水资源供需平衡分析PPT课件

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1、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、水资源系统的动态模拟分析方法、模拟模型的建立、检验和运行。第1页/共91页第一节 概 述 自1949年以来，我国进行了规模空前的水利建设，初步控制了大江大河的常遇洪水，大幅度提高年供水能力，达到5600多亿m3，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

2、究综合报告(2000)分析估计，全国按目前的正常需要和不超采地下水条件下，缺水总量约为300108400108m3。 总体上，因缺水造成的经济损失超过洪涝灾害。 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。第2页/共91页一、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。 其目的是： 1、是通过可供水量和需水量的分析，弄清楚水资源总量的

3、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第3页/共91页二、水资源供需平衡分析的原则 水资源供需子衡分析涉及社会、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：第4页/共91页三、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

4、、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。第5页/共91页 这里必须强调，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，其将直接影响到供需分析成果的合理性和实用性，以下将主要介绍两种方法： 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)。第6页/共91页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：是可以克服资料不全(如系列资料难以取得时)及计算工作量

5、太大的问题。第7页/共91页 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P：50、P：75和P：90(或95)三种代表年的水供需进行分析。第8页/共91页 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

6、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。第9页/共91页 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。第10页/共91页 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，划得太大往往会掩盖供需之间的矛盾，缺水期往往是处在时间很短的几个时段里，因此只有把计算时段划分得合适，才能把供需矛盾

7、揭露出来。 但划分时段升非越小越好，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计算时段的划分第11页/共91页 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。1不同频率典型年的确定第12页/共91页 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

8、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。1不同频率典型年的确定第13页/共91页 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第14页/共91页 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

9、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。 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3050年)。3水平年第15页/共91页 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

10、村供水和混合供水系统。 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。1可供水量第16页/共91页 可供水量计算项目汇总示意图1可供水量第17页/共91页 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P50或75等等。 供水保证率的概念，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式中P供水保证率；m保证正常供水的年数；n供水总年数。

11、%1001nmP第18页/共91页 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)上述的在今后多年供水过程中有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。2典型年法中供水保证率的概念20001990200

12、5第19页/共91页 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。 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。2典型年法中供水保证率的概念第20页/共91页 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。 但这样的结论太笼统，并不说明各用水部门供需的矛盾，实际上对生活、工业、农业供水应区别对待，有时生活工业部门仍可保证供水(只要供水系统有保证)，而所缺水主要应由农业等部门来承担。

13、因此，应具体分析区域内哪些用水部门真正缺水及其缺水程度和影响，然后做出科学的分析评价及提出解决的具体措施。2典型年法中供水保证率的概念第21页/共91页 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需水量第22页/共91页 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

14、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：3需水量-(1)工业用水第23页/共91页 Qt=QC+QD+QR 式中 Qt总用水量，在设备和工艺流程不变时，为一定值，m3a；3需水量-(1)工业用水QtQcQDQRQWQc耗水量，工矿企业生产过程中消耗掉的水量，包括蒸发、渗漏等损失水量，以及产品带走的水量，m3a；：QD排水量，经过工矿企业使用后，向外排放的水，多指未重复利用的废污水量， QR重复用水量，生产过程中二次以上的用水，包括循环用水量和二

15、次以上的用水量，m3a。第24页/共91页 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+QR3需水量-(1)工业用水第25页/共91页 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。%100tRQQR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：3需水量-(1)工业用水第26页/共91页趋势法：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

16、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。3需水量-(2)工业用水的预测： 第27页/共91页 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需水量-(2)工业用水的预测： 第28页/共91页 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1

17、4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，。211211 qq3需水量-(2)工业用水的预测： 第29页/共91页 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。nqq)1 (1121123需水量-(2)工业用水的预测： 第30页/共91页 生

18、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 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2055L(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3需水量-(3)生活用水第31页/共91页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

19、公式为：式中 Q生活生活用水需求量，m3a； q人均生活用水定额，L(人d)； m预测期用水人口数；人。3需水量-(3)生活用水第32页/共91页 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，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。3需水量-(4) 农业用水第33页/共91页 农业灌溉用水量的计算和预测 对一个地

20、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 3需水量-(4) 农业用水第34页/共91页农业灌溉用水量的计算和预测灌溉用水量：是指

21、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：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3需水量-(4) 农业用水第35页/共91页 农业灌溉用水量的计算和预测 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

22、的水平等有关水净毛MM3需水量-(4) 农业用水第36页/共91页 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。 一般采用下述的方法进行估算，3需水量-(4) 农业用水第37页/共91页 农业的其他用水 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 农村居民生活用水量，m3a 人均生活用水标准，L(人，d)； 农村居民用水人数。iimnW365. 0居居Wimin 3需水量-(4) 农业用水第38页/共91页 农业的其他用水 牲畜用水 同理，可通过调

23、查到或实测到的牲畜用水定额，按下式进行估算：iimnW365. 0牲3需水量-(4) 农业用水第39页/共91页 农业的其他用水 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 SPEW渔3需水量-(4) 农业用水第40页/共91页 农业的其他用水 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3需水量-(4) 农业用水第41页/共91页(一)水资源的供需平衡分析的分类第42页

24、/共91页 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： 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。(一)水资源的供需平衡分析的分类第43页/共91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，必须以现状的供需

25、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。(一)水资源的供需平衡分析的分类第44页/共91页 3从供需分析的深度，可划分为： (1)不同发展阶段(不同水平年)的一次供需分析； (2)不同发展阶段(不同水平年)的二次供需分析。 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。(一)水资源的供需平衡分析的分类第45页/共91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

26、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。(一)水资源的供需平衡分析的分类第46页/共91页 计算单元的供需分析应包括上述的几方面的内容，简要分述如下： (1)现状供需分析 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。(一) 计算单元的供需分析第47页/共91页 (1)现状供需分析 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 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； 计算单元内的分项需水量，m3a； n2 计算单元内城水量的分项数；

27、W余缺水量，m3a；WWWniinii12111需供iW供iW需(一) 计算单元的供需分析第48页/共91页第49页/共91页 (1)现状供需分析 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。(一) 计算单元的供需分析第50页/共91页 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。(二) 整个区域的水资源供需分析第51页/共91页 2同频率法：其一般的步骤是，根据实际情况先把整个区域划分

28、为若干个流域，每个流域根据各自的雨情、水情情况选择各自的代表年。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。(二) 整个区域的水资源供需分析第52页/共91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，必然造成可供水量的减少。 因此，计算今后的可供水量要和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

29、长期要求，又要做到水资源不受到破坏。(三) 不同发展阶段(水平年)的供需分析第53页/共91页 一个区域的水资源供需系统：是由来水、用水、蓄水和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、如地面水库和地下水库等、有本区产水和区外来水或调水，而且彼此互相联系，互相影响。 用水系统：由生活、工业、农业、环境等用水部门组成， 输、配水系统：即相对独立于以上的两个子系统又起到相互联系的作用。第54页/共91页 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55页/共91页 与典型年法相比，水资源供需平衡

30、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56页/共91页 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

31、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57页/共91页 但模拟并不能直接回答规划中的最优解问题，而是给出必要的信息或非劣解集，可能的水供需平衡方案很多，需要决策者来选定。 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。

32、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58页/共91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59页/共91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，

33、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。ttttttWEQWAWIWQWW1第60页/共91页 2模型的调参和检验 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。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。但是，按设计方案正式运行模型之前，必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61页

34、/共91页 2模型的调参和检验 (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，有的则是什么资料都没有。第62页/共91页 2模型的调参和检验 （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63页/共91页 2模型的调参和检验 （3）修正： 模型与实际吻合好坏的标准，要作具体分析。计算

35、值和实测值在数量上不需要也不可能要求吻合得十分精确。 该法在水资源系统分析中用得最多的一种校核方法，可作各个方面的水量平衡校核，。第64页/共91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65页/共91页第四节、水资源动态模拟的实例分析现以华北地区某县作为研究区为例来简

36、要说明水资源动态模拟的过程。第66页/共91页 研究区的总面积为10356km3，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67页/共91页第68页/共91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69页/共91页 根据河系界线，水文地质

37、和土壤的差异以及行政区界线等条件将研究区细分为七个子区，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70页/共91页第71页/共91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72页/共91页 由于该研究区几乎无地表水资源可用，地下水成为

38、研究区的主要用水水源，因此以各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73页/共91页对于地下水体而言，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。

39、1确定来水量的子模块iiiApI第74页/共91页 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。 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。2用水预测计算的子模块iiiiEPWW1第75页/共91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

40、缺水，应按下式确定灌水量 )(maxEiPiWiWIi2用水预测计算的子模块第76页/共91页 工业用水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。111212QKQIW2=B2Q2nK)1 (2用水预测计算的子模块第77页/共91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

41、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（t1）时段末各子区地下水位3地面水地下水联合调度的工作子模块iFiWHiiiFiWHii 0)() 1(HiHiHitHitHi01 ttt第78页/共91页 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

42、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4地下水动态有限元计算子模块第79页/共91页 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

43、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80页/共91页第81页/共91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

44、(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区降雨入渗补给及潜水蒸发量；第82页/共91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，

45、并根据指令输出计算成果或形成有关的数据文件。第83页/共91页 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

46、及选用的参数基本上符合实际情况第84页/共91页 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85页/共91页第86页/共91页第87页/共91页第88页/共91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1000

47、X104m3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“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89页/共91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。 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90页/共91页感谢您的观看！第91页/共91页