水资源利用与保护5水资源供需平衡分析

第五章水资源供需平衡分析主要介绍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。本部分的重点是可供水量和需水量的计算原理与计算方法。一、水资源供需平衡分析的目的和意义定义：水资源供需平衡分析，是指在一定范围内(行政、经济区域或流域)不同时期的可供水量和需水量的供求关系分析。第一节概述目的：1、是通过可供水量和需水量的分析，弄清楚水资源总量的供需现状和存在的问题；2、是通过不同时期不同部门的供需平衡分析，预测未来，了解水资源余缺的时空分布；3、是针对水资源供需矛盾，进行开源节流的总体规划，明确水资源综合开发利用保护的主要目标和方向，以期实现水资源的长期供求计划。意义：水资源供需平衡分析是国家和地方政府制定社会经济发展计划和保护生态环境必须进行的行动，也是进行水源工程和节水工程建设，加强水资源、水质和水生态系统保护的重要依据。二、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)近期和远期相结合(2)流域和区域相结合(3)综合利用和保护相结合三、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。1.一种为系列法，2.一种为典型年法(或称代表年法)。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；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。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)的质量是至关重要的，将直接影响到供需分析成果的合理性和实用性。一种叫典型年法，另一种叫水资源系统动态模拟法(属系列法的一种)。三、水资源供需平衡分析的方法第二节水资源供需平衡分析的典型年法典型年(又称代表年法)：是指对某一范围的水资源供需关系，只进行典型年份平衡分析计算的方法。优点：可以克服资料不全(如系列资料难以取得时)及计算工作量太大的问题。一、典型年法的涵义首先，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＝75％，特别枯水年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：50％和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50％、75％和90％(或95％)三种代表年的水供需进行分析。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。二、计算分区和计算时段1区域划分在分区时一般应考虑以下的原则：(1)尽量按流域、水系划分，对地下水开采区应尽量按同一水文地质单元划分，这样便于算清水账。(2)尽量照顾行政区划的完整性。这样便于资料的收集和统计，另外，按行政区划更有利于水资源的开发利用和保护的决策和管理。(3)尽量不打乱供水、用水、排水系统。区域水资源计算时段可分别采用年、季、月、旬和日，选取的时段长度要适宜，才能把供需矛盾揭露出来。划分时段并非越小越好，时段分得太小，许多资料无法取得，而且会增加计算分析的工作量。对精度要求不高的，计算时段也可采用以年为单位。2计算时段的划分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型年的来水需要用统计方法推求。三、典型年和水平年的确定1不同频率典型年的确定首先：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进行频率计算，选择符合某一设计频率的实际典型年份，然后：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。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。常采用的一种方法是按实际典型年的来水量进行分配，但地区内降雨、径流的时空分配受所选择典型年所支配，具有一定的偶然性，故为了克服这种偶然性，通常选用频率相近的若干个实际年份进行分析计算，并从中选出对供需平衡偏于不利的情况进行分配。2．典型年来水量的分布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，并应与该区域的可持续发展的总目标相协调。3水平年一般情况下，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)。一般取前三个水平年即现状、近期、远景３个水平年进行分析，重要的区域可取4个水平年，资料条件差的一般地区，也有只取２个水平年的。供水系统：一个地区的可供水量来自该区的供水系统。从工程分类：蓄水工程、引水工程、提水工程和调水工程。按水源分类:地表水工程、地下水工程和污水再生回用工程类型；按用户分类:城市供水、农村供水和混合供水系统。四、可供水量和需水量的分析计算1.可供水量可供水量：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。与以下因素有关：1、来水条件2、用水条件3、工程条件4、水质条件可供水量不同于天然水资源量，也不等于可利用水资源量。一般，可供水量是小于天然水资源量，也小于可利用水资源量。对于可供水量，要分类、分工程、分区逐项逐时段计算，最后还要汇总成全区域的总供水量。可供水量计算项目汇总示意图在供水规划中，按照供水对象的不同，应规定不同的供水保证率，例如居民生活供水保证率P=95％以上，工业用水P=90％或95％，农业用水P＝50％或75％等等。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：2典型年法中供水保证率的概念%1001nmP正常供水：通常按用户性质，能满足其需水量的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)今后多年供水过程中有保证年数占总供水年数的百分数。不管哪一个年份，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都放到2000这一水平年去进行供需分析，计算供水有保证的年数占总年数的百分数，即为2000年这一水平年的供水遇到所有来水时的供水保证率。P=50％的来水就是指年来水总量大于或等于那一年(P=50％)的年数占统计样本总年数的50％。1、既然来水总量等于那一年(P＝50％)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％。2、对于P=95％的年份，供需分析得出不平衡，还缺水，说明其供水保证率不足95％。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。3需水量①工业用水的计算：工业用水一般指工矿企业在生产过程中，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。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：Qt=QC+QD+QRQt——总用水量，在设备和工艺流程不变时，为一定值，m3／a；QtQcQDQRQWQc——耗水量，m3／a；QD——排水量，，m3／a；QR——重复用水量，m3／a。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及越高，表示工业用水的有效利用程度越高。%100tRQQR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QR。占总用水量Qt的百分数表示：①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。2)工业用水的预测②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。③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：211211qq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：α——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(％)。α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。nqq)1(112112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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(3)生活用水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/1000Q生活——生活用水需求量，m3／a；q——人均生活用水定额，L／(人·d)；m——预测期用水人口数，人。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。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。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。4)农业用水①农业灌溉用水量的计算和预测对一个地区而言，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。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。灌溉用水量：是指灌溉面积上需要提供给作物的水量。一种作物一次田间灌水量(称净灌溉用水量)M净M净=mωm——作物某次灌水的灌水定额，m3／亩；ω——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。M净——净灌水量，m3；η——灌溉水利用系数，水净毛MM②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所占的比例不大，但一般都要求保证供水。②