广州市水资源供需平衡分析模型

广州市水资源供需平衡分析模型

1资源调度运用模拟水资源系统的动态模拟是指在水资源系统的手动配置和使用模式下模拟人工水资源系统的运行过程。模拟结果可以反映整个系统的各个阶段的水流状态和供需平衡状态。1.1水库供水量的计算水库调度按水库兴利调度三阶段原则进行,即水库供水、蓄水与弃水过程分别由下式决定:当St+Wt-Ei≤Dt时,Rt=St+Wt-Et,St+1=0,Ot=0当Dt<St+Wt-Et≤Dt+Vst时,Rt=Dt,St+1=St+Wt-Et-Dt,0t=0当式中Rt为时段t内的水库供水水量;Dt为时段t内的目标供水量,即需水量(包括生活、生产、生态等全部用水);Wt为时段t内的入库水量;Et为时段t内的蒸发损失水量,对于有渗漏损失的水库,还包括渗漏损失水量;St和St+1分别为时段t和t+1初的水库蓄水量;0t为时段t内的水库弃水;Vs为时段t内的兴利库容,取决于水库正常蓄水位与防洪限制水位,即一般时段Vst=Vs(Vs指正常蓄水位相应的兴利库容),汛期Vst=Vs-Vf(Vf为正常蓄水位与防洪限制水位间的防洪库容)。1.2独立水处理模型式中Rt为时段t内的引提水供水量;Wt为时段t内的来水量;Dt为时段t内的需水量;Gt为时段t内提水及自来自备水能力。1.3水库水的排序采用多水源多用户的水资源联合调度原则,多种水源的利用次序为:河道水—水库水,其中水库水利用按照塘坝—小二型水库一小一型水库—中型水库—大型水库的次序进行;多用户的供水次序为:生活及工业用水—农业灌溉用水。2模型设计2.1数据有机地组织水资源供需平衡分析需要的数据资料包括社会、经济、水文、气象以及水利工程等多种类型的数据,供需平衡分析结果也有大量的来水、需水以及供需平衡计算表格,利用VFP提供的数据库容器,可将上述数据有机地组织起来。模型中的主要的数据库表设计如下:1)水利工程基本数据表:包含单元区编号、面积、径流系数、各类型水库集雨面积、各类型水库库容、防洪限制库容、水库灌溉面积、引水能力、提水能力、自来自备水能力等字段。2)降雨量表:包含单元区编号、时间、雨量等字段。3)供需平衡计算表:包含单元区编号、时间、各类型水库来水、过境水、工业需水、农业灌溉需水、城镇生活需水、农村生活需水、自来自备水供水、各类型水库供水、引提水工程供水、流溪河黄龙带水库对本区的供水、水库的生活供水、各类型水库时段末库容、时段弃水量、出境水等字段。2.2模块模块和评价水资源供需平衡分析除了对水资源系统长系列的模拟调度计算外,还要求对模拟调度计算结果进行统计分析,得出诸如各保证率供水量、各类供水工程的保证率以及区域水资源开发程度分析等指标。本模型采用VFP面向对象的编程语言,设计了完成上述计算的程序模块。1)资源系统长系列的模拟调度:用可视化的表单控件,形象地将14个单元区以文本框的形式按概化图排列于表单上。对每个单元区,根据各自的供需特点按前述概念模型分别写出模拟调度代码,然后根据水文径流联系确定各单元区演算顺序,将各种情况下的模拟调度结果写入供需平衡计算表中。2)可供水量的计算:利用供需平衡计算表,汇总各单元区年可供水量,再做频率分析。3)供水保证率分析:利用供需平衡计算表,统计各单元区水利工程和自来自备水供水保证率。4)水资源开发程度分析:一般以区域多年平均供水量除以多年平均径流量作为区域水资源开发程度的量度指标。广州市各单元区分属不同的流域,对同流域单元区进行供水量和径流量的汇总,再将二者相除得出市域内不同的流域的开发程度。3模型应用3.1上游环境地区广州市河流归属珠江水系,其中东北部以山区河流为主,主要河流有流经从化市、花都区和白云区的流溪河;上游来自龙门县、流经增城市的增江以及流经花都区的白坭河等;南部则为珠江三角州河网区,主要为西、北、东江下游水道和珠江前、后航道汇流交织成的河网。广州市供水系统是一个蓄、引、提结合、多水源、多用户的复杂水资源系统,根据广州市农业水利化区划成果,可将其概化为如图1所示的14个单元区。3.2该模型的重要过程和参数的解释3.2.1单元区顺序,单元与单元的关系各个计算单元之间,如果是独立的,彼此之间没有水利联系,那么,先计算哪个单元都可以。然而,同一条河流上的不同单元,往往存在水利联系,特别是相邻的上下有单元,还有干、支流单元,必然存在水利联系。因此,本模型按照一定单元区顺序计算。有水利联系的计算单元的供需分析顺序,遵照自上而下,先支流后干流的原则,逐个单元逐个单元进行。供需分析中所采用和得出的水利要素,如出境水量等,本模型逐个单元平衡传递。3.2.2单元区水压时,流溪河和麻黄带水库直排水流溪河和黄龙带水库的供水对象按照从上游到下游的顺序分别是从化Ⅶ5B-5、从化Ⅶ6-17、广州市区Ⅶ6-17、花县Ⅶ6-17、广州市区Ⅶ6-23,当上述单元区发生缺水时,流溪河和黄龙带水库向该区放水。流溪河和黄龙带水库的调度原则是先供水、再蓄水、最后弃水。流溪河和黄龙带水库对各受益单元区的供水算作各受益单元区可供水量的一部分,年末的蓄水计入广州市可供水量中,不在各受益单元区中分配。3.2.3水源来水标准增城Ⅶ6-12的过境水根据增江麒麟咀站的实测径流资料获得,番禺Ⅶ6-19、番禺Ⅶ6-20、番禺Ⅶ6-23的过境水在计算中不设上限。广州市区Ⅶ6-23江村、石门水厂水源为流溪河和白坭河在该区的径流,取水受到流溪河和白坭河来水的制约;广州市区Ⅶ6-23其它水厂水源为过境水,在计算中也不设上限。3.2.4行业回归系数各单元区灌溉和工业生活用水都有一定的回归水量,连同本单元区的弃水,称为出境水。可作为下游单元区的入境水参与其供需分析。根据资料调查和分析,广州市域主要行业回归水比率分别为:工业和城市生活用水回归系数0.8,农村生活用水回归系数0.7;农业水田用水回归系数为,西北部0.6、东部0.45、南部0.56;农业旱地用水回归系数为,西北部0.28、东部为0.25、南部0.2。本模型参考上述回归系数进行回归水的计算。3.3水来水趋势分析利用上述模型,模拟了广州市1960—1997年37个水利年来水情况下各单元区现状供需平衡状况,现状水平年取1998年,模型的计算步长为旬,共计算了1332个时段。3.3.1不同流域开发利用程度分布从表1可见,广州市流溪河流域开发利用程度较高,达到了52%;其次是白坭河流域(广州境内),开发利用程度为39%;西福河流域开发利用程度为33%;增江流域(广州境内)为24%。广州市区Ⅶ6-23、番禺区以及增城Ⅶ6-14,地处东江、西江、北江交汇的河网地带,过境水非常丰富,对过境水依赖程度较高,本地水资源的开发利用则相对较少。3.3.2水保证率分析现状供水系统采用两套系统,即工业生活采用自来水自备水系统,而农业灌溉采用水利工程系统,因而分开两套系统来分析各自的供水保证率。另外,由于自来水系统大都跨单元区供水,如广州市区Ⅶ6-23向广州市区Ⅶ6-17、广州市区Ⅶ6-13以及增城Ⅶ6-13供水,番禺Ⅶ6-23向番禺Ⅶ6-19、番禺Ⅶ6-20供水,花都Ⅶ6-17向花都Ⅶ6-18供水,因此,以市区为单位来分析自来水自备水系统的供水保证率,水利工程系统的供水保证率仍以单元区分析。现状供水工程的供水保证率分析见表2。在现状供水工程供水条件下,从化市工业和生活用水得到满足的可能性是91%,农业灌溉用水得到满足的可能性是70%;花都区分别是100%、99%;增城市分别是94%、75%;广州市区分别是94%、92%;番禺区分别是100%、100%。3.3.3农业纤维在供水单元水平衡的表现—广州市现状水平年供需水平衡分析广州市现状水平年供需水平衡计算表见表3。从总体上来说,广州市现状供需水基本平衡且略有赢余。在97%保证率下,余水0.86亿m3,在90%保证率下,余水2.1亿m3,在75%保证率下,余水2.8亿m3。水库弃水较多,在上述3种保证率供水条件下,弃水分别为10.6亿m3、11.7亿m3和10.3亿m3,说明如果未来年需水量有进一步的增长,那么广州市水库经过挖潜,有可能进一步提高供水能力。从化Ⅶ6-27,在97%、90%、75%三种保证率供水条件下,缺水率分别为33.3%、29.6%、26.1%。主要是农业缺水,缺水时段主要为冬季,春秋两季也偶有缺水。该区可提高水资源开发利用程度(现仅17%),提高供水量和供水保证率。花都Ⅶ6-18在97%保证率供水条件下,缺水率为6%,主要是春季偶有农业缺水。该区可通过开源节流的措施,确保特枯年不缺水。增城Ⅶ6-13在97%和90%保证率供水条件下,缺水率分别为6.8%、5.1%,主要是春冬季偶有缺水。但在缺水的同时该区存在较多的水库弃水,在97%和90%保证率供水条件下,弃水量分别为1.04亿m3和1.66亿m3,超出缺水量近10倍。该区可通过挖潜,提高水库兴利库容,解决特枯年和枯水年的缺水问题。增城Ⅶ6-14在97%、90%、75%三种保证率供水条件下,缺水率分别为9.8%、8.5%、7.3%,主要是秋冬季的农业缺水。该区过境水丰富,水库弃水也较多,解决该区缺水途径为:通过挖潜,提高水库兴利库容,或者提高引提水工程的灌溉能力。广州市区Ⅶ6-13在97%、90%、75%三种保证率供水条件下缺水,缺水率分别为9.8%、6.9%、2.2%,主要是秋冬季偶有农业缺水。该区水资源开发利用程度也较低(20%),可通过提高水资源开发利用程度来解决缺水问题。4模型评估4.1农业水资源量模型模型的计算结果表明,广州基本上是以需定供的供水模式,这是符合广州市供水的实际情况的。按照1998年广州市统计年鉴公布的统计数据来计算,1998年总用水量为50.41亿m3,其中,农业灌溉用水为18.56亿m3,占37.1%;生活用水为13.86亿m3,占27.7%;工业用水为17.62亿m3,占35.2%。用水最多的是广州市区,用水21.64亿m3,占43.2%;其次是番禺区,用水14.21亿m3,占28.4%;再次是增城市,用水6.38亿m3,然后是花都区,用水4.46亿m3;用水最少的是从化市,用水3.36亿m3,占6.7%,模型计算出的可供水量与实际供水量基本相符。模拟结果较准