动议程是在全球区域和各国范围内实现可持续发展的行动纲领， 涉及国民经济和社会发展的各个领域。 水利可持续发展是使水事活动既满足人的需求，又不损害后代人满足其需求的能 力酌水利发展。水利事业的发展包括水资源数量的增加、质量的提高及配置结构的科 学合理。据报告指出嘲，世界约1 3 人口生活在面临中度和严重水紧张的地区，已严重 制约了经济和社会的发展。如不采取行动，世界人口的2 3 ( 近5 5 亿人) 在2 0 2 5 年将 面临同样的局面。 1 2 3 水资源的可持续利用 水资源可持续利用( s u s t a i n a b l ew a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o n ) 是为了保证人类社会、 经济和生存环境可持续发展对水资源实行永续利用的原则【6 】。水资源是一种非常独特的 自然资源，有极其重要的作用。水资源与人类社会的社会经济的可持续发展密切相关， 只有实现水资源合理开发和可持续利用，才能实现社会经济与生态环境之间的协调、 健康发展，才能保障人类社会的生存和可持续发展。 由于水资源具有可重复性，决定了水资源是一种可持续利用的特殊资源，其前提 是其开发利用强度应该维持在一个适度的范围内。但随着人口的不断增长、城市化进 程的加速和经济的不断发展以及人们生活水平的不断提高，人们对水资源数量的需求 越来越大、质量要求越来越高，无论在时间上还是在地域上，用水要求都越来越高。 长期以来，由于对水资源的不合理开发和利用，造成水资源的巨大浪费，引起了一系 列诸如水污染严重、土壤次生盐碱化、沙漠化、河道断流等生态环境问题。 4 河海大学工程硕士学位论文 随着社会经济可持续发展观点逐渐被人们认识和接受，为了合理地利用和保护有 限的水资源、支撑社会经济的可持续发展，迫切需要新的治水思路，这样水资源可持 续利用的理论和观点就应运产生、发展和不断完善。从9 0 年代至今已经从学术争论、 理论探讨阶段逐步发展为科学实践阶段。 水资源可持续利用不仅要侧重于“时间序列”( 如当代与后代、人类未来等) 上的认 识，而且要重视“空间分布”上( 如区域资源的随机分布、环境格局的不平衡、发达地区 和落后地区社会经济状况的差异等) 的可持续，理想的可持续发展模型应是“时间和空 间有机耦合，【7 0 】。 如何实现水资源可持续利用的目标，是一个非常复杂的理论和实际问题，涉及到 政治、意识形态、科学技术和教育等各个方面，并且直接与个人、局部、区域、国家、 国家间以及全球有着密切联系。因此只有按照共同的目标通过各方面不断的努力，才 有可能实现。 实现水资源可持续利用的对策主要包括以下几个方面：【7 】 ( 1 ) 调整经济结构和产业布局，根据水资源的承载能力，优化配置水资源，缓解水 资源紧缺矛盾。 ( 2 ) 改革水管理体制，建立统一、权威、高效的水资源管理体系，加强水资源的统 一管理。 ( 3 ) 制定和完善水法规和政策，加大依法行政、依法治水和依法管水的力度，推进 水行政管理工作的法制化。 ( 4 ) 大力推进节约用水，建立节水型工业、农业、城市和社会，提高水资源利用效 率。 ( 5 ) 加强水资源的保护和治污力度，不断改善水环境，提高水资源的承载能力。 ( 6 功强水利基础设施建设，实施跨流域调水工程，合理开发和优化配置水资源。 ( 7 ) 建立新的水价形成机制，发挥水价对水资源优化配置和可持续利用的经济杠杆 作用。 ( 8 ) 依靠科技创新和技术进步，提高水资源开发利用水平和科技在水资源管理中的 贡献率。 5 河海大学工程硕士学位论文 ( 9 ) 全面推进水利管理体制改革，建立与社会主义市场经济相适应的水利运行机制。 q o ) 建立多元化的水利投资机制，多渠道增加水利建设资金投入。 a d 充分利用雨洪资源，开发非传统水资源，搞好污水处理和中水回用。 q 乃加强水资源开发、利用和管理人才的培养，建设高素质的水政监察执法队伍。 水资源作为自然资源的重要组成部分之一，其可持续利用是促进可持续发展的基 本资源保证。水资源可持续利用的原则应遵循区域公平原则、代际公平原则、需求管 理原则、可持续利用原则。在满足上述原则的基础上实现水资源可持续利用，就应努 力创造各种保障条件，以实现社会、经济、环境可持续发展目标所需要的水资源可持 续利用【8 】。 1 2 4 资源水利 为了满足社会经济可持续发展的要求，水利部提出了我国2 1 世纪的治水新思路， 要实现由“工程水利 向“资源水利 的转变。什么是资源水利? 汪恕诚部长在中国 水利学会第七次全国会员代表大会上的讲话和其他几次重要讲话中对此都进行了明确 的阐述。他指r 9 j ，资源水利就是把水资源与国民经济和社会发展紧密联系起来，进行 综合开发，科学管理。主要体现在水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护等 六个方面。 从资源水利的内涵可以看出，它基本上涵盖了水利工作的各个方面。通常说，水 有水多、水少、水脏、水浑四个方面问题，水少、水脏是水资源问题，水多、水浑同 样也是水资源问题1 0 1 。汛期防洪问题只不过是众多水资源问题中的一个，汪恕诚部长 在实现由工程水利到资源水利的转变做好面向二十一世纪中国水利这篇大文章中 指出9 1 ，“洪水的时候，总想尽快把水放到海里去，但要从战略眼光看，水资源是最最 宝贵的，任何一滴水都要充分利用 。 资源水利的思想基础是可持续发展。从资源水利的角度看，水利工程是实现水资 源优化配置的一个手段。资源水利的核心是搞好水资源的优化配置和调度，使水资源 在整体上发挥最大的经济效益、社会效益和环境效益。配置与调度分别隶属于两个不 同的时间尺度。水资源的优化配置是在大的时间尺度上对水资源进行统一筹划，包含 了两个方面的含义【1 0 】：一方面是对不同类型的水资源进行统筹考虑，如地表水、地下 6 河海人学工程硕士学位论文 水，跨流域引水等，在开发上实现水资源的优化配置；另一方面工业、农业、生活、 环境、生态等对不同类型的用水户的用水需求加以区别对待，保证重点，优水优用， 在利用上实现水资源的优化配置。水资源的优化调度是在小时间尺度上对水资源进行 优化分配，主要体现在水资源利用的时效性上。 从工程水利到资源水利，是治水思路的重大转变，它要求我们以全新的思路做好 新时期的各项水利工作，学会用综合的观点、系统的观点、经济的观点来思考问题， 研究对策，开展工作。 1 2 5 决策支持系统 所谓“决策”，一般是指对未来的方向、目标以及实现做出决定的过程。宏观的决 策就是指制定政策，而微观的决策则是指做出决定的过程。把决策看成为一个过程， 是因为人们对于行动方案的确定要经过提出问题、收集资料、确定目标、拟订方案、 分析评价，最后选定方案等一系列的行动过程，而行动方案付诸实施以后，还要及时 进行现场情况的反馈，检查和监督决策方案执行的实际情况，以便发现和纠正方案的 偏差。决策就是指这一系列活动的全过程。 著名决策论学者h 。a 。西蒙，将决策根据其结构化程度的不同而分为程序化决策和 非程序化决策。程序化决策表现为重复出现的例行状态，可以由人们设计出一套固定 的程序来处理这类决策；而非程序化决策则表现为新颖、无结构，具有不寻常的影响， 人们无法设计一套固定程序来处理它们。程序化决策所解决的问题具有良好的结构， 所以也可称之为结构化决策；而非程序化决策问题的结构不清楚，故亦称之为非结构 化决策。而决策问题的结构化程度介于两者之间的决策就是半结构化决策，通常认为， 决策支持系统( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ) 是用于解决半结构化决策问题效果最佳的工具。 众所周知，水资源的规划、开发、利用、管理或优化配置等问题是一个涉及面比 较广、影响因素多的复杂决策问题，具有较明显的半结构化特征。自五十年代以来， 人们采用系统分析的理论和方法研究水资源问题，但该方法对半结构化问题或非结构 化问题并不十分有效。直至七十年代初期，专家系统( e s ) 和决策支持系统( d s s ) 的诞生与应用，引起了计算机、管理等各方面专家和决策者的普遍关注，并将其应用 于各个领域，为水资源的规划、管理或优化配置调度等问题提出一个新的解决方案。 7 h 海 学i 程碗学位论文 区域水资源宴时监控及其配置、调度、保护等管理决策，面对的是区域水资源配 置状况，洪水、干早、水污染灾害及其可能产生的后果和可调控的对象。水资源实时 监控管理决镱所涉及的问题麸有三类，即工程运用决策、资源优化( 配置调度) 决策 和防护管理( 防害减灾与环境保护) 决策。这三类问题均为半结构化问题或非结构化 问题】。决策支持系统和专家系统等技术的有机结合是解决这类问题的有效途径。 1 3 太子河流域概况 太子河为辽宁省东南部较大河流( 见图l1 ) ，其地理位置为东经1 2 2 2 6 1 2 4 。 5 3 ，北纬4 0 。2 9 - 4 1 。3 9 ，流域面积1 3 8 8 3 k m 2 。太子河流域上游为辽宁省的东部山 区自辽阳起进入平原区其中山丘区面积1 0 6 9 7 k m 2 占7 7 1 ，平原区为3 1 8 6 k m 2 ， 仅占2 2 9 。太子河于三岔河与浑河汇合后，始称大辽河，并经营口注入渤海。太子河、 浑河流域同属于辽河中下游平原，该区域灌排河道纵横，水利工程联合调度，共同担 负区域内的工业、农业及生活用水。为了更好的反映水资源的情况，所以在水资源的 供需平衡分析中，太子河、浑河流域( 含大辽河) 作为一个水资源分区统一考虑。 图i 】太于河流域概况示意圈 河海大学工程硕士学位论文 1 3 1 河流水文条件 太子河上游分南北两支，北支发源于新宾县红石砬子，南支发源于桓仁县白石砬 子，两支流在本溪下崴子汇合后称太子河干流。河流呈东西向，由东向西流经本溪、 辽阳、鞍山等市。太子河全长4 1 3 k m ，流域面积1 3 8 8 3 l ( n 1 2 。 太子河左侧较大支流有细河、兰河、汤河、北沙河、海城河等。细河发源于凤城 县青城子乡石山村，流域面积1 1 2 6 3 k m 2 ，河长1 1 9 4 8 k m ，河道平均比降2 3 l ；兰 河发源于辽阳县水泉乡的鸡爪山，河源海拔高程6 8 6 1 m ，流域面积5 1 3 7k n l 2 ，河长 6 8 2 k m ，河道平均比降4 7 8 ；汤河发源于辽阳县吉洞峪乡韩家岭，河源海拔高程 5 9 9 m ，流域面积1 4 6 0k r n 2 ，河长9 0 9 k m ，河道平均比降3 6 1 。细河、兰河、汤河 流域均以山区为主，植被较好，森林覆盖率达7 0 以上。太子河流域水系及水文测站 见图1 2 。太子河流域主要控制站流域特性见表1 1 。 1 3 2 社会经济条件 太子河流域内有本溪市、辽阳市、鞍山市、沈阳市和抚顺市共1 2 3 个县区，截止到 1 9 9 9 年，流域内总人口2 6 3 1 万人，其中城市常住人口2 6 4 8 万人，城市流动人口1 5 1 万人，城市化率为4 7 0 。 9 河海大学工程硕士学位论文 太子河流域内有本溪、辽阳、鞍山三座城市，1 9 9 9 年城市工业总产值4 1 6 1 亿元 ( 9 0 年不变价) ，占整个流域全部工业总产值的3 0 9 。 表1 1太子河流域主要控制站流域特性表 面积河长坡度 站名 ( k m 2 ) ( k m ) ( ) 观音阁2 7 9 48 8 0 8 本溪 4 1 9 21 5 8 1 7 1 5 6 莅窝 6 1 7 51 9 9 9 81 3 8 汤河 1 2 2 8 辽阳8 0 8 22 4 9 7 71 3 0 大东山堡( 北沙河) l 1 0 48 4 3 41 5 0 海城( 海城河)1 0 0 0 5 7 24 1 8 立山( 南沙河) 3 3 03 1 o4 7 5 河口( 三岔河)1 3 8 8 3 4 1 3 鞍山市原是我国的“钢都”，是我国较大的生产基地。1 9 9 9 年全市人口2 6 5 万人， 其中市区人口1 2 8 6 万人，工业总产值8 1 1 7 亿元。工业以冶金业为主，其他还有建材、 石化、机械、纺织等。农业主产玉米、稻谷、蔬菜，冬季温室蔬菜驰名东北，有苹果、 南果梨等水果。 本溪市位于太子河的中游，是辽宁省中部城市群的最东部一座山城，也是辽宁省 第二座以冶金为主的工业城市。域内矿产资源以种类多、储量丰富、易开采而闻名， 电石用灰岩、汞、石膏保有储量居全国第一，铁矿资源的储量达1 7 4 亿吨，矿石品位 多在3 0 - 6 0 之间，有亚洲最大露天铁矿。1 9 9 9 年全市人口1 2 2 5 万人，其中市区人 口7 7 8 万人，工业总产值1 3 8 9 亿元。冶金工业为主，其次还有化工、机械、纺织等。 辽阳市是以化纤工业为主的工业城市。1 9 9 9 年全市人口1 7 9 2 万人，其中市区人 口5 8 4 万人，工业总产值3 0 3 1 亿元。辽阳石化总公司是国内较大的石化企业，此外 冶金、机械、纺织、食品等也有一定规模。 营口市是国家重点沿海开放港口城市之一，位于渤海辽东湾的北岸，浑河与太子 河汇合后的大辽河从这里注入渤海。营口市地理位置优越，依河濒海，有9 6 k m 的海 岸线，一个城市就有营口港和鲅鱼圈两个港口，年吞吐能力达1 6 2 0 万吨，与世界4 0 多个国家和地区的1 2 0 多个港口通航，同时也为发展辽宁省的海运事业奠定了良好的 1 0 河海大学工程硕士学位论文 基础，海洋开发潜力很大。1 9 9 9 年全市人口1 0 7 4 万人，其中市区人口5 1 5 万人，工 业总产值1 7 7 ：8 亿元，工业以造纸、纺织为主，冶金机械、食品、化工也有一定的规模。 太子河流域1 9 9 9 年社会经济情况见表1 2 。 表1 2太子河流域19 9 9 年社会经济情况统计表 城市人口( 万人)耕地面积( 万公顷)牲畜( 万头)工业总产值( 亿元) 本溪市9 5 3 2 7 2 1 2 2 5 0 3 73 7 04 0 76 73 1 91 3 8 98 9 1 4 7 8 辽阳市8 7 69 1 61 7 9 26 2 l1 1 8 11 8 0 21 1 o6 3 23 0 3 12 2 73 2 5 8 鞍山市1 7 8 08 7 o2 6 5 04 3 71 0 8 11 5 1 81 3 87 7 28 1 1 73 6 68 4 8 3 太子河3 6 2 92 0 0 25 6 3 18 2 42 8 4 93 6 7 33 1 41 4 5 51 3 4 7 35 8 51 4 0 5 8 营口市6 8 23 9 ，21 0 7 44 6 90 4 35 1 21 o1 4 41 7 7 81 0 _ 31 8 8 1 1 3 3 气候降水条件 太子河属温带季风气候，冬季以西北季风为主，夏季以东南季风为主，温度变化 较大，四季寒暖、干湿分明，多年平均气温在5 9 之间，多年平均相对湿度在7 0 左右。全年气温一月份最低，在一9 1 6 之间，极端最低气温为2 8 。c - - 4 0 。全年 气温七月份最高在2 2 - 2 5 之间，极端最低气温为3 4 - - - 3 9 。 多年平均蒸发量1 1 0 0 - - 1 6 0 0 m m ，由东南向西北递增；5 、6 月份蒸发量最大，1 2 、 1 月份蒸发量最小。多年平均降水量7 0 0 - - - - - 9 0 0 m m ，由东南向西北递减。降水量的年际 变化较大，丰、枯水年份降水量比值为2 1 - - - 3 5 倍。降水量的年内分配极不均匀，主 要集中在汛期，尤其集中在几次暴雨中。6 - - 9 月降水量约占全年的7 5 ，7 - - 8 月降水 量约占全年的5 0 以上。本流域洪水主要由暴雨产生，洪水多发生在7 、8 两月，尤以 7 月下旬至8 月上旬为最多。太子河流域及附近站年降水量及年内分配见表1 3 。太子 河多年平均径流深5 0 0 l o o m m ，与降水分布相同，由东南向西北递减。 1 3 4 水利工程现状 太子河流域共建成大型水库3 座，其中干流2 座：观音阁水库、莅窝水库；支流1 座：汤河水库。观音阁水库位于本溪市的小市，水库以上集雨面积2 7 9 5 k m 2 ，1 9 8 6 年 开工，1 9 9 5 年竣工，水库任务是防洪、城市供水、发电等综合利用水库；莅窝水库位 于辽阳市弓长岭区，水库坝址以上控制面积6 1 7 5 k m 2 ，1 9 7 0 年开工，1 9 7 4 年竣工，水 河海大学工程硕士学位论文 库任务是防洪、灌溉、发电等综合利用水库；汤河水库位于辽阳市弓长岭区，水库坝 址以上控制面积1 2 8 8 k m 2 ，1 9 6 8 年开工，1 9 6 9 年竣工，水库任务是防洪、灌溉、城市 供水、发电等综合利用水库。 太子河防洪系统是以其上游的观音阁水库、莅窝水库、汤河水库为龙头，配合下 游干流堤防组成，干流防洪标准5 0 年一遇。太子河防洪工程1 9 9 2 年开始施工，1 9 9 5 年竣工，干、支流整修长度3 1 5 3 5 k m ，其中干流为1 9 5 4 k m ，8 条支流堤长1 1 9 9 k m 。 表1 3太子河流域及附近测站年降水量及年内分配表 月份 站名 项目全年 l234567891 01 11 2 p ( m m ) 8 18 81 5 84 9 86 5 11 0 6 11 9 1 51 7 2 57 2 74 2 62 2 9l l7 6 7 新宾 ( ) 1 0 61 1 52 0 66 4 98 4 91 3 8 32 4 9 72 2 4 99 4 85 5 5 2 9 9 1 4 31 0 0 p c r n m ) 78 11 6 84 i 45 4 08 7 71 6 8 41 5 5 i7 5 34 0 31 7 48 96 8 0 3 沈阳 ( ) 1 0 3 1 1 92 4 76 0 97 9 41 2 8 92 4 7 5 2 2 8 0“0 7 5 9 22 5 61 3 11 0 0 p c m m ) 9 11 0 51 6 74 5 96 8 39 2 92 1 1 31 6 6 57 8 95 1 12 3 91 1 57 8 6 5 本溪 ( ) 1 1 61 3 42 1 25 8 48 6 81 1 8 l2 6 8 72 1 1 71 0 0 36 5 03 0 41 4 6l o o p ( m m ) 7 8 81 3 84 0 75 9 98 8 3 1 8 7 31 7 18 5 1 4 3 21 8 5 9 1 7 3 2 6 辽阳 ( ) o 9 61 2 01 8 85 5 68 1 81 2 0 52 5 5 72 3 3 41 1 6 25 9 02 5 31 2 41 0 0 p ( m m ) 78 21 1 63 95 47 2 71 8 3 31 5 2 37 5 14 1 31 7 886 7 0 2 营口 ( ) 1 0 41 2 2 1 7 3 5 8 28 0 61 0 8 52 7 3 52 2 7 21 1 2 l6 1 62 6 61 1 91 0 0 太子河流域内现有大型引水工程1 处，为引兰入汤工程。工程调出区位于莅窝水 库上游支流兰河流域，经6 5 k m 的引水隧洞，将水引到汤河水库上游。通过该工程将 莅窝水库的劣质水转换为优质水，实现了优水优用。工程设计引水能力1 8 3 0 万t 年， 通过汤河水库调蓄后每年可增加供水3 0 2 0 万t 。 太子河流域下游的大辽河现有引水工程l 处，为南水北调工程。工程通过外辽河 引大辽河水到辽河。工程调出区为大辽河，调入区位于辽河的盘山闸上。 太子河流域( 包括大辽河) 共有大、中型灌区1 2 处，分布在辽阳、鞍山、营口、 盘锦四市的七个县( 市) 、区内。据统计，1 9 9 9 年实际灌溉面积1 8 2 2 7 万亩，其中太 子河三岔河以上灌区8 处( 灯塔为大型灌区) ，实灌面积4 9 1 5 万亩，三岔河以下至河 口( 大辽河段) 分布有灌区4 处( 营口、大洼为大型灌区) ，实灌面积1 3 3 1 2 万亩。 1 2 河海大学工程硕士学位论文 1 4 研究的目的与内容 太子河城市密集( 本溪、辽阳、鞍山) 、地貌类型齐全( 山区、丘陵和平原) 、水 系纵横，包含各种大型蓄、引、提、灌工程，大型水库既有串联又有并连，互相联调， 流域内有8 处灌区，相互贯通，为水资源的优化配置奠定了坚实的工程基础。另外流 域内已建有3 条微波干线、大型水库以上水情自动测报系统初具规模，为水资源优化 配置奠定了坚实的网络基础。 同时太子河流域涉及到的水资源问题齐全，包含水多、水少、水脏三大水资源问 题的各个方面，在全国具有代表性和普遍性。太子河流域的试点建设，将对区域水资 源优化配置调度的理论研究和全国的水资源优化配置调度系统建设起到示范作用和推 动作用。 因为区域水资源优化配置调度系统建设是一个巨大的系统工程，在一名工程硕士 的在毕业设计中进行深入研究显得非常庞大和复杂，于是在本篇论文中只是对实际工 作做以下总结，重点对太子河流域水资源可持续利用的内因进行了分析，主要是汛期 水资源利用研究、太子河流域的水资源供需平衡分析、太子河流域水资源优化配置模 型的目标和约束条件研究，并对太子河流域决策支持系统的功能和结构进行一些介绍。 对水政策法规、水资源优化配置模型建立等关键技术没有进行深入研究，留待以后学 习和工作中进一步提高。 1 3 河海大学工程硕士学位论文 2 汛期水资源利用研究 太子河流域，大气降水是水资源的主要补给源，同时对地下水的丰枯程度和动态 变化起控制作用。由于受降水的季节性和区域性影响，太子河流域的水资源在时间和 区域上的分布亦极不均匀，汛期洪水是太子河流域水资源总量的主要组成部分。从过 去的几十年资料来看，一般大洪水年即为丰水年，无洪水年即为枯水年。只有充分利 用好汛期水资源，才能提高水资源的利用率。 水资源价值的内涵主要体现在三个方面：稀缺性、资源产权和劳动价值【2 】。在汛期 一个相对很短的时间跨度内，水没有表现出稀缺性。所以在过去的很长一段时间里， 在很多人的眼里，汛期的洪水都只是一种灾害，而不是一种资源。但经过优化配置、 合理调蓄，汛期的洪水就可以成为资源。汪部长在实现由工程水利到资源水利的转 变做好面向二十一世纪中国水利这篇大文章中指出【9 】，“洪水的时候，总想尽快把水 放到海里去，但要从战略眼光看，水资源是最最宝贵的，任何一滴水都要充分利用”。 在水资源日益短缺的今天( 连续几年来，辽宁省很多地区都出现了汛期抗大早的 情况) ，充分利用汛期水资源已经成为水资源优化配置研究的主要问题，对水资源的可 持续利用起着举足轻重的作用。 2 1 辽宁省的暴雨洪水特性分析 影响辽宁局部以上大暴雨的天气系统主要有：黄河气旋、蒙古低压冷锋、台风、 高空低槽、江淮气旋等【5 】。其中以黄河气旋居首位，占总数的3 4 4 ，依次为蒙古低压 冷锋2 1 3 ，台风及台风迎合1 8 3 ，江淮气旋1 1 5 ，高空低槽9 9 ，其它4 6 。 区域性大暴雨以黄河气旋和台风迎合类为最多，占6 9 ，其中台风迎合型产生的暴雨 强度最大，灾情最重。局部大暴雨以黄河气旋和蒙古低压冷锋居多数，占6 0 ，蒙古 低压冷锋多产生局部大暴雨，占8 6 ，高空低槽几乎全部出现局部大暴雨【5 5 1 。 受夏季环流影响，辽宁省的暴雨主要集中在汛期6 - 9 月，具有显著的季节性特征。 在夏季这段时间内，中纬度西风带锋区急流北抬，南支急流消失，随之而来的是高层 青藏高原高压东伸北上，低纬度环流向北扩展。副热带高压在我国东部势力增强，台 风活动频繁。一般在7 月中、下旬副热带高压第二次北跳，其脊线达2 8 3 0 。n ，雨 1 4 椰拇 学t 程日i ：学位论文 带中心穆到黄河流域以北，有时雨带达4 0 。n 阻北，此时华北、东北同时进入汛期。 在这种环流形势下，辽宁夏季的降水，主要是西风带的冷空气频繁而激烈的与副热带 高压脊西北部的偏南气流相交绥，形成一次又一次的暴雨天气过程( 见图2 1 ) 。对于 大范围大暴阿来说，则往往是三带( 副热带、西风带、热带) 系统具备一定的条件， 构成特定的位置时才能产生更强的降水。 辽宁省暴雨从4 月到1 0 月均 可发生，年内出现的最早r 期为4 月2 0 同，中心在辽宁南部的庄河， 同降水量为1 1 4 6 毫米( 1 9 6 9 年) 。 出现大暴阿的最晚同期为1 0 月“ 同，中心在丹东地区的风城，曰 降水量为1 9 56 毫米1 9 9 1 年。但 辽宁省暴雨主要还是集中在7 、8 月份。发生在7 、8 月份的暴甫占 7 12 ，6 月、9 月各占1 2 1 和 0 1 ，5 月占34 ，4 月仅占i3 ， 图 1 囊垂5 0 0 百帕平均环流跫雨带示意图 1 0 月仅占1 9 ，见图2 - 2 。 r j | | o | | | | t # | | | | | | | | | | | | | | _- _ 一- 河海大学工程硕七学位论文 资料统计来看，太子河流域1 1 3 月没有出现过大暴雨，4 7 月逐渐增加，8 月以后逐渐 减少。4 、5 月和l o 月大暴雨极少出现，6 月占9 8 ，7 月占4 4 2 ，8 月占3 8 9 。7 月中旬到8 月中旬内这段时间内最为集中，占6 8 8 。7 月中旬前后副高脊线第二次北 跳，雨带中心移到黄河流域以北，辽宁省大暴雨频次猛增。8 月下旬以后，副高脊线开 始南撤，大暴雨很少出现。 辽宁大暴雨的空间分布除与环流背景、天气系统有关外，还与下垫面有很大的联 系。由于受山脉抬升及绕流旋转时所受的辅合作用影响及河槽、山谷的拥挤辅合作用 的影响，使辽宁省局部地区形成了暴雨多发区，使辽宁省暴雨具有显著的区域性特征。 辽宁地处中纬度北部，太平洋的西北岸，为中高纬度。辽宁省东部有长白山的千 山山脉延伸至辽东半岛，高程一般在8 0 0 m 左右，最高在1 3 0 0 m 以上，山脉呈东北西 南向，是鸭绿江与辽河流域的分水岭；西部有大兴安岭的余脉及热河丘陵，高程一般 在8 0 0 9 0 0 m