用水效率紅線下欽州市水資源三次供需平衡分析

陳立華，黃舒萍，關(guān)昊鵬，嚴(yán) 誠(chéng)

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2. 廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；3. 廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004)

0 引 言

水資源供需分析是水資源優(yōu)化配置的重要內(nèi)容，對(duì)實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用具有重要意義[1]。關(guān)于水資源供需分析的方法主要分為兩大類，一類主要是從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度[2]、系統(tǒng)評(píng)價(jià)角度[3]和水資源系統(tǒng)分析角度[4]等解決水資源供需平衡，或是在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ)上建立水資源SD模型，模擬研究區(qū)水資源不同方案下的供需變化趨勢(shì)[5]。此類方法側(cè)重于量化區(qū)域供需形勢(shì)，不能較好的識(shí)別非常規(guī)水源、跨流域調(diào)水等工程在緩解區(qū)域缺水情勢(shì)中所起的作用與程度。另一類是根據(jù)《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃技術(shù)細(xì)則》以水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題分析為基礎(chǔ)，依據(jù)各水平年供需水預(yù)測(cè)的成果擬訂方案，進(jìn)行兩到三次供需水量平衡分析，提出推薦方案。三次供需平衡是現(xiàn)代水資源配置理論的核心，是全口徑、全流域?qū)用嫔系钠胶庥?jì)算，被廣泛應(yīng)用于水資源供需平衡分析[6,7]和水資源配置研究中[8,9]。

欽州市位于北部灣經(jīng)濟(jì)圈核心地帶及沿海城市群中心位置，雖然水資源量豐富，但區(qū)域內(nèi)河流主要為源短流急中小入海河流，控制性水利工程不足，實(shí)際可利用量有限；在跨越式經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件下各縣區(qū)水利工程可供水量不均衡，水資源供需矛盾日益突出。隨著“三條紅線”的實(shí)施，為揭示2020年、2030年欽州市水資源供需態(tài)勢(shì)，在用水效率紅線約束下進(jìn)行需水預(yù)測(cè)，供水預(yù)測(cè)在水利工程可供水量的基礎(chǔ)上計(jì)入人工載水量，采用基于三次供需平衡方法，分析欽州市2020年、2030年來(lái)水頻率為50%、75%、95%的水資源供需形勢(shì)，以期為欽州市水資源配置和工程布局提供決策依據(jù)。

1 水資源三次供需平衡原理

水資源供需平衡分析應(yīng)遵循“先節(jié)水后調(diào)水、先治污后通水、先生態(tài)后用水”的原則[10]，堅(jiān)持開源與節(jié)流并重，節(jié)流優(yōu)先、治污為本、多渠道科學(xué)開源、綜合利用。在跨越式經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件下，欽州市應(yīng)提高非常規(guī)水源的利用程度，當(dāng)?shù)厮Y源不足以承載經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求時(shí)，亟須實(shí)施外流域引水。欽州市水資源三次供需平衡計(jì)算原理如下：

(1)水資源一次供需平衡分析是在現(xiàn)狀條件下，不考慮“開源節(jié)流”，定量分析發(fā)展進(jìn)程中的水資源供需矛盾。保持現(xiàn)狀節(jié)水力度，對(duì)廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)正常發(fā)展情景的基本方案進(jìn)行需水預(yù)測(cè)。供水量以現(xiàn)有水利設(shè)施，通過(guò)完成對(duì)那冰水庫(kù)、青年水閘等共62座水庫(kù)水閘的除險(xiǎn)加固，以及對(duì)靈山縣44座小(1)型水庫(kù)閘門改造以挖潛其供水潛力。

(2)在一次平衡的基礎(chǔ)上，通過(guò)節(jié)水和利用非常規(guī)水源來(lái)緩解缺水情勢(shì)。需求側(cè)通過(guò)調(diào)整不同水平年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和進(jìn)行節(jié)水措施壓縮用水需求，供給側(cè)通過(guò)加快推進(jìn)中水回用工程等措施提高非常規(guī)水資源利用程度，加大水資源可供給量。

(3)三次平衡是面向二次平衡的供需缺口上，進(jìn)一步考慮跨流域調(diào)水，將當(dāng)?shù)厮屯庹{(diào)水作為一個(gè)整體進(jìn)行分析。根據(jù)《廣西欽州市水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃報(bào)告》，欽州市可利用郁江調(diào)水工程自郁江引水入欽江，通過(guò)修建輸水明渠引水至大風(fēng)江，結(jié)合已建成的大風(fēng)江調(diào)水工程抽水入金窩水庫(kù)，調(diào)節(jié)后向港區(qū)和工業(yè)園區(qū)水廠供水120 m3/d。

2 供用水現(xiàn)狀分析

圖1 欽州市2014年各行業(yè)用水比重圖Fig.1 The proportion of water use in various industries of Qinzhou in 2014

圖2 欽州市2014年各縣區(qū)用水比重圖Fig.2 The proportion of water use in counties and districts of Qinzhou in 2014

由圖1、2可知，農(nóng)業(yè)用水比重最大占全市用水總量的72.6%，其次為工業(yè)、生活、第三產(chǎn)業(yè)；各縣區(qū)中以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主的靈山縣用水比重最大，占全市用水總量的40.7%，欽港區(qū)作為快速崛起的臨海工業(yè)園區(qū)，工業(yè)用水量占全市工業(yè)用水總量的34.1%。雖然2014年欽州市供水總量與用水總量持平，但工程性缺水、農(nóng)業(yè)用水粗放等問(wèn)題依舊是制約欽州市快速發(fā)展的瓶頸。

3 供水預(yù)測(cè)和需水預(yù)測(cè)

3.1 各縣區(qū)紅線約束指標(biāo)

2020年、2030年用水效率控制目標(biāo)中萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值增加值用水量分別為49和40 m3/萬(wàn)元，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)分別為0.53和0.60。各縣區(qū)用水總量控制目標(biāo)(億m3)見圖3。

圖3 2020、2030年欽州市各縣區(qū)用水總量控制目標(biāo)Fig.3 Targets for total water use in counties and district s of Qinzhou in 2020 and 2030

3.2 需水量預(yù)測(cè)

按照生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和生態(tài)需水量等五項(xiàng)采用定額法[11]進(jìn)行基本方案與節(jié)水方案的需水量預(yù)測(cè)，其中農(nóng)業(yè)、工業(yè)需水在用水效率約束下進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《欽州市城市總體規(guī)劃(2012-2030)》規(guī)劃2020年、2030年常住人口總數(shù)分別為352.10、450.0萬(wàn)；2014-2020年、2020-2030年GDP增長(zhǎng)率分別為16.60%、12.30%；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整為2020年的17∶48∶35和2030年的8∶58∶34。

生活需水量結(jié)合人口預(yù)測(cè)成果，分別采用城鎮(zhèn)綜合生活人均用水指標(biāo)、農(nóng)業(yè)人口人均日用水定額進(jìn)行預(yù)測(cè)。2020年、2030年欽州市城鎮(zhèn)化率分別為47.52%、63.32%。2020年、2030年各區(qū)計(jì)算城鎮(zhèn)用水定額欽南區(qū)和欽港區(qū)分別為186、190 L/(人·d)，欽北區(qū)為185、189 L/(人·d)，靈山縣和浦北縣分別為181、186 L/(人·d)。2020年、2030年各區(qū)農(nóng)村用水定額欽南區(qū)和欽北區(qū)及欽港區(qū)分別為138、142 L/(人·d)，靈山縣和浦北縣分別為137、141 L/(人·d)。

農(nóng)業(yè)需水量包括農(nóng)田灌溉需水量和林牧漁畜需水兩部分，農(nóng)田灌溉需水量預(yù)測(cè)在農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)約束下采用畝均定額法進(jìn)行。欽州市農(nóng)業(yè)發(fā)展與土地利用指標(biāo)根據(jù)分析歷年《欽州市水資源公報(bào)》并結(jié)合《欽州市土地利用總體規(guī)(2006-2020)》進(jìn)行預(yù)測(cè)。依據(jù)《農(nóng)林牧漁業(yè)及農(nóng)村生活用水定額》(DB 45/T 804-2012)及《廣西壯族自治區(qū)水資源綜合規(guī)劃》預(yù)測(cè)2020年和2030年各縣區(qū)P=50%、P=75%、P=95%下水田灌溉用水定額分別為6 375、6 750、7 785 m3/hm2和6 075、6 510、7 680 m3/hm2；水澆地灌溉用水定額分別為2 625、3 000、3 900 m3/hm2和2 325、2 730、3 750 m3/hm2；菜田灌溉用水定額分別為1 425、1 725、2 325 m3/hm2和1 260、1 500、2 100 m3/hm2。林牧漁畜需水根據(jù)《廣西壯族自治區(qū)水資源綜合規(guī)劃》、《農(nóng)林牧漁業(yè)及農(nóng)村生活用水定額》確定各縣區(qū)2020年和2030年林果灌溉、魚塘補(bǔ)水、草場(chǎng)補(bǔ)水用水定額分別為3 270、10 440、1 020 m3/hm2和3 105、9 915、1 545 m3/hm2，大牲畜2020年和2030年均采用定額為150 L/(頭·d)，小牲畜均為30 L/(頭·d)。

一般工業(yè)需水量預(yù)測(cè)采用萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量法進(jìn)行預(yù)測(cè)，火(核)電需水預(yù)測(cè)采用單位千瓦裝機(jī)用水量法。按照2020、2030年欽州市用水效率控制目標(biāo)中萬(wàn)元工業(yè)增加值分別為49和40 m3，火電工業(yè)需水量預(yù)測(cè)用水定額分別為0.66、0.48 m3/MWh。

建筑業(yè)及第三產(chǎn)業(yè)需水量預(yù)測(cè)采用欽州市《廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)水資源綜合開發(fā)利用規(guī)劃》預(yù)測(cè)2020年、2030年建筑業(yè)用水定額為5.44和3.81 m3/萬(wàn)元，第三產(chǎn)業(yè)用水定額為7.44、5.21 m3/萬(wàn)元。

河道外生態(tài)需水量預(yù)測(cè)采用定額法計(jì)算。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50015-2009)，小區(qū)綠化澆灌用水定額可按澆灌面積1.0～3.0 L/(m2·d)計(jì)算，小區(qū)道路、廣場(chǎng)的澆灑用水定額可按澆灑面積2.0～3.0 L/(m2·d)計(jì)算。

科研人員為了順利通過(guò)考核，往往忽略科研的實(shí)際需要和發(fā)展規(guī)劃，根據(jù)容易達(dá)到的研究成果設(shè)定項(xiàng)目績(jī)效目標(biāo)，使得目標(biāo)與結(jié)果倒掛。此外績(jī)效目標(biāo)的設(shè)定往往不夠細(xì)化，僅作簡(jiǎn)單陳述，績(jī)效目標(biāo)設(shè)定相關(guān)性的論證也不夠充分，績(jī)效目標(biāo)的合理性難以得到保證。

需水量預(yù)測(cè)基本方案結(jié)果見表1。其中，除2020年P(guān)=50%下需水量在用水總量紅線范圍內(nèi)，其余來(lái)水頻率及2030年各來(lái)水頻率的需水量都超出紅線控制值。

表1 欽州市需水量預(yù)測(cè)基本方案 億m3Tab.1 Basic plan for water demand forecasting in Qinzhou

3.3 供水量預(yù)測(cè)

采用欽州市主要水利工程可供水量預(yù)測(cè)方法[12]，將全市人工載水量1.34 億m3納入可供水量計(jì)算中，預(yù)測(cè)結(jié)果見表2。根據(jù)近年《欽州市水資源公報(bào)》中人工載水量變化較小，2020年和2030年欽南區(qū)、欽港區(qū)、欽北區(qū)、靈山縣和浦北縣各區(qū)縣人工載水量分別取0、0.24、0、0.45、0.65 億m3。

4 分析實(shí)例

4.1 一次供需平衡分析

一次供需平衡的需水量為基本方案需水量，可供水量為表2中地表水和地下水可供水量之和，計(jì)算成果見表3。

表2 欽州市未來(lái)水平年可供水量分析結(jié)果 億m3Tab.2 Analysis results of annual water supply of future level in Qinzhou

表3 不同水平年一次供需平衡成果 億m3Tab.3 First supply and demand balance results at different levels of annual

從表3可知，2020年P(guān)=50%至P=95%全市缺水總量從0.85 億m3增加至9.10 億m3，2030年缺水量從4.37 億m3增加至13.39 億m3。欽南區(qū)位于欽州市主要獨(dú)流入海河流下游，地表水資源可利用量相對(duì)豐富， 2020年、2030年P(guān)=50%和P=75%下都有余水。靈山縣可供水量雖達(dá)到4.96、5.20 億m3，但其農(nóng)業(yè)和生活需水約占全市需水總量的33%，P=50%下缺水率約20%，P=95%下高達(dá)60%。欽北區(qū)位于茅嶺江干流中下游處，可供水量超出控制值，但其生活和農(nóng)業(yè)需水量?jī)H次于靈山縣，2020年P(guān)=50%到P=95%缺水率從13.3%增加至58.8%，2030年從21.1%增加至65.1%。浦北縣以小河流為水源，2020年P(guān)=50%到P=95%缺水率從5.8%增加至46.7%，2030年則從16.8%增加至49.6%。欽港區(qū)兩個(gè)規(guī)劃水平年內(nèi)缺水率分別在60%和80%以上。

4.2 二次供需平衡分析

二次供需平衡的需水側(cè)在基本方案的基礎(chǔ)上降低用水定額得到節(jié)水方案?？晒┧吭诘乇硭暗叵滤幕A(chǔ)上增加非常規(guī)水源的利用，平衡結(jié)果如表4所示。

進(jìn)行開源節(jié)流后欽州市2020、2030年對(duì)應(yīng)的各保證率下的缺水程度有所緩解，2020年50%、75%、95%保證率下全市缺水率較一次平衡缺水率分別從5.3%、20.3%、50.2%下降至0.4%、16.2%、46.9%，2030年各保證率下全市缺水率分別從20.5%、32.7%、57.1%降為12.0%、25.2%、51.7%。

4.3 三次供需平衡分析

三次平衡是在二次平衡基礎(chǔ)上，將境外調(diào)水量計(jì)入可供水量中。2030年建成的欽州市郁江調(diào)水工程以向欽州沿海工業(yè)園遠(yuǎn)期供水為主，兼顧改善欽州市區(qū)供水和沿途農(nóng)村人畜飲水、農(nóng)田灌溉用水及環(huán)境用水。依托該項(xiàng)工程，2030年可向欽南區(qū)、欽港區(qū)增加可供水量1.31、4.16 億m3。三次供需平衡分析成果如表5所示。

表4 不同水平年二次供需平衡成果 億m3Tab.4 Scondary supply and demand balance results at different levels of annual

表5 不同水平年三次供需平衡成果 億m3Tab.5 Third supply and demand balance results at different levels of annual

通過(guò)郁江調(diào)水工程的建設(shè)，欽州市基本可實(shí)現(xiàn)供需平衡。2030年欽南區(qū)、欽港區(qū)獲得調(diào)入水量1.31、4.16 億m3，兩區(qū)在各來(lái)水頻率下都將有剩余水量，其他縣區(qū)缺水狀況與二次平衡分析結(jié)果相當(dāng)，說(shuō)明境外調(diào)水工程能解決欽州市局部缺水問(wèn)題，同時(shí)，欽北區(qū)、浦北縣還面臨著如何滿足用水總量約束下抑制農(nóng)業(yè)用水需求的挑戰(zhàn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)在用水效率約束下進(jìn)行需水預(yù)測(cè)和供水預(yù)測(cè)載水量的基礎(chǔ)上，采用三次供需平衡方法綜合分析欽州市2020年、2030年水資源供需情勢(shì)。一次供需平衡得到欽州市2020年50%、75%、95%保證率下將缺水0.85、3.35、9.10 億m3，2030年達(dá)到4.37、7.16、13.39 億m3。二次平衡得到欽州市2020年各保證率下較一次平衡缺水量分別減少0.79、0.74、0.80 億m3，2030年分別減少2.00、2.02、2.00 億m3。三次平衡得到2030年建成調(diào)水工程后，P=50%和P=75%下欽州市分別有余水3.10、0.33 億m3，但P=95%下缺水達(dá)5.93 億m3。

(2)針對(duì)欽州市水資源供需現(xiàn)狀，應(yīng)改善產(chǎn)業(yè)布局、水資源量及可供水量不匹配的問(wèn)題，加大挖潛各行業(yè)尤其農(nóng)業(yè)的節(jié)水潛力。在節(jié)水前提下，建設(shè)控制性攔洪蓄水工程，加強(qiáng)各縣區(qū)水源工程之間的聯(lián)合調(diào)度，增加城區(qū)備用供水水源，提高城區(qū)供水保障安全性。