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1、5.2.5 供需平衡分析和成果综合1 供水平衡分析分类 一个区域水资源供需分析的内容是相当丰富和复杂的，需要从以下的几个方面进行：第1页/共54页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:可视为一小的区域是供需分析的基础，属于区域或流域内的一个面积最小的小区。第2页/共54页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。现状的供需分析，是针对当前的情况；而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，但要做好不同发展阶段(不同水平年)的供需分析，必须以
2、现状的供需分析的成果为依据。因此，现状的供需分析是不同发展阶段供需分析的基础。第3页/共54页3）从供需分析的深度，可划分为：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。第4页/共54页4）按用水的性质，可划分为：(1)河道外用水的供需分析；(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。第5页/共54页2 计算单元的供需分析 计算单元的供需分析应
3、包括上述的几方面的内容：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。第6页/共54页进行水量平衡校核。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：式中W供i计算单元内的分项供水量，m3a；n1 计算单元内可供水量的分项数；W需i计算单元内的分项需水量，m3a；n2 计算单元内需水量的分项数；W余/缺水量，m3a；第7页/共54页第8页/共54页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。表5-6、5-7第9页/共54页3 整个区域的水资源供需分析（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
4、后根据该代表年的来水情况，自上而下，先支流后干流逐个计算各个单元的供需情况，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。第10页/共54页（2）同频率法：其一般的步骤是，q根据实际情况先把整个区域划分为若干个流域，q每个流域根据各自的雨情、水情情况选择各自的代表年。q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并将同一流域的计算单元水供需分析成果相加，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。第11页/共54页对今后不同发展阶段的可供水量进行分析时，要注意研究区域上游用水的变化，如上游新建水库或河道引水工程，则会减少来水量，必然造成
5、可供水量的减少。因此，计算今后的可供水量要与水源工程的长远规划结合起来。在需水量预测分析中，则要和研究区域的社会经济的可持续发展规划配合，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。4 不同发展阶段(水平年)的供需分析第12页/共54页5.3.1 水资源供需系统一个区域的水资源供需系统：是由来水、用水、蓄水和是由来水、用水、蓄水和输水等诸子系统组成的大系统。输水等诸子系统组成的大系统。供水水源：有不同的来水、贮水系统、如地面水有不同的来水、贮水系统、如地面水库和地下水库等、有本区产水和区外来水或调水，而且库和地下水库等、有本区产水和区外来水或调水，而且彼
6、此互相联系，互相影响。彼此互相联系，互相影响。用水系统：由生活、工业、农业、环境等用水由生活、工业、农业、环境等用水部门组成部门组成，输、配水系统：即相对独立于以上的两个子系即相对独立于以上的两个子系统又起到相互联系的作用。统又起到相互联系的作用。5.3 水资源系统的动态模拟分析第13页/共54页水资源系统是一个多用途、多目标的系统，涉及社会、经济、和生态环境等多方面的效益。应该使用系统分析的方法，通过多层次和整体的模拟模型、规划模型以及水资源决策支持系统，进行各个子系统和全区水资源的多方案调度，以寻求解决一个区域水资源供需的最佳方案和对策。第14页/共54页5.3.2 水资源系统供需平衡的动
7、态模拟分析方法模拟就是利用计算机技术来实现或预演某一系统的运行情况利用计算机技术来实现或预演某一系统的运行情况。水资源供需平衡分析的动态模拟就是在制定各种运行方案下重现现阶段水资源供需状况和预演今后一段时期水资源供需状况。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)水资源系统的管理规划第15页/共54页与典型年法相比，水资源供需平衡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
8、和不同水源(地表水与地下水、本地水资源和外域水资源等)之间的联合调度，能考虑它们之间的相互联系和转化。(3)该方法采用系统分析方法中的模拟方法，仿真性好，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第16页/共54页5.3.3 模拟模型的建立、检验和运行由于水资源系统比较复杂，考虑的方面很多，诸如水量和水质；地表水和地下水的联合调度；地表水库的联合调度；本地区和外区水资源的合理调度；各个用水部门的合理配水；污水处理及其再利用，等等。因此在这样庞大而又复杂的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，而模拟模型具有很好的仿真性能，这些问题在模型中就能得到较好地模拟运行。第
9、17页/共54页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。也常常采用这种两种方法的结合，如区域水资源供需分析中的地面水库调度采用最优化模型，使地表水得到充分的利用，然后对地表水和地下水采用模拟模型联合调度，来实现水资源的合理利用。第18页/共54页水资源系统的模拟与分析，一般需要经过模型建立、调参与检验、运行方案的设计等几个步骤第19页/共54页1 模型的建立建立模型是水资源系统模拟的前提。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。这一步骤包括有关变量的选择，以及确定有关变量间的
10、数学关系。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。第20页/共54页例：一个简单的水库的调度，其有关变量包括水库蓄水量，工业用水量、农业用水量、水库的损失量(蒸发量和水库渗漏量)以及入库水量等，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，具体的数学方程如下所示：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。第21页/共54页2 模型的调参和检验按设计方案正式运行模型之前，必
11、须对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。第22页/共54页(1)求参：一个数学模型通常含有称为参数的数学常数，如水文和水文地质参数等，其中有的是通过实测的或试验求得的，有的则是参考外地凭经验选取的。第23页/共54页（2）检验：所建的模型是否正确和符合实际，要经过检验。检验的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，若能吻合或吻合较好，反映检验的结果具有良好的一致性，说明所建模型具有可行性和正确性，模型的运行结果是可靠的。第24页/共54页（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
12、数量上不需要也不可能要求吻合得十分精确。根据情况进行修正或重新建模。第25页/共54页3 模型中运行方案的设计在模拟分析方法中,决策者希望模拟结果能尽可能接近最优解,同时,还希望能得到不同方案的有关信息,如高、低指标方案，不同开源节流方案的计算结果。（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26页/共54页5.4 水资源动态模拟的实例分析以华北地区某县作为研究区为例来简要说明水资源动态模拟的过程。第27页/共54页5.4.1 研究区水资源动态模
13、拟方法概述研究区的总面积为10356km2，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.第28页/共54页第29页/共54页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第30页/共54页根据河系界线，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
14、个子区，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。第31页/共54页第32页/共54页依照上述水资源系统的构成，建立了研究区水资源动态模拟的数学模型。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，可归纳成如下几种类型：(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。第33页/共54页5.4.2 主要工作模块的描述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
15、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：第34页/共54页1 确定来水量的子模块对于地下水体而言，研究区水资源系统中主要来水项有当地降雨入渗补给、外区侧向地下水补给、河道和鱼塘蓄水的入渗及农业灌溉回归等。其中降雨入渗是主要的来水项，它与降雨系列的选择有极大的关系。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：式中p某个时段内的降雨量，mm；由逐日降雨资料统计求出；Ai第i子区的面积，km3；i第i子区的降雨入渗补给系数，降雨入渗补给系数。与降雨量、土壤质地、地下水埋深等因素有关可依据各子区的土质分布特单位换算系数，是具体情况而定。第35页/
16、共54页2 用水预测计算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进行推求。第36页/共54页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，其计算公式为：式中Wi+1，Wi；分别为第i+1日末和第i日末根系层的水量，mm；Pi，Ei分别为第i日的降雨量和作物耗水量，mm。第37页/共54页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 第38页/共54页工业用水
17、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：式中 Q1、Q2分别是起始年和预测年万元产值的取用水量，m3万元；1、2分别是起始年和预测年工业用水重复利用率，计算中取，的平均递增率为4；其中a是单位产值用水的年下降率，计算中取a平均值为065；B2预测年的工业万元产值，万元；IW2预测年的工业取用水量，m3a。IW2=B2Q2第39页/共54页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,Fi第I区的给水度和面积(KM3)Hi（t0）时段初t0各子区地下水位。Hi
18、（t1）时段末各子区地下水位HHi i HHi i HHi i3 地面水地下水联合调度的工作子模块第40页/共54页4 地下水动态有限元计算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，具体的模型形式参见地下水资源评价部分(341)式。应用有限单元法求解上述定解问题。研究区的渗流域共划分229个三角单元及133个结点，渗流域边界条件根据1984年实测的地下水位等值线图的分析，确定西北边界和东南边界分别为入流和出流边界，其余边界则按第二类
19、边界考虑。渗流域各单元的有关水文地质参数均由水文地质实测剖面图按插值法一一确定。在垂向上各时段的水量交换则作简化处理，与上述的动态模拟法相一致。计算结果可输出30年间各时段末各结点的地下水位值第41页/共54页5.4.3 水资源动态模拟过程概述水资源动态模拟中降雨系列的合理选取是一个重要问题。由于水文现象的随机性，对未来的降雨系列无法具体预测，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。由于生成的降雨随机系列其丰枯周期的组合不足以反映最不利的情况，且计算工作量大而复杂，故在模拟计算中主
20、要采用了19831988、19581982年共31年的降雨实测系列，这样也便于应用19831988年实测地下水位动态对模型进行验证。水资源动态模拟计算的全过程可用流程框图57表示。第42页/共54页第43页/共54页水资源动态模拟计算可按以下的步骤进行：(1)数据库调入有关的数据(如逐日的降雨资料、各子区的种植面积等)和有关的参数(如给水度、入渗系数、平均渗透系数、渠系利用系数等)；(2)逐年推求粮食作物(小麦、玉米和水稻)的灌溉制度；(3)在计算年以旬为时段计算各个分区粮食作物灌溉量、七个用水部门的用水量，并由此推求出地下水的开采量、灌溉回归入渗量及污水的生成量等；(4)在计算年按旬计算各子
21、区降雨入渗补给及潜水蒸发量；第44页/共54页(5)在计算年按旬计算外区和本区的地下水交换量；(6)在计算年按旬进行各子区垂直方向水资源量的均衡计算；(7)在计算年按旬进行各子区水平方向水资源量的均衡计算；(8)在计算年按旬进行水资源量的总体均衡计算并求出旬末的各子区地下水位的变化值和水位值；(9)若计算年份小于终止年份，则返回步骤(2)继续进行计算，若计算年份等于终止年份，则脱离循环计算，并根据指令输出计算成果或形成有关的数据文件。第45页/共54页水资源动态模拟模型的可行性验证所建立的教学模型的合理性和可行性有赖于模型的验证。在水资源动态模拟过程中，19841988年均是现状年份，而且所调
22、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。为此本文利用研究区19841988年共五年的不同地点观测井地下水位实测数据与模拟计算结果进行验证，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(见表57)；由于有限元法的计算值能显示出观测井附近结点的地下水位值，故要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况第46页/共54页5.5.5 水资源动态模拟计算成果分析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
23、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：(1)研究区主要用水部门的逐年用水量(见表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(见表510)。第47页/共54页第48页/共54页第49页/共54页第50页/共54页方案二：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。20世纪80年代初，该研究区也曾开展过一次水资源状况的调研和评价工作，其评价方法采用
24、“典型频率年法”可以对被评价的整个区域在不同典型年份的水资源供需平衡作出分析，但不能考虑到长时间内不同降雨系列及区域内不同用水部门由于经济发展而导致用水变化等因素引起的水资源逐年动态变化过程，也无法揭示水资源供需矛盾在地域上的不平衡性。第51页/共54页本例采用长时间系列地面水地下水联合调度动态模拟的方法，并借助于数学模拟型及计算机高速计算技术，对该研究区境内19842013年的水资源动态变化进行预测分析，该方法可在较长的时间系列中不仅考虑到研究区地面水和地下水，主水资源和客水资源的相互联系和转化，而且考虑到区域内不同用水部门用水及各地区用水之间的合理调度以及由于各种制约条件发生变化而引起的水资源供需的动态变化，并可以预测水资源供需矛盾的发展趋势、揭示供需矛盾在地域上的不平衡性。第52页/共54页因此，该方法可以弥补“典型频率年法”的不足，以求对研究区水资源动态变化作出更科学的预测和分析。模型可作为水资源动态预测的一种基本工具，可根据实际情况的变更、资料的积累及在研究工作深入的基础上加以不断完善，并可进行重复演算，长期为研究区水资源规划和管理服务。第53页/共54页感谢您的观看！第54页/共54页