许昌市水资源合理配置与优化管理研究(周念清)

报告人：周念清教授同济大学土木工程学院水利工程系许昌市水资源合理配置与优化管理研究TONGJIUNIVERSITY汇报内容1234研究背景水资源调查评价供需水预测水资源配置5水资源管理一、研究背景水资源是基础性的自然资源、战略性的经济资源和公共性的社会资源，是实现经济和社会可持续发展的重要物质基础。水资源的合理配置与优化管理能够实现水资源综合治理、有效保护和科学分配，实现水资源可持续发展。十八大提出生态文明建设的重要指示：建设生态文明，是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计，优化国土空间开发格局，全面促进资源节约，加大自然生态系统和环境保护力度，加强生态文明制度建设。许昌市于2013年被列入全国45个水生态文明建设试点城市之一，为许昌市带来了新的发展契机。许昌市水问题严重水资源缺乏地下水超采严重水污染程度增大一、研究背景全国水资源分布及人均水资源量河南省各市水资源总量全国水资源总量为2.8万亿m³，人均水资源量为2100m³河南省水资源总量为408亿m³，人均水资源量为414m³许昌市水资源总量为8.78亿m³，人均水资源量为208m³一、研究背景许昌人均水资源量与我国及世界水平比较2002-2011年许昌市总水资源量、人均水资源量与人口变化趋势许昌市人均水资源量为208立方米/人，只有全国人均的10%，全省人均的51%。随着人口增长，人均水资源量呈现下降趋势。在总水资源量没有大幅提升的情况下，水资源将对当地经济发展和人口增长产生制约作用。一、研究背景2011年许昌市行政分区供水量及水源组成图魏都区和禹州市地表水源供水量占本市总供水量的85.9%和55.0%，其他县市区供水量主要依靠地下水，地下水供水量均在77%以上。襄城县、长葛市、鄢陵县存在明显的降落漏斗，说明该地区地下水开采强度较大。2011年许昌市地下水位等值线图襄城降落漏斗长葛降落漏斗鄢陵降落漏斗一、研究背景一、研究背景许昌市主要河道污染严重，生物多样性降低。许昌市水资源问题已影响到了区域的可持续发展，成为经济发展和人民生活水平提高的重要制约因素。随着经济的发展、人民生活水平的进一步提高，水资源的制约作用会体现的越来越明显。因此从长远角度出发，对许昌市的水资源进行合理配置和优化管理研究，对于今后水资源的开发利用、水利工程建设以及城市防洪等工作的开展，具有十分重要的现实意义。一、研究背景许昌市属于暖温带季风气候区，雨量充沛，光照充足，无霜期长。因大陆性季风气候，多旱、涝、风、雹等气象灾害。年平均降水量为727.5mm，年最多降雨量为1129.0mm，年最少降水量为412.4mm，年蒸发量1656.3mm二、水资源调查评价气候地理特征许昌市1953~2011年多年月降水量分配情况见图。每年6~9月的平均降水量占平均年降水量的63.5%。汛期暴雨强度较大，多年平均净流量96.1毫米，西部115.1毫米，中部84毫米-89毫米，东部81.9毫米。人工河(颍汝总干渠)等，河川年径流总量为0.9亿立方米。二、水资源调查评价气候地理特征采用控制站水量系列的面积比缩放法。根据控制站天然年径流量除以控制站集水面积，求得控制站以上的年径流深，并借用到未控区间上计算其年径流量。则其中，W1、W2分别为基本计算单元和控制站（一个或几个）的水量；F1、F2分别为基本计算单元和控制站（一个或几个）的面积；R为控制站的径流深。二、水资源调查评价地表水资源量计算许昌市水文站、雨量站位置许昌市以大陈闸和化行闸站位控制站，以其还原后的年径流量加控制站下未控制区的天然径流量求得，为控制区天然径流量利用控制区和未控制区面积比进行计算。二、水资源调查评价地表水资源量计算主要针对浅层地下水资源量进行计算。补给量法：主要补给量包括垂向补给量和侧向补给量。垂向补给主要是：降水入渗补给量(Q雨)、田间灌溉入渗补给量(Q灌)、渠道渗漏量(Q渠)。侧向补给主要是：由于水力梯度引起的侧向补给。垂向补给量的计算依据：1根据地下水埋深资料确定各行政分区的地下水位的平均埋深；2参考《河南省水资源》的降雨入渗系数、灌溉入渗系数、渠道渗漏系数的经验取值；3参考《2011年河南省水资源公报》和《2011年许昌市水资源公报》的降雨量和农田灌溉资料侧向补给量的计算依据：1根据地下水位监测资料绘制地下水位等值线图；2对各行政分区利用Darcy公式计算侧向补给量地下水资源量计算二、水资源调查评价二、水资源调查评价许昌市水资源合理调度与优化管理研究TheresearchonrationalallocationandoptimalmanagementofwaterresourcesinXUCHANGCity地下水资源量计算数值模拟法：美国地质调查局(USGS)的地下水模拟程序MODFLOW，为目前最被广泛使用之地下水模式之一，可以应用于饱和地下水流问题。根据许昌市地下水监测资料，区域地下水可用无压非稳定流进行模拟。有限差分网格结点29403个，网格19200个，其中有效网格10114个。模型剖分图二、水资源调查评价许昌市水资源合理调度与优化管理研究TheresearchonrationalallocationandoptimalmanagementofwaterresourcesinXUCHANGCity地下水资源量计算数学模型（潜水非稳定流）许昌市地下水模型边界条件其中，为渗透系数；qs为单位体积流量；Ss为贮水率。边界条件1第3rd边界条件(GeneralHeadBoundary)

主要河流2第2nd边界条件(SpecifiedFlowBoundary)

西部山区和东部平原出流边界初始条件：模拟初始时刻取2009年1月1日，模型识别阶段为2009年1月1日~2011年12月1日，2012年地下水资料用于模型参数验证。2009年1月1日的地下水流场等值线图（初始流场）许昌市水资源合理调度与优化管理研究TheresearchonrationalallocationandoptimalmanagementofwaterresourcesinXUCHANGCity地下水资源量计算二、水资源调查评价计算结果分区1分区2分区3分区4分区5分区6渗透系数（m/d)20.3214.288.056.353.120.24给水度(无量纲)0.140.120.110.100.100.08各分区计算结果许昌市水文地质参数分区图水文地质参数分区分区1—极强富水区分区2—强富水区分区3—富水区分区4—中等富水区分区5—弱富水区分区6—贫水区许昌市水资源合理调度与优化管理研究TheresearchonrationalallocationandoptimalmanagementofwaterresourcesinXUCHANGCity地下水资源量计算二、水资源调查评价分区1分区2分区3分区4分区5降雨入渗系数(无量纲)0.0210.0340.0780.180.032降雨入渗系数分区根据地形、地表植被覆盖、地下水埋深等情况，划分为5个降雨入渗分区。结果表明：分区1、2、3（山区）和分区5（城市居住地）降雨入渗系数较小。许昌市降雨入渗系数分区图许昌市降雨入渗系数计算结果降雨入渗系数初始估计值参考：《河南省水资源》。许昌市水资源合理调度与优化管理研究TheresearchonrationalallocationandoptimalmanagementofwaterresourcesinXUCHANGCity二、水资源调查评价地下水资源量计算许昌市本地水资源总量（万m³）频率全市魏都区禹州市长葛市许昌县鄢陵县襄城县现状年2011年9102619092011612034199991843118536多年平均9706822182368215090141592015121768中等干旱年75%8946717832007012599200941665918263特殊干旱年95%7608014851737210775169851393715527本地水资源总量=本地地表水资源量+本地地下水资源量-重复计算量二、水资源调查评价水资源总量计算河流名称径流量多年平均P=50%P=75%北汝河8.947.694.56颍河2.692.190.42清潩河0.270.160.09双洎河1.00—0.58合计12.90—5.65许昌市水资源合理调度与优化管理研究TheresearchonrationalallocationandoptimalmanagementofwaterresourcesinXUCHANGCity二、水资源调查评价其他水资源量情况许昌市主要入境河流径流量表（亿m³/年）过境水资源量全市多年平均入境水量为12.90亿立方米。许昌市水系图名称供水量（万方）南水北调分渠长葛供水分渠5720总计22600禹州供水分渠2780许昌市供水分渠12000襄城县供水分渠2100引黄补源5000许昌市水资源合理调度与优化管理研究TheresearchonrationalallocationandoptimalmanagementofwaterresourcesinXUCHANGCity二、水资源调查评价其他水资源量情况数据来源：《许昌市市区水系连通工程规划概要》《许昌市节水十二五规划》南水北调与引黄工程许昌市主要工程调水水量表（万m³/年）工程调水水资源量可供利用的跨流域调水为：南水北调2.26亿立方米/年。引黄调蓄调水为：0.50亿立方米/年。水资源可利用量是在可预见的时期内，统筹考虑生活、生产和生态环境用水，协调河道内与河道外用水的基础上，通过经济合理，技术可行的措施可供一次性利用的最大来水量（不包括回归水重复利用量）各县市水资源可利用量计算规则如下表所示。相关系数数据参考《农田水利规划报告》等参考文献。地表水地下水过境水魏都区取北汝河、襄城县地下水等总计（18921/6341）；南水北调84000许昌县径流量*0.55开采系数*0.777颍河、清潩河和石梁河过境水量利用0.4长葛市径流量*0.61开采系数*0.790清潩河、佛尔岗水库等（4544/4817）；南水北调4004鄢陵县径流量*0.21开采系数*0.699双洎河、清流河等（710/300）；引黄3000襄城县径流量*0.57开采系数*0.583北汝河等（6290/6920）；南水北调1470禹州径流量*0.41开采系数*0.690颍河（7835/1959）；南水北调2780水资源可利用量计算规则三、供需水量预测水资源可利用量预测中水回用量（万吨/天）中水回用量（万吨/年）回用率2011年1.72627.615%2020年8.3302925%2030年20730040%许昌市主城区中水回用量水资源可利用量包括地表水可利用量、地下水可利用量、客水、中水回用量、南水北调水量、引黄补源水量、水利工程水量等。2030年与2020年水资源量相比：魏都区中水回用量增加。项目名称2030年新增水量（万方）魏都区清潩河治理长葛市污水处理1500三、供需水量预测水资源可利用量预测根据不同水平年经济和社会发展的目标、城市化进程、生产力布局状况及生态环境保护对水资源的总体要求，考虑不同来水条件和各种不确定因素的影响，进行不同保证率下的各水平年工业、农业、生活、生态环境需水量多方案预测。工业需水预测：参考《许昌市国民经济和社会第十二个五年发展规划纲要》、《全国水资源综合规划》估算农业需水预测：参考三条红线要求“许昌市预测2015年农业灌溉水有效利用系数为0.645，有效灌溉面积380万亩”生活用水预测：参考《许昌市城乡总体规划（2012-2030）》的人口预测规模，以及《城市给水工程规划规范》中的用水量推荐值标准估算生态环境用水预测：参考《许昌市节水十二五规划》并建立河流水环境模型计算三、供需水量预测需水量预测水平年20202030需水量统计工业用水量农业用水量生活用水量生态用水量工业用水量农业用水量生活用水量生态用水量万m³万m³万m³万m³万m³万m³万m³万m³魏都区658730862816957930632590817631许昌县4784386042418667584065461794鄢陵县448556132077586633659122015642襄城县6223417923026787914401214673禹州市1088544144041143515378464939641574长葛市127354706248726179924956252229小计456982308021429915764561243082434610045合计99364123260许昌市需水量预测表水资源可利用量预测三、供需水量预测基于“三条红线”的水资源优化配置的目标有2个。

河流健康流量控制目标1其中：

Qvi（i，t）指河流第i控制断面第t时段健康流量调控阈值；Gqvi（i，t）指河流第i控制断面第t时段流量。水资源利用目标—缺水量最小其中:w

为任一计算单元的缺水量；j=1,2,3,4,5分别代表用水户生态（河道外）、生活、工业、农业、发电；t=1,2,......T

；为t时段缺水判别系数，当时，为0，反之，当时，为1。2四、水资源配置目标函数多目标的处理将多目标转化为单目标。以各计算单元各供水对象缺水量最小为主目标，其余目标则转化为约束条件。目标函数为：1求解考虑的原则2考虑供水水源顺序、用水顺序、水库运行规则等。计算3结合上述模型求解规则，运行模型，采用自适应算法，分别考虑不同的情形，不同的调控手段，进行模型求解。模型求解方法四、水资源配置选取MIKEBASIN软件对许昌市水资源进行配置计算。①构建水资源配置数学化模拟系统，以“点、线、面”的水量平衡关系来描述研究区水资源供用耗排水资源开发利用过程。②输入天然径流量、需水量、水库调度规则设置和回归水系数等，使模型模拟出的结果更具有现实意义。③通过分析筛选将天然来水、用水、降水、流量、水位、引调水工程、水库等基础性数据，通过对这些数据的合理性分析、修正、剔除等操作，最后得出较合理的模型输入数据。MIKEBASIN软件求解流程四、水资源配置水文资料、气象资料、水利工程资料、水资源开发利用资料研究范围水源地分布情况水库分布情况资料输入四、水资源配置软件界面四、水资源配置模型概化图模型建立四、水资源配置河网概化图河网概化：根据研究范围、研究尺度及研究目的，河网选取许昌市重要支流，每个子流域的水量最终将汇集到清潩河、颍河、北汝河等主要干流中。模型建立四、水资源配置模型建立四、水资源配置用水户设置魏都区许昌县禹州市长葛市鄢陵县襄城县生活地表地下地表地下地下地表地下地下工业地表地下地下地下地下地下农业地表地表地下地表地下地表地下地表地下地表地下生态地表地表地下地表地下地表地下地表地下地表地下基准年各县市供取水关系魏都区许昌县禹州市长葛市鄢陵县襄城县生活南水北调南水北调南水北调南水北调工业南水北调中水南水北调南水北调南水北调农业中水水利工程引黄水利工程生态中水水利工程引黄水利工程规划年新增水源供水关系相关参数四、水资源配置

水源划分许昌市水资源配置区域的过境河流包括北汝河、颍河、清潩河、双洎河，跨流域调水包括南水北调、引黄补源工程。

现状年与规划水平年的选取现状年为2011年中期规划水平年为2020年远期规划水平年为2030年相关参数四、水资源配置规划年方案一览表配置方案拟定方案需水量供水量基准年2011年平衡分析方案0现状需水现状供水规划年2020年中期规划一次平衡方案12020预测需水现状供水二次平衡方案22020预测需水规划供水（加入南水北调、引黄补源、水利工程供水）方案2R采取节水措施，生活工业用水量减少10%、农业生态用水减少30%，达到以供定需额度三次平衡方案3采取节水措施，生活工业用水量减少10%、农业生态用水减少30%，达到以供定需额度规划供水额外考虑市区水系连通工程规划年2030年远期规划一次平衡方案42030预测需水二次平衡方案52030预测需水规划供水（加入南水北调、引黄补源、水利工程供水）方案5R采取节水措施，生活工业用水量减少10%、农业生态用水减少30%，达到以供定需额度三次平衡方案6采取节水措施，生活工业用水量减少10%、农业生态用水减少30%，达到以供定需额度规划供水额外考虑市区水系连通工程配置方案四、水资源配置计算结果表明：在多年平均的情况下，基准年水资源配置方案只有鄢陵县有缺水情况，且是农业生态缺水。在特枯年来水的情况下，基准年水资源配置方案所有城市都有缺水情况。特别是魏都区、许昌县、鄢陵县生活工业都会出现缺水，因首先保证生活用水，所以缺水量主要集中在工业用水上。从缺水总量上看魏都区缺水最严重，其次是鄢陵县。配置结果（基准年）四、水资源配置配置结果四、水资源配置一次配置：规划水平年需水量增加，按照现状供水工程。结果出现更多的城市缺水，且缺水量增加。二次配置：对已有供水规划增加南水北调、引黄济源、水利工程；魏都区提高了中水回用水平。并且对节水和不节水情况分别计算，结果表明加入工程调水和节水措施后，缺水量明显降低。三次配置：增加水系连通工程，所有地区均无缺水情况。配置结果（规划年）四、水资源配置方案2与初始方案相比，工程调水增加供水明显的缓解了许昌市水资源短缺的情况；方案3通过组合强化节水与水系连通工程的多重调控手段，用户缺水程度得到了有效缓解，推荐方案3为规划水平年研究区合理水资源调控方案。配置方案比较四、水资源配置用水总量控制制度用水效率控制制度水功能区限制纳污制度管理责任与考核制度四项制度水资源开发控制红线用水效率控制红线入河湖排污总量控制红线三条红线水资源过渡开发缺水与浪费并存水体与环境污染取水用水排水水资源配置水资源节约水资源保护水资源三大问题开发利用三大环节水资源管理三大领域最严格的水资源管理制度核心内容：“四项制度”+“三条红线”。五、水资源管理水资源管理体系建设五、水资源管理水资源管理制度建设五、水资源管理①用水总量控制管理措施：1、加强水资源论证，实际论证率达100%，落实取水许可和水资源有偿使用等管理制度。

2、严格取水审批，纳入审批水量占总用水比例80%，实现取水审批和发证率100%。

3、非农业取水户计划用水管理率达95%，大中型灌区用水计划管理达80%。建设目标：制定市、县（市、区）用水总量控制指标，2013年完成全市各县（市、区）用水总量控制指标分配工作，2015年用水总量控制在9.187亿m³内。五、水资源管理②用水效率控制措施：1、加强用水监管。强化对工业园区取用水大户的总量控制和定额管理。

2、加强用水定额和计划管理。把用水定额作为水资源论证、取水许可、计划用水的依据。

3、试点期间出台《许昌市建设项目节水“三同时”制度》。建设目标：2015年全市万元工业增加值取水量下降到23m³/万元，农业灌溉水利用系数提高到0.645以上。五、水资源管理③水功能区限制纳污控制措施：1、严格水功能区和入河排污口监管，建立取水户监管系统和水量水质监管系统，初步建立满足最严格水资