廣州市水資源供需平衡分析模型

1資源調度運用模擬水資源系統的動態(tài)模擬是指在水資源系統的手動配置和使用模式下模擬人工水資源系統的運行過程。模擬結果可以反映整個系統的各個階段的水流狀態(tài)和供需平衡狀態(tài)。1.1水庫供水量的計算水庫調度按水庫興利調度三階段原則進行,即水庫供水、蓄水與棄水過程分別由下式決定:當St+Wt-Ei≤Dt時,Rt=St+Wt-Et,St+1=0,Ot=0當Dt<St+Wt-Et≤Dt+Vst時,Rt=Dt,St+1=St+Wt-Et-Dt,0t=0當式中Rt為時段t內的水庫供水水量;Dt為時段t內的目標供水量,即需水量(包括生活、生產、生態(tài)等全部用水);Wt為時段t內的入庫水量;Et為時段t內的蒸發(fā)損失水量,對于有滲漏損失的水庫,還包括滲漏損失水量;St和St+1分別為時段t和t+1初的水庫蓄水量;0t為時段t內的水庫棄水;Vs為時段t內的興利庫容,取決于水庫正常蓄水位與防洪限制水位,即一般時段Vst=Vs(Vs指正常蓄水位相應的興利庫容),汛期Vst=Vs-Vf(Vf為正常蓄水位與防洪限制水位間的防洪庫容)。1.2獨立水處理模型式中Rt為時段t內的引提水供水量;Wt為時段t內的來水量;Dt為時段t內的需水量;Gt為時段t內提水及自來自備水能力。1.3水庫水的排序采用多水源多用戶的水資源聯合調度原則,多種水源的利用次序為:河道水—水庫水,其中水庫水利用按照塘壩—小二型水庫一小一型水庫—中型水庫—大型水庫的次序進行;多用戶的供水次序為:生活及工業(yè)用水—農業(yè)灌溉用水。2模型設計2.1數據有機地組織水資源供需平衡分析需要的數據資料包括社會、經濟、水文、氣象以及水利工程等多種類型的數據,供需平衡分析結果也有大量的來水、需水以及供需平衡計算表格,利用VFP提供的數據庫容器,可將上述數據有機地組織起來。模型中的主要的數據庫表設計如下:1)水利工程基本數據表:包含單元區(qū)編號、面積、徑流系數、各類型水庫集雨面積、各類型水庫庫容、防洪限制庫容、水庫灌溉面積、引水能力、提水能力、自來自備水能力等字段。2)降雨量表:包含單元區(qū)編號、時間、雨量等字段。3)供需平衡計算表:包含單元區(qū)編號、時間、各類型水庫來水、過境水、工業(yè)需水、農業(yè)灌溉需水、城鎮(zhèn)生活需水、農村生活需水、自來自備水供水、各類型水庫供水、引提水工程供水、流溪河黃龍帶水庫對本區(qū)的供水、水庫的生活供水、各類型水庫時段末庫容、時段棄水量、出境水等字段。2.2模塊模塊和評價水資源供需平衡分析除了對水資源系統長系列的模擬調度計算外,還要求對模擬調度計算結果進行統計分析,得出諸如各保證率供水量、各類供水工程的保證率以及區(qū)域水資源開發(fā)程度分析等指標。本模型采用VFP面向對象的編程語言,設計了完成上述計算的程序模塊。1)資源系統長系列的模擬調度:用可視化的表單控件,形象地將14個單元區(qū)以文本框的形式按概化圖排列于表單上。對每個單元區(qū),根據各自的供需特點按前述概念模型分別寫出模擬調度代碼,然后根據水文徑流聯系確定各單元區(qū)演算順序,將各種情況下的模擬調度結果寫入供需平衡計算表中。2)可供水量的計算:利用供需平衡計算表,匯總各單元區(qū)年可供水量,再做頻率分析。3)供水保證率分析:利用供需平衡計算表,統計各單元區(qū)水利工程和自來自備水供水保證率。4)水資源開發(fā)程度分析:一般以區(qū)域多年平均供水量除以多年平均徑流量作為區(qū)域水資源開發(fā)程度的量度指標。廣州市各單元區(qū)分屬不同的流域,對同流域單元區(qū)進行供水量和徑流量的匯總,再將二者相除得出市域內不同的流域的開發(fā)程度。3模型應用3.1上游環(huán)境地區(qū)廣州市河流歸屬珠江水系,其中東北部以山區(qū)河流為主,主要河流有流經從化市、花都區(qū)和白云區(qū)的流溪河;上游來自龍門縣、流經增城市的增江以及流經花都區(qū)的白坭河等;南部則為珠江三角州河網區(qū),主要為西、北、東江下游水道和珠江前、后航道匯流交織成的河網。廣州市供水系統是一個蓄、引、提結合、多水源、多用戶的復雜水資源系統,根據廣州市農業(yè)水利化區(qū)劃成果,可將其概化為如圖1所示的14個單元區(qū)。3.2該模型的重要過程和參數的解釋3.2.1單元區(qū)順序,單元與單元的關系各個計算單元之間,如果是獨立的,彼此之間沒有水利聯系,那么,先計算哪個單元都可以。然而,同一條河流上的不同單元,往往存在水利聯系,特別是相鄰的上下有單元,還有干、支流單元,必然存在水利聯系。因此,本模型按照一定單元區(qū)順序計算。有水利聯系的計算單元的供需分析順序,遵照自上而下,先支流后干流的原則,逐個單元逐個單元進行。供需分析中所采用和得出的水利要素,如出境水量等,本模型逐個單元平衡傳遞。3.2.2單元區(qū)水壓時,流溪河和麻黃帶水庫直排水流溪河和黃龍帶水庫的供水對象按照從上游到下游的順序分別是從化Ⅶ5B-5、從化Ⅶ6-17、廣州市區(qū)Ⅶ6-17、花縣Ⅶ6-17、廣州市區(qū)Ⅶ6-23,當上述單元區(qū)發(fā)生缺水時,流溪河和黃龍帶水庫向該區(qū)放水。流溪河和黃龍帶水庫的調度原則是先供水、再蓄水、最后棄水。流溪河和黃龍帶水庫對各受益單元區(qū)的供水算作各受益單元區(qū)可供水量的一部分,年末的蓄水計入廣州市可供水量中,不在各受益單元區(qū)中分配。3.2.3水源來水標準增城Ⅶ6-12的過境水根據增江麒麟咀站的實測徑流資料獲得,番禺Ⅶ6-19、番禺Ⅶ6-20、番禺Ⅶ6-23的過境水在計算中不設上限。廣州市區(qū)Ⅶ6-23江村、石門水廠水源為流溪河和白坭河在該區(qū)的徑流,取水受到流溪河和白坭河來水的制約;廣州市區(qū)Ⅶ6-23其它水廠水源為過境水,在計算中也不設上限。3.2.4行業(yè)回歸系數各單元區(qū)灌溉和工業(yè)生活用水都有一定的回歸水量,連同本單元區(qū)的棄水,稱為出境水?？勺鳛橄掠螁卧獏^(qū)的入境水參與其供需分析。根據資料調查和分析,廣州市域主要行業(yè)回歸水比率分別為:工業(yè)和城市生活用水回歸系數0.8,農村生活用水回歸系數0.7;農業(yè)水田用水回歸系數為,西北部0.6、東部0.45、南部0.56;農業(yè)旱地用水回歸系數為,西北部0.28、東部為0.25、南部0.2。本模型參考上述回歸系數進行回歸水的計算。3.3水來水趨勢分析利用上述模型,模擬了廣州市1960—1997年37個水利年來水情況下各單元區(qū)現狀供需平衡狀況,現狀水平年取1998年,模型的計算步長為旬,共計算了1332個時段。3.3.1不同流域開發(fā)利用程度分布從表1可見,廣州市流溪河流域開發(fā)利用程度較高,達到了52%;其次是白坭河流域(廣州境內),開發(fā)利用程度為39%;西福河流域開發(fā)利用程度為33%;增江流域(廣州境內)為24%。廣州市區(qū)Ⅶ6-23、番禺區(qū)以及增城Ⅶ6-14,地處東江、西江、北江交匯的河網地帶,過境水非常豐富,對過境水依賴程度較高,本地水資源的開發(fā)利用則相對較少。3.3.2水保證率分析現狀供水系統采用兩套系統,即工業(yè)生活采用自來水自備水系統,而農業(yè)灌溉采用水利工程系統,因而分開兩套系統來分析各自的供水保證率。另外,由于自來水系統大都跨單元區(qū)供水,如廣州市區(qū)Ⅶ6-23向廣州市區(qū)Ⅶ6-17、廣州市區(qū)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,以市區(qū)為單位來分析自來水自備水系統的供水保證率,水利工程系統的供水保證率仍以單元區(qū)分析?，F狀供水工程的供水保證率分析見表2。在現狀供水工程供水條件下,從化市工業(yè)和生活用水得到滿足的可能性是91%,農業(yè)灌溉用水得到滿足的可能性是70%;花都區(qū)分別是100%、99%;增城市分別是94%、75%;廣州市區(qū)分別是94%、92%;番禺區(qū)分別是100%、100%。3.3.3農業(yè)纖維在供水單元水平衡的表現—廣州市現狀水平年供需水平衡分析廣州市現狀水平年供需水平衡計算表見表3。從總體上來說,廣州市現狀供需水基本平衡且略有贏余。在97%保證率下,余水0.86億m3,在90%保證率下,余水2.1億m3,在75%保證率下,余水2.8億m3。水庫棄水較多,在上述3種保證率供水條件下,棄水分別為10.6億m3、11.7億m3和10.3億m3,說明如果未來年需水量有進一步的增長,那么廣州市水庫經過挖潛,有可能進一步提高供水能力。從化Ⅶ6-27,在97%、90%、75%三種保證率供水條件下,缺水率分別為33.3%、29.6%、26.1%。主要是農業(yè)缺水,缺水時段主要為冬季,春秋兩季也偶有缺水。該區(qū)可提高水資源開發(fā)利用程度(現僅17%),提高供水量和供水保證率?；ǘ饥?-18在97%保證率供水條件下,缺水率為6%,主要是春季偶有農業(yè)缺水。該區(qū)可通過開源節(jié)流的措施,確保特枯年不缺水。增城Ⅶ6-13在97%和90%保證率供水條件下,缺水率分別為6.8%、5.1%,主要是春冬季偶有缺水。但在缺水的同時該區(qū)存在較多的水庫棄水,在97%和90%保證率供水條件下,棄水量分別為1.04億m3和1.66億m3,超出缺水量近10倍。該區(qū)可通過挖潛,提高水庫興利庫容,解決特枯年和枯水年的缺水問題。增城Ⅶ6-14在97%、90%、75%三種保證率供水條件下,缺水率分別為9.8%、8.5%、7.3%,主要是秋冬季的農業(yè)缺水。該區(qū)過境水豐富,水庫棄水也較多,解決該區(qū)缺水途徑為:通過挖潛,提高水庫興利庫容,或者提高引提水工程的灌溉能力。廣州市區(qū)Ⅶ6-13在97%、90%、75%三種保證率供水條件下缺水,缺水率分別為9.8%、6.9%、2.2%,主要是秋冬季偶有農業(yè)缺水。該區(qū)水資源開發(fā)利用程度也較低(20%),可通過提高水資源開發(fā)利用程度來解決缺水問題。4模型評估4.1農業(yè)水資源量模型模型的計算結果表明,廣州基本上是以需定供的供水模式,這是符合廣州市供水的實際情況的。按照1998年廣州市統計年鑒公布的統計數據來計算,1998年總用水量為50.41億m3,其中,農業(yè)灌溉用水為18.56億m3,占37.1%;生活用水為13.86億m3,占27.7%;工業(yè)用水為17.62億m3,占35.2%。用水最多的是廣州市區(qū),用水21.64億m3,占43.2%;其次是番禺區(qū),用水14.21億m3,占28.4%;再次是增城市,用水6.38億m3,然后是花都區(qū),用水4.46億m3;用水最少的是從化市,用水3.36億m3,占6.7%,模型計算出的可供水量與實際供水量基本相符。模擬結果較準