《水文学与水资源》PPT课件

水文学与水资源 水资源学概论 水文学与水资源学的联系 水资源量可再生性量化研究 11 1 11 2 11 3 第十一章水文学与水资源 主要内容 11 4 水资源承载能力量化研究 11 5 水资源优化配置研究 11 1水资源学概论 11 1 1水资源与水资源学的概念 水资源的含义十分丰富 具有广义和狭义之分 广义的水资源 是指地球上水的总体 包括全部自然界任何形态的水 如气态水 液态水和固态水 狭义的水资源 是指与生态环境保护和人类生存与发展密切相关的 可以利用的 而又逐年能够得到恢复和更新的淡水 其补给来源为大气降水 水资源学是对水资源进行评价 合理配置 综合开发与合理利用和保护 为社会和经济的可持续发展提供水的保证 处理好水资源和经济社会发展及环境 生态系统间关系 以及对水资源实行科学管理和保护经验的系统总结所形成的知识体系 是指导水资源业务的理论基础 陈家琦等 2002 11 1 2水资源学的研究内容 按照水资源学的研究对象 陈家琦等 2002 可以把水资源学的研究内容划分为以下几个方面 地球上水资源本身的特性和规律 水资源开发利用与合理配置理论 方法与应用实践 支撑经济社会可持续发展的水资源保障措施与对策 11 1 3水资源学的主要进展与展望 自20世纪中期水资源学形成以来 其主要进展概括如下 人们对水资源的认识从 取之不尽 用之不竭 的片面认识 逐步转变为对水资源的科学认识 逐步认识到 水资源开发利用必须与经济社会发展和生态环境保护相协调 走可持续发展的道路 从水资源的形成 演化和运动规律上系统分析和看待水资源变化规律和出现的水资源问题 为人们解决日益严重的水资源问题奠定基础 随着实验条件的改善和观测技术的发展 对水资源的形成 演化和运动的实验手段和观测水平得到极大的提高 促进了人们对水资源的认识和定量化研究水平的提高 现代数学理论 系统理论的发展为水资源学提供了量化研究和解决复杂的水资源系统问题的重要手段 随着现代计算机技术的发展 对复杂的数学模型可以求得数值解 对复杂的水资源系统可以寻找解决问题的途径和对策 可以多方案快速进行对比分析 可以建立复杂的定量化模型 可以实时进行分析 计算和实施水资源调度 以可持续发展为理论指导 促进现代水资源规划与管理的发展 随着经济社会发展 科学技术水平提高 水资源学正面临着一个前所未有的发展时期 这既是机遇又是挑战 对未来水资源学展望如下 加强水资源系统中的不确定性研究 加强现代新技术 新理论 如 遥感信息 地理信息 经济社会信息和水文信息 决策支持系统等 在水资源学中的应用研究 加强水资源开发利用与社会进步 经济发展 环境保护相协调的研究 加强水文学 生态学以及水资源学的基础科学研究 加强与其他学科的交叉研究 11 2水文学与水资源学的联系 11 2 1水文学是水资源学的基础 从水文学与水资源学的发展历史和研究内容两个方面来看 水文学是水资源学形成和发展的基础 11 2 2水资源学是水文学服务于人类社会的重要应用 我们以水资源学的具体应用来说明这一关系 1 水循环理论支撑水资源可再生性研究 是水资源可持续利用的理论依据 2 水文模拟模型是水资源承载能力量化研究 水资源优化配置量化研究的基础模型 11 3水资源量可再生性量化研究 11 3 1水资源可再生性的内涵 水资源是一种逐年能够得到恢复和更新的可再生资源 水资源的可再生性是指流域 或单元水体 水资源在水量上损失后 如蒸发 流失 取用等 和 或 水体被污染后 通过大气降水和水体自净 或其他途径 可以得到恢复 即更新 的一种综合能力 11 3 1 1水资源量可再生性 水资源量可再生性是指流域 或单元水体 水资源在水量上被损失后 如蒸发 流失或取用等 通过大气降水和其他途径可以得到恢复 即更新 的一种能力 它与流域蓄水特性 水循环过程的周期性 水体的补给以及更新速率有关 11 3 1 2水资源质可再生性 水资源质可再生性是指水资源所赋存的水体在水循环过程中 遭受自然或人为污染后 通过水体的自净功能使水质得以恢复的一种能力 水资源质的可再生性与水体的纳污能力和自净能力有着密切的联系 当污染物进入水体的强度低于水体的自净能力时 或者污水排放量处于水体环境容量以内时 水质将可以恢复 此时水质具有可再生性 反之 水质将恶化 水质可再生性遭到破坏 11 3 1 3水资源量与质可再生性的关系 水资源量可再生性直接与水循环特性有关 它是水资源质可再生性的基础 水资源质可再生性与人类活动排污直接相关 例如 河流在枯水期水体更新慢 水资源量可再生性小 在同等排污情况下 枯水期水质比丰水期的差 水资源质可再生性也就小 水资源量可再生性和水资源质可再生性综合决定了水资源整体的可再生性 只有当水资源量和质的可再生能力都大时 水资源的可再生性才高 这是因为水资源内涵包含水量和水质两方面含义 水量的亏损和水质的污染都是对水资源的一种损耗 从以上的分析中可以看出 水资源可再生性研究离不开水循环过程分析 鉴于研究问题的复杂性 本节重点探讨水资源量可再生性的量化方法 11 3 2水资源量可再生性的量化方法 11 3 2 1单元水体水资源量可再生性的度量 1 单元水体水循环过程 本文为了简化分析 将单位时段内所有进入单元水体中的输入水量用I表示 输出水量用Q表示 单元水体的蓄水量用V表示 基于单元水体水量平衡关系 采用水箱模型描述单元水体的水循环动态过程 单元水体水箱模型 对于单元水体 第n时段水量平衡关系式如下 n 1 2 3 13 3 1 式中 Vn Vn 1 第n时段初和末单元水体蓄水量 单元水体第n时段的平均输入量 第n时段单元水体的平均出流量 单位时段 在单元水体水循环过程中 影响水资源量可再生能力的两个特征量需在此说明 单元水体的最大蓄水量 由于受环境因素的影响 如地形 地貌 土壤 植被 降水等 单元水体的蓄水能力是有一定的限制 理论上存在一个最大的水体蓄水量 该蓄水量决定了单元水体在水循环过程中可交换的最大量 也是影响水资源量可再生能力的关键因素 对于子流域而言 即为流域最大蓄水容量 对于单元河段而言 可代表满岸时的河槽蓄水量 单元水体的最小蓄水量 为了维持河流生存 不断流 以及保证生态用水的最小河川径流量 或者为了维持必要的土壤含水量 如凋萎含水量 或者为了维持适宜的地下水位 或者为了维持水循环再生系统的完整性 单元水体必须要保持一个最小蓄水量 是维持单元水体水资源量可再生性最直观的阈值判据 其值要通过水文实验或水文模拟进行确定 2 单元水体水资源量可再生性指数 对于图前面述及的单元水体 代表了在的变化范围内单元水体在第n时段可能达到的有效蓄水量 即单元水体在第n时段可以恢复或可用于更新的水量 它代表了第n时段内单元水体水量可再生能力的大小 本文将与之比所得到的无量纲量作为单元水体水资源量可再生性指数 n 1 2 3 13 3 2 结合式 11 3 1 便可得到单元水体水资源量可再生性指数的动态变化方程 13 3 3 3 关于水资源量可再生性指数的分析 以下在几种特殊情况下讨论和分析指数的合理性及取值范围 当输入I与输出Q保持动态平衡时 单元水循环系统处于稳定状态 单元水体的水资源量可再生能力保持不变 由式 11 3 3 可知 此时 即单元水体水资源量可再生性指数为常量 当输入I持续大于输出Q时 单元水体处于水量恢复阶段 可用水资源量增加 水资源量可再生能力增大 由式 11 3 3 可知 此时 即单元水体水资源量可再生性指数也逐渐变大 当输入I持续小于输出Q时 单元水体处于水量消耗阶段 其水资源量可再生能力逐步减弱 由式 11 3 3 可知 此时 即单元水体水资源量可再生性指数也逐渐变小 一般情况下 输入I与输出Q具有波动性 即单元水体处于水量的消长更替之中 由式 11 3 3 可知 此时单元水体水资源量可再生性指数也呈现波动性 只有当时 单元水体的水循环才处于可再生状态 由式 11 3 2 和式 11 3 3 求得的才具有实际意义 且取值范围为 0 1 单元水体水资源量可再生性指数的取值分析 11 3 2 2流域水资源量可再生性指数的计算 如果将流域视为一个单元水体 便可直接利用单元水体水资源量可再生性指数 计算整个流域水资源量可再生性指数 如果要深入研究流域水资源量可再生性的空间分布 可以将流域划分为若干单元 为了便于计算 最好结合分布式水文模型进行单元划分 首先计算每个单元水体水资源量可再生性指数 最后再综合得到整个流域水资源量可再生性指数 当然 对于河流 湖泊 水库 地下水等水体均可采用类似的方法计算其水资源量可再生性指数 11 3 3实例分析 以马连河流域为例 11 3 3 1研究区概况 马连河位于黄河中游干旱半干旱区 流域面积19086km2 是泾河的最大支流 地势由北向南下降 平均海拔为1420m 气候比较干燥 年平均气温为8 5 9 5 流域降水多集中在7 8月 年降水量一般为450 650mm 上游洪德站只有350 400mm 据流域出口雨落坪站多年观测 年径流量为4 9 108m3 折合年径流深为26mm 11 3 3 2研究方法 在数字高程模型 DEM 基础上 将马连河流域分成7个子流域 并提取各子流域的水文特征值 本例利用SWAT模型方法来建立马连河流域分布式水文模型 基于DEM的马连河流域三维图 马连河流域SWAT模型结构图 如果把子流域看作单元水体 在自然水循环状态下 即不考虑人类活动取用水的影响 马连河流域各单元的关系如下图所示 11 3 3 3计算输入数据 在本例中 计算输入数据主要是降水量 蒸发量和径流量 其中 降水量 蒸发量为1978年马连河流域实测数据经过线性空间插值处理后得到的各子流域月均值 径流量为分布式水文模型模拟的马连河各子流域月均值 11 3 3 4计算结果与分析 可再生性指数的计算 关键涉及到单元水体的蓄水容量和维持水循环再生系统所需的最小蓄水量的确定 在实例中 根据单元子流域的多年降水和径流系列资料 并参考流域的地形数据进行确定 则需要兼顾经济 社会和生态环境需水量进行综合确定 在计算时由于缺少上述资料 可按的10 进行取值 马连河各子流域水资源量可再生性指数 从表中可知 在1月 4月马连河流域水资源量可再生性指数呈现下降趋势 其值低于0 5 平均为0 3 在5月 8月 指数明显改善 平均值为0 7 9月 12月又呈下降趋势 平均值为0 5 这与流域水循环的枯 丰水期的变化一致 5月之前马连河流域基本上处于枯水期 水资源量的消耗量 输出量 大于输入量 水资源量可再生能力减弱 7 8月份雨水丰沛 流域蓄水量得到补充和恢复 水资源量可再生能力增强 9月以后降水减少 消耗大于输入 水资源量可再生能力再次减弱 在空间分布上 流域下游水资源量可再生能力要好于上游 比如上游子流域 的年均值为0 3 下游子流域 的年均值为0 7 理论分析表明 基于水循环过程和水量平衡关系 提出的单元水体水资源量可再生性指数能够表征水资源量可再生能力的大小 它的计算易于与分布式水文模型相结合 用于分析流域 或水体 水资源量可再生能力的时空分布 在水资源规划与管理中 只要确保指数的值介于0与1之间 便可避免河流断流或洪水泛滥的发生 指数为无量纲的量 能够用于不同地区的比较分析 11 4水资源承载能力量化研究 11 4 1水资源承载能力的概念及内涵 水资源承载能力 的简单定义为 一定区域 一定时段 维系生态系统良性循环 水资源系统支撑经济社会发展的最大规模 左其亭 陈曦 2003 水资源承载能力计算概念图 左其亭 陈曦 2003 11 4 2水资源承载能力量化研究框架 基本思路 紧扣水资源承载能力概念 以 水资源系统 经济 社会系统 生态系统相互制约 模拟 模型 为基础模型 以 维系生态系统良性循环 为控制约束 以 支撑最大经济社会规模 为优化目标 建立最优化模型 通过最优化模型求解 或控制目标反推 得到的 最大经济社会规模 就是水资源承载能力 称此方法为 基于模拟和优化的控制目标反推模型 方法 ASimulation andOptimization BasedControlObjectInversionModel 简称COIM模型方法 左其亭等 2005 水资源承载能力计算框架图 11 4 3在水资源承载能力计算模型中需要建立的基础模型 在水资源承载能力计算模型中需要建立的基础模型包括 水资源循环转化关系方程 污染物循环转化关系方程 经济 社会系统内部相互制约方程 经济 社会 水资源 生态耦合系统互动关系量化模型 11 4 4水资源承载能力计算模型 11 4 4 1水资源承载程度指标 1 水资源量及可利用水资源量 可利用水资源量 计算式为 式中 为可利用水资源量 a为水资源可利用综合系数 为水资源量 为区外调水 来水总可利用量 为污水资源化可利用水资源量 11 4 1 2 实际用 需 水量 通常 对于现状及其以前年份 计算的是实际用水量 对于规划水平年 计算的是需水量 本节为了统一起见 都使用 用水量 这一概念 总用水量为 11 4 2 式中 为总用水量 为工业用水量 为农业用水量 为生活用水量 为其他用水量 由于人类活动带来的水资源量损失总共为 11 4 3 式中 为总利用水资源量 为回归水中所含的水分 为稀释或转化污染物质所需的水量 其中为回归水中所含的污染物质 其他符号同前 污染物质稀释或转化所需的水量的计算 可以采用水环境容量计算模型 在假定水环境目标的前提下 计算为了达到水质标准时必须向河流补放的水量 假设存在供水水源 即为 3 水资源承载程度指标 用 水资源承载程度指标I 来表达水资源对经济社会发展所经承受压力到了什么程度 11 4 4 当I 1时 说明已经超出水资源承载能力 且随着I值增加 超载越严重 当I 1时 说明处于水资源承载能力临界状态 当0 I 1时 说明在水资源承载能力范围之内 且随着I值的减小 可以再增加的承载能力就越大 11 4 4 2水资源承载能力计算 1 水资源循环转化关系方程 从水资源的形成 人为引用 蒸发 排放 再回到水体 水资源经历了复杂的循环转化过程 在量化研究水资源承载能力时 需要建立水资源循环转化方程 以作为水资源承载能力计算的基础方程 水资源循环转化方程组 总水量平衡方程 可利用水资源计算方程 可利用水资源分配方程 水资源利用 消耗转化方程 水资源消耗量计算方程 水资源利用后回归量计算方程 11 4 5 式中 降水量 从区外调水总量 总蒸发量 包括降水 地表水体 地下潜水蒸发及植物蒸腾 总消耗水量 地下水体蓄水量的变化量 地表水体蓄水量的变化量 区外流入本区的水量 流出本区的水量 剩余的可利用水资源量 剩余为正 不足为负 工业用水消耗水量 农业用水消耗水量 生活用水消耗水量 总回归水量 2 污染物循环转化关系方程 建立的污染物循环转化方程至少包括污染物排放量计算方程 水质模拟方程 它们分别表达了污染物的产生 运移过程 污染物排放量可以分单元进行计算 水质模拟方程有零维模型 一维模型 二维模型等 左其亭等 2005 为了叙述上的方便 下面仅列举其中一种组成污染物循环转化方程组 污染物循环转化方程组 污染物排入河道总量方程 水质模拟方程 11 4 6 式中 为第i计算单元污水处理后某污染物浓度 g L 为第i计算单元污水处理率 为污水处理后某污染物排放总量 kg 为第i计算单元污水排放量 m3 为第i计算单元污水中某污染物综合浓度 g L 为控制断面径流量 m3 为控制断面浓度 g L 为排放的河流上游来水量 m3 为上游断面来水中污染物浓度 g L 为污染物综合消减率 无量刚 对难降解的污染物 0 3 经济 社会系统内部相互制约方程 以水资源作为纽带 建立水资源与人口 工业 农业系统关系方程 11 4 7 式中 分别为工业产值 农业产值 人口数 分别为工业万元产值利用水资源量 农业万元产值利用水资源量 人均用水量 其他符号同上 以经济 社会系统内部需求作为纽带 建立人口 工业 农业相互制约关系方程 可能会因不同地区的发展战略不同 有不同的制约方程 为了方便表达 统记作 SubMod R I A 11 4 8 当讨论规划水平年时 还需要建立经济社会发展预测模型 如果仅讨论现状年就不需要建立该模型 以预测未来经济社会各项指标 对经济社会发展预测的研究 已有大量的研究成果和成熟的理论 把对经济 社会系统建立的模型方程统记作 SubMod SESD 11 4 9 4 水资源承载程度指标约束方程 要求 水资源承载程度指标I小于等于1 即有如下约束方程 I 1 11 4 10 5 生态系统良性循环控制目标方程 方程组的通式为 式中 为污染物总量控制目标值 kg 为控制断面浓度控制目标值 g L 为河流径流量控制最小目标值 m3 其他符号含义同上 11 4 11 6 目标函数 按照水资源承载能力的定义 要把表达 最大经济社会规模 的函数作为模型的目标函数 但是 由于表征经济社会规模的指标比较多 如人口数 工业产值 农业产值等 如果表征水资源承载能力的指标不是一个 而是多个 建立的将是多目标模型 在很多情况下 人们习惯用 人口数 单一指标来表示 这样就成为单目标模型 目标函数表示如下 11 4 12 7 水资源承载能力计算模型 一般情况下 所建立的水资源承载能力计算模型是一个极其复杂的非线性优化模型 直接求解该模型比较困难 可以有两种求解途径 一是 采用 数值迭代法 求解近似最优解 二是 采用计算机模拟技术 分方案搜索 寻找出最优方案 数值迭代法 的计算步骤为 1 按照计算条件 对已知参数 如 等 赋值 在现状水平年 以实际数据为主要依据 在规划水平年 可以采用规划值或计算值 当然 也可以在计算软件中预设一个输入接口 随时变化这些参数 随时再计算 得到相应的计算结果 2 假设初始值P0 步长 计算P1 P0 针对某一区域 可以选择现状区域人口数的一半 取整数 作为初始值P0 当然 也可以选择其他初始值 这不影响计算结果 3 分别用P0和P1代入P进行计算 判断P0和P1是否满足约束方程 如果P1满足约束方程 令P2 P1 P3 P1 如果P0满足而P1不满足约束方程 令P2 1 2 P1 P0 P3 P1 如果P0和P1均不满足约束方程 令P2 P0 P1 P0 P3 P0 4 再分别用P2和P3代入P进行计算 判断P2和P3是否满足约束方程 重复步骤 3 的方法 直到 Pi 1 Pi 且P满足约束方程 得到近似最优解P Pi 得到的最大值Pi 就是要求的水资源承载能力 11 4 5应用实例 郑州市水资源承载能力计算 11 4 5 1郑州市概况及面临的水资源问题 郑州市是河南省省会 位于河南省中部 北临黄河 是河南省政治 经济 文化 科技 交通 商贸中心 研究区包括五个行政区 分别是中原区 二七区 管城区 金水区 邙山区 面积989 6km2 2001年 郑州市区总人口259 65万人 其中非农业人口160 31万人 农业人口99 33万人 国内生产总值GDP为362 5亿元 人均GDP为13963元 随着经济社会发展 郑州市水资源问题日益严重 2001年 郑州市水资源总量为1 2924 108m3 而实际用水量5 1186 108m3 按本地水资源计算 缺水3 8262 108m3 由于本地水资源远不能满足用水需要 所以就从黄河引水2 2383 108m3 同时地下水超采1 3660 108m3 可见郑州市水资源短缺十分严重 另外 郑州市水环境质量令人堪忧 郑州市2001年污水排放量达2 1484 108m3 污水处理量仅0 8159 108m3 污水处理率37 98 大量的污水未经处理直接排入河流或干渠 严重污染了河流 地下水 经过郑州市的几条河流贾鲁河 金水河 熊耳河水质类别均在IV V和超V类 均超出其水质功能类别 严重影响了其水资源的利用和周边人民的身心健康 11 4 5 2郑州市本区水资源量和区外调水量 根据 郑州市水资源公报 计算 该市1994 2001年平均地表水资源量为0 5433 108m3 地下水资源量为1 6623 108m3 重复水资源量为0 4283 108m3 总水资源量为1 7773 108m3 本区目前的外调水量就是引黄河水 按照黄河分水协议 分配给郑州市区的年水量为2 8200 108m3 在规划水平年 除按协议从黄河调水外 根据南水北调工程规划 还将从南水北调中线工程调水 主要用于城市生活用水和工业用水 根据 河南省南水北调城市水资源规划报告 2001 修订本 郑州市区2010年 2030年调水量分别为3 3158 108m3 5 8386 108m3 11 4 5 3经济社会发展预测及用水量计算 郑州市水资源承载能力计算输入参数一览表 11 4 5 4水资源承载能力计算结果 通过计算 得出以下结论 目前 郑州市经济社会规模严重超出水资源承载能力 主要表现为水资源短缺 水环境污染 提高郑州市水资源承载能力的途径有两条 一是减小污水排放量 提高污水处理能力 二是开源节流 解决缺水问题 根据预测 到2010年 郑州市水资源承载能力会有很大改观 在南水北调供水3 3158 108m3的情况下 当污水处理率为80 时 水资源承载人口只有212 39万人 当污水处理率达到92 时 水资源承载人口为382 55万人 到2020年 2030年 在郑州市实施南水北调 增加污水处理的条件下 水资源承载能力有很大提高 支撑人口接近470万和585万 并能保持水资源的可持续利用 郑州市水资源承载能力计算结果表 11 5水资源优化配置研究 11 5 1水资源配置系统与水资源循环系统的关系 水资源配置系统 是以人类水事活动为主体 是自然 社会诸多过程交织在一起的统一体 它沟通了自然的水资源系统与经济 社会系统之间的联系 是水资源优化配置研究的关键环