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1、第五章 水资源供需平衡分析(1)5.1 概 述 5.2 水资源供需平衡分析的典型年法 5.3 水资源系统的动态模型分析 5.4 水资源动态模拟的实例分析 主要介绍水资源供需平衡分析的原则和方法；平衡分析的典型年法；计算分区和计算时段、典型年和水平年的确定，可供水量和需水量的计算；水资源动态模拟分析。本章的重点是可供水量和需水量的计算原理与计算方法。5.1 概 述 全国用水量从1949 年的1000 多亿m3增加到1997 年的5566108m3，这些巨大成就为我国社会经济的发展起到了很好的保证作用。据中国工程院中国可持续发展水资源战略研究综合报告(2000)分析估计，全国按目前的正常需要和不超
2、采地下水条件下，缺水总量约为300108400108m3。据有关专家预测，我国用水高峰将在2030 年前后出现，用水总量为70001088000108m3。经分析，全国实际可利用的水资源量约为8000X108 m39500108 m3，可见需水量已接近可能利用水量的极限。总之，我国经济社会的快速发展与水资源缺乏矛盾即水资源的需求矛盾日益突出。5.1.2 水资源供需平衡分析的原则 水资源供需平衡分析涉及社会、经济、环境生态等方面，不管是从可供水量还是需水量方面分析，牵涉面广且关系复杂。因此，供需平衡应遵循以下原则：(1)(1)近期和远期相结合（社会经济的发展）近期和远期相结合（社会经济的发展）(
3、2)(2)流域和区域相结合（跨区域、跨流域调水）流域和区域相结合（跨区域、跨流域调水）(3)(3)综合利用和保护相结合（提高效率与效益、保综合利用和保护相结合（提高效率与效益、保护生态）护生态）5.1.3 水资源供需平衡分析的方法 水资源供需平衡分析必须根据一定的雨情、水情来进行分析计算，主要有二种分析方法：系列法、典型年法(或称代表年法)。典型年法：仅根据雨情、水情具有代表性的几个不同年份进行分析计算，而不必逐年计算。系列法：按雨情、水情的历史系列资料进行逐年的供需平衡分析计算（水资源系统动态模拟法）；需要强调的是，不管采用何种分析方法，所采用的基础数据(如水文系列资料、水文地质的有关参数等
4、)的质量是至关重要的，其将直接影响到供需分析成果的合理性和实用性。根据需要来选择不同频率的若干典型年。我国规范规定：特别丰水年频率=5%丰水年频率=25%平水年频率50，一般枯水年频率75，特别枯水年频率=90(或95)。在进行区域水资源供需平衡分析时，北方干旱和半干旱地区一般要对P：50 和P：75 两种代表年的水供需进行分析，在南方湿润地区，一般要对P：50、P：75 和P：90(或95)三种代表年的水供需进行分析。1 区域划分 水资源供需分析，就某一区域来说，其可供水量和需水量在地区上和时间上分布都是不均匀的 分区进行水资源供需分析研究，便于弄清水资源供需平衡要素在各地区之间的差异，以便
5、对不同地区的特点采取不同的措施和对策。另外，将大区域划分成若干个小区后，可以使计算分析得到相应的简化，便于研究工作的开展。5.2.2 计算分区和计算时段 根据中国可持续发展水资源战略研究报告（第一卷），针对我国各地水资源条件、生态环境状况与社会经济发展的差异，将我国划分为9 大片：北方5 片 松辽河流域片、海滦河流域片、淮河流域片、黄河流域片、内陆河流域片 南方4 片 长江流域片、珠江流域片、东南诸河流域片、西南诸河流域片（表5-1）不同频率系指水文资料统计分析中的不同频率。前面已经提到，通常可选取如下几种频率，即P：50，P：75，P：90 或95，以代表不同的来水情况。典型年来水量的选择典
6、型年的来水需要用统计方法推求。5.2.3 典型年和水平年的确定1 不同频率典型年的确定（1）根据各分区的具体情况来选择控制站，以控制站的实际来水系列（样本）进行频率计算，选择符合某一设计频率的实际典型年份（2）求出该典型年的来水总量。可以选择年天然径流系列或年降雨量系列进行频率分析计算。如：北方干旱半干旱地区，降雨较少，供水主要靠径流调节，则常用年经流系列来选择典型年。南方湿润地区，降雨较多，缺水既与降雨有关，又与用水季节径流调节分配有关，故可以有多种的系列选择。水资源供需分析是要弄清研究区域现状和未来的几个阶段的水资源供需状况，这几个阶段的水资源供需状况与区域的国民经济和社会发展有密切关系，
7、并应与该区域的可持续发展的总目标相协调。一般情况下，需要研究分析四个发展阶段的供需情况，即所谓的四个水平年的情况，分别为：（1）现状水平年(又称基准年，系指现状情况以该年为标准)，（2）近期水平年(基准年以后5 年或10 年)，（3）远景水平年(基准年以后15 或20 年)，（4）远景设想水平年(基准年以后30 50 年)。3 水平年 可供水量：可供水量是指不同水平年、不同保证率或不同频率条件下通过工程设施可提供的符合一定标准的水量。包括区域内的地表水、地下水、外流域的调水，污水处理回用和海水利用等。有别于实际供水量，也不同于工程最大供水能力。5.2.4 可供水量和需水量的分析计算1 可供水量
8、 供水系统：一个地区的可供水量来自该区的供水系统。供水系统从工程分类，包括蓄水工程、引水工程、提水工程和调水工程。按水源分类可分为地表水工程、地下水工程和污水再生回用工程类型；按用用户分类可分为城市供水、农村供水和混合供水系统。可供水量的决定因素：（1）来水条件（上游、随机）（2）用水条件（用水、节水）（3）工程条件（4）水质条件 总之，可供水量不同于天然水资源量，也不等于可利用水资源量。可供水量计算项目汇总示意图 供水保证率:是指多年供水过程中，供水得到保证的年数占总年数的百分数，常用下式计算：式中:P 供水保证率；m 保证正常供水的年数；n 供水总年数。正常供水：通常按用户性质，能满足其需
9、水量的90 一98(即满足程度)，视作正常供水。两种确定供水保证率的方法：(1)上述的在今后多年供水过程中有 保证年数 保证年数占总供水年数的百分数。今后多年是一个计算系列，在这个系列中，不管那一个年份，只要有保证的年数足够，就可以达到所需保证率。(2)规定某一个年份(例如2000 年这个水平年)，这一年的来水可以是各种各样的，现在把某系列各年的 来水 来水都放到2000 这一水平年去进行供需分析，计算其供水有保证的年数占系列总年数的百分数，即为2000年这一水平年的供水遇到所用系列的来水时的供水保证率。200019902005 P：50 的来水就是指年来水总量大于或等于那一年(P：50)的年
10、数占统计样本总年数的50。既然来水总量等于那一年(P50)的能保证，则大于那一年(P：50)的一般也应该能保证(当然还有来水的时间分配问题)。所以，在典型年法中，若P：50 供需能平衡，则其供水保证率为P：50。频率与保证率3 需水量 需水量分析是供需平衡的主要内容之一。需水量可分为河道内用水和河道外用水两大类。河道内用水：包括水力发电、航运、放木、冲淤、环境、旅游等。河道内用水一般并不耗水，但要求有一定的流量、水量和水位，其需水量应按一水多用原则进行组合计算。河道外用水：包括城市用水和农业用水。城市用水又分工业用水、生活用水和环境用水。（1）工业用水1）工业用水的计算：工业用水一般指工矿企业
11、在生产过程中，用于制造、加工、冷却、空调、净化、和洗涤等方面的用水，是城市用水的一个重要的组成部分。根据1993 年统计，我国工业用水量占总用水量的17.4。由于工业部门内不同的行业的用水量相差很大，所以工业用水要按行业划分，利用水平衡法进行统计和计算：QtQcQDQRQW工业用水平衡图（模型）耗水量和排水量必须加以补充，二者之和称为补充水量，又称为取用水量，以Qw。故总用水量Qt 又可表示为补充水量和重复用水量之和：Qt=Qw+QR 工业用水重复利用率越高，表示工业用水的有效利用程度越高。工业用水水平一般以单位产量或产值所需的补充水量和重复利用率这两个指标来衡量，重复利用率R 以重复利用水量
12、QR占总用水量Qt的百分数表示：2）工业用水的预测 趋势法：用历年工业用水量增长率来推算未来工业用水量，按下式进行计算，Si=S0(1+d)n 式中Si某一年所预测的工业需水量，m3；S0 起始年的工业用水量，m3；d 业用水量年平均增长率，；n 从起始年份到预测年份所间隔的时间，a。相关法：相关法：工业用水的统计参数(如单位产值耗水量、工业用水增长率等)与工业产值有一定的相关关系，常用以下两种方法进行预测：建立工业用水增长率和工业产值增长率的相关关系来推求工业发展用水；建立工业产值和万元产值用水量的相关关系来推求工业发展用水。分行业重复利用率提高法：对于资料比较齐全的地方，一般采用按冶金、电
13、力、煤炭、石化、化工、机械、建筑、食品、纺织、缝纫、皮革、造纸、文教、木材等14 个行业或部门推算工业用水量，该法采用万元产值用水量和重复利用率这二个指标来推算工业发展用水，用下式计算：式中：q1 q2 分别为起始年和预测年的万元产值取用水量，m3万元；1 2 分别为起始年和预测年的工业用水重复利用率，。随着生产水平发展、设备工艺的改进、更新，万元产值的总用水量会逐渐减少，故上式可修改为：式中：考虑到设备工艺改进使得万元产值的总用水量平均下降率()。值愈大，则万元产值用水量愈少；n 起始年与预测年的相距的时间，a。(2)生活用水 生活用水：在城市中扣除工业用水(包括生产区的生活用水)之外所有的
14、用水，它包括城市居民住宅用水，公共建筑用水，市政用水，环境、景观与娱乐用水，供热用水及消防用水。在地域间我国的人均日生活用水量差异较大 最高：我国南方海南三亚，人均日生活用水量高达522L(人 d)，最低：我国北方的内蒙额尔古纳，人均日生活用水量仅为20 55L(人d)，两者相差达25 倍之多。根据1993 年统计，我国城市生活用水约占总用水量的9.2。城市用水要求供水的保证率不低于95。城市用水量一般可根据实际调查求得，其大小与城市有关 城市生活用水量的预测常用人均生活用水定额法推算，其计算公式为：Q生活=365qm/1000 式中 Q 生活生活用水需求量，m3a；q 人均生活用水定额，L(
15、人d)；m 预测期用水人口数；人。（参阅广东省用水定额）用水定额(water-use quota):生产单位产量的需水定量，或每人每日生活及每头牲畜的需水定量。参看P238(3)农业用水 农村用水:包括农、林、牧、副、渔业的用水，农村居民的生活用水、农村工业、企业用水等。（广义的农业用水）农业用水是我国主要的用水大户，而农业灌溉用水又是农业用水的主体，其包括种植业灌溉用水、林业和牧业灌溉用水，是通过水利工程设施输送到农田、林地和牧场以满足作物需水的水量。与城市工业和生活用水相比，具有面广量大、一次性消耗的特点，而且受气候的影响较大，同时也受作物的组成和生长期的影响。农业灌溉用水量的计算和预测
16、对一个地区而言，为进行农业灌溉用水量的计算和预测，首先需要弄清以下几个概念：作物需水量：作物在全生育期或某一时段内正常生长所需的水量，它包括消耗于作物蒸腾量和株间蒸发量(合称为腾发量)。农作物需水量可以通过田间实验来确定，它是决定灌溉用水量、灌溉引水量的重要的参数，也是进行地区水资源平衡分析计算的重要的依据。灌溉制度：是指作物播种前及全生育期内的进行适时适量灌水的一种制度，它包括灌水定额、灌水时间、灌水次数和灌溉定额。灌水定额为一次灌水在单位面积上的灌水量(m3亩)，灌溉定额则是全生育期内多次灌水定额之和 灌溉用水量：是指灌溉面积上需要提供给作物的水量，其大小及其在年内的变化情况，与各种作物的
17、灌溉制度、灌溉面积以及渠系水利用系数等因素有关。一种作物一次田间灌水量(称净灌溉用水量)M净可用下式求得：M净=m式中 m 作物某次灌水的灌水定额，m3亩；该作物的灌溉面积，亩 毛灌溉水量 灌溉水要经过各级渠道输送到田间，由于在渠道输水过程中的各种损失(渗漏、蒸发等)，因此引水量(亦可称作毛灌溉水量)必然大于田间的净灌溉水量。式中：M净净灌水量，m3；灌溉水利用系数，它的大小与各级渠道的长度、沿线的土质和水文地质条件，渠道工程状况(配套、衬砌等)以及灌溉管理的水平等有关 农业的其他用水 除了农业灌溉用水外，还包括农村居民生活用水、牲畜用水、渔业用水以及乡镇企业用水。这些用水虽然在整个农业用水中
18、所占的比例不大，但一般都要求保证供水。一般采用下述的方法进行估算，农村居民生活用水 可通过典型调查人均生活用水标准，按下式进行估算 式中 W居农村居民生活用水量，m3 a mi人均生活用水标准，L(人，d)；ni农村居民用水人数。牲畜用水 同理，可通过调查到或实测到的牲畜用水定额，按下式进行估算：渔业用水 渔业用水指养殖水面蒸发和渗漏所消耗水的补充量，按下式估算：式中 养殖水面积，m2 或km2 E 水面蒸发量，蒸发器折算系数，P 年降雨量，S 年渗漏量 单位换算系数，视具体情况而定 村办企业用水 村办企业包括小型工厂、小加工作坊等，其用水量的估算与工业用水的估算方法相类似，在调查的基础上，分行业进行估算 可供水量计算项目汇总示意图