水資源可供水量與供需平衡分析

第四章水資源可供水量與供需平衡需分析

主要內容第一節水利工程可供水量計算第二節區域可供水量分析第三節供需平衡分析概念與方法2第一節水利工程可供水量計算一、可供水量的定義1.可供水量概念（1）概念可供水量是指在不同水平年、不同保證率的情況下，考慮需水要求，供水工程設施可能提供的水量。也可以定義為：在給定的來水條件下，考慮供水對象的需水要求，通過水利工程可以提供的水量。（2）分析不同水平年，現狀、近期、遠期。反映供水工程與用水工程情況。不同保證率，豐、平、枯，反映來水情況。需水要求，反映用水工程?？晒┧?，不是供水工程最大供水量，也不是實際供水量，是最大供水能力中能被用水工程利用的那部分。有別于工程的實際供水量和工程的供水能力。工程的棄水和不能為用戶所利用的水量都不能作為工程可能提供的水量。舉例：農業灌溉，在非灌溉期的那部分引水量是毫無用處，因此，許可的引水量必須從年最大可引水量中減去用戶不用水的量。供水工程包括：蓄、引、提、調水工程及臨時工程。如圖1所示，在豐水年份，供水能力較大，而需水量很小，故有棄水，可供水量決定于需水量，在枯水年份（圖右側）需水量較大

，但供水能力小，

可供水量決定于

供水能力，小于

需水量。2.可供水量的意義和目的

從區域水資源分析的內容和目的來看，引進的可供水量概念要滿足如下要求：能在區域水資源分析計算中，反映出水資源的余缺程度。有別于工程的實際供水量和工程的最大供水能力。工程的棄水和不能為用戶所利用的水量都不能作為工程可能提供的水量。能適應現狀、近期和遠景各種不同水平年的供需分析。能適應全國范圍以及不同的計算方法3.影響可供水量的因素來水條件。不同年的來水變化，以及年內的時空變化，所算出的可供水量不同。用水條件。不同年的用水特性（用水結構、分布、性質、要求、規模等）、合理用水節約用水情況等，所算出的可供水量是不同的。另外用水條件之間也常相互影響，如河道的沖淤、河道內的生態環境用水等都可能直接影響河道外工業、農業、城市生活的可供水量；河道上游的用水要求也可能影響下游的可供水量，等等。水質條件。不同年的水源泥沙和污染程度等情況，會影響所提供的可供水量大小。高礦化度地下水，未經改良和處理，不能供工農業生產使用，更不能供城鄉人畜生活飲用。工程條件?，F有工程參數的變化，不同的調節運用方式以及不同發展時期新增工程設施等情況，都會算出不同的可供水量。

4.可供水量計算方法

在區域水資源供需分析中，可供水量常用的計算方法有兩種：（1）系列調算法（2）典型年調算法

計算整個區域的可供水量，一般先從單項工程計算入手，單項工程（蓄、引、提水工程等）可供水量計算是基礎，然后再進行綜合分析計算。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計算。引水工程可供水量的大小與河道天然來水量、下游河道過水流量要求、引水工程過水能力、用戶的用水要求有關。式中：Wk—引水工程可供水量；D—用戶需水量；Qmax—引水工程供水能力；Yup—河道來水量；Ydonw—第河道下游要求水量。2.一用戶情況分析有一河流引水工程向某地區供水，引水工程供水能力Qmax＝70m3/s，河道下泄要求Ydown=60m3/s，河道來水量和用戶用水量見下表，試計算該工程可供水量。

求解：月份123456789101112來水Yup11011011012013014015015013011510090需水Dt658050705090607075605080求解505050605070607070554030河道來水量與用戶用水量過程，單位：m3/s`3.二用戶情況分析有一河流引水工程向兩個用戶供水，河道下泄量要求30m3/s，引水工程供水能力不受限制。其它情況見圖，流量按s計算。試計算該工程可供水量。分析引水工程的可供

水量，有三種情況：

1）屬地優先權原則

2）均衡受益原則

3）重要性原則區間入流I＝60來水Y＝120用戶1用戶2回歸水β＝20%需水D2＝200需水D1＝100（1）屬地優先權原則先盡量滿足上游用戶，再滿足下游用戶計算之：Q1＝90m3/s，Q2＝78m3/s（2）均衡受益原則水資源緊缺，兩用戶均衡受益，供水量與需水量之比相等（缺水量與供水量之比相等，意思一樣）。計算之：Q1＝53.6m3/s，Q2＝107.1m3/s（3）重要性原則水資源緊缺，根據兩用戶需水重要性來考慮，重要性可用權重表示。注意這里只能用缺水量與需水量之比表示了。按生活：工業：農業＝4：2：1分析，取α1＝1，α2＝2計算之：Q1＝27.7m3/s，Q2＝127.7m3/s三、蓄水工程蓄水工程對來水在時間和數量進行重新分配，計算更復雜些。1.大、中型水庫簡單起見，一般可按年調節情況考慮。年初和年末庫容均為水庫的死庫容。Yt表示t時段來水量，Dt表示t時段需水量，Qt表示t時段可供水量，Vt表示t時段初水庫蓄水量，△t＝90天，一年劃分4個時段。三種模式：有水就用、過程相似、綜合考慮。（1）有水就用（類似屬地優先法）總來水量小于需水量情況。首先滿足前期用水，缺水主要集中于后期。不便于生活與生產的安排。不合理?。?）過程相似（類似均衡受益法）總來水量小于需水量。各時段的缺水程度相似，來分配水量。合理！（3）考慮水庫蓄水庫容限制總來水量小于需水量情況。各時段的缺水程度相似，來分配水量。根據水庫蓄水庫容限制，前期多余的無法蓄納的水量則優先滿足本時段用水，余留時段再根據過程相似原則進行水量分配。既考慮了水庫蓄水庫容，又考慮各時段需水要求。合理！大、中型水庫可供水量的補充知識1、年調節水庫

式中：WK：可供水量；M：月用水工程需水量；：月水庫供水量；水庫蓄變量（只指興利庫容部分）。蓄水工程的計算有：典型年調節法、系列調算法、簡化計算法。（1）典型年調算法

某水庫向下游灌區供水，灌區灌溉面積13.9萬畝，灌溉設計保證率P＝85%，毛灌溉定額800m3/畝。豐水年。保證率低于設計保證率時，來水量大，用水量小，此時可供水量根據用水量確定。水庫供水能力未能充分發揮?？菟?。保證率同于設計保證率時，來水量小，用水量大，此時可供水量根據水庫供水能力確定。用水得不到滿足。大、中型水庫可供水量的補充知識時間來水量灌溉用水量余或虧水量水庫棄水量月末水庫水量水庫總放水量

7.511.70.51.24.74.05.221.70.21.55.00.55.234.50.14.44.90.05.0450.30.050.329.321.029.3569.23.965.325.460.929.3637.315.521.813.968.829.476.424.2-17.80.151.024.387.821.7-13.90.137.021.896.632.0-25.40.011.632.0101.513.1-11.60.00.013.11113.30.113.25.18.15.2124.60.04.65.27.55.2全年204.9111.16

93.7

204.9表4-1某水庫頻率P＝85%設計枯水典型年調節計算表，單位：百萬m3大、中型水庫可供水量的補充知識（2）系列調算法：同前典型年調算法。應采用系列調算法，根據來水、用水的長系列資料，用時歷法逐年進行調節計算。（3）簡化計算法

遇到下述情況時，可采用簡化計算方法：用水戶可以擴大的水庫工程。在豐水年，來水量大于用水戶需水量時，用水戶擴大用水量，全部利用多余水量，可供水量達最大值。特別是適用于北方地區。用水戶已經飽和的水庫工程。實際供水量（需水量）做為可供水量。大、中型水庫可供水量的補充知識水庫資料不全時，先以完備的資料進行來水和供水關系，再移植到資料不全的水庫。

簡化計算用的參數：庫容系數：水庫的調蓄庫容（興利庫容或有效庫容）與水庫控制流域面積以上多年平均來水量之比值。常用β表示。當β<0.30時，可視年調節水庫。水庫庫容系數β大于0.3~0.5時，水庫就是多年調節水庫。當年的來水并非全部為當年用，而要以豐補枯。大、中型水庫可供水量的補充知識水量利用系數法

式中：M是水庫可供水量。是水庫多年平均來水量以面是簡化計算的主要步驟：選擇資料齊全的不同調節能力（庫容系數）的典型水庫，逐年計算ai，對ai進行頻率分析，求出P＝25%、50%、75%、90%的ai。建立a為橫坐標、β為縱坐標，P為參數的α~β~P(%)關系圖。大、中型水庫可供水量的補充知識利用關系圖，可以查出不同頻率、不同庫容系數下的水量利用系數α。利用下式，可以計算可供水量。大、中型水庫可供水量的補充知識2.多年調節水庫水庫庫容系數β大于0.3~0.5時，水庫就是多年調節水庫。當年的來水并非全部為當年用，而要以豐補枯。應采用系列調算法，根據來水、用水的長系列資料，用時歷法逐年進行調節計算。簡化方法，類似于年調節水庫的簡化方法，自己看書。大、中型水庫可供水量的補充知識2.小型蓄水工程小型蓄水工程，包括小型水庫、塘壩等，數量多，缺乏實測資料，往往采用“復蓄指數”法來估算可供水量。復蓄指數：水庫、塘壩年可供水量與有效庫容之比值。復蓄指數一般大于1.0。與集雨面積、來水多少、有效庫容大小、擔負灌溉面積等多種因素有關。小型蓄水工程可供水量：

式中：n—復蓄指數，V—水庫、塘壩的有效庫容。小型蓄水工程數量多，資料缺乏，計算簡單。1）復蓄指數法：WK=n×V興2）保灌系數法：WK=c×m×A3）水量利用系數法：WK=α×RP=50%P=75%P=90%復蓄指數n小型水庫1.521.391.10塘壩1.571.421.20保灌系數c0.90.80.7塘壩?。?）型水庫小（1）型水庫水量利用系數α0.40.4－0.50.5－0.6小型水利工程復蓄指數與保灌系數表小型水利工程水利利用系數表四、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.從河道提水主要取決于提水設備能力和用戶需水要求，也受指定保證率下河道的來水情況、最低枯水位、下游河道的水流要求等因素制約。全年最大可供水量：

式中：Q上、Q下—河道上游來水量和下游要求下泄水量；Q設—提水設備能力；D—用戶需水量。2.從地下提水主要取決于地下水補給量、地下水開采井的設備能力限制。地下水多年平均可供水量的控制極限一般為多年平均綜合補給量。也可用提水工程抽取流量的大小與開機時間相乘。五、地下水可利用水量的計算1.地下水可利用分析地下水可利用量：指地下水源長期有保證的供水量。其值等于地下水可能最大補給量與地下水的無效損失量之差。地下水的可能最大補給量：指在理想條件下，地下水庫能得到的最大補給量，即各個有長期保證的補給量之和的最大值。地下水可能最大的補給量與哪些因素有關？地下水的可能最大補給量是人類可開發利用的水資源量的上限。地下水可能最大補給量隨著補給條件的改變而變化。地下水無效損失量：指地下水排泄中未被利用的部分，包括地下水流出量、越流排泄量和潛水蒸發的無效部分。與哪些因素有關？無效損失量隨地下水埋深的增加而相應減少。地下水可利用水量計算公式2.地下水可供水量計算實際供水量調查法根據泵站的提水能力與開機時間計算根據耗電量和耗油量計算根據灌水次數和灌水定額計算可開采系數法地下水可開采量與地下水資源量之比稱為可開采系數。地下水可開采系數一般在0.7~0.8第二節區域可供水量的計算一、區域可供水量計算原則1.計算原則先用小工程的水，后用大工程的水。先用自流水，后用蓄水和提水。先用離用戶較近的水，后用遠處的水。先用地表水，后用地下水。先用本流域的水（包括過境水），后用外流域調水。自來水用于生活和一部分工業，其他水用于水質較低的農業和部分工業。2.注意事項按照區域不同保證率選定的典型代表年，取各項工程同一年份的供水量匯總。按地表水可供水量和地下水可供水量匯總。避免可供水量的重復計算。區域可供水量匯總成果的合理性檢查。（1）可供水量定義為供水工程設施所提供的水量。（2）可供水量的定義考慮需水要求。二、區域可供水量計算模型概化分析1.水資源系統組成分析水資源系統：指處在一定范圍或環境下，為實現水資源開發利用目標，由相互聯系、相互制約、相互作用的若干水資源工程單元和管理技術單元所組成的有機體。水資源系統一般由：水源、調蓄工程、輸配水系統、用水戶、排水系統等部分組成。2.用水戶概化區域內用水戶眾多，可將研究區進行分區，每個分區作為一個供水對象。分區要因地制宜，不宜過大，也不宜過小。分區過大，易掩蓋矛盾，整體的不缺水掩蓋局部的缺水，或整體的缺水掩蓋局部的不缺水。分區過小，工作量將成倍增加。逐級分區：一級分區、二級分區、三級分區等。。。。分區原則：按自然地理單元分區。按行政區劃分區。按自然地理單元分區。按社會經濟單元劃分。按流域水資源分區與區域行政分區相結合的方法進行劃分。分區后再根據用水性質劃分用水類型。3.水源劃分如上圖所示，水源可劃分為：當地水和外來水。當地水又分為：地表水、地下水、再生水等。外來水分為：流入本地的河流等客水、跨區域調水等。根據水源類型進行劃分地表水按照流域水系進行劃分地下水按含水層所屬地質單元劃分。再生水按收集、處理與供給系統劃分。調水按調水系統劃分。4.工程安排布置當自然條件下水資源的時空分布無法滿足需水要求時，需要建立水利工程進行水資源的時空調配。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。輸水工程水處理工程等。5.水資源系統網絡圖水源與分區分類型用水戶之間的地理位置與水量供需關系，用拓撲網絡圖表示。系統網絡圖包括：計算單元、水利工程、分匯水節點、各種輸水通道等。第7章更詳細。計算單元：最小一級的計算分區，“面”元素。水利工程：點、線、面都有。分匯水節點：天然節點和人為節點，“點”元素。輸水通道：天然河流與水利工程，“線”元素。東平湖古時稱蓼兒洼、大野澤、巨野澤、梁山泊、安山湖，到清朝咸豐年間才定名稱為東平湖，是《水滸傳》中八百里水泊唯一遺存水域，山東省第二大淡水湖泊。湖區總面積627平方千米，其中一級湖常年蓄水，面積209平方千米，平均水位高程40.75米，南水北調東線一期工程完成后，東平湖平均水位高程將達41.5米，將淹損耕地3.6萬畝，東平湖蓄水面積將達到25萬畝。三、基于模擬方法的可供水量計算按水資源系統網絡圖，考慮水源水量、需水要求、工程供水能力等約束，按照統籌兼顧的原則，合理安排各種水源各類工程的供水方案。這一個試算的復雜過程。實際上，這里的區域可供水量與區域水資源優化配置混為一談了，應歸于第5章。

區域水資源的一般性調配規則包括以下方面。（1）計算程序自上而下，先支流后干流，逐單元計算。考慮水量平衡的原則，多用水戶采用“分散余缺”原則。（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，后用外流域調水；水質優的用于生活等用戶。（3）用水次序先盡量滿足生活需水，再依次是河道內最小生態需水、工業和第三產業需水、農業需水、河道外生態需水等。（4）約束與關聯約束包括：各類水源的水量、水位、水質等；各類用水戶的需水水量、水質等；供水工程的過水流量等；針對一個單元：上一單元退水：本單元來水：本單元棄水：四、基于優化方法的可供水量計算這部分也應歸于“第5章水資源優化配置”部分。優化方法需要數學模型，數學模型包括：決策變量、目標函數、約束條件，分別述之。1.決策變量區域劃分成J個分區，用水部分分為K個用水類型，供水水源點為I個。供水時段為T決策變量是：在第t時段內區域第i個供水水原給第j個分區的第k個用水部門的供水量，Qijkt水源I用水部門J分區K2.優化模型（1）目標函數優化目標有很多，如效益最大、費用最小、環境最好等。本次設定優化目標為區域供水系統相對總缺水量最小。（2）約束條件約束條件很多，水源水量、用水戶需水量、水利工程過水能力等?？晒┧考s束需水量約束供水能力約束力工程運行可行域約束

對特定水源，其供水應在調節計算的約束域內進行，如水庫運行的水位限制條件等。變量非負約束優化模型的求解方法與過程，更屬于“第5章水資源優化配置”的內容。這里不能再講了。五、區域可供水量預測未來可供水量，對供需平衡分析，有重要意義。它是在國發經濟發展規劃預測、需水量預測的基礎上進行的。可供水量預測主要考慮：新增供水工程、現有工程完善配套等方面引起的供水量變化，以及用水量變化。1.新增供水工程的原則應以用水需要為依據，與用水需求相適應，并努力做好合理用水、節約用水和合理布局。要考慮國家、集體投資建設費用的約束。要考慮本區域水資源開發利用程度的約束。要以流域規劃、地區規劃以及供水規劃為依據。供水工程的安排，應從經濟效益、社會效益、環境生態效益及方面綜合權衡。1.可供水量的預測供水工程設施規劃（1）改善供水工程內部結構，增建骨干蓄水工程。（2）現有工程的完善配套和標準化改造。（3）調整現有電灌站布局?？晒┧款A測計算。方法與前面相同第三節供需平衡的概念與方法一、供需分析的概念1.水資源供需平衡分析概念是指在一定區域，一定時段內，對某一發展水平年和某一保證率的各部門供水量和需水量平衡關系分析。或：在特定的水資源條件和需水要求下，充分發揮水利工程的作用，通過水利工程的調節計算，可得到水利工程供水與需水之間的關系。供水量和需水量相近為平衡，供大于需的部分為余水量，供小于需的部分為缺水量。2.水資源供需分析的目的摸清區域內水資源供需現狀，預測未來，揭示區域內水資源供需關系的內在規律和主要矛盾，探討水資源開發利用的途徑與潛力，提出實現水的長期穩定供給方案，為加速工農業生產的發展和水利建設提供科學依據。3.水資源供需分析的重要性供需分析中的供水與需水應該相互協調、平衡。供需分析中涉及的方面與國民經濟和工農業生產有密切的關系。研究水資源供需分析，對解決余缺水量的對策顯得十分重要。4.水資源供需分析的主要內容分析水資源供需現狀和存在的一些問題；分析不同發展階段（不同水平年）水資源供需情況和實現供需平衡方向；研究解決與供需平衡對應的余缺水量的對策，分析實現本區域水的長期穩定供給的措施和計劃方案。5.供需分析中幾個基本概念（1）分區單元：

水資源供需關系分析，一般需要將一個大的區域劃分成若干分區。對每一分區單元進行供需分析，然后逐級匯總。（2）計算時段：水資源供需平衡計算時段的劃分，總的原則是：能夠突出不同時段的水資源量的余缺情況，不至于掩蓋水資源的供需矛盾。（3）水平年：供需分析中選擇出的代表年，要能夠反映區域發展不同階段社會經濟達到的水平、相應的需水水平和水資源開發水平，所以通常稱其為水平年。水平年可設：現狀水平年（基準年）、近期（5－10年）、遠期（15－20年）水平年還應分不同保證率，即同一水平年應選幾個不同的保證率，分別代表平水、枯水特枯水年進行供需分析。代表年：通常所說的典型年，由系列中選擇出具體年份。1.系列法選擇代表性的系列，進行逐年供需分析。系列法要求資料多，工作量大，適用于大區域、重要地區的供需平衡分析。通過對長系列調節計算結果的統計分析，可以得到不同來水頻率下的各分區各部門的余缺水量。二、分析方法2.典型年法選擇代表性的系列，根據降水頻率，選取典型年進行供需分析。一般地，平水年頻率P=50%，枯水年（偏旱年）頻率P=75%；特枯水年（干旱年）頻率P=