報告人：周念清教授同濟大學(xué)土木工程學(xué)院水利工程系許昌市水資源合理配置與優(yōu)化管理研究TONGJIUNIVERSITY匯報內(nèi)容1234研究背景水資源調(diào)查評價供需水預(yù)測水資源配置5水資源管理一、研究背景水資源是基礎(chǔ)性的自然資源、戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源和公共性的社會資源，是實現(xiàn)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。水資源的合理配置與優(yōu)化管理能夠?qū)崿F(xiàn)水資源綜合治理、有效保護和科學(xué)分配，實現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展。十八大提出生態(tài)文明建設(shè)的重要指示：建設(shè)生態(tài)文明，是關(guān)系人民福祉、關(guān)乎民族未來的長遠大計，優(yōu)化國土空間開發(fā)格局，全面促進資源節(jié)約，加大自然生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境保護力度，加強生態(tài)文明制度建設(shè)。許昌市于2013年被列入全國45個水生態(tài)文明建設(shè)試點城市之一，為許昌市帶來了新的發(fā)展契機。許昌市水問題嚴重水資源缺乏地下水超采嚴重水污染程度增大一、研究背景全國水資源分布及人均水資源量河南省各市水資源總量全國水資源總量為2.8萬億m3，人均水資源量為2100m3河南省水資源總量為408億m3，人均水資源量為414m3許昌市水資源總量為8.78億m3，人均水資源量為208m3一、研究背景許昌人均水資源量與我國及世界水平比較2002-2011年許昌市總水資源量、人均水資源量與人口變化趨勢許昌市人均水資源量為208立方米/人，只有全國人均的10%，全省人均的51%。隨著人口增長，人均水資源量呈現(xiàn)下降趨勢。在總水資源量沒有大幅提升的情況下，水資源將對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和人口增長產(chǎn)生制約作用。一、研究背景2011年許昌市行政分區(qū)供水量及水源組成圖魏都區(qū)和禹州市地表水源供水量占本市總供水量的85.9%和55.0%，其他縣市區(qū)供水量主要依靠地下水，地下水供水量均在77%以上。襄城縣、長葛市、鄢陵縣存在明顯的降落漏斗，說明該地區(qū)地下水開采強度較大。2011年許昌市地下水位等值線圖襄城降落漏斗長葛降落漏斗鄢陵降落漏斗一、研究背景一、研究背景許昌市主要河道污染嚴重，生物多樣性降低。許昌市水資源問題已影響到了區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展，成為經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平提高的重要制約因素。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人民生活水平的進一步提高，水資源的制約作用會體現(xiàn)的越來越明顯。因此從長遠角度出發(fā)，對許昌市的水資源進行合理配置和優(yōu)化管理研究，對于今后水資源的開發(fā)利用、水利工程建設(shè)以及城市防洪等工作的開展，具有十分重要的現(xiàn)實意義。一、研究背景許昌市屬于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，雨量充沛，光照充足，無霜期長。因大陸性季風(fēng)氣候，多旱、澇、風(fēng)、雹等氣象災(zāi)害。年平均降水量為727.5mm，年最多降雨量為1129.0mm，年最少降水量為412.4mm，年蒸發(fā)量1656.3mm二、水資源調(diào)查評價氣候地理特征許昌市1953~2011年多年月降水量分配情況見圖。每年6~9月的平均降水量占平均年降水量的63.5%。汛期暴雨強度較大，多年平均凈流量96.1毫米，西部115.1毫米，中部84毫米-89毫米，東部81.9毫米。人工河(潁汝總干渠)等，河川年徑流總量為0.9億立方米。二、水資源調(diào)查評價氣候地理特征采用控制站水量系列的面積比縮放法。根據(jù)控制站天然年徑流量除以控制站集水面積，求得控制站以上的年徑流深，并借用到未控區(qū)間上計算其年徑流量。則其中，W1、W2分別為基本計算單元和控制站（一個或幾個）的水量；F1、F2分別為基本計算單元和控制站（一個或幾個）的面積；R為控制站的徑流深。二、水資源調(diào)查評價地表水資源量計算許昌市水文站、雨量站位置許昌市以大陳閘和化行閘站位控制站，以其還原后的年徑流量加控制站下未控制區(qū)的天然徑流量求得，為控制區(qū)天然徑流量利用控制區(qū)和未控制區(qū)面積比進行計算。二、水資源調(diào)查評價地表水資源量計算主要針對淺層地下水資源量進行計算。補給量法：主要補給量包括垂向補給量和側(cè)向補給量。垂向補給主要是：降水入滲補給量(Q雨)、田間灌溉入滲補給量(Q灌)、渠道滲漏量(Q渠)。側(cè)向補給主要是：由于水力梯度引起的側(cè)向補給。垂向補給量的計算依據(jù)：1根據(jù)地下水埋深資料確定各行政分區(qū)的地下水位的平均埋深；2參考《河南省水資源》的降雨入滲系數(shù)、灌溉入滲系數(shù)、渠道滲漏系數(shù)的經(jīng)驗取值；3參考《2011年河南省水資源公報》和《2011年許昌市水資源公報》的降雨量和農(nóng)田灌溉資料側(cè)向補給量的計算依據(jù)：1根據(jù)地下水位監(jiān)測資料繪制地下水位等值線圖；2對各行政分區(qū)利用Darcy公式計算側(cè)向補給量地下水資源量計算二、水資源調(diào)查評價二、水資源調(diào)查評價許昌市水資源合理調(diào)度與優(yōu)化管理研究TheresearchonrationalallocationandoptimalmanagementofwaterresourcesinXUCHANGCity地下水資源量計算數(shù)值模擬法：美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的地下水模擬程序MODFLOW，為目前最被廣泛使用之地下水模式之一，可以應(yīng)用于飽和地下水流問題。根據(jù)許昌市地下水監(jiān)測資料，區(qū)域地下水可用無壓非穩(wěn)定流進行模擬。有限差分網(wǎng)格結(jié)點29403個，網(wǎng)格19200個，其中有效網(wǎng)格10114個。模型剖分圖二、水資源調(diào)查評價許昌市水資源合理調(diào)度與優(yōu)化管理研究TheresearchonrationalallocationandoptimalmanagementofwaterresourcesinXUCHANGCity地下水資源量計算數(shù)學(xué)模型（潛水非穩(wěn)定流）許昌市地下水模型邊界條件其中，為滲透系數(shù)；qs為單位體積流量；Ss為貯水率。邊界條件1第3rd邊界條件(GeneralHeadBoundary)

主要河流2第2nd邊界條件(SpecifiedFlowBoundary)

西部山區(qū)和東部平原出流邊界初始條件：模擬初始時刻取2009年1月1日，模型識別階段為2009年1月1日~2011年12月1日，2012年地下水資料用于模型參數(shù)驗證。2009年1月1日的地下水流場等值線圖（初始流場）許昌市水資源合理調(diào)度與優(yōu)化管理研究TheresearchonrationalallocationandoptimalmanagementofwaterresourcesinXUCHANGCity地下水資源量計算二、水資源調(diào)查評價計算結(jié)果分區(qū)1分區(qū)2分區(qū)3分區(qū)4分區(qū)5分區(qū)6滲透系數(shù)（m/d)20.3214.288.056.353.120.24給水度(無量綱)0.140.120.110.100.100.08各分區(qū)計算結(jié)果許昌市水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)分區(qū)1—極強富水區(qū)分區(qū)2—強富水區(qū)分區(qū)3—富水區(qū)分區(qū)4—中等富水區(qū)分區(qū)5—弱富水區(qū)分區(qū)6—貧水區(qū)許昌市水資源合理調(diào)度與優(yōu)化管理研究TheresearchonrationalallocationandoptimalmanagementofwaterresourcesinXUCHANGCity地下水資源量計算二、水資源調(diào)查評價分區(qū)1分區(qū)2分區(qū)3分區(qū)4分區(qū)5降雨入滲系數(shù)(無量綱)0.0210.0340.0780.180.032降雨入滲系數(shù)分區(qū)根據(jù)地形、地表植被覆蓋、地下水埋深等情況，劃分為5個降雨入滲分區(qū)。結(jié)果表明：分區(qū)1、2、3（山區(qū)）和分區(qū)5（城市居住地）降雨入滲系數(shù)較小。許昌市降雨入滲系數(shù)分區(qū)圖許昌市降雨入滲系數(shù)計算結(jié)果降雨入滲系數(shù)初始估計值參考：《河南省水資源》。許昌市水資源合理調(diào)度與優(yōu)化管理研究TheresearchonrationalallocationandoptimalmanagementofwaterresourcesinXUCHANGCity二、水資源調(diào)查評價地下水資源量計算許昌市本地水資源總量（萬m3）頻率全市魏都區(qū)禹州市長葛市許昌縣鄢陵縣襄城縣現(xiàn)狀年2011年9102619092011612034199991843118536多年平均9706822182368215090141592015121768中等干旱年75%8946717832007012599200941665918263特殊干旱年95%7608014851737210775169851393715527本地水資源總量=本地地表水資源量+本地地下水資源量-重復(fù)計算量二、水資源調(diào)查評價水資源總量計算河流名稱徑流量多年平均P=50%P=75%北汝河8.947.694.56潁河2.692.190.42清潩河0.270.160.09雙洎河1.00—0.58合計12.90—5.65許昌市水資源合理調(diào)度與優(yōu)化管理研究TheresearchonrationalallocationandoptimalmanagementofwaterresourcesinXUCHANGCity二、水資源調(diào)查評價其他水資源量情況許昌市主要入境河流徑流量表（億m3/年）過境水資源量全市多年平均入境水量為12.90億立方米。許昌市水系圖名稱供水量（萬方）南水北調(diào)分渠長葛供水分渠5720總計22600禹州供水分渠2780許昌市供水分渠12000襄城縣供水分渠2100引黃補源5000許昌市水資源合理調(diào)度與優(yōu)化管理研究TheresearchonrationalallocationandoptimalmanagementofwaterresourcesinXUCHANGCity二、水資源調(diào)查評價其他水資源量情況數(shù)據(jù)來源：《許昌市市區(qū)水系連通工程規(guī)劃概要》《許昌市節(jié)水十二五規(guī)劃》南水北調(diào)與引黃工程許昌市主要工程調(diào)水水量表（萬m3/年）工程調(diào)水水資源量可供利用的跨流域調(diào)水為：南水北調(diào)2.26億立方米/年。引黃調(diào)蓄調(diào)水為：0.50億立方米/年。水資源可利用量是在可預(yù)見的時期內(nèi)，統(tǒng)籌考慮生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境用水，協(xié)調(diào)河道內(nèi)與河道外用水的基礎(chǔ)上，通過經(jīng)濟合理，技術(shù)可行的措施可供一次性利用的最大來水量（不包括回歸水重復(fù)利用量）各縣市水資源可利用量計算規(guī)則如下表所示。相關(guān)系數(shù)數(shù)據(jù)參考《農(nóng)田水利規(guī)劃報告》等參考文獻。地表水地下水過境水魏都區(qū)取北汝河、襄城縣地下水等總計（18921/6341）；南水北調(diào)84000許昌縣徑流量*0.55開采系數(shù)*0.777潁河、清潩河和石梁河過境水量利用0.4長葛市徑流量*0.61開采系數(shù)*0.790清潩河、佛爾崗水庫等（4544/4817）；南水北調(diào)4004鄢陵縣徑流量*0.21開采系數(shù)*0.699雙洎河、清流河等（710/300）；引黃3000襄城縣徑流量*0.57開采系數(shù)*0.583北汝河等（6290/6920）；南水北調(diào)1470禹州徑流量*0.41開采系數(shù)*0.690潁河（7835/1959）；南水北調(diào)2780水資源可利用量計算規(guī)則三、供需水量預(yù)測水資源可利用量預(yù)測中水回用量（萬噸/天）中水回用量（萬噸/年）回用率2011年1.72627.615%2020年8.3302925%2030年20730040%許昌市主城區(qū)中水回用量水資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、南水北調(diào)水量、引黃補源水量、水利工程水量等。2030年與2020年水資源量相比：魏都區(qū)中水回用量增加。項目名稱2030年新增水量（萬方）魏都區(qū)清潩河治理長葛市污水處理1500三、供需水量預(yù)測水資源可利用量預(yù)測根據(jù)不同水平年經(jīng)濟和社會發(fā)展的目標(biāo)、城市化進程、生產(chǎn)力布局狀況及生態(tài)環(huán)境保護對水資源的總體要求，考慮不同來水條件和各種不確定因素的影響，進行不同保證率下的各水平年工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、生態(tài)環(huán)境需水量多方案預(yù)測。工業(yè)需水預(yù)測：參考《許昌市國民經(jīng)濟和社會第十二個五年發(fā)展規(guī)劃綱要》、《全國水資源綜合規(guī)劃》估算農(nóng)業(yè)需水預(yù)測：參考三條紅線要求“許昌市預(yù)測2015年農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)為0.645，有效灌溉面積380萬畝”生活用水預(yù)測：參考《許昌市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃（2012-2030）》的人口預(yù)測規(guī)模，以及《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》中的用水量推薦值標(biāo)準(zhǔn)估算生態(tài)環(huán)境用水預(yù)測：參考《許昌市節(jié)水十二五規(guī)劃》并建立河流水環(huán)境模型計算三、供需水量預(yù)測需水量預(yù)測水平年20202030需水量統(tǒng)計工業(yè)用水量農(nóng)業(yè)用水量生活用水量生態(tài)用水量工業(yè)用水量農(nóng)業(yè)用水量生活用水量生態(tài)用水量萬m3萬m3萬m3萬m3萬m3萬m3萬m3萬m3魏都區(qū)658730862816957930632590817631許昌縣4784386042418667584065461794鄢陵縣448556132077586633659122015642襄城縣6223417923026787914401214673禹州市1088544144041143515378464939641574長葛市127354706248726179924956252229小計456982308021429915764561243082434610045合計99364123260許昌市需水量預(yù)測表水資源可利用量預(yù)測三、供需水量預(yù)測基于“三條紅線”的水資源優(yōu)化配置的目標(biāo)有2個。

河流健康流量控制目標(biāo)1其中：

Qvi（i，t）指河流第i控制斷面第t時段健康流量調(diào)控閾值；Gqvi（i，t）指河流第i控制斷面第t時段流量。水資源利用目標(biāo)—缺水量最小其中:w

為任一計算單元的缺水量；j=1,2,3,4,5分別代表用水戶生態(tài)（河道外）、生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、發(fā)電；t=1,2,......T

；為t時段缺水判別系數(shù)，當(dāng)時，為0，反之，當(dāng)時，為1。2四、水資源配置目標(biāo)函數(shù)多目標(biāo)的處理將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)。以各計算單元各供水對象缺水量最小為主目標(biāo)，其余目標(biāo)則轉(zhuǎn)化為約束條件。目標(biāo)函數(shù)為：1求解考慮的原則2考慮供水水源順序、用水順序、水庫運行規(guī)則等。計算3結(jié)合上述模型求解規(guī)則，運行模型，采用自適應(yīng)算法，分別考慮不同的情形，不同的調(diào)控手段，進行模型求解。模型求解方法四、水資源配置選取MIKEBASIN軟件對許昌市水資源進行配置計算。①構(gòu)建水資源配置數(shù)學(xué)化模擬系統(tǒng)，以“點、線、面”的水量平衡關(guān)系來描述研究區(qū)水資源供用耗排水資源開發(fā)利用過程。②輸入天然徑流量、需水量、水庫調(diào)度規(guī)則設(shè)置和回歸水系數(shù)等，使模型模擬出的結(jié)果更具有現(xiàn)實意義。③通過分析篩選將天然來水、用水、降水、流量、水位、引調(diào)水工程、水庫等基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)的合理性分析、修正、剔除等操作，最后得出較合理的模型輸入數(shù)據(jù)。MIKEBASIN軟件求解流程四、水資源配置水文資料、氣象資料、水利工程資料、水資源開發(fā)利用資料研究范圍水源地分布情況水庫分布情況資料輸入四、水資源配置軟件界面四、水資源配置模型概化圖模型建立四、水資源配置河網(wǎng)概化圖河網(wǎng)概化：根據(jù)研究范圍、研究尺度及研究目的，河網(wǎng)選取許昌市重要支流，每個子流域的水量最終將匯集到清潩河、潁河、北汝河等主要干流中。模型建立四、水資源配置模型建立四、水資源配置用水戶設(shè)置魏都區(qū)許昌縣禹州市長葛市鄢陵縣襄城縣生活地表地下地表地下地下地表地下地下工業(yè)地表地下地下地下地下地下農(nóng)業(yè)地表地表地下地表地下地表地下地表地下地表地下生態(tài)地表地表地下地表地下地表地下地表地下地表地下基準(zhǔn)年各縣市供取水關(guān)系魏都區(qū)許昌縣禹州市長葛市鄢陵縣襄城縣生活南水北調(diào)南水北調(diào)南水北調(diào)南水北調(diào)工業(yè)南水北調(diào)中水南水北調(diào)南水北調(diào)南水北調(diào)農(nóng)業(yè)中水水利工程引黃水利工程生態(tài)中水水利工程引黃水利工程規(guī)劃年新增水源供水關(guān)系相關(guān)參數(shù)四、水資源配置

水源劃分許昌市水資源配置區(qū)域的過境河流包括北汝河、潁河、清潩河、雙洎河，跨流域調(diào)水包括南水北調(diào)、引黃補源工程。

現(xiàn)狀年與規(guī)劃水平年的選取現(xiàn)狀年為2011年中期規(guī)劃水平年為2020年遠期規(guī)劃水平年為2030年相關(guān)參數(shù)四、水資源配置規(guī)劃年方案一覽表配置方案擬定方案需水量供水量基準(zhǔn)年2011年平衡分析方案0現(xiàn)狀需水現(xiàn)狀供水規(guī)劃年2020年中期規(guī)劃一次平衡方案12020預(yù)測需水現(xiàn)狀供水二次平衡方案22020預(yù)測需水規(guī)劃供水（加入南水北調(diào)、引黃補源、水利工程供水）方案2R采取節(jié)水措施，生活工業(yè)用水量減少10%、農(nóng)業(yè)生態(tài)用水減少30%，達到以供定需額度三次平衡方案3采取節(jié)水措施，生活工業(yè)用水量減少10%、農(nóng)業(yè)生態(tài)用水減少30%，達到以供定需額度規(guī)劃供水額外考慮市區(qū)水系連通工程規(guī)劃年2030年遠期規(guī)劃一次平衡方案42030預(yù)測需水二次平衡方案52030預(yù)測需水規(guī)劃供水（加入南水北調(diào)、引黃補源、水利工程供水）方案5R采取節(jié)水措施，生活工業(yè)用水量減少10%、農(nóng)業(yè)生態(tài)用水減少30%，達到以供定需額度三次平衡方案6采取節(jié)水措施，生活工業(yè)用水量減少10%、農(nóng)業(yè)生態(tài)用水減少30%，達到以供定需額度規(guī)劃供水額外考慮市區(qū)水系連通工程配置方案四、水資源配置計算結(jié)果表明：在多年平均的情況下，基準(zhǔn)年水資源配置方案只有鄢陵縣有缺水情況，且是農(nóng)業(yè)生態(tài)缺水。在特枯年來水的情況下，基準(zhǔn)年水資源配置方案所有城市都有缺水情況。特別是魏都區(qū)、許昌縣、鄢陵縣生活工業(yè)都會出現(xiàn)缺水，因首先保證生活用水，所以缺水量主要集中在工業(yè)用水上。從缺水總量上看魏都區(qū)缺水最嚴重，其次是鄢陵縣。配置結(jié)果（基準(zhǔn)年）四、水資源配置配置結(jié)果四、水資源配置一次配置：規(guī)劃水平年需水量增加，按照現(xiàn)狀供水工程。結(jié)果出現(xiàn)更多的城市缺水，且缺水量增加。二次配置：對已有供水規(guī)劃增加南水北調(diào)、引黃濟源、水利工程；魏都區(qū)提高了中水回用水平。并且對節(jié)水和不節(jié)水情況分別計算，結(jié)果表明加入工程調(diào)水和節(jié)水措施后，缺水量明顯降低。三次配置：增加水系連通工程，所有地區(qū)均無缺水情況。配置結(jié)果（規(guī)劃年）四、水資源配置方案2與初始方案相比，工程調(diào)水增加供水明顯的緩解了許昌市水資源短缺的情況；方案3通過組合強化節(jié)水與水系連通工程的多重調(diào)控手段，用戶缺水程度得到了有效緩解，推薦方案3為規(guī)劃水平年研究區(qū)合理水資源調(diào)控方案。配置方案比較四、水資源配置用水總量控制制度用水效率控制制度水功能區(qū)限制納污制度管理責(zé)任與考核制度四項制度水資源開發(fā)控制紅線用水效率控制紅線入河湖排污總量控制紅線三條紅線水資源過渡開發(fā)缺水與浪費并存水體與環(huán)境污染取水用水排水水資源配置水資源節(jié)約水資源保護水資源三大問題開發(fā)利用三大環(huán)節(jié)水資源管理三大領(lǐng)域最嚴格的水資源管理制度核心內(nèi)容：“四項制度”+“三條紅線”。五、水資源管理水資源管理體系建設(shè)五、水資源管理水資源管理制度建設(shè)五、水資源管理①用水總量控制管理措施：1、加強水資源論證，實際論證率達100%，落實取水許可和水資源有償使用等管理制度。

2、嚴格取水審批，納入審批水量占總用水比例80%，實現(xiàn)取水審批和發(fā)證率100%。

3、非農(nóng)業(yè)取水戶計劃用水管理率達95%，大中型灌區(qū)用水計劃管理達80%。建設(shè)目標(biāo)：制定市、縣（市、區(qū)）用水總量控制指標(biāo)，2013年完成全市各縣（市、區(qū)）用水總量控制指標(biāo)分配工作，2015年用水總量控制在9.187億m3內(nèi)。五、水資源管理②用水效率控制措施：1、加強用水監(jiān)管。強化對工業(yè)園區(qū)取用水大戶的總量控制和定額管理。

2、加強用水定額和計劃管理。把用水定額作為水資源論證、取水許可、計劃用水的依據(jù)。

3、試點期間出臺《許昌市建設(shè)項目節(jié)水“三同時”制度》。建設(shè)目標(biāo)：2015年全市萬元工業(yè)增加值取水量下降到23m3/萬元，農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)提高到0.645以上。五、水資源管理③水功能區(qū)限制納污控制措施：1、嚴格水功能區(qū)和入河排污口監(jiān)管，建立取水戶監(jiān)管系統(tǒng)和水量水質(zhì)監(jiān)管系統(tǒng)，初步建立滿足最嚴格水資