题目：汉江流域水资源配置
教学目的：
（1）能够综合运用相关专业知识分析解决区域水资源配置问题；
（2）掌握多种需水预测的方法，并能够对预测结果进行综合评价分析；
（3）掌握水资源系统概化建模的基本方法，了解优化模型与模拟模型的主要内容；
（4）学会编程（或运用专业软件）进行优化模型与模拟模型求解；
（5）能够对配置结果合理性进行分析，在这个过程中，加深认识各种因素（经济、社会、环境、工程）对水资源配置的
影响；
（6）熟悉设计报告编写的基本要求；培养自主学习能力。
内容：
（1）分区对现状水平年、规划水平年的需水量进行预测；
（2）针对汉江流域水资源系统特点，对汉江流域水资源配置系统进行概化，建立以年为时段的汉江流域水资源配置优化模型，并进行求解；
（3）三种水平年、三种保证率共9种组合，对汉江流域不同水平年的水资源配置方案进行综合分析。
要求：
（1）具体计算时要求各人模型参数取值、结果不同。
(2) 每人独立完成提交一份课程设计报告，报告原理、方法正确，步骤清楚，结果合理；
（3）设计报告规范。公式正确、图表规范、单位正确、引注清楚。
成绩评定：
（1）指导教师视情况，要求班长和学习委员师根据平时做课程设计过程中的表现、相互讨论及认真、独立完成程度进行评分。
此项评分作为平时成绩的参考评分。
（2）指导教师根据课程设计报告的完成质量（包括完整的报告，Excel计算结果与编程程序与计算结果，提交的时间等）评定成绩。
第1章汉江流域基本情况
1.1 流域自然概况
（一）自然地理概况
汉江是长江中游最大的支流，发源于秦岭南麓，干流流经陕西、湖北两省，于武汉市注入长江，干流全长1577 km。流域地势西高东低，由西部的中低山区向东逐渐降至丘陵平原区，西部秦巴山地高程1000～3000 m，中部南襄盆地及周缘丘陵高程在100～300 m，东部江汉平原高程一般在23～40 m左右。干流总落差1964 m。
汉江流域面积约15.9万km2，山地约占55%，主要分布在西部，为中低山区；丘陵占21%，主要分布于南襄盆地和江汉平原周缘；平原区占23%，主要为南襄盆地、江汉平原及汉江河谷阶地；湖泊约占1%，主要分布于江汉平原。
汉江流域水系发育，集水面积大于1000 km2的一级支流共有19条，其中1
万km2以上的有唐白河与堵河。汉江干流丹江口以上为上游，长925 km，占汉江总长的59%，控制流域面积9.52万km2，落差占汉江总落差的90%；丹江口至钟祥为中游，长270 km，平均比降0.19‰，区间流域面积4.68万km2；钟祥以下为下游，长382 km，河床平均比降为0.06‰，集水面积1.7万km2。
流域水系图见图1.1。
（二）水文气象特性
汉江流域属东亚副热带季风气候区，冬季受欧亚大陆冷高压影响，夏季受西太平洋副热带高压影响，气候具有明显的季节性。流域内多年平均气温12～16℃，由上游向下游递增。月平均最高气温发生在7月，为24～29℃；
图1.1汉江流域水系图
月平均最低气温发生于1月，为0～3℃。极端最高气温为42.7℃（郧县1966年7月19日）；极端最低气温为－17.6℃（房县1977年1月30日）[25]。
流域多年平均降水量在700～1800mm之间，年降水量呈现南岸大于北岸，上、下游大，中游小的地区分布规律。汉江上游年内降水有三个集中时段，4月下旬至5月下旬为春汛；6月下旬至7月下旬为夏汛；8月下旬至10月为秋汛，其中夏汛时段雨量最大，秋汛次之。降水年内分配不均匀，5～10月降水占全年的70～80%，7、8、9月占年降水量的40～60%。降水Cv值上游地区为0.20，中下游地区为0.25。
1.2 社会经济概况
（一）人口
汉江流域涉及陕西、湖北、河南、重庆、四川、甘肃6省（市）的20个地（市、州）、78个县（市、区）。2010年末，汉江流域内总人口为3841.15万人，其中城镇人口1495.24万人（占全流域总人口的38.93％），农村人口2345.92万人。
从1980年至2000年，汉江流域总人口由3000.70万人增加到3590.70万人，人口在20年内增加了590万人，年均增长率为9.0‰。其中，农业人口由2661.77万人减至2475.19万人，城镇人口由338.93万人增长至1115.50万人。
汉江流域总人口增长率较高的时段在1985～1990年，年均增长率为18.1‰。从人口组成上分析，城镇人口一直呈增长态势，而农业人口在1980～1985年间基本持平，在1985～1990年间呈增长态势，随后开始迅速下降。
（二）社会经济
汉江流域2010年实现国内生产总值4751.44亿元，其中农业637.22亿元、工业2351.65亿元、第三产业1762.57亿元。
汉江流域农业较为发达，江汉平原是我国主要的商品粮基地之一，汉中盆地被誉为“鱼米之乡”，南阳盆地也是有名的农产区。流域内的粮食作物主要为水稻、小麦，经济作物主要为棉花、油料、麻类、烤烟及桐油等，此外山区还盛产木材、木耳、桐油、药材、板栗等土特产品。2010年汉江全流域共有耕地面积4596.61万亩，农田有效灌溉面积2344.65万亩，占总耕地面积的51%；流域内共有鱼塘150.37万亩，大小牲畜共计2832.19万头。
汉江流域2010年实现工业总产值7138.83亿元，工业增加值4751.44亿元。汉江流域工业以机械、电力、建材工业为主体，石油、化工、纺织及汽车制造亦
具有相当规模，如湖北十堰的第二汽车制造厂、湖北潜江的江汉油田、湖北襄樊的第一棉纺织厂、湖北钟祥的磷矿及磷化工等；此外还有冶金、煤炭、一轻、二轻、烟草、电子、医药等工业亦具规模。
1.3 汉江流域水资源开发利用概况
（一）水资源量
根据流域自然条件、河谷形态，将汉江流域划分为三个子区：丹江口以上，面积为9.38万km2；唐白河流域，面积为2.39万km2；丹江口以下干流（扣除唐白河流域），面积为3.71万km2。
（1）地表水资源量
地表水资源量指的是河流、湖泊等地表水体的动态水量，通常用天然河川径流量来表示。根据汉江流域水资源调查评价成果及汉江流域水文年鉴统计数据，汉江流域多年平均地表水资源量为554.6亿m3，折合径流深为358mm。其中，丹江口以上多年平均地表水资源量为373.7亿m3，折合径流深为399mm；唐白河多年平均地表水资源量为52.0亿m3，折合径流深为217mm；丹江口以下多年平均地表水资源量为128.9亿m3，折合径流深为347mm。
（3）地下水资源量
汉江流域多年平均地下水资源量为161.5亿m3，其中，丹江口以上多年平均地下水资源量为90.4亿m3，产水模数为9.64万m3/km2；唐白河多年平均地下水资源量为24.7亿m3，产水模数为10.32万m3/km2；丹江口以下多年平均地下水资源量为46.4亿m3，产水模数为12.50万m3/km2。
（4）水资源总量
汉江流域的水资源总量由全流域的河川径流量和平原区的不重复地下水资源量组成。
经分析计算，汉江流域多年平均水资源总量为573.2亿m3，产水系数为0.41，产水模数为37.03万m3/km2。其中，丹江口以上多年平均水资源总量为374.9亿m3，产水模数为39.99万m3/km2；唐白河多年平均水资源总量为60.2亿m3，产水模数为25.15万m3/km2；丹江口以下多年平均水资源总量为138.1亿m3，产水模数为37.20万m3/km2。根据《长江流域及西南诸河水资源公报（2010年）》，2010年汉江流域水资源总量为771亿m3。
（5）地表水、地下水及水资源总量时空分布特征
汉江流域水资源量主要由降雨形成，水资源量的时程分配特征与降雨量的季节性变化一致。年内以降雨量大的5～10月水资源量丰沛，约占年总量的70%左右，11～4月降水量较小，水资源量亦较小。从年际变化看，水资源量与降水量密切相关。若当年降水量丰沛，则地表水丰沛，地下水补给充分，水量亦大，水资源总量亦大。
水资源量的空间分布与降水量大体一致。由于陆地蒸发的地区分布与降水量相反，使得年径流深的地区分布更不均，流域内径流深在300～900 mm之间。秦岭山地和米仓山、大巴山一带均在400 mm以上，其高值区分别为1000 mm和1400 mm；流域东南部及东部年径流深和其余大部分地区一样为300～400 mm；上游商、丹盆地及东部的南襄盆地一带径流深小于200 mm。
（二）水利工程现状
根据汉江流域的开发治理目标，已有重点、有步骤地兴建了一系列水利工程。干流上游已建的石泉、安康、丹江口等大型水利枢纽和支流上建成的石门枢纽和黄龙滩电站，使上游水流在一定程度得到控制，水资源得以利用；中游较大的工程仅支流上的胡家渡电站、鸭河口水库和宋家场水库等，控制程度低，径流基本处于自然状态，水资源利用程度也较低；下游水资源主要用于农业灌溉和航运，其次是工业、城镇供水和水产养殖等。河道外用水的取水设施主要是沿干支流的闸、站工程。
全流域已初步形成以大中小型水库（含池塘和塘坝）调蓄和引提水工程为主体的流域水资源配置体系，跨流域调水南水北调中线一期工程已建成通水，陕西省引乾济石、引红济石调水工程调水约1.4 亿m3已实施。全流域已建大中小型水库2724 座，总库容321.63亿m3，其中大型水库20座，总库容265.76亿m3，陕西、河南、湖北分别为1、3、16 座，总库容达1.09、15.55 和249.12亿m3。塘堰29.14 万余座，总库容12.607亿m3；其中陕西、河南、湖北分别有3.473、1.784、23.886万座，总库容分别为1.135、1.669、9.804亿m3。
汉江流域共有引水工程1.385万处，设计和现状供水能力分别为54.4亿m3和46.89亿m3；提水工程1.284万处，设计和现状供水能力分别为73.33亿m3和41.1亿m3。
汉江流域的供水任务分作两大部分：第一部分为本流域供水，即干流沿江直接从河道取用水；第二部分为跨流域供水——南水北调中线工程。
（1）本流域供水工程
全流域已建固定机、电排灌站7525处，共装机66.3万kW，排灌面积886万亩。汉江中下游沿干流共有城镇水厂和工业自备水源216座，农业灌溉引提水闸站241座，总引提水能力约1060 m3/s，总装机容量10.3万kW。
汉江中下游干流范围内灌溉取水分三个区，皇庄以上为上区，为引提水灌区；皇庄至泽口为中区，为自流引水灌区，目前有罗汉寺、兴隆、谢湾、泽口等六大自流引水闸，今后还将增建王家营引水闸；孝感和武汉市的部分地区为下区，为提水灌区，主要有沉湖提灌区，汉川二站提灌区，江尾引提水灌区。以上三区的灌溉面积目前已达到951万亩。
（2）跨流域供水工程
南水北调中线工程，是从丹江口水库引水到京、津、华北地区，是解决北方地区资源性缺水问题的重大战略举措。在丹江口大坝加高、汉江中下游兴建兴隆枢纽和引江济汉等工程实施后，近期中线一期工程多年平均调水量95亿m3、远期南水北调中线二期工程调水120～140亿m3。
1.4 流域水资源开发利用存在的问题
汉江流域良好的水资源条件不仅为本流域经济社会的发展提供了自然物质基础，同时也为其它流域的发展提供了良好的支持。但是，近年来汉江流域水资源开发利用和水生态环境保护现状却令人担忧，主要表现在以下几点：（1）水资源形势日益严峻，水资源配置问题突出
汉江流域水资源总量相对较大，但与世界人均水资源拥有量相比，其形势仍不容乐观。汉江流域多年平均水资源量为588亿m3，约占长江流域水资源总量的5.94%；流域内人均水资源量约1500 m3，低于全国2200 m3的人均水资源量，只有世界人均水资源量的1/6。随着社会经济的发展与人口的增加，汉江流域人均水资源量呈不断减少之势。
（2）水污染严重，水环境状况堪忧
随着经济社会的发展，流域内废水污水排放量持续增加，水环境状况不断恶化，主要表现为汉江下游的水华现象。汉江“水华”系水体中硅藻大量繁殖，使水体呈褐色，有异味，影响到人们对水的正常使用，是水体富营养化而引起的一种现象。20世纪90年代以来，汉江中下游及武汉江段水域连续大范围急速暴发四次严重“水华”现象，分别是1992年2月17日~3月7日；1998年2月16日~3
月初；2000年2月28日~3月；2003年2月5日~9日。汉江中下游及武汉江段水安全、生态安全、水质安全已受到严重威胁，出现所谓的“水质性缺水”，影响到区域人民饮水生命健康，用水安全和社会可持续发展。
（3）汉江流域洪涝灾害严重
汉江中、下游平原区地面高程普遍低于洪水位数米至十几米，每当大汛来临，防御洪、涝灾害的形势十分严峻，遇大洪水就会发生不同程度的水灾，是汉江流域洪涝灾害最集中、最严重、最频繁的地区。每次洪水灾害都对人民生命财产造成巨大损失，灾区的生态与环境遭受严重的创伤，往往数年仍难以恢复元气。
（4）汉江面临的新挑战
我国经济社会的快速发展势必要求汉江流域进一步的开发利用，国家重点建设的南水北调中线工程以及引汉济渭等调水工程在未来将给汉江流域带来新的资源、环境和生态问题。
1.5 规划分区与水平年
（一）分区
根据流域自然条件、河谷形态，按照全国水资源分区三级分区，将汉江流域划分为三个子区：丹江口以上，面积为9.38万km2；唐白河流域，面积为2.39万km2；丹江口以下干流（扣除唐白河流域），面积为3.71万km2。
（二）水平年
现状水平年（基准年）：2010年
近期水平年：2020年
远期水平年：2030年
第2章 需水预测
根据全国水资源综合规划的技术要求，需水分为生活需水、生产需水和生态
环境需水三大类。生活需水为城镇居民生活用水和农村居民生活用水。生产需水是指经济产出和各类生产活动所需水量，包括第一产业（种植业、林牧渔业）、第二产业（工业、建筑业）及第三产业（商饮业、服务业）。生态环境需水分为维护生态环境功能和生态环境建设两类，并按河道内和河道外划分。
2.1 生活需水预测
（一）人口发展预测
2010年末，汉江流域内总人口为3841.15万人，其中城镇人口1495.24万人（占全流域总人口的38.93％），农村人口2345.92万人。汉江流域现状水平年（2010年）人口统计见表2.1。
表2.1 汉江流域现状水平年（2010年）人口统计
三级区 流域面积
（万km 2）
总人口 （万人） 人口密度 （人/km 2）
城镇人口 （万人） 城镇化率（%） 丹江口以上 9.48 1334.97 140 408.53 30.60 唐白河 2.39
1049.14
233
371.24
35.39
丹江口以下干
流 3.71
1457.05
1005
715.46
49.10
汉江流域
15.48
3841.16
242
1495.24
38.93
进行人口预测时，必须要考虑国家的人口政策和人口流动。根据中国科学院可持续发展研究报告提出的“我国应到2030年实现人口数量的零增长”这一目标，参考近年来汉江流域人口自然增长速度变化趋势，对汉江流域不同水平年的人口发展进行预测。不同规划水平年的人口预测采用统计趋势预测法，计算公式如下：
0(1)n n p p r =+ (2.1)
式中：p n 为规划水平年预测人口总数；
p 0为基准年的人口总数； r 为人口综合增长率；
n 为从起算年至预测终止年的年数。
然后，根据城镇化率预测，进行城镇人口和农村人口预测。
拟定的近期和远期水平年的各分区人口年均增长率和城镇化率见表2.2。根
据表2.2可计算出各分区及流域总人口、城镇人口及农村人口。
表2.2 不同水平年各分区人口年均增长率和城镇化率预测水资源
分区水平年
总人口
（万人）
总人口年均
增长率
（‰）
城镇化率
（％）
丹江口以上2010 1334.97 30.60 2020 5-6 39-41 2030 4-5 51-53
唐白河2010 1049.14 35.39 2020 5-6 44-46 2030 4-5 56-58
丹江口以下2010 1457.05 49.10 2020 6-7 55-56 2030 5-6 60-61
汉江流域2010 3841.15 38.93 2020
2030
预测到近期规划水平年2020年，汉江总人口***万人，其中城镇人口******万人，农村人口******万人，城镇化率****％；预测远期规划水平年2030年，汉江总人口******万人，其中城镇人口******万人，农村人口******万人，城镇化率******％，预测结果如表2.3所示。
表2.3汉江流域现状年和未来水平年分区人口表水资源
分区水平年
总人口
（万人）
城镇人口
（万人）
农村人口
（万人）
城镇化率
（％）
丹江口以上2010 2020 2030
唐白河2010
2020 2030
丹江口以下2010 2020 2030
汉江流域2010 2020 2030
图汉江流域现状年（2010）、规划水平年人口统计（示例）（二）人均生活用水量预测
根据2010年用水资料统计分析，汉江流域各分区人均用水量指标如下。由于汉江流域人均生活用水量处于较低水平，未来还有增长空间。但最高不得超过国家规定的人均用水标准。预测近期和远期水平年各分区人居生活用水量见表2.4。
表2.4 近期和远期水平年各分区人居生活用水量预测
水资源分区水平
年
城镇生活农村生活
用水定额
（L／
人·日）
用水定额
（L／
人·日）
丹江口以上2010 123 59 2020 135-140 70-75 2030 150-155 85-90
唐白河
2010
123 71 2020 130-135 75-80 2030
140-145 85-90 丹江口 以下干流 2010 165 86 2020 170-175 95-100 2030 175-180 110-120 汉江流
域
2010
143 71 2020
（三）居民生活需水量预测
生活需水预测分为城镇生活需水预测和农村生活需水预测两部分，采用人均日用水量定额法进行计算。生活需水量计算公式如下：
365/1000i n i W p k （2.2）
式中：p n 为规划水平年预测城镇（农村）人口总数（万人）；
k i 为规划水平年拟定的城镇（农村）人均用水量（L /(人·日)）； W i 为规划水平年城镇（农村）生活需水量（万m 3）。
预测的居民生活需水量见表2.5。
2.2 生产需水预测
生产需水是指经济产出和各类生产活动所需水量，包括第一产业（种植业、林牧渔业）、第二产业（工业、建筑业）及第三产业（商饮业、服务业）。
2.2.1 第一产业需水预测
（一）第一产业发展预测
根据汉江流域所属各行政地区发展的总体规划和经济发展战略，对第一产业发展进行预测，结果见表2.6。
表2.6现状水平年（2010年）和规划水平年农业发展和土地利用指标
水资源分区水平
年
耕地面
积
（万
亩）
灌溉面积（万亩）鱼塘
面积
（万
亩）
牲畜头数（万头）农田有效灌溉面积灌溉
林果
地
大牲
畜
小牲畜
丹江口以上20101189.15
433.79
16.108.47134.75773.19 20201160.98
445.17
20.048.66144.16848.57 20301151.87
450.01
23.178.81154.77923.43
唐白河20101571.60
854.42
4.4128.73288.37990.78 20201569.46
907.55
5.2331.11284.841087.08 20301567.39
907.55
5.9532.92282.551139.20
丹江口以下干流20101835.85
1056.43
26.26113.17113.85531.26 20201810.25
1098.75
26.79113.57114.58538.67 20301794.59
1098.75
27.05113.95115.14543.53
汉江流域20104596.61
2344.65
46.77150.37536.972295.22 20204540.70
2451.47
52.04153.34543.592474.31 20304513.86
2456.31
56.14155.68552.462606.16
（二）第一产业需水预测
对第一产业需水量的预测采用定额法，根据产业内部生产结构、发展面积以及用水定额的不同，分别在不同保证率下进行预测计算。
第一产业需水预测包括种植业和林牧渔业需水预测。其中，种植业、林果地灌溉需水预测采用灌溉定额法，牲畜需水预测采用牲畜日用水定额法，渔业养殖需水预测采用单位养渔面积补水定额法。随着农业节水灌溉措施的不断实施和新技术的不断推广以及渔业养殖技术的不断提高，农田和林果地的灌溉定额以及单位养渔面积用水定额将逐年减少；随着牲畜饲养技术、卫生条件和圈养比率的不断提高，牲畜用水定额将逐年增加。
1．种植业灌溉需水预测
现状水平年汉江流域农田灌溉面积为2344.65万亩；预测汉江流域2020年规划农田灌溉面积为2451.47万亩；2030年规划农田灌溉面积为2456.31万亩。汉江流域各规划水平年种植业需水预测成果见表2.7。
2、林果地灌溉需水预测
现状水平年汉江流域林果地灌溉面积为46.77万亩，用水量为3531.28万m3。预测汉江流域2020年规划林果地灌溉面积为52.04万亩，需水量为****万m3；2030年规划林果地灌溉面积为56.14万亩，需水量为****万m3。汉江流域各规划水平年林果地灌溉需水预测成果见表2.8。
3．牲畜需水预测
现状水平年汉江流域牲畜总数为2832.19万头，牲畜总用水量为26710.74万m3。预测汉江流域2020年牲畜总数为3017.90万头，牲畜总需水量为****万m3；2030年牲畜总数为3158.63万头，牲畜总需水量为****万m3。汉江流域各规划水平年牲畜需水预测见表2.9。
表2.7汉江流域农田灌溉需水预测表一
表2.8 汉江流域林果地灌溉需水预测
水资源分区水平年
林果地灌溉
面积
（万亩）
林果地灌溉
净定额（m3/
亩）
林果地灌溉
净需水量
（万m3）
林果地
灌溉水利用
系数
林果地灌溉
毛需水量
（万m3）
丹江口以上2010 16.0962 0.51 2020 20.0260 0.54 2030 23.1458 0.57
唐白河2010 4.4167 0.57 2020 5.2365 0.60 2030 5.9562 0.65
丹江口以下干流2010 26.2625 0.52 2020 26.7925 0.56 2030 27.0525 0.60
汉江流域2010 46.77
2020 52.04 2030 56.14
表2.9 汉江流域牲畜需水预测
水资源分区水平
年
大牲
畜
（万
头）
大牲畜用
水定额
L／（头?
日）
大牲畜需
水量
（万m3）
小牲畜
（万
头）
小牲畜用
水定额
L／（头?
日）
小牲畜需
水量
（万m3）
合计
（万
m3）
丹江口以上2010 134.7545 773.19 22 2020 144.1645 848.57 22 2030 154.7745 923.43 22
唐白河2010 288.3748 990.78 20 2020 284.8448 1087.08 20 2030 282.5548 1139.2 20
丹江口以下干流2010 113.8550 531.26 25 2020 114.5850 538.67 25 2030 115.1450 543.53 25
汉江流域2010 536.972295.22 2020 543.592474.31 2030 552.462606.16
4．渔业养殖需水预测
现状水平年汉江流域鱼塘面积为150.37万亩，渔业养殖用水量为76777.94万m3。预测汉江流域2020年规划鱼塘面积为153.34万亩，渔业养殖需水量为*****万m3；2030年规划鱼塘面积为155.68万亩，渔业养殖需水量为*****万m3。汉江流域各规划水平年渔业养殖需水预测见表3.12。
表2.10 汉江流域各规划水平年渔业养殖需水预测
水资源分区水平年
鱼塘面积
（万亩）
用水定额
（m3/亩）
净需水量
（万m3）
水利用系
数
毛需水量
（万m3）
丹江口以上2010 8.47 450 0.65 2020 8.7 450 0.70 2030 9.0 450 0.72
唐白河2010 28.73 500 0.65 2020 26.0 500 0.72 2030 22.0 500 0.75
丹江口以下干流2010 113.17 350 0.60 2020 115 350 0.65 2030 120 350 0.67
汉江流域2010 2020 2030
5、第一产业需水预测汇总
根据以上对汉江流域现状水平年以及各规划水平年种植业、林果地和饲草料基地灌溉需水以及牲畜和渔业养殖需水预进行会汇总，得到汉江流域现状水平年及不同规划水平年第一产业需水预测汇总见表2.11和图***，第一产业中不同用水户占第一产业总需水量的比例见图***。
图汉江流域现状年（2010）、规划水平年第一产业需水预测
图汉江流域现状年（2010）、规划水平年第一产业用水比例
表2.13汉江流域第一产业需水预测汇总水资
源分区水平
年
种植业灌溉需水量（万m3）
林果地
灌溉
需水量
（万
m3）
牲畜
需水量
（万m3）
渔业养
殖
需水量
（万
m3）50% 75% 95%
丹江口以上2010 2020 2030
唐白河2010 2020 2030
丹江口以下干流2010 2020 2030
汉江流域2010 2020 2030