水资源可供水量与供需平衡分析

第四章水资源可供水量与供需平衡需分析 主要内容 第一节水利工程可供水量计算第二节区域可供水量分析第三节供需平衡分析概念与方法 2 第一节水利工程可供水量计算 一 可供水量的定义 1 可供水量概念 1 概念可供水量是指在不同水平年 不同保证率的情况下 考虑需水要求 供水工程设施可能提供的水量 也可以定义为 在给定的来水条件下 考虑供水对象的需水要求 通过水利工程可以提供的水量 2 分析不同水平年 现状 近期 远期 反映供水工程与用水工程情况 不同保证率 丰 平 枯 反映来水情况 需水要求 反映用水工程 可供水量 不是供水工程最大供水量 也不是实际供水量 是最大供水能力中能被用水工程利用的那部分 有别于工程的实际供水量和工程的供水能力 工程的弃水和不能为用户所利用的水量都不能作为工程可能提供的水量 举例 农业灌溉 在非灌溉期的那部分引水量是毫无用处 因此 许可的引水量必须从年最大可引水量中减去用户不用水的量 供水工程包括 蓄 引 提 调水工程及临时工程 如图1所示 在丰水年份 供水能力较大 而需水量很小 故有弃水 可供水量决定于需水量 在枯水年份 图右侧 需水量较大 但供水能力小 可供水量决定于供水能力 小于需水量 2 可供水量的意义和目的从区域水资源分析的内容和目的来看 引进的可供水量概念要满足如下要求 能在区域水资源分析计算中 反映出水资源的余缺程度 有别于工程的实际供水量和工程的最大供水能力 工程的弃水和不能为用户所利用的水量都不能作为工程可能提供的水量 能适应现状 近期和远景各种不同水平年的供需分析 能适应全国范围以及不同的计算方法 3 影响可供水量的因素来水条件 不同年的来水变化 以及年内的时空变化 所算出的可供水量不同 用水条件 不同年的用水特性 用水结构 分布 性质 要求 规模等 合理用水节约用水情况等 所算出的可供水量是不同的 另外用水条件之间也常相互影响 如河道的冲淤 河道内的生态环境用水等都可能直接影响河道外工业 农业 城市生活的可供水量 河道上游的用水要求也可能影响下游的可供水量 等等 水质条件 不同年的水源泥沙和污染程度等情况 会影响所提供的可供水量大小 高矿化度地下永 未经改良和处理 不能供工农业生产使用 更不能供城乡人畜生活饮用 工程条件 现有工程参数的变化 不同的调节运用方式以及不同发展时期新增工程设施等情况 都会算出不同的可供水量 4 可供水量计算方法在区域水资源供需分析中 可供水量常用的计算方法有两种 1 系列调算法 2 典型年调算法计算整个区域的可供水量 一般先从单项工程计算入手 单项工程 蓄 引 提水工程等 可供水量计算是基础 然后再进行综合分析计算 二 引水工程可供水量 1 引水工程可供水量一般按典型年逐年计算 引水工程可供水量的大小与河道天然来水量 下游河道过水流量要求 引水工程过水能力 用户的用水要求有关 式中 Wk 引水工程可供水量 D 用户需水量 Qmax 引水工程供水能力 Yup 河道来水量 Ydonw 第河道下游要求水量 2 一用户情况分析有一河流引水工程向某地区供水 引水工程供水能力Qmax 70m3 s 河道下泄要求Ydown 60m3 s 河道来水量和用户用水量见下表 试计算该工程可供水量 求解 河道来水量与用户用水量过程 单位 m3 s 3 二用户情况分析有一河流引水工程向两个用户供水 河道下泄量要求30m3 s 引水工程供水能力不受限制 其它情况见图 流量按年计算 试计算该工程可供水量 分析引水工程的可供水量 有三种情况 1 属地优先权原则2 均衡受益原则3 重要性原则 1 属地优先权原则先尽量满足上游用户 再满足下游用户计算之 Q1 90m3 s Q2 78m3 s 2 均衡受益原则水资源紧缺 两用户均衡受益 供水量与需水量之比相等 缺水量与供水量之比相等 意思一样 计算之 Q1 53 6m3 s Q2 107 1m3 s 3 重要性原则水资源紧缺 根据两用户需水重要性来考虑 重要性可用权重表示 注意这里只能用缺水量与需水量之比表示了 按生活 工业 农业 4 2 1分析 取 1 1 2 2计算之 Q1 27 7m3 s Q2 127 7m3 s 三 蓄水工程 蓄水工程对来水在时间和数量进行重新分配 计算更复杂些 1 大 中型水库简单起见 一般可按年调节情况考虑 年初和年末库容均为水库的死库容 Yt表示t时段来水量 Dt表示t时段需水量 Qt表示t时段可供水量 Vt表示t时段初水库蓄水量 t 90天 一年划分4个时段 三种模式 有水就用 过程相似 综合考虑 1 有水就用 类似属地优先法 总来水量小于需水量情况 首先满足前期用水 缺水主要集中于后期 不便于生活与生产的安排 不合理 2 过程相似 类似均衡受益法 总来水量小于需水量 各时段的缺水程度相似 来分配水量 合理 3 考虑水库蓄水库容限制总来水量小于需水量情况 各时段的缺水程度相似 来分配水量 根据水库蓄水库容限制 前期多余的无法蓄纳的水量则优先满足本时段用水 余留时段再根据过程相似原则进行水量分配 既考虑了水库蓄水库容 又考虑各时段需水要求 合理 大 中型水库可供水量的补充知识 1 年调节水库式中 WK 可供水量 M 月用水工程需水量 月水库供水量 水库蓄变量 只指兴利库容部分 蓄水工程的计算有 典型年调节法 系列调算法 简化计算法 1 典型年调算法某水库向下游灌区供水 灌区灌溉面积13 9万亩 灌溉设计保证率P 85 毛灌溉定额800m3 亩 丰水年 保证率低于设计保证率时 来水量大 用水量小 此时可供水量根据用水量确定 水库供水能力未能充分发挥 枯水年 保证率同于设计保证率时 来水量小 用水量大 此时可供水量根据水库供水能力确定 用水得不到满足 大 中型水库可供水量的补充知识 表4 1某水库频率P 85 设计枯水典型年调节计算表 单位 百万m3 大 中型水库可供水量的补充知识 2 系列调算法 同前典型年调算法 应采用系列调算法 根据来水 用水的长系列资料 用时历法逐年进行调节计算 3 简化计算法遇到下述情况时 可采用简化计算方法 用水户可以扩大的水库工程 在丰水年 来水量大于用水户需水量时 用水户扩大用水量 全部利用多余水量 可供水量达最大值 特别是适用于北方地区 用水户已经饱和的水库工程 实际供水量 需水量 做为可供水量 大 中型水库可供水量的补充知识 水库资料不全时 先以完备的资料进行来水和供水关系 再移植到资料不全的水库 简化计算用的参数 库容系数 水库的调蓄库容 兴利库容或有效库容 与水库控制流域面积以上多年平均来水量之比值 常用 表示 当 0 30时 可视年调节水库 水库库容系数 大于0 3 0 5时 水库就是多年调节水库 当年的来水并非全部为当年用 而要以丰补枯 大 中型水库可供水量的补充知识 水量利用系数法式中 M是水库可供水量 是水库多年平均来水量以面是简化计算的主要步骤 选择资料齐全的不同调节能力 库容系数 的典型水库 逐年计算ai 对ai进行频率分析 求出P 25 50 75 90 的ai 建立a为横坐标 为纵坐标 P为参数的 P 关系图 大 中型水库可供水量的补充知识 利用关系图 可以查出不同频率 不同库容系数下的水量利用系数 利用下式 可以计算可供水量 大 中型水库可供水量的补充知识 2 多年调节水库水库库容系数 大于0 3 0 5时 水库就是多年调节水库 当年的来水并非全部为当年用 而要以丰补枯 应采用系列调算法 根据来水 用水的长系列资料 用时历法逐年进行调节计算 简化方法 类似于年调节水库的简化方法 自己看书 大 中型水库可供水量的补充知识 2 小型蓄水工程小型蓄水工程 包括小型水库 塘坝等 数量多 缺乏实测资料 往往采用 复蓄指数 法来估算可供水量 复蓄指数 水库 塘坝年可供水量与有效库容之比值 复蓄指数一般大于1 0 与集雨面积 来水多少 有效库容大小 担负灌溉面积等多种因素有关 小型蓄水工程可供水量 式中 n 复蓄指数 V 水库 塘坝的有效库容 小型蓄水工程数量多 资料缺乏 计算简单 1 复蓄指数法 WK n V兴2 保灌系数法 WK c m A3 水量利用系数法 WK R 小型水利工程复蓄指数与保灌系数表 小型水利工程水利利用系数表 四 提水工程 提水工程包括地表水提水工程和地下地下水提水工程 1 从河道提水主要取决于提水设备能力和用户需水要求 也受指定保证率下河道的来水情况 最低枯水位 下游河道的水流要求等因素制约 全年最大可供水量 式中 Q上 Q下 河道上游来水量和下游要求下泄水量 Q设 提水设备能力 D 用户需水量 2 从地下提水主要取决于地下水补给量 地下水开采井的设备能力限制 地下水多年平均可供水量的控制极限一般为多年平均综合补给量 也可用提水工程抽取流量的大小与开机时间相乘 五 地下水可利用水量的计算 1 地下水可利用分析地下水可利用量 指地下水源长期有保证的供水量 其值等于地下水可能最大补给量与地下水的无效损失量之差 地下水的可能最大补给量 指在理想条件下 地下水库能得到的最大补给量 即各个有长期保证的补给量之和的最大值 地下水可能最大的补给量与哪些因素有关 地下水的可能最大补给量是人类可开发利用的水资源量的上限 地下水可能最大补给量随着补给条件的改变而变化 地下水无效损失量 指地下水排泄中未被利用的部分 包括地下水流出量 越流排泄量和潜水蒸发的无效部分 与哪些因素有关 无效损失量随地下水埋深的增加而相应减少 地下水可利用水量计算公式 2 地下水可供水量计算实际供水量调查法根据泵站的提水能力与开机时间计算根据耗电量和耗油量计算根据灌水次数和灌水定额计算 可开采系数法地下水可开采量与地下水资源量之比称为可开采系数 地下水可开采系数一般在0 7 0 8 第二节区域可供水量的计算 一 区域可供水量计算原则 1 计算原则先用小工程的水 后用大工程的水 先用自流水 后用蓄水和提水 先用离用户较近的水 后用远处的水 先用地表水 后用地下水 先用本流域的水 包括过境水 后用外流域调水 自来水用于生活和一部分工业 其他水用于水质较低的农业和部分工业 2 注意事项按照区域不同保证率选定的典型代表年 取各项工程同一年份的供水量汇总 按地表水可供水量和地下水可供水量汇总 避免可供水量的重复计算 区域可供水量汇总成果的合理性检查 1 可供水量定义为供水工程设施所提供的水量 2 可供水量的定义考虑需水要求 二 区域可供水量计算模型概化分析 1 水资源系统组成分析水资源系统 指处在一定范围或环境下 为实现水资源开发利用目标 由相互联系 相互制约 相互作用的若干水资源工程单元和管理技术单元所组成的有机体 水资源系统一般由 水源 调蓄工程 输配水系统 用水户 排水系统等部分组成 2 用水户概化区域内用水户众多 可将研究区进行分区 每个分区作为一个供水对象 分区要因地制宜 不宜过大 也不宜过小 分区过大 易掩盖矛盾 整体的不缺水掩盖局部的缺水 或整体的缺水掩盖局部的不缺水 分区过小 工作量将成倍增加 逐级分区 一级分区 二级分区 三级分区等 分区原则 按行政区划分区 按自然地理单元分区 按行政区划分区 按自然地理单元分区 按社会经济单元划分 按流域水资源分区与区域行政分区相结合的方法进行划分 分区后再根据用水性质划分用水类型 3 水源划分如上图所示 水源可划分为 当地水和外来水 当地水又分为 地表水 地下水 再生水等 外来水分为 流入本地的河流等客水 跨区域调水等 根据水源类型进行划分地表水按照流域水系进行划分地下水按含水层所属地质单元划分 再生水按收集 处理与供给系统划分 调水按调水系统划分 4 工程安排布置当天条件下水资源的时空分布无法满足需水要求时 需要建立水利工程进行水资源的时空调配 供水工程主要包括 蓄水工程引水工程提水工程 包括提取地表水 地下水 输水工程水处理工程等 5 水资源系统网络图水源与分区分类型用水户之间的地理位置与水量供需关系 用拓扑网络图表示 系统网络图包括 计算单元 水利工程 分汇水节点 各种输水通道等 第7章更详细 计算单元 最小一级的计算分区 面 元素 水利工程 点 线 面都有 分汇水节点 天然节点和人为节点 点 元素 输水通道 天然河流与水利工程 线 元素 东平湖古时称蓼儿洼 大野泽 巨野泽 梁山泊 安山湖 到清朝咸丰年间才定名称为东平湖 是 水浒传 中八百里水泊唯一遗存水域 山东省第二大淡水湖泊 湖区总面积627平方千米 其中一级湖常年蓄水 面积209平方千米 平均水位高程40 75米 南水北调东线一期工程完成后 东平湖平均水位高程将达41 5米 将淹损耕地3 6万亩 东平湖蓄水面积将达到25万亩 三 基于模拟方法的可供水量计算 按水资源系统网络图 考虑水源水量 需水要求 工程供水能力等约束 按照统筹兼顾的原则 合理安排各种水源各类工程的供水方案 这一个试算的复杂过程 实际上 这里的区域可供水量与区域水资源优化配置混为一谈了 应归于第5章 区域水资源的一般性调配规则包括以下方面 1 计算程序自上而下 先支流后干流 逐单元计算 考虑水量平衡的原则 多用水户采用 分散余缺 原则 2 供水次序先用自流水 后用蓄水和提水 先用地表水 后用地下水 先用本流域的水 后用外流域调水 水质优的用于生活等用户 3 用水次序先尽量满足生活需水 再依次是河道内最小生态需水 工业和第三产业需水 农业需水 河道外生态需水等 4 约束与关联约束包括 各类水源的水量 水位 水质等 各类用水户的需水水量 水质等 供水工程的过水流量等 针对一个单元 上一单元退水 本单元来水 本单元弃水 四 基于优化方法的可供水量计算 这部分也应归于 第5章水资源优化配置 部分 优化方法需要数学模型 数学模型包括 决策变量 目标函数 约束条件 分别述之 1 决策变量区域划分成J个分区 用水部分分为K个用水类型 供水水源点为I个 供水时段为T决策变量是 在第t时段内区域第i个供水水原给第j个分区的第k个用水部门的供水量 Qijkt 分区K 2 优化模型 1 目标函数优化目标有很多 如效益最大 费用最小 环境最好等 本次设定优化目标为区域供水系统相对总缺水量最小 2 约束条件约束条件很多 水源水量 用水户需水量 水利工程过水能力等 可供水量约束需水量约束供水能力约束力 工程运行可行域约束对特定水源 其供水应在调节计算的约束域内进行 如水库运行的水位限制条件等 变量非负约束优化模型的求解方法与过程 更属于 第5章水资源优化配置 的内容 这里不能再讲了 五 区域可供水量预测 未来可供水量 对供需平衡分析 有重要意义 它是在国发经济发展规划预测 需水量预测的基础上进行的 可供水量预测主要考虑 新增供水工程 现有工程完善配套等方面引起的供水量变化 以及用水量变化 1 新增供水工程的原则应以用水需要为依据 与用水需求相适应 并努力做好合理用水 节约用水和合理布局 要考虑国家 集体投资建设费用的约束 要考虑本区域水资源开发利用程度的约束 要以流域规划 地区规划以及供水规划为依据 供水工程的安排 应从经济效益 社会效益 环境生态效益及方面综合权衡 1 可供水量的预测供水工程设施规划 1 改善供水工程内部结构 增建骨干蓄水工程 2 现有工程的完善配套和标准化改造 3 调整现有电灌站布局 可供水量预测计算 方法与前面相同 第三节供需平衡的概念与方法 一 供需分析的概念 1 水资源供需平衡分析概念是指在一定区域 一定时段内 对某一发展水平年和某一保证率的各部门供水量和需水量平衡关系分析 或 在特定的水资源条件和需水要求下 充分发挥水利工程的作用 通过水利工程的调节计算 可得到水利工程供水与需水之间的关系 供水量和需水量相近为平衡 供大于需的部分为余水量 供小于需的部分为缺水量 2 水资源供需分析的目的摸清区域内水资源供需现状 预测未来 揭示区域内水资源供需关系的内在规律和主要矛盾 探讨水资源开发利用的途径与潜力 提出实现水的长期稳定供给方案 为加速工农业生产的发展和水利建设提供科学依据 3 水资源供需分析的重要性供需分析中的供水与需水应该相互协调 平衡 供需分析中涉及的方面与国民经济和工农业生产有密切的关系 研究水资源供需分析 对解决余缺水量的对策显得十分重要 4 水资源供需分析的主要内容分析水资源供需现状和存在的一些问题 分析不同发展阶段 不同水平年 水资源供需情况和实现供需平衡方向 研究解决与供需平衡对应的余缺水量的对策 分析实现本区域水的长期稳定供给的措施和计划方案 5 供需分析中几个基本概念 1 分区单元 水资源供需关系分析 一般需要将一个大的区域划分成若干分区 对每一分区单元进行供需分析 然后逐级汇总 2 计算时段 水资源供需平衡计算时段的划分 总的原则是 能够突出不同时段的水资源量的余缺情况 不至于掩盖水资源的供需矛盾 3 水平年 供需分析中选择出的代表年 要能够反映区域发展不同阶段社会经济达到的水平 相应的需水水平和水资源开发水平 所以通常称其为水平年 水平年可设 现状水平年 基准年 近期 5 10年 远期 15 20年 水平年还应分不同保证率 即同一水平年应选几个不同的保证率 分别代表平水 枯水特枯水年进行供需分析 代表年 通常所说的典型年 由系列中选择出具体年份 1 系列法选择代表性的系列 进行逐年供需分析 系列法要求资料多 工作量大 适用于大区域 重要地区的供需平衡分析 通过对长系列调节计算结果的统计分析 可以得到不同来水频率下的各分区各部门的余缺水量 二 分析方法 2 典型年法选择代表性的系列 根据降水频率 选取典型年进行供需分析 一般地 平水年频率P 50 枯水年 偏旱年 频率P 75 特枯水年 干旱年 频率P 90 或P 95 北方干旱地区 一般要做平水年 P 50 偏旱年 P 75 二个典型年的供需分析 南方湿润地区 则做平水年 P 50 偏旱年 P 75 干旱年 P 95 三个典型年的供需分析 三 区域水资源供需平