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1、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第一节水利工程第一节水利工程可供水量计算可供水量计算一、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
2、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。
3、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
4、等情况，会影响所提供的可供水量大小。高矿化度地下水，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、
5、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Qmax70m3/s，河道下泄要求Ydown=60 m3/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：月份123456789101112来水Yup11011011012013014015015013011510090需水Dt658050705090607075605080求解505050605070607070554030河道来水量与用户用水量过程，单位：m3/s3.二用户情况分
6、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s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）重要性原则区间入流I60来水Y120用户1用户2回归水20%需水D2200需水D1100（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：Q190m3/s，Q278m3/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：Q153.6m3/s，Q2107.1m3/s（3）重要性原则水资源紧缺，根据两用户需水重要
7、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11，22计算之：Q127.7m3/s，Q2127.7m3/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，t90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
8、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！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
9、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=nV兴2）保灌系数法：WK=cmA3）水量利用系数法：WK=RP=50%P=75%P=90%复蓄指数n小型水库1.521.391.10塘坝1.571.421.20保灌系数c0.90.80.7塘坝小（2）型水库小（1）型水库水量利用系数0.40.40.50.50.6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
10、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。第二节区域可供水第二节区域可供水量的计算量的计算一、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
11、。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
12、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。n分区原则：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
13、集、处理与供给系统划分。调水按调水系统划分。4.工程安排布置当自然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。第第7章更详细。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
14、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，应归于第区域水资源优化配置
15、混为一谈了，应归于第5章。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
16、应归于这部分也应归于“第第5章水资源优化配置章水资源优化配置”部分。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水源I用水部门J分区K2.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
17、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，更属于优化模型的求解方法与过程，更属于“第第5章水资源优化章水资源优化配置配置”的内容。这里不能再讲了。的内容。这里不能再讲了。第三节供需平衡第三节供需平衡的概念与方法的概念与方法一、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
18、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
19、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（510年）、远期（1520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
20、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=9
21、5%）三个典型年的供需分析。三、区域水资源供需平衡分析1.一次供需平衡水资源一次供需平衡分析就是在流域现状供水能力与外延式增长的用水需求间所进行的供需平衡分析。水资源一次供供需分析主要目的是：了解和明晰现状供水能力与外延式用水需求条件下的水资源供需缺口。主要回答三个问题：确定在无新的供水工程投资条件下，未来不同阶段的供水能力和可供水量。确定在无直接节水工程投资条件下，未来不同阶段的水资源需求自然增长量。确定现状开发状态下，未来不同阶段的水资源供需缺口，为确定节水、治污和挖潜等措施提供依据。2.二次供需平衡分析水资源二次供需分析，主要是在一次供需分析的基础上，在水资源需求方面通过节流等各项措施控
22、制用水需求的增长态势，预测不同水平年需水量；在水资源供给方面通过当地水资源开源等措施充分挖掘供水潜力，给出不同水平年供水工程的安排；通过调节计算，分析不同水平年的供需态势。通过供给和需求两方面的调控，基本实现区域水资源的供需平衡，或者使缺口有较大幅度的下降。3.三次供需平衡分析水资源三次供需分析，是在二次供需分析的基础上，进一步考虑跨流域调水解决当地缺水问题，将当地水与外调水作为一个统一整体进行调配。将二次供需平衡的供需缺口作为需水项，以不同调水规模的方案作为新增供水项，参加水资源供需平衡。通过不同方案的对比和分析，为确定调水工程的规模提供依据。4.供需平衡宏观控制选取的计算水平年要与国民经济发展总目标协调一致。确定来水频率的典型年要合理，水资源的供需平衡是一种相对的平衡，具有一定的保证率概念。在某一保证率平衡了，在另一保证率就不平衡了。一个区域空间选择哪个保证率，是复杂的问题。进行河道外用水和河道内用水的协调平衡。严重缺水地区跨区调水的布局安排。要通盘规划、统筹考虑，保证地区之间的水资源供需的大致平衡。本章重点1、基本概念可供水量水资源供需平衡库容系数、复蓄指数水平年2、基本理论可供水量的影响因素有哪些？基于优化方法的可供水量计算模型是什么？三次供需分析的考虑出发点是什么？