固原市水資源優(yōu)化配置研究

張會平

(寧夏河海水利建筑勘測設計有限公司，寧夏 銀川 750001)

固原市位于寧夏南部六盤山地區(qū)，轄原州、隆德、西吉、彭陽和涇源5個區(qū)縣，年均降水量為477mm，年水面蒸發(fā)量高達946mm，多年平均徑流量5.666億m3，多年平均徑流深53.5mm，人均水資源量378m3，遠低于重度缺水地區(qū)人均1000m3的標準，水資源嚴重短缺；水資源量少質差，供需矛盾日益突出，全市地表徑流深僅為全國平均水平的1/6，苦咸水量占天然地表水資源的30%，且分布面積較廣；全市跨流域調水骨干工程網(wǎng)絡比較薄弱，城鄉(xiāng)一體化的水資源調度管理體系還未形成，供水保障率不高，屬于典型的資源型、水質型和工程型缺水地區(qū)。水資源作為地球演變發(fā)展過程中極為重要的一種自然資源，它對于人類社會發(fā)展至關重要。由于降水分布時空不均、水資源浪費和水體污染嚴重、水資源利用水平低下、地下水不合理開采等問題突出，區(qū)域可供水資源布局與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求極不協(xié)調，水資源利用的前景甚為嚴峻。本文通過深入查究固原這種干旱地區(qū)的水資源特性，分析水資源支撐經(jīng)濟和人口發(fā)展規(guī)模，探索水資源開發(fā)新模式，建立水資源區(qū)域優(yōu)化配置方案，統(tǒng)籌協(xié)調全市各縣區(qū)城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)各用水戶的用水需求，對區(qū)域內的有限水資源進行合理配置，緩解各用水戶的水資源供需矛盾，提高水資源的承載能力，以期為同類干旱地區(qū)的水源優(yōu)化配置提供經(jīng)驗借鑒。

隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，城鄉(xiāng)結構、經(jīng)濟模式、生態(tài)環(huán)境等發(fā)生了深刻變化，水資源供給工程網(wǎng)絡的形式和供水管理的手段千差萬別，現(xiàn)有的水資源優(yōu)化配合理論在實踐中還存在一些不足。一是水資源優(yōu)化配置目標多以經(jīng)濟效益為主，對社會和生態(tài)效益重視不夠，不利于經(jīng)濟、社會、生態(tài)協(xié)調發(fā)展；二是研究重點傾向于水資源豐富的地區(qū)，對各類資源型、工程型、水質型缺水地區(qū)的水資源優(yōu)化配置研究尚有不足；三是水資源優(yōu)化配置研究與研究區(qū)當?shù)厮Y源的調度能力、工程布局及用水戶特點結合不夠緊密，優(yōu)化配置方法不夠靈活多樣。

1 固原水資源及其開發(fā)利用現(xiàn)狀

1.1 基本概況

固原市境內以六盤山為分水嶺，可分為東部和西部兩部分，地形分布山多川少，塬、梁、峁、壕交錯，丘陵起伏，溝壑縱橫；屬于典型的大陸性氣候，根據(jù)熱量和干濕情況差異，分為北部干旱區(qū)、中部半干旱區(qū)和南部半濕潤區(qū)三類氣候類型。

市境內主要河流水系有清水河、葫蘆河、祖歷河、涇河水系，固原市地表水資源量為5.666億m3，其中清水河流域0.875億m3，葫蘆河流域1.531億m3，涇河流域3.180億m3，祖歷河流域0.080億m3。全市農(nóng)業(yè)有效灌溉面積為65.54畝。2015年全市完成工業(yè)增加值30.57億元，剔除物價因素，實際比上年增長9.3%。

1.2 水資源量

1.2.1 地表水資源量

本研究地表水資源以區(qū)域水文站實測資料為基礎，勾繪年徑流深等值線，再根據(jù)年徑流深等值線法進行推算[1]。多年平均徑流量按照徑流深等值線圖量算，具體計算公式如下：

(1)

式中，W—多年平均徑流量，萬m3；fi—相鄰兩徑流深等值線間的面積，km2；Pi—各相鄰兩徑流深等值線的平均值，mm。

根據(jù)推算結果，各縣區(qū)不同頻率地表水資源量統(tǒng)計成果見表1。

表1 固原市各縣區(qū)不同頻率地表水資源統(tǒng)計成果 單位：萬m3

1.2.2 水資源總量

水資源總量是指地表徑流量與降水入滲補給量之和，不包括外來水量，即境內當?shù)赜山邓纬傻牡乇砗偷叵庐a(chǎn)水量[2]。水資源總量計算公式如下。

W=Rs+Pr=R+Pr-Rg

(2)

式中，W—水資源總量；Pr—降水入滲補給量(山丘區(qū)用地下水總排泄量代替)；Rs—地表徑流量(即河川徑流量與河川基流量之差值)；Rg—河川基流；R—河川徑流量(即地表水資源量)。

固原市屬于黃土丘陵地區(qū)，地下水資源量與地表水資源量重復計算，由此計算得到固原市各縣區(qū)多年平均水資源量成果。各縣區(qū)多年平均水資源量成果見表2。

表2 固原市各縣區(qū)多年平均水資源量成果單位：萬m3

1.3 水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

1.3.1 水利工程現(xiàn)狀

固原市建成中小型水庫163座、骨干淤地壩237座，中型淤地壩365座，機井5.18萬眼、集中式農(nóng)村安全飲水工程189處，與建成的中南部城鄉(xiāng)飲水工程，固海揚黃工程、固原市東山坡引水工程、彭陽縣長城塬引水工程和隆德縣桃山引水工程聯(lián)合運行，全市生產(chǎn)、生活、生態(tài)供水網(wǎng)絡體系初步形成。

1.3.2 現(xiàn)狀供水及用水

經(jīng)統(tǒng)計，2011—2015年，固原市年平均總用水量1.299億m3，其中，農(nóng)業(yè)0.972億m3，占74.8%；工業(yè)0.069億m3，占5.3%；生活0.258億m3，占19.9%。生態(tài)與環(huán)境補水含在農(nóng)業(yè)用水中。固原市2011—2015年各類工程年平均總供水量1.299億m3。其中，地下水供水量0.415億m3，占總供水量的32%；當?shù)氐乇硭┧?.773億m3，占60%；引揚黃河水0.111億m3，占8%。

固原市2015年農(nóng)業(yè)畝均用水量142m3/畝，城鎮(zhèn)綜合生活定額96L/人.d；工業(yè)萬元增加值取水量31m3/萬元，低于全區(qū)平均44m3/萬元；農(nóng)村生活綜合定額35L/人.d，低于全區(qū)平均47L/人.d。

2 固原發(fā)展預測

2.1 經(jīng)濟社會發(fā)展預測

2.1.1 人口與城鎮(zhèn)化

據(jù)2015年統(tǒng)計，各縣區(qū)人口自然增長率為7～12‰，全市平均10.35‰，城鎮(zhèn)化率為22%～45%，全市平均32.35%。固原市2011—2015年人口自然增長率如圖1所示。從圖1看出，2011—2013年實行計劃生育政策，人口呈下降趨勢，隨著國家和自治區(qū)放開單獨二胎生育政策的實施，2014—2015年人口自然增長率呈增加趨勢。全市現(xiàn)狀2015年總人口考慮扣除生態(tài)移民后為149.77萬人，預測2020年、2025年、2030年總人口分別達到158.08萬人、167.24萬人、177.31萬人。

圖1 固原市“十二五”人口自然增長率圖

2.1.2 工業(yè)增加值預測

固原市工業(yè)包括非火電工業(yè)和火電工業(yè)。非火電工業(yè)增加值預測采用增長趨勢方法，參考2015年以前的增長率擬定2020、2025、2030年的增長率，另外再加上相應水平年清水河產(chǎn)業(yè)長廊組團的增加值規(guī)劃值；火電工業(yè)現(xiàn)狀年2015年只有固原六盤山電廠2×330MW熱電聯(lián)產(chǎn)項目。全市2015年工業(yè)增加值為30.5億元，預計2020、2025、2030年規(guī)劃工業(yè)增加值分別為80億元、160億元、230億元。

2.1.3 農(nóng)業(yè)灌溉面積預測

固原市農(nóng)業(yè)灌溉面積大、用水效率低，水資源浪費嚴重，是節(jié)約水資源，提高水利用效率的重點和難點。對于干旱缺水的寧夏中南部地區(qū)，要通過嚴格控制新增灌溉面積，調整種植結構來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增效增收。本研究農(nóng)業(yè)灌溉面積預測現(xiàn)狀年灌溉面積采用水利普查成果，規(guī)劃水平年中南部地區(qū)的庫井灌區(qū)以續(xù)建配套結合高效節(jié)水灌溉改造為主，在保障生態(tài)移民用地的灌溉用水條件下，根據(jù)節(jié)水量確定恢復的灌溉面積，原則上不新增灌溉面積；中部干旱帶以揚黃灌區(qū)的續(xù)建配套結合高效節(jié)水灌溉改造為主，在保障生態(tài)移民用地條件下，新增灌溉面積與《寧夏水中長期供求規(guī)劃》、《寧夏灌溉發(fā)展總體規(guī)劃》擬定的灌溉面積協(xié)調一致。全市2015年農(nóng)業(yè)灌溉面積為60.98萬畝，預計2020、2025、2030年農(nóng)業(yè)灌溉面積分別為70.91萬畝、93.3萬畝、101.12萬畝。

2.2 需水預測

結合固原實際情況，將建筑業(yè)用水、第三產(chǎn)業(yè)用水統(tǒng)一納入城市生活用水之中?？紤]到固原市屬于半干旱地區(qū)，其生態(tài)環(huán)境用水主要靠河道內生態(tài)用水及骨干壩、淤地壩、小流域治理等水土保持工程措施保障，本次預測不考慮生態(tài)環(huán)境需水，需水預測主要為城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、工業(yè)及農(nóng)業(yè)需水。

2.2.1 生活需水預測

生活需水分城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村生活需水，本研究需水預測采用人均日用水量方法進行預測，全年用水時間為365d，計算公式如下：

W=P×q×365/1000

(3)

式中，W—年生活凈需水量，萬m3/a；P—用水人口，萬人；q—日均用水定額，L/人·d。

各縣區(qū)用水定額根據(jù)生活用水現(xiàn)狀及城鄉(xiāng)用水標準確定。城鎮(zhèn)生活用水包括城鎮(zhèn)居民生活用水和公共建筑用水；農(nóng)村生活用水包括農(nóng)村居民生活用水和公共建筑如學校、寺廟等用水。生活需水定額具體見表3。

表3 生活需水定額

管網(wǎng)損失、不可預見水量及水廠自用水量分別按10%、5%考慮。經(jīng)計算，全市規(guī)劃水平年生活需水預測結果2020年為3962萬m3、2025年為4874萬m3、2030年為5927萬m3。

2.2.2 工業(yè)需水

工業(yè)需水分為非火電工業(yè)和火電工業(yè)兩大類，非火電工業(yè)需水依據(jù)各規(guī)劃水平年工業(yè)增加值和工業(yè)需水定額進行預測，火電工業(yè)采用規(guī)劃水平年裝機容量和單位裝機容量需水定額進行預測[3]。固原非火電工業(yè)主要包括鹽化工循環(huán)經(jīng)濟扶貧示范區(qū)等在內的清水河產(chǎn)業(yè)長廊工業(yè)組團及各縣區(qū)一般工業(yè)園區(qū)，火電工業(yè)主要是六盤山熱電廠?；痣姽I(yè)根據(jù)六盤山熱電廠設計規(guī)模和調查統(tǒng)計資料，現(xiàn)狀總用水量211萬m3，由于目前熱電廠沒有新的發(fā)展規(guī)劃，全市非火電工業(yè)規(guī)劃年需水量維持現(xiàn)狀用水量不變。經(jīng)計算，全市工業(yè)規(guī)劃水平年需水量預測2020年為3585萬m3、2025年為5784萬m3、2030年為7073萬m3。

2.2.3 農(nóng)業(yè)需水

結合固原市農(nóng)業(yè)灌溉供水條件及種植業(yè)結構特點，本次農(nóng)業(yè)灌溉定額參考定額取值為：渠畦灌溉畝均綜合定額取160m3/畝、高效節(jié)水灌溉及低壓管灌田間畝均綜合定額取120m3/畝。灌溉水利用系數(shù)根據(jù)《寧夏山區(qū)庫井灌區(qū)節(jié)水改造工程規(guī)劃報告》取值，目前寧夏全區(qū)2015年灌溉利用系數(shù)為0.51，現(xiàn)狀機井灌區(qū)渠系水利用系數(shù)平均0.60左右[4]。參考以上數(shù)據(jù)及固原各縣區(qū)現(xiàn)狀灌溉利用系數(shù)，各縣區(qū)渠畦灌溉利用系數(shù)取值為2020年0.65、2025年0.7、2030年0.75；考慮到高效節(jié)水中全部采用管道輸水、滴管、噴灌方式，各規(guī)劃水平年灌溉水利用系數(shù)均可提高至0.85。根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉預測面積、灌溉定額和灌溉水利用系數(shù)計算得到，全市規(guī)劃水平年農(nóng)業(yè)蓄水量預測結果2020年為11787萬m3、2025年為12544萬m3、2030年為12521萬m3。

表4 固原市規(guī)各劃水平年總需水量 單位：萬m3

2.2.4 總需水量

綜上所述，全市總需水量為城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)需水量之和，全市規(guī)劃水平年總需水量2020年為19334萬m3，2025年為23202萬m3，2030年為25522萬m3。各規(guī)劃水平年總需水量見表4。

2.3 供水預測

在可供水量計算中，對縣區(qū)內供水工程中水源取自庫壩工程或者水源已經(jīng)被中南部城鄉(xiāng)飲水工程替代的，這次供水預測不再計入。2020年原州區(qū)、西吉縣、彭陽縣農(nóng)村及城鎮(zhèn)水量均被中南部可供水量全部替換，隆德縣、涇源縣兩縣仍以現(xiàn)狀及規(guī)劃水源水量統(tǒng)計，城鎮(zhèn)生活及工業(yè)采用水庫水量的，在不同頻率水庫可供水量中予以扣除，其余的為農(nóng)業(yè)用水量。

根據(jù)現(xiàn)狀庫壩工程、調水工程及規(guī)劃新建工程的設計用途、供水對象、工程布局和調度方案等實際情況，本次研究選用75%來水同時考慮汛期棄水條件下，對全市可供水量按城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等4個供水對象進行統(tǒng)計。各規(guī)劃水平年可供水量見表5。

3 水資源優(yōu)化配置

3.1 平衡分析

考慮棄水情況下，2020年，固原市需水量19334萬m3，可供水量26910萬m3，總量能滿足要求，富余水量7576萬m3。2030年，固原市需水量25522萬m3，可供水量27811萬m3，總量能滿足要求，富余水量2289萬m3。

表5 固原市75%條件下各規(guī)劃水平年可供水量表 單位：萬m3

3.2 配置原則

3.2.1 堅持統(tǒng)籌兼顧原則

針對枯水年份出現(xiàn)頻率較高的不利情況，堅持以供定需，合理配置，統(tǒng)籌兼顧，重點處理好以下四個關系：一是處理好生態(tài)與生活用水關系，始終堅持以解決人民生活用水為重點；二是處理好生活用水與農(nóng)業(yè)用水關系，實行生活用水優(yōu)先的原則，農(nóng)業(yè)用水不能擠占生活用水[6]；三是處理好工業(yè)與農(nóng)業(yè)用水關系，實行水權轉換制度，優(yōu)先保證各工業(yè)園區(qū)及重點工業(yè)的用水安全；四是處理好節(jié)水同效率的關系，加大結構調整力度，實現(xiàn)節(jié)水高效，圍繞農(nóng)民增收提高用水效率。

3.2.2 堅持因地制宜原則

按照當?shù)厣鐣⒔?jīng)濟、生態(tài)實際特點，結合當?shù)厮Y源開發(fā)利用現(xiàn)狀、工程水量調配范圍和能力、供水工程網(wǎng)絡布局、工程保障對象等因素合理確定調度方案。從固原市水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀來看，調水骨干工程中南部城鄉(xiāng)飲水工程重點保障全市城鄉(xiāng)人飲問題，引黃入固工程重點保障黃灌區(qū)大型節(jié)水園區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉及固原組團工業(yè)用水，同時骨干調水工程分配各縣區(qū)用水戶的可供水量基本穩(wěn)定；當?shù)厮此畮旃こ?、?jié)水灌溉工程及部分機井工程重點保障當?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)及個別地方人飲用水，由于當?shù)厮Y源不具備跨縣區(qū)調配的條件，用于保障當?shù)馗饔盟畱舻目晒┧恳不痉€(wěn)定，因此考慮以縣區(qū)為單位，在縣區(qū)區(qū)域內獨立進行水資源優(yōu)化配置，將用水指標量化分配到到縣(區(qū))，按照水量平衡分析結果，總量控制、優(yōu)化調配、提高用水效益。

3.2.3 堅持開源節(jié)流并舉原則

一是挖掘當?shù)厮Y源潛力，固原市當?shù)氐乇硭偷叵滤加虚_發(fā)利用潛力，涇河還有水富余水量引、黃河水還沒有突破水權分配指標，隨城市發(fā)展用水量增加再生水逐漸增加。要堅持黃河水、當?shù)氐乇硭?、地下水及再生水?lián)合統(tǒng)一調配，實現(xiàn)生活優(yōu)先、注重應急、保障有序、突出效益的目標。二是節(jié)約保護水資源，根據(jù)各地水資源承載能力和經(jīng)濟社會發(fā)展的用水需求，在保障水資源可持續(xù)利用和保護生態(tài)環(huán)境的前提下，統(tǒng)籌安排生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水，促進經(jīng)濟社會和資源環(huán)境的協(xié)調發(fā)展[7]。三是調整用水結構，要堅持按照水資源實際情況，確定發(fā)展方向、發(fā)展規(guī)模和經(jīng)濟結構，對產(chǎn)業(yè)結構空間布局調整要堅持水資源同步配套規(guī)劃，體現(xiàn)以水定產(chǎn)、配置合理、科學高效的原則，真正實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置。

3.2.4 堅持節(jié)水防污結合原則

全市污水處理尚處于起步階段，工業(yè)、生活廢水的處理能力低，加之運行成本高，不少企業(yè)的廢水不能達標排放[8]。而排水溝天然河道的水環(huán)境容量小，天然降解能力低，工業(yè)廢水、生活廢水、農(nóng)用化肥、農(nóng)藥的大量進入水體造成嚴重污染。水體污染不僅喪失其使用價值，加劇水資源短缺局面，危及農(nóng)田土壤、農(nóng)產(chǎn)品安全，嚴重危害人體健康及生命安全。要以節(jié)水型社會建設中為抓手，通過嚴格執(zhí)行節(jié)水政策倒逼治污措施落實，樹立治污就是節(jié)水的理念，推動污染防治取得實效。

3.2.5 堅持多工程聯(lián)合調配原則

多工程聯(lián)合調配是提高供水管理水平的重要舉措，在水資源調配工作中，要制定科學的水資源調度流程和管理機制，堅持黃河水、涇河水及當?shù)厮?lián)合統(tǒng)一調度，充分發(fā)揮骨干調水工程的調節(jié)作用和當?shù)毓┧こ痰幕A作用。一要加強庫、壩、塘、池、井、窖聯(lián)合運用，提高水資源綜合利用效率，實現(xiàn)供水工程用途多元化和聯(lián)合運用；二要注重水資源時空優(yōu)化調配，圍繞用水需求，探索完善調蓄工程和骨干調水工程聯(lián)合調度運行模式，增強水資源調配效果，提高工程運行的經(jīng)濟效益和社會效益。

3.3 優(yōu)化配置

根據(jù)固原市經(jīng)濟社會發(fā)展預測及供水、需水預測結果，按照75%來水條件并考慮汛期棄水情況下，通過水資源平衡分析，按照統(tǒng)籌兼顧、因地制宜、開源節(jié)流并舉、節(jié)水防污結合和多工程聯(lián)合調度的原則進行優(yōu)化配置，得到固原市水資源優(yōu)化配置方案。2020年全市配置水量17487萬m3，城鎮(zhèn)生活2314萬m3、農(nóng)村生活1648萬m3、工業(yè)2585萬m3、農(nóng)業(yè)9940萬m3；水量優(yōu)化調配：隆德縣將城鎮(zhèn)生活余水量配給工業(yè)51萬m3，彭陽縣將城鎮(zhèn)生活余水量配給工業(yè)122萬m3；全市共計缺水1847萬m3，其中農(nóng)業(yè)缺水1847萬m3。2030年全市配置水量21631萬m3，城鎮(zhèn)生活3608萬m3、農(nóng)村生活1819萬m3、工業(yè)4794萬m3、農(nóng)業(yè)11410萬m3；水量優(yōu)化調配：原州區(qū)將中南部農(nóng)村余水量配給城鎮(zhèn)29萬m3，彭陽縣將城鎮(zhèn)生活余水量配給農(nóng)村27萬m3、工業(yè)74萬m3；全市共計缺水3891萬m3，其中城鎮(zhèn)生活381萬m3、農(nóng)村生活120萬m3、工業(yè)缺水2279萬m3，農(nóng)業(yè)缺水1111萬m3。對于2025—2030年固原組團工業(yè)均缺水，考慮通過將支流用水的水權調整為黃河干流的水權，通過外調黃河水方式加以解決；各縣區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉需水要在各流域內部節(jié)水改造的基礎上，堅持以供定需原則，最大限度地提高農(nóng)業(yè)效率和效益；對于各縣區(qū)的工業(yè)缺水，應考慮將用城鄉(xiāng)飲水安全工程富余水量加以解決。各規(guī)劃水平年水資源優(yōu)化配置成果見表6。

表6 固原市75%條件下各規(guī)劃水平年水資源優(yōu)化配置成果表 單位：萬m3

4 結論

本次研究結合固原這類干旱地區(qū)水資源短缺、供水調配手段不多等實際特點，以縣區(qū)為單位進行水資源優(yōu)化配置研究與探索。研究成果還有很多需要進一步探討和提高之處。一是考慮固原市水土保持生態(tài)建設效果較好，生態(tài)需水主要由河道內生態(tài)水量和水土保持工程蓄水量來保障，在水資源優(yōu)化配置中未能反映生態(tài)用水。二是考慮到當?shù)馗饔盟畱舻目晒┧考捌鋪碓椿痉€(wěn)定的實際，按照城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)的優(yōu)先次序進行配置，沒有建立專門水資源優(yōu)化配置模型。將來研究要結合干旱缺水地區(qū)供水和需水結構，深入研究兼顧工程成本、經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益等逐因素的目標函數(shù)和相應約束條件，因地制宜建立具有地方特點的水資源優(yōu)化配置模型[9]。