十堰市中心城區(qū)水資源配置方案研究

劉晨輝 蔣兆英 劉思

(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430064；2.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070)

1 研究背景

十堰市位于湖北省鄂西北山區(qū)，與陜、渝、豫三省市交界，漢江以南，武當(dāng)山以西，秦嶺大巴山以東，是鄂、豫、陜、渝毗鄰地區(qū)的區(qū)域性中心城市，鄂西生態(tài)文化旅游圈的核心城市，擁有武當(dāng)山、丹江水、汽車(chē)城3處著名景點(diǎn)。

十堰市中心城區(qū)包括張灣區(qū)和茅箭區(qū)，是十堰市政府所在地，是十堰市的政治、經(jīng)濟(jì)、文化和商貿(mào)中心。十堰市臨近漢江、丹江口水庫(kù)和堵河，但十堰城區(qū)的本地水資源比較匱乏，地區(qū)多年平均徑流深不足300mm，人均水資源量不足400m3。隨著十堰市中心城區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)生活、工業(yè)以及生態(tài)環(huán)境用水需求快速增長(zhǎng)，城市供需水矛盾日益突出。

在區(qū)域水資源調(diào)查評(píng)價(jià)、開(kāi)發(fā)利用評(píng)價(jià)、需水預(yù)測(cè)、供水預(yù)測(cè)等成果基礎(chǔ)上，建立了十堰市中心城區(qū)水資源配置模型，組合不同供需條件下的工程措施，確定滿(mǎn)足區(qū)域人口、資源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的水資源最佳配置方案[1-6]。

十堰市中心城區(qū)水資源配置工程方案為：從堵河潘口水庫(kù)引水至十堰城區(qū)馬家河水庫(kù)，再設(shè)支線(xiàn)引入茅塔河水庫(kù)、百二河水庫(kù)和城區(qū)各水廠(chǎng)。工程引水干線(xiàn)全程65.56km，渠首設(shè)計(jì)引水流量6.70 m3/s，多年平均引水量1.66億m3。工程主要解決十堰城區(qū)生活、工業(yè)供水問(wèn)題，兼顧百二河生態(tài)補(bǔ)水。

2 水資源供需平衡分析

2.1 供需平衡分析范圍

十堰中心城區(qū)水資源配置工程供水范圍為：十堰市中心城區(qū)(不含鄖陽(yáng)區(qū))，包括張灣區(qū)的花果、紅衛(wèi)、車(chē)城路和漢江路街辦和柏林鎮(zhèn)，茅箭區(qū)的武當(dāng)路、二堰、五堰、白浪街辦，總面積446km2，2016年常住人口74.74萬(wàn)人。

2.2 需水預(yù)測(cè)

2.2.1 河道外需水

河道外需水包括生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境需水。其中，生活需水包括城鎮(zhèn)居民生活需水和農(nóng)村居民生活需水；生產(chǎn)需水是指有經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出的各類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)所需的水量，包括第一產(chǎn)業(yè)的種植業(yè)和畜牧業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)的工業(yè)和建筑業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)的商飲業(yè)和其他服務(wù)業(yè)等。本部分生態(tài)環(huán)境需水量指河道外生態(tài)環(huán)境需水，包括道路澆灑用水、綠化用水等。首先對(duì)十堰市中心城區(qū)張灣區(qū)、茅箭區(qū)全區(qū)的供水需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，再分解到供水范圍內(nèi)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒和公報(bào)數(shù)據(jù)分析得到十堰市中心城區(qū)各項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，根據(jù)相關(guān)發(fā)展規(guī)劃分析地區(qū)各項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)增長(zhǎng)率，進(jìn)而預(yù)測(cè)規(guī)劃水平年社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。需水預(yù)測(cè)采用定額法，預(yù)測(cè)供水區(qū)現(xiàn)狀2016年、2035年的總需水量分別為1.35億m3、2.25億m3。

2.2.2 需水合理性分析

規(guī)劃水平年十堰市城區(qū)需水預(yù)測(cè)時(shí)，基準(zhǔn)年各項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)由統(tǒng)計(jì)年鑒分析得到，人口增長(zhǎng)率、城鎮(zhèn)化率、GDP及工業(yè)增加值預(yù)測(cè)值與當(dāng)?shù)匕l(fā)展規(guī)劃銜接，基本能反映地區(qū)實(shí)際發(fā)展情況。為進(jìn)一步驗(yàn)證需水預(yù)測(cè)的合理性，從用水定額和用水總量控制指標(biāo)兩個(gè)方面復(fù)核預(yù)測(cè)需水量。

2.2.2.1 用水定額

規(guī)劃水平年需水量預(yù)測(cè)以“三先三后”為原則，全面貫徹節(jié)水為主的方針，設(shè)計(jì)水平年各行業(yè)定額均充分考慮節(jié)水因素。將本次預(yù)測(cè)需水定額與2030年湖北省、十堰市需水定額進(jìn)行比較分析，見(jiàn)表1。本次預(yù)測(cè)城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、農(nóng)田灌溉、農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)與《湖北省工業(yè)與生活用水定額(修訂)》《湖北省灌溉用水定額標(biāo)準(zhǔn)》中湖北省用水定額基本相當(dāng)，萬(wàn)元工業(yè)增加值指標(biāo)明顯低于湖北省用水指標(biāo)，其主要原因是十堰市中心城區(qū)位于南水北調(diào)中線(xiàn)工程水源丹江口水庫(kù)上游，對(duì)企業(yè)污水排放有嚴(yán)格要求，企業(yè)用水工藝較先進(jìn)，節(jié)水程度高。

表1 需水預(yù)測(cè)定額

2.2.2.2 用水總量

依照國(guó)務(wù)院《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度的意見(jiàn)》(國(guó)發(fā)﹝2012﹞3號(hào))和《十堰市實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度方案》，十堰市全市2015年、2030年用水總量控制指標(biāo)分別為10.44億m3、12.61億m3，分解到十堰市中心城區(qū)張灣區(qū)和茅箭區(qū)2015年、2030年用水總量控制指標(biāo)分別為2.34億m3、2.8億m3；本次供水范圍內(nèi)的區(qū)域現(xiàn)狀2016年、2035年的總需水量分別為1.35億m3、2.25億m3。預(yù)測(cè)成果均在用水總量控制指標(biāo)以?xún)?nèi)，因此成果合理。

2.2.3 河道內(nèi)需水

百二河從十堰市中心城區(qū)內(nèi)穿城而過(guò)，是十堰市重要的人文、生態(tài)和景觀(guān)河道，由于河道天然來(lái)水量不足，本次引水時(shí)考慮兼顧對(duì)百二河進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。采用《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》(SL/Z 712—2014)中Tennant法和水環(huán)境容量法分別計(jì)算百二河城區(qū)段內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量，并綜合考慮河流特性、生態(tài)環(huán)境需求、開(kāi)發(fā)利用程度等因素，經(jīng)綜合分析，確定百二河城區(qū)段生態(tài)引水規(guī)模為0.5m3/s。

2.3 供水工程

十堰現(xiàn)狀供水工程包括：黃龍灘水庫(kù)引水工程，從堵河黃龍灘水庫(kù)通過(guò)管道引水至十堰城區(qū)，取水規(guī)模約4.0m3/s；馬家河中型水庫(kù)，壩址以上承雨面積125km2，總庫(kù)容2310萬(wàn)m3；茅塔河中型水庫(kù)，壩址以上承雨面積91km2，總庫(kù)容1108萬(wàn)m3。規(guī)劃水平年還包括中水回用工程，年中水回用量約3250萬(wàn)m3。

2.4 水資源供需平衡分析

由基準(zhǔn)年(2017年)和規(guī)劃水平年(2035年)十堰市城區(qū)供水工程布局，組成城區(qū)供水系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的來(lái)水條件、工程狀況、需水要求及相應(yīng)的運(yùn)用調(diào)度方式和規(guī)則，進(jìn)行長(zhǎng)系列逐旬調(diào)節(jié)計(jì)算，得到基準(zhǔn)年和規(guī)劃水平年水資源供需平衡成果，見(jiàn)表2。

表2 十堰市中心城區(qū)水資源供需平衡成果

根據(jù)水資源供需平衡計(jì)算成果，基準(zhǔn)年十堰城區(qū)各片區(qū)供水保證率91.3%～99.9%，基本可滿(mǎn)足供水需求，缺水時(shí)段較少；規(guī)劃水平年十堰市城區(qū)需水量顯著增長(zhǎng)，但可供水量有限，缺水量較大。

3 水資源配置方案

3.1 水資源配置原則

a.將當(dāng)?shù)氐牡乇硭c外引水水量進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度使用，實(shí)現(xiàn)豐枯互補(bǔ)，且優(yōu)先使用當(dāng)?shù)厮Y源，當(dāng)?shù)厮Y源不足時(shí)才使用外引水。

b.水庫(kù)優(yōu)先考慮下泄生態(tài)基流，退還下游河道被擠占的生態(tài)用水。

c.水資源配置時(shí)，以保障地區(qū)防洪安全、不影響水庫(kù)現(xiàn)有防洪能力為首要原則，各水庫(kù)按調(diào)度規(guī)程運(yùn)行。

d.供水計(jì)算時(shí)，優(yōu)先使用本地水庫(kù)上游來(lái)水和水庫(kù)蓄水，然后是外引水供水，當(dāng)外引水富余且水庫(kù)有空余充蓄庫(kù)容時(shí)，對(duì)馬家河水庫(kù)和茅塔河水庫(kù)進(jìn)行充蓄，減少輸水工程規(guī)模。

3.2 水資源配置方案

規(guī)劃水平年十堰城區(qū)在充分挖掘當(dāng)?shù)厮Y源的基礎(chǔ)上，仍不能滿(mǎn)足十堰城區(qū)生活、生產(chǎn)及生態(tài)用水需求，需考慮外流域調(diào)水。根據(jù)十堰市城區(qū)周邊水源條件，從技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性等角度進(jìn)行綜合分析，最終確定以潘口水庫(kù)為水源的引調(diào)水方案，見(jiàn)圖1。規(guī)劃水平年優(yōu)先使用馬家河水庫(kù)和茅塔河水庫(kù)向十堰城區(qū)供水，黃龍灘水庫(kù)轉(zhuǎn)為備用水源，城區(qū)不足供水量全部由新建潘口引水工程提供。潘口引水先由引水干管引至馬家河水庫(kù)，再設(shè)分別支線(xiàn)引入茅塔河水庫(kù)、百二河水庫(kù)和城區(qū)各水廠(chǎng)，提供十堰城區(qū)生活、生產(chǎn)用水以及百二河生態(tài)補(bǔ)水。

圖1 十堰市中心城區(qū)水資源配置方案

4 水資源配置模型及計(jì)算成果

4.1 水資源配置模型

在現(xiàn)狀供用水情況調(diào)查評(píng)價(jià)、需水預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，建立十堰市中心城區(qū)的水資源配置模型。水資源配置模型以區(qū)域徑流來(lái)水過(guò)程、預(yù)測(cè)需水量、供水工程供水能力為計(jì)算條件，對(duì)各供水用戶(hù)進(jìn)行分區(qū)和概化，進(jìn)行長(zhǎng)系列水資源供需平衡調(diào)算，分析不同水平年、不同供水方案下區(qū)域水資源供需平衡情況。模型計(jì)算時(shí)段為1973—2015年，單位時(shí)段為旬，根據(jù)供需平衡分析結(jié)果來(lái)對(duì)供水方案進(jìn)行不斷調(diào)整和修正，調(diào)整工程供水能力，最終得到滿(mǎn)足平衡要求的水資源配置方案。

4.2 模型計(jì)算原理

水資源配置模型是在擬定的水資源配置方案下，研究區(qū)域內(nèi)各供水單元的水資源供與需的平衡，其基本原理是水量平衡和以需定供。計(jì)算約束條件包括長(zhǎng)系列各計(jì)算時(shí)段內(nèi)的來(lái)水量、水庫(kù)庫(kù)容限制、城鎮(zhèn)生活需水量、農(nóng)業(yè)需水量、引水工程供水能力約束等。計(jì)算采用VBA編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，模型計(jì)算流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 水資源供需平衡計(jì)算模型計(jì)算流程

4.3 主要計(jì)算公式

水量平衡計(jì)算公式如下：

WQ=WG-WX

(1)

引水工程供需平衡計(jì)算公式如下：

水庫(kù)工程供需平衡計(jì)算公式如下：

當(dāng)WX>W1+WL時(shí)，WG=W1+WL

(4)

當(dāng)WX

(5)

WQI=W1+W-WG-WS-VX

(6)

式中：WQ為缺水量;WG為供水量;WX為需水量；WY為可引水能力；WL為水庫(kù)時(shí)段內(nèi)來(lái)水；W1為水庫(kù)時(shí)段初蓄水；W2為水庫(kù)時(shí)段未蓄水；WS為水庫(kù)蒸發(fā)、滲漏損失；VX為水庫(kù)興利庫(kù)容；WQI為水庫(kù)棄水量。

農(nóng)機(jī)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的主要機(jī)械設(shè)備，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中農(nóng)機(jī)事業(yè)發(fā)展十分迅速。深松整地技術(shù)是農(nóng)機(jī)應(yīng)用過(guò)程中的常見(jiàn)技術(shù)，指的是依賴(lài)拖拉機(jī)的牽引深松機(jī)對(duì)土壤進(jìn)行耕作的技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中要加強(qiáng)對(duì)深松機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用，并且對(duì)深松技術(shù)進(jìn)行推廣，使得更多農(nóng)戶(hù)能夠了解深松技術(shù)要求，提高深松作業(yè)水平。

計(jì)算時(shí)按逐時(shí)段、逐級(jí)順序循環(huán)計(jì)算。

4.4 模型計(jì)算成果

根據(jù)模型計(jì)算成果，規(guī)劃水平年水資源配置方案下，十堰市中心城區(qū)多年平均需水量23011萬(wàn)m3，供水量23011萬(wàn)m3。規(guī)劃水平年供水保證率達(dá)到97%以上，滿(mǎn)足城市供水要求。規(guī)劃水平年水資源配置計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 十堰市中心城區(qū)水資源供需平衡成果

4.5 設(shè)計(jì)引水流量

潘口水庫(kù)至馬家河水庫(kù)引水干線(xiàn)、馬家河水庫(kù)至茅塔河水庫(kù)引水支線(xiàn)、馬家河水庫(kù)至百二河引水支線(xiàn)長(zhǎng)系列逐旬引水量及引水流量由水資源配置模型計(jì)算得到?？紤]引水渠道沿程輸水損失后，引水干渠渠首設(shè)計(jì)引水流量為6.7m3/s；馬家河水庫(kù)至百二河引水支線(xiàn)設(shè)計(jì)流量為長(zhǎng)系列最大旬引水流量0.5m3/s；馬家河水庫(kù)至茅塔河水庫(kù)引水支線(xiàn)最大旬引水流量為0.71m3/s，考慮與對(duì)應(yīng)的水廠(chǎng)規(guī)劃凈水處理規(guī)模，取0.82m3/s，具體設(shè)計(jì)流量見(jiàn)表4。

表4 引水干支渠設(shè)計(jì)流量計(jì)算 單位：m3/s

5 充蓄水庫(kù)在區(qū)域水資源配置方案中的應(yīng)用分析

5.1 充蓄水庫(kù)在水資源配置方案中的應(yīng)用

十堰城區(qū)現(xiàn)有馬家河水庫(kù)和茅塔河水庫(kù)兩座本地中型水庫(kù)，兩座水庫(kù)庫(kù)容較大，且均為十堰城區(qū)供水水庫(kù)，水庫(kù)通向城區(qū)水廠(chǎng)供水管網(wǎng)已布設(shè)連接好，水庫(kù)水源地保護(hù)措施已到位，具備引水入庫(kù)條件。馬家河水庫(kù)和茅塔河水庫(kù)位于輸水線(xiàn)路附近，其地理位置和高程，可滿(mǎn)足自流引水入庫(kù)條件?？紤]城市用水過(guò)程年內(nèi)冬夏季變幅較大，供水不均勻，將外引水先引至馬家河水庫(kù)和茅塔河水庫(kù)，充分利用這兩座水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用進(jìn)行充蓄和錯(cuò)峰調(diào)度，可以減少輸水工程規(guī)模，降低工程投資。同時(shí)，在潘口水庫(kù)至馬家河水庫(kù)引水干線(xiàn)每年1月檢修期前，可先在馬家河水庫(kù)和茅塔河水庫(kù)內(nèi)充庫(kù)蓄水，作為工程檢修期內(nèi)供水。

5.2 充蓄效益分析

5.2.1 調(diào)蓄水庫(kù)減少輸水工程設(shè)計(jì)流量作用分析

為研究調(diào)蓄水庫(kù)減少輸水工程設(shè)計(jì)流量作用，擬定了潘口水庫(kù)引水直接進(jìn)入城區(qū)各水廠(chǎng)的直供方案和潘口水庫(kù)引水先進(jìn)入馬家河水庫(kù)和茅塔河水庫(kù)充蓄的方案，將兩套方案計(jì)算成果進(jìn)行比較，見(jiàn)表5。由計(jì)算成果可知，相比直供方案，采用充蓄方案，可減少引水規(guī)模，而潘口水庫(kù)總引水量和棄水量略有增加，但增加很少。綜合工程投資、供水管理等多方面因素，充蓄方案具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表5 直供方案與充蓄方案計(jì)算成果對(duì)比

潘口引水工程輸水干渠檢修期設(shè)置在1月下旬，檢修時(shí)間為7天，檢修期十堰城區(qū)總需水量約為379萬(wàn)m3(扣除中水回用量)。檢修期間總干渠停止引水，在檢修期前，須對(duì)馬家河水庫(kù)和茅塔河水庫(kù)進(jìn)行引水充蓄，儲(chǔ)備足夠水量，保證工程檢修期十堰城區(qū)的正常供水。計(jì)劃在汛期結(jié)束后的11月初開(kāi)始充蓄，充蓄時(shí)間為11月初至次年1月中旬，馬家河水庫(kù)充蓄水位290.2m，茅塔河水庫(kù)充蓄水位269.2m。

根據(jù)水資源配置模型計(jì)算成果，計(jì)算多年平均、一般枯水年(P=75%)、特枯水年(P=95%)條件下水庫(kù)總蓄水量分別為897m3、481m3、427m3，可滿(mǎn)足檢修期十堰城區(qū)供水需求，詳見(jiàn)表6。

表6 檢修期蓄水量計(jì)算成果

6 結(jié) 語(yǔ)

為解決十堰市中心城區(qū)日益凸顯的供水矛盾，本文實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源合理配置，本文在對(duì)十堰城區(qū)供、需水量進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，擬定了從堵河潘口水庫(kù)引水的水資源配置方案，并進(jìn)行了配置水量計(jì)算。引水工程渠首設(shè)計(jì)引水流量為6.70 m3/s，多年平均引水量1.66億m3。引水后，十堰市中心城區(qū)供水保證率達(dá)到了99.9%，滿(mǎn)足規(guī)劃水平年城區(qū)供水要求。在利用外引水量進(jìn)行地區(qū)水資源配置時(shí)，充分發(fā)揮了本地馬家河水庫(kù)、茅塔河水庫(kù)調(diào)蓄作用，形成外引水與當(dāng)?shù)厮嘟Y(jié)合、區(qū)域用水互相調(diào)劑的配置格局，實(shí)現(xiàn)了減小引水工程規(guī)模、預(yù)存工程檢修期供水等功能。