阜新市水資源供需配置研究

王寶琛

(阜新市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 阜新 123000)

水資源作為我國(guó)戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源和基礎(chǔ)性自然資源，受人口壓力不斷增大、水系統(tǒng)循環(huán)穩(wěn)定性下降以及高強(qiáng)度水土資源開(kāi)發(fā)等因素影響，水資源短缺、水生態(tài)受損、水環(huán)境污染等問(wèn)題日趨突出，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與水資源承載力失衡逐漸成為我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸[1]。水行政部門管理、水利工程建設(shè)等與水資源開(kāi)發(fā)利用密切相關(guān)，諸多復(fù)雜因素往往會(huì)限制水資源配置方案的制定[2-3]。因此，必須設(shè)置不同情景方案對(duì)比分析水資源供需配置合理性，為水資源可持續(xù)利用提供一定參考，如呂彤等以浦口區(qū)為例，考慮調(diào)水措施、水資源承載力和現(xiàn)狀工程條件探討了水資源三次供需平衡關(guān)系，為區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)；楊志峰等研究了廣州市水資源綜合強(qiáng)化方案、基本控制方案；彭少明等從“三次供需”的角度分析了鄂爾多斯市的水資源狀況；王浩等最早提出了“三次平衡”的水資源配置策略[4-7]。黃河水利委員會(huì)依據(jù)工程是否生效，分2030年(有引漢濟(jì)渭工程和西線工程)、2030年(無(wú)引漢濟(jì)渭工程和西線工程)、2020年(有引漢濟(jì)渭工程)、2020年(無(wú)引漢濟(jì)渭工程)研究了黃河流域水資源供需情況。

水資源供需分析要重點(diǎn)考慮工程規(guī)劃及實(shí)際建設(shè)情況、用水總量控制紅線指標(biāo)等，從而合理設(shè)置水資源供需情景方案[8-9]。文章以阜新市為例，考慮水利工程建設(shè)情況及用水總量控制要求，結(jié)合水資源管理需求科學(xué)設(shè)置供需情景方案，并利用水資源模型模擬分析了各方案的可行性，旨在為阜新市水資源高效利用和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供一定借鑒。

1 阜新市水資源利用現(xiàn)狀

1.1 研究區(qū)概況

阜新市處于東北遼河平原與內(nèi)蒙古高原的中間過(guò)渡帶，位于遼西低山丘陵區(qū)，全區(qū)呈長(zhǎng)矩形，總面積10445km2，主要有2個(gè)縣區(qū)和5個(gè)市轄區(qū)，即阜蒙縣、彰武縣，太平區(qū)、海州區(qū)、細(xì)河區(qū)、清河門區(qū)、新邱區(qū)。阜新市屬于北溫帶大陸季風(fēng)氣候，年均降水量481mm，降水時(shí)空分布不均，從西北到東南降水遞增，汛期徑流與降水占全年的70%，豐枯年徑流量相差5-30倍，大水面蒸發(fā)量1400-1800mm，光照充足，年日照時(shí)數(shù)2868h。境內(nèi)河網(wǎng)水系密布，大多為季節(jié)性高含沙水流，必須建蓄水調(diào)節(jié)工程并處理好水沙關(guān)系，才能實(shí)現(xiàn)雨洪資源的有效利用。根據(jù)不同的地理位置，可將河流劃分成大凌河和遼河兩大水系，主要河流如表1所示。

表1 阜新地區(qū)主要河流特征

阜新市內(nèi)現(xiàn)共建降雨站144個(gè)，河道水位站14個(gè)，水庫(kù)33個(gè)，其中小型水庫(kù)27個(gè)，中型水庫(kù)4個(gè)，大型水庫(kù)2個(gè)，如圖1所示。近年來(lái)，隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程加快及經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，阜新市農(nóng)業(yè)灌溉、居民生活和工業(yè)生產(chǎn)等用水需求急劇增大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用不協(xié)調(diào)、水資源短缺、供給壓力增加等問(wèn)題日趨突出，因此，為實(shí)現(xiàn)不同水源與各用水部門的供需平衡，有必要科學(xué)配置區(qū)域水資源。

圖1 阜新市水庫(kù)站點(diǎn)

1.2 用水總量控制

阜新市未來(lái)是以遼西北供水工程為主的地表、地下水多水源供水的城市，如果遼西北供水工程出現(xiàn)問(wèn)題，阜新市應(yīng)有其它水源保證其供水安全。阜新市2025年、2030年用水總量控制指標(biāo)分別為69480萬(wàn)m3、78500萬(wàn)m3，地表水占比分別為55%、63%。用水總量控制指標(biāo)，見(jiàn)表2。

表2 用水總量控制指標(biāo)

1.3 水資源利用情況

根據(jù)阜新市2010-2019年水資源管理年報(bào)表、公報(bào)調(diào)查表、供水耗水情況等資料，探討分析區(qū)域水資源利用情況，如表3所示。

表3 阜新市2009-2019年供水量

從表3可以看出，2010-2019年阜新市總供水量呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，從2010年的43952.40萬(wàn)m3波動(dòng)減小至2019年的26043.92萬(wàn)m3，其中地表水從最初的11064.20萬(wàn)m3波動(dòng)減小至8028.68萬(wàn)m3，地下水從32888.20波動(dòng)減小至17280.34萬(wàn)m3。

1.4 現(xiàn)存問(wèn)題分析

目前，阜新市非常規(guī)水源利用不足而常規(guī)水源利用量較大。非常規(guī)水源從2015年逐漸開(kāi)始利用，常規(guī)水源的長(zhǎng)期過(guò)度使用在一定程度上污染了水環(huán)境，并且致使水資源供需矛盾更加突出。此外，地表水利用不足而過(guò)度依賴于地下水，2009-2019年阜新市水資源供給以地下水為主，其多年平均供給占比達(dá)到71.90%。在空間分布上，可控地表水分布不均加大了開(kāi)發(fā)利用難度，阜新市地處遼西低山丘陵區(qū)，較大蓄水工程興建難度大，可控地表水開(kāi)采程度不高，研究期間地表水供給量?jī)H占27.33%，這與地表水用水總量控制指標(biāo)要求的2025年55%、2030年63%相差甚遠(yuǎn)。

2 水資源管理情景方案

根據(jù)阜新市水資源現(xiàn)存問(wèn)題和不同水平年需水預(yù)測(cè)成果，考慮區(qū)域用水總量控制指標(biāo)要求及地表水工程規(guī)劃情況，通過(guò)協(xié)調(diào)、反饋、平衡分析多個(gè)情景模式獲取最優(yōu)的水資源供需方案[10]。

2.1 設(shè)置典型年

鑒于重度干旱年增加紅線可行性和中等干旱年農(nóng)業(yè)灌溉需求較大的實(shí)際情況，本研究設(shè)置了重度干旱年(P=75%)、中度干旱年(P=75%)、常規(guī)平水年(P=50%)三個(gè)典型年，按照以豐補(bǔ)歉的原則以及中度干旱年較平水年需水量增長(zhǎng)比例適當(dāng)增加紅線控制指標(biāo)，如表4所示。

表4 典型年設(shè)置

2.2 設(shè)置約束方式

通過(guò)合理設(shè)置工程約束方式以更加全面地反映工程建設(shè)實(shí)際情況和用水總量控制要求，如表5所示。

表5 約束方式設(shè)置

2.3 設(shè)置情景方案

根據(jù)已設(shè)置的紅線、交叉工程約束條件和重度干旱年、中度干旱年、平水年3個(gè)典型年，交叉設(shè)置6種水資源供需情景方案，如表6所示。

表6 阜新市水資源供需配置情景方案

3 網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建與供需配置

3.1 網(wǎng)絡(luò)模型

通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)運(yùn)籌學(xué)中的最大流、最小費(fèi)用原理構(gòu)建一個(gè)帶下限的網(wǎng)絡(luò)模型，并利用該模型計(jì)算水資源供需平衡關(guān)系，該算法比較適用于分水政策等試驗(yàn)研究，并且有效確保了各節(jié)點(diǎn)水量平衡。

文章結(jié)合阜新市現(xiàn)有水利工程情況和主要斷面控制要求，考慮全區(qū)水系分布和行政區(qū)劃劃分成36個(gè)計(jì)算單元，從而構(gòu)建區(qū)域水資源供需平衡節(jié)點(diǎn)圖。該節(jié)點(diǎn)圖由一系列有向連線及節(jié)點(diǎn)所組成，每個(gè)編號(hào)都與節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，并結(jié)合實(shí)際情況設(shè)置斷面生態(tài)流量、水庫(kù)蓄水、區(qū)間需水、入流等要素，這是水資源系統(tǒng)的概化，全面反映了系統(tǒng)內(nèi)部要素的相互關(guān)系。水資源供需平衡節(jié)點(diǎn)圖以各節(jié)點(diǎn)為單位，以1961-2019年為時(shí)限，以水資源評(píng)價(jià)為輸入條件，經(jīng)一系列復(fù)雜運(yùn)算，可以確定河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境、農(nóng)村人畜、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)和河道外生態(tài)供水優(yōu)先次序[11]。

3.2 可供水量分析

1)地表水。依據(jù)發(fā)展規(guī)劃，2025年前續(xù)建配套已建中小型水庫(kù)，其中小型水庫(kù)12座，中型水庫(kù)2座，2030年前續(xù)建配套已建大型水庫(kù)，配套完善大型水庫(kù)1座。

2)地下水?？傮w上，阜新市地下水實(shí)際開(kāi)采量不超過(guò)淺層地下水多年平均可開(kāi)采量，由于開(kāi)采集中局部地區(qū)存在地下水超采現(xiàn)象。針對(duì)局部超采區(qū)按照地下水開(kāi)采控制原則壓減超采量，并考慮實(shí)際供水量需求，對(duì)具有地下水開(kāi)采潛力的平原地區(qū)更新改造及續(xù)建配套地下水機(jī)電井工程，適當(dāng)增大地下水供水量以緩解供水矛盾[12]。

3)非常規(guī)水源。雨水和再生水是阜新市主要非常規(guī)水源，通過(guò)合理利用雨水和再生水可以替代部分常規(guī)水源。

4)外調(diào)水?？紤]大伙房水庫(kù)輸水工程，將現(xiàn)狀地下水利用遼河干流地表水置換；結(jié)合遼西北供水工程實(shí)際情況和用水需求，合理調(diào)配遼西北供水工程水。

3.3 供需情景方案對(duì)比

經(jīng)模型模擬條算，輸出阜新市不同情境下水資源供需配置成果，如表7所示。

表7 阜新市水資源供需配置成果表 萬(wàn)m3

從表7可以看出，同一典型年中不同水平年的紅線約束和工程約束的供水量、需水量、缺水量相同，主要差別是地下水與地表水的供水分配不同。工程約束是在用水總量控制指標(biāo)和地表水工程供水能力約束下，確定地下水與地表水的供水量，該約束考慮了阜新市水利工程建設(shè)情況；紅線約束則是依據(jù)用水總量控制約束條件，不考慮供水工程情況確定地下水與地表水的供水量，該約束體現(xiàn)了區(qū)域最嚴(yán)水資源管理要求[13]。

綜合考慮阜新市地表水開(kāi)發(fā)利用逐步實(shí)施到位和各種情景下的水資源供需分析，規(guī)劃水平年地下水具備一定開(kāi)采潛力而地表水工程建設(shè)無(wú)法支撐用水總量控制指標(biāo)，經(jīng)深入探討與交流后建議阜新市加快地表水工程建設(shè)，盡快促使地表水達(dá)到開(kāi)發(fā)利用紅線指標(biāo)，在此之前結(jié)合地下水缺水情況和可開(kāi)采量，充分利用這部分地下水以滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求。綜上分析，阜新市水資源供需配置推薦方案為平水年(P=50%)工程約束情景。

3.4 推薦情景的配置

根據(jù)推薦的供需方案情景輸出水資源配置結(jié)果，如表8所示。2030年阜新市用水總量控制指標(biāo)為48300萬(wàn)m3，因此2030年可以配置的紅線指標(biāo)內(nèi)非常規(guī)水源及遼河干流水、地下水和地表水供給計(jì)48300萬(wàn)m3，全部配置紅線指標(biāo)。

表8 阜新市水資源配置成果 萬(wàn)m3

4 結(jié) 論

文章深入研究了阜新市水資源供需配置方案設(shè)置問(wèn)題，為解決水利工程實(shí)際情況與地下水、地表水總量控制紅線不協(xié)調(diào)問(wèn)題提出水資源供需情景方案，通過(guò)紅線、工程兩個(gè)約束和設(shè)置重度干旱年、重度干旱年、平水年交叉形成6個(gè)情景模式，并利用阜新市水資源模擬模擬深入探討了當(dāng)前水資源供需形勢(shì)，在深入解析多種供需情景方案的基礎(chǔ)上優(yōu)選出符合實(shí)際情況的最佳方案，研究成果可為阜新市水資源利用規(guī)劃、合理開(kāi)發(fā)管理和節(jié)約利用保護(hù)提供一定參考。