西安市引漢濟(jì)渭與黑河引水工程多水源聯(lián)合調(diào)配模擬

劉玒玒， 李偉紅， 趙 雪

(1.西安財經(jīng)大學(xué) 管理學(xué)院， 陜西 西安 710100； 2.空軍工程大學(xué) 基礎(chǔ)部， 陜西 西安 710043)

西安作為西北地區(qū)的第一大城市是國家重要的教育、科研和工業(yè)基地。然而西安市城市供水長期滯后于社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，特別是西部大開發(fā)戰(zhàn)略實施以來，西咸一體化建設(shè)、西安國際化大都市發(fā)展要求西安市的用水需求將會越來越大，西安市的供水緊張局面將進(jìn)一步加劇。引漢濟(jì)渭調(diào)水工程作為陜西省內(nèi)的“南水北調(diào)”工程即是針對這一問題規(guī)劃的重大水資源配置措施，對于西安市這種典型的多水源供水情況，在承接區(qū)外調(diào)水的同時，如何實現(xiàn)多水源合理調(diào)配，使水資源管理更加有效、更加經(jīng)濟(jì)，如何實現(xiàn)區(qū)外調(diào)水與本地水資源聯(lián)合供水系統(tǒng)優(yōu)化運行，成為急待解決的問題。張靜等[1]應(yīng)用區(qū)間兩階段隨機(jī)規(guī)劃法，建立多水源聯(lián)合供水優(yōu)化調(diào)度模型，對多水源調(diào)水目標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化。劉建林等[2]通過對供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度動態(tài)規(guī)劃模型進(jìn)行調(diào)試計算，制定了當(dāng)?shù)厮c外調(diào)水多水源情況下，不同來水組合的優(yōu)化調(diào)度方案。本文針對西安市多水源聯(lián)合供水這一實際情況，開展西安市引漢濟(jì)渭與黑河引水工程多水源聯(lián)合調(diào)配模擬研究?；谥T多研究成果，本文在充分利用引漢濟(jì)渭外調(diào)水量的情況下，建立西安市引漢濟(jì)渭與黑河引水工程多水源聯(lián)合調(diào)配模擬模型，采用典型年和長序列資料時歷法對上述模擬模型進(jìn)行求解，得出來水頻率分別為50%,75%,95%這3種情況下的引漢濟(jì)渭與黑河引水工程聯(lián)合調(diào)配方，以期為西安市水資源可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)。

1 引漢濟(jì)渭工程概況

“引漢濟(jì)渭”是陜西省的“南水北調(diào)”骨干工程，該工程是將漢江水引入關(guān)中以補充西安、咸陽、渭南等大中城市用水，以緩解關(guān)中渭河沿線城市和工業(yè)缺水問題。引漢濟(jì)渭工程是經(jīng)國務(wù)院批復(fù)的《渭河流域重點治理規(guī)劃》中的水資源配置骨干項目，也是國務(wù)院批準(zhǔn)頒布的《關(guān)中—天水經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》的重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目?！耙凉h濟(jì)渭”調(diào)水區(qū)選在漢江干流黃金峽河段和漢江支流子午河口兩處，在黃金峽修建黃金峽水利樞紐，通過庫區(qū)左岸的抽水泵站抽取漢江水經(jīng)過“黃三”輸水工程進(jìn)入子午河上修建的三河口水庫，經(jīng)水庫調(diào)蓄后，自流穿過秦嶺輸水隧洞，進(jìn)入渭河支流黑河金盆水庫，不參與金盆水庫調(diào)蓄，直接向渭河流域關(guān)中地區(qū)補水。圖1為引漢濟(jì)渭工程示意圖。

圖1 西安市多水源聯(lián)合供水網(wǎng)絡(luò)圖

“引漢濟(jì)渭”擬按“一次立項，分期配水”方案建設(shè)實施，2020,2025,2030年調(diào)水量分別達(dá)到5.00×108，1.00×108，1.50×109m3。西安市是引漢濟(jì)渭工程受水區(qū)的重點城市，根據(jù)《陜西省引漢濟(jì)渭工程可行性研究》，引漢濟(jì)渭工程規(guī)劃在2020年向西安市供水4.04×108m3。

2 西安市供水系統(tǒng)

2.1 地表水供水系統(tǒng)

西安市城市供水系統(tǒng)是以“黑河引水工程”為主體的地表水供水系統(tǒng)，該工程是一項跨流域引水、綜合利用的大型水利工程，以西安市城市供水為主，兼有農(nóng)業(yè)灌溉、發(fā)電、防洪等綜合效益。根據(jù)《西安市供水“一二五”規(guī)劃》，黑河引水工程擴(kuò)充后，至規(guī)劃水平年2020年，將包含黑河金盆水庫、石砭峪水庫、石頭河水庫、甘河水庫、西駱峪水庫、梨園坪水庫、高冠峪水庫、太平峪水庫、田峪水庫共9座水庫以及就峪、澇峪和耿峪3處徑流引水工程。其中，石頭河水庫從1996年6月正式向西安供水，年計劃供水量約9.50×107m3，2002年黑河金盆水庫建成后，石頭河水庫成為西安市供水的補充水源，其供水量有所減少。根據(jù)西安市與石頭河水庫管理局簽訂的供水協(xié)議，石頭河水庫年均向西安市供水量為4.80×107m3。在擬定多水源聯(lián)合調(diào)配方案時，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、可行性及管道引水能力等多種因素，就峪、澇峪和耿峪3處徑流引水工程以每年7.50×107m3作為定值進(jìn)行供水。規(guī)劃2020年黑河引水工程水庫工程概況見表1。

表1 規(guī)劃2020年黑河引水工程水庫工程概況

備注：規(guī)劃水庫的管道引水能力為初步擬定值。

2.2 地下水及雨污水供水系統(tǒng)

西安市是中國嚴(yán)重缺水城市之一，多年來地下水超采嚴(yán)重，致使地下水位連年大幅度下降，引發(fā)了地面下沉和地裂縫等一系列環(huán)境地質(zhì)問題，因此，應(yīng)嚴(yán)格控制地下水開采規(guī)模，地下水取用量不允許超過允許可開采量[1-4]。為了不影響城鎮(zhèn)生活和工業(yè)用水需求，規(guī)劃水平年仍維持現(xiàn)有地下水供水能力，不再擴(kuò)大。西安市地下水的多年平均利用量在2.00×108～2.40×108m3，本文規(guī)劃水平年地下水供水量取2.00×108m3。

根據(jù)《西安市雨水利用規(guī)劃》和《西安市污水處理及回用規(guī)劃》，規(guī)劃年2020年雨水利用量為2.10×107m3/a，中水回用量為2.78×108m3/a，合計2.99×108m3/a。

2.3 西安市黑河引水工程需供水量預(yù)測

西安市用水量包括城市生活用水量、農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量以及河道外生態(tài)用水量。根據(jù)《西安市水利建設(shè)“一二五”規(guī)劃》，2020水平年來水頻率分別為50%,75%和95%時西安市用水量分別為1.51×109,1.56×109,1.63×109m3。

西安市黑河引水工程需供水量是扣除地下水供水量及雨污水回用水量后的城市生活用水量、水庫灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水量、工業(yè)用水量以及河道外生態(tài)用水量。2020水平年來水頻率為50%時，西安市黑河引水工程需供水量為1.01×109m3；來水頻率為75%時，需供水量為1.06×109m3；來水頻率為95%時，需供水量為1.13×109m3。

3 模型及方法

3.1 模擬模型

運用水資源系統(tǒng)模擬模型進(jìn)行水資源供需分析計算時，以節(jié)點和連線概化所描述系統(tǒng)的來水、供水、水源及需水，并根據(jù)調(diào)配規(guī)則和約束條件，計算各節(jié)點及全區(qū)的徑流變化過程，在時間和空間上模擬水資源利用特征[5-9]。

水資源系統(tǒng)在物理上包括水源、用水戶以及它們之間的輸水連線等多種元素[10-11]，水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖由水源節(jié)點、用水戶節(jié)點、匯流節(jié)點以及水力流向線組成。圖1為2020水平年西安市多水源聯(lián)合供水網(wǎng)絡(luò)圖。建立西安市多水源聯(lián)合調(diào)配模擬模型時，以水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖為基礎(chǔ)，根據(jù)調(diào)配規(guī)則和約束條件描述各元素的運行調(diào)配方式與相互間的關(guān)系，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的模擬，反映各水源真實運行情況。該系統(tǒng)對于西安市需滿足生活、工業(yè)及城市生態(tài)環(huán)境用水需求，對于各水庫需滿足生態(tài)基流水量和灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水需求[12-16]。由于不同水平年各水庫及調(diào)水工程的調(diào)配情況各不相同，各水庫的供水對象也不同，基于系統(tǒng)的復(fù)雜性，充分體現(xiàn)各供水水源的真實運行狀況，本文建立西安市引漢濟(jì)渭與黑河引水工程多水源聯(lián)合調(diào)配模擬模型。

3.2 模擬調(diào)配規(guī)則

從水資源聯(lián)合調(diào)配系統(tǒng)構(gòu)成看，模擬調(diào)配規(guī)則主要指供水優(yōu)先順序、用水優(yōu)先順序以及調(diào)度3個方面。供水方面具體規(guī)則：優(yōu)先采用雨水和中水回用水量，其次利用徑流引水及調(diào)蓄工程水量，再利用外調(diào)水量，最后利用當(dāng)?shù)氐叵滤甗17-18]。用水方面具體規(guī)則： ①雨水和中水回用水量首先保證城市生態(tài)環(huán)境用水，如有剩余可供給工業(yè)用水； ②水庫和徑流引水工程均在保證河道生態(tài)基流量前提下，對水庫灌區(qū)提供農(nóng)田灌溉用水，再進(jìn)行西安市城市供水； ③對于西安市各用水部門，首先滿足城市生活用水，其次滿足工業(yè)用水，再是城市生態(tài)環(huán)境用水； ④為保護(hù)和涵養(yǎng)地下水，取用地下水時，嚴(yán)格控制開采量，禁止超過允許可開采量，在特枯水年，地下水取用量控制為最大開可采量； ⑤由于引漢濟(jì)渭調(diào)水量不參與黑河金盆水庫調(diào)蓄，在進(jìn)行調(diào)節(jié)計算時，引漢濟(jì)渭外調(diào)水量按照調(diào)水總量進(jìn)行逐月平均分配。

3.3 約束條件

(1) 水庫水量平衡約束。

Vit+1=Vit+Rit-Lit-Sit(?i∈n)

(1)

式中：Vit，Vit+1為第t時段，第i個水庫的初庫容和末庫容，Lit，Rit，Sit為第t時段，第i個水庫的出庫水量、入庫水量和損失水量。

(2) 水庫庫容約束。

Vimin≤Vit≤Vimax(?i∈n)

(2)

式中：Vimin為第i個水庫的死庫容，Vimax為在汛期表示防洪限制水位對應(yīng)的庫容，在非汛期表示正常蓄水位對應(yīng)的庫容。

(3) 生態(tài)基流約束。

WSTit-DSTit≥0 (?i∈n)

(3)

式中：WSTit為第t時段，第i個地表水源工程的生態(tài)基流量；DSTit為第t時段，第i個地表水源工程的生態(tài)基流目標(biāo)值。

(4) 灌溉用水約束。

WGGit-DGGit≥0 (?i∈n)

(4)

式中：WGGit為第t時段，第i個水庫工程的農(nóng)田灌溉水量；DGGit為第t時段，第i個水庫灌區(qū)的農(nóng)田灌溉需水量。

(5) 城市用水約束。

(5)

式中：Mmaxt，Mmint為第t時段西安市需水量的上限和下限。q1it，q2jt，q3kt，q4為第t時段，第i個地表水源工程、第j個地下水源工程、第k個雨水及中水回用工程、引漢濟(jì)渭城市供水量。

(6) 供水渠道過流量約束。

(6)

式中：Qimax為第i個地表水源工程最大設(shè)計流量；Q′表示引漢濟(jì)渭來水流量，QTmax為供水渠道的設(shè)計過流量。

(7) 地下水取水限制約束。

Qj≤Qjmax(?j∈m)

(7)

式中：Qjmax，Qj——表示第t時段，第j個地下水源工程的允許最大取水量和取水量。

(8) 變量非負(fù)約束。

3.4 模擬模型計算流程

本研究結(jié)合西安市引漢濟(jì)渭與黑河引水工程聯(lián)合模擬調(diào)配規(guī)則，采用典型年和長序列資料時歷法對上述模擬模型進(jìn)行了求解。模型計算流程如圖2所示。

圖2 西安市多水源聯(lián)合調(diào)配模擬模型計算流程圖

4 結(jié)果與分析

4.1 2020年引漢濟(jì)渭與黑河引水工程聯(lián)合調(diào)配結(jié)果

本文主要研究不同來水頻率情況下，引漢濟(jì)渭與黑河引水工程聯(lián)合供水的可行性，及其聯(lián)合供水的補償關(guān)系。依據(jù)不同來水頻率情況下黑河引水工程的需水量和可供水量，以及引漢濟(jì)渭調(diào)水規(guī)模和西安市各用水戶配水指標(biāo)，利用1956—2018年的長系列逐日徑流資料，依據(jù)上述調(diào)配規(guī)則，以日為時段求解模型，得出來水頻率分別為50%，75%，95%這3種情況下的引漢濟(jì)渭與黑河引水工程聯(lián)合調(diào)配方案，結(jié)果詳見表2。

表2 2020年引漢濟(jì)渭與黑河引水工程聯(lián)合調(diào)配成果 108 m3

從表2可以看出，2020水平年來水頻率分別為50%，75%，95%時的西安市黑河引水工程的需供水量分別為：1.01×109，1.06×109，1.13×109m3，黑河引水工程可供水量分別為：5.09×108，4.34×108，3.36×108m3，不考慮引漢濟(jì)渭調(diào)水量時，西安市缺水量分別為5.05×108，6.30×108，7.96×108m3，缺水程度分別達(dá)到33.38%，40.31 %，48.83%；引漢濟(jì)渭工程通水后，根據(jù)《陜西省引漢濟(jì)渭工程可行性研究》，規(guī)劃2020年向西安市供水4.04×108m3，此時來水頻率分別為50%，75%，95%時，西安市缺水量分別為1.01×108，2.26×108，3.92×108m3，缺水程度為6.68%，14.46%，24.05%?？梢钥闯?，調(diào)水之后缺水程度大大下降。

4.2 引漢濟(jì)渭與黑河引水工程聯(lián)合供水分析

由表2可知，2020水平年，來水頻率分別為50%，75%，95%時，引漢濟(jì)渭供水量分別占引漢濟(jì)渭與黑河引水工程聯(lián)合供水總量的44.14%，48.09%，54.46%，占黑河引水工程需供水量的39.74%，37.59%，35.33%，可見，引漢濟(jì)渭調(diào)水量占西安市多水源聯(lián)合供水總量很大比重。其中，調(diào)水量供工業(yè)的水量最多，3個來水頻率分別為3.23×108，3.07×108，2.85×108m3，分別占調(diào)水量的79.95%，75.99%，70.54%。由于黑河引水工程是在滿足西安市生活用水的基礎(chǔ)上向各工業(yè)部門供水，黑河引水工程多年平均生活供水量已占其總供水量的77.6%，加之工業(yè)需水量很大，實施引漢濟(jì)渭工程，能夠有效緩解工業(yè)用水的緊張局面。

在特枯水年，黑河引水工程可供水量減少，無法滿足西安市生活需水要求。通過聯(lián)合調(diào)配模型計算結(jié)果可見，引漢濟(jì)渭工程通水后，西安市生活供水量達(dá)1.19×108m3，占西安市生活需水總量的36.28%，對保障生活供水安全發(fā)揮了極大的作用。

4.3 水庫灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉保證率

引漢濟(jì)渭工程通水后，黑河引水工程各水庫供水優(yōu)先順序發(fā)生了變化，滿足河道生態(tài)基流前提下，先向水庫灌區(qū)供水，再向城市供水，各水庫農(nóng)業(yè)灌溉保證率均顯著提高。引漢濟(jì)渭工程未通水時，黑河飲水工程各水庫主要目的是滿足城市供水需求，擠占了大量農(nóng)田灌溉用水，致使農(nóng)業(yè)灌溉保證率偏低。表3為根據(jù)1956—2018年的長系列逐日徑流資料計算結(jié)果，統(tǒng)計的各水庫灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉保證率。

表3 引漢濟(jì)渭工程2020年通水后，調(diào)水與不調(diào)水情況下灌溉保證率%

水 庫50%調(diào)水不調(diào)水75%調(diào)水不調(diào)水95%調(diào)水不調(diào)水金盆水庫 517220400石砭峪水庫5411250420西駱峪水庫6023370450田峪水庫 6127400480

5 結(jié) 論

(1) 通過對西安市供水工程和用水戶進(jìn)行分析，繪制水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)概化圖，在確定調(diào)配目標(biāo)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了多水源聯(lián)合調(diào)配模擬模型，并擬定了模擬調(diào)配規(guī)則。

(2) 通過典型年和長序列年法求解模擬模型，確定了來水頻率分別為50%，75%，95%時，西安市引漢濟(jì)渭與黑河引水工程多水源聯(lián)合調(diào)配方案。計算結(jié)果表明，引漢濟(jì)渭調(diào)水量在保證城市工業(yè)用水方面發(fā)揮著主要作用，同時工程實施后，黑河引水工程各水庫供水優(yōu)先順序發(fā)生了變化，滿足河道生態(tài)基流前提下，先向水庫灌區(qū)供水，再向城市供水，各水庫農(nóng)業(yè)灌溉保證率均顯著提高。在特枯水年，黑河引水工程可供水量減少，引漢濟(jì)渭向城市生活供水量達(dá)到西安市生活需水總量的36.28%，對保障生活供水安全發(fā)揮了極大的作用。

(3) 西安市屬于資源性缺水城市，水資源供需矛盾日益突出。引漢濟(jì)渭調(diào)水工程建成通水后，為西安市供水安全提供可靠保障，還可以歸還河道被擠占的生態(tài)用水量。該工程能夠緩解西安市水資源供需矛盾，實現(xiàn)以水資源的可持續(xù)利用支撐經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。