遼陽(yáng)縣地下水雙控的水資源配置研究

查曼麗

(沈陽(yáng)市水利規(guī)劃院規(guī)劃室，沈陽(yáng) 110015)

調(diào)查顯示，全球用水需求每年正以1%的速度不斷增長(zhǎng)，在未來(lái)20a該速度還將大幅上升[1-3]。由于地下水保護(hù)滯后、管理粗放、過(guò)渡開發(fā)、無(wú)序開采等不合理利用，以及全球經(jīng)濟(jì)、人口的爆發(fā)式增長(zhǎng)，致使地下水大范圍超采以及地下水位持續(xù)下降，并引起地下水工建筑物受損、海水入侵、地面沉降等一起列水文地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重影響著當(dāng)?shù)厝嗣裆詈徒?jīng)濟(jì)發(fā)展，逐漸成為制約區(qū)域可持續(xù)發(fā)展最難解決、最尖銳、最突出的復(fù)合型問(wèn)題[4]。2012年，國(guó)務(wù)院開始提出“雙控”管理以防地下水問(wèn)題的持續(xù)惡化，隨后各地水管部門和水利部組織實(shí)施了一系列專項(xiàng)研究，并取得顯著成效[5-6]。流域/區(qū)域地下水補(bǔ)排關(guān)系隨水資源開發(fā)利用格局的變化而發(fā)生改變，如渠道及河道防滲功能的提升、水庫(kù)的修建將顯著影響渠系、河湖、水庫(kù)對(duì)地下水的補(bǔ)給；工業(yè)與農(nóng)業(yè)之間的水權(quán)轉(zhuǎn)換以及新型節(jié)水灌區(qū)大范圍提升將對(duì)地下水田間入滲補(bǔ)給帶來(lái)較大影響[7]。因此，地下水可開采量在未來(lái)不同水平年屬于動(dòng)態(tài)變化的，結(jié)合地下水“雙控”管理需要和不同水平年地下水可開采量變化特征，如何科學(xué)調(diào)整和規(guī)劃水資源配置格局非常重要。然而，對(duì)于不同水資源開發(fā)利用格局不同水平年下的地下水位、地下水可開采量動(dòng)態(tài)約束作用傳統(tǒng)的水資源配置考慮較少或給予弱化[8-12]。

因此，文章結(jié)合地下水資源保護(hù)的特殊性和水生態(tài)文明建設(shè)的實(shí)際要求，通過(guò)改進(jìn)與突破傳統(tǒng)的非變化量處理地下水可開采量的缺陷構(gòu)建水資源配置模型，并利用水資源配置與地下水可開采量動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊的信息反饋及傳輸給出不同水平年配置方案，新增水資源配置中地下水水位的調(diào)控作用，通過(guò)交互迭代計(jì)算水資源優(yōu)化配置模塊與地下水雙控計(jì)算模塊給出滿足地下水位閾值要求的配置方案，為地下水壓采區(qū)水資源格局優(yōu)化調(diào)整、地下水“雙控”管理和人水和諧的水資源配置提供一種全新的模型方法。

1 水資源配置模型與求解

1.1 模型系統(tǒng)

實(shí)際上，水資源配置模型就是由地下水“雙控”、可開采量動(dòng)態(tài)計(jì)算和水資源優(yōu)化三部分組成的模型系統(tǒng)，以優(yōu)化配置模塊為核心牽引地下水“雙控”計(jì)算模塊和可開采量動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，利用“三次配置”的多重循環(huán)迭代算法實(shí)現(xiàn)不同行業(yè)、不同水源、不同時(shí)空尺度等多個(gè)維度的水資源分配，以滿足地下水“雙控”要求的多重循環(huán)協(xié)同配置和地下水可開采量動(dòng)態(tài)變化約束功能。

1)優(yōu)化配置模塊。根據(jù)水利工程時(shí)空分布格局和“社會(huì)-自然”二元水循環(huán)模式，構(gòu)建以水資源供給與“三生”用水需求平衡為基礎(chǔ)、以各類水量平衡關(guān)系為約束條件的配置模型，目標(biāo)函數(shù)為水量損失最小及供水凈效益最大，輸入條件為不同水平年的生態(tài)蓄水與國(guó)民經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)及長(zhǎng)系列水文資料，并利用GAMS2.5軟件求解水資源優(yōu)化配置模型。

2)可開采量動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊。地下水取水總量控制指標(biāo)或地下水可開采量一般決定著地下水開采量，而地下水開采條件與補(bǔ)給量直接決定了可開采量，補(bǔ)給量發(fā)生變化可開采量也隨之改變。向地下水均衡模型輸入水資源配置模塊計(jì)算結(jié)果，以此確定不同水平年不同單元井灌回歸量、田間滲漏補(bǔ)給量、河湖水庫(kù)和地下水渠系管網(wǎng)滲漏補(bǔ)給量，并在此基礎(chǔ)上確定可開采量；水資源優(yōu)化配置模塊接受地下水動(dòng)態(tài)開采量反饋數(shù)據(jù)，并將其作為約束條件上限參與運(yùn)算，通過(guò)水資源優(yōu)化配置模型與地下水均衡模塊實(shí)現(xiàn)反饋與傳輸?shù)牡换ビ?jì)算，科學(xué)計(jì)算地下水供水量和可開采量。

3)模塊“雙控”計(jì)算模塊。向地下水?dāng)?shù)值模型輸入水資源配置模塊計(jì)算結(jié)果，對(duì)不同水資源配置方案不同水平年的地下水位變化趨勢(shì)按照降水豐、平、枯3種情景進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合地下水控制性紅線水位判定該水資源配置方案是否滿足地下水閾值要求，通過(guò)水資源配置模塊與地下水?dāng)?shù)值模型實(shí)現(xiàn)反饋與傳輸?shù)牡换ビ?jì)算，精準(zhǔn)計(jì)算出“雙控”結(jié)果。

1.2 多重循環(huán)迭代運(yùn)算

對(duì)于不同水平年地下水水位和可開采量的動(dòng)態(tài)變化約束傳統(tǒng)的水資源配置一般忽視或給予弱化，文章利用水資源優(yōu)化配置模塊牽引地下水“雙控”和可開采量動(dòng)態(tài)計(jì)算，通過(guò)“三次配置”多重循環(huán)迭代算法實(shí)現(xiàn)反饋與傳輸?shù)牡换ミ\(yùn)算，從而獲取滿足滿足“雙控”管理要求、地下水動(dòng)態(tài)采補(bǔ)平衡、河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水的水資源配置方案，主要流程如下：

步驟一：設(shè)置不同節(jié)水情景/發(fā)展模式下不同規(guī)劃水平年的供需水方案，其中初始地下水可采量評(píng)價(jià)為Wj，j=0。根據(jù)研究區(qū)水資源配置要求、水利工程規(guī)劃情況、水資源系統(tǒng)現(xiàn)狀和特點(diǎn)等，將河渠道交匯點(diǎn)、計(jì)算單元、重要水利工程等各類物理元素設(shè)為水資源系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，并采用各類線段連接水資源傳播系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)，以此生成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖和優(yōu)化配置模塊。

步驟二：依據(jù)模型初始參數(shù)、平衡方程、約束條件和目標(biāo)函數(shù)，經(jīng)調(diào)節(jié)計(jì)算確定不同規(guī)劃水平年一次配置結(jié)果。

步驟三：向可開采量動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊輸入水資源一次配置結(jié)果，經(jīng)迭代運(yùn)算確定可開采量Wj(j=0，1，…，n，即迭代次數(shù))。若符合條件|Wj+1-Wj|/Wj≤ε，則迭代運(yùn)算終止，輸出運(yùn)算結(jié)果；否則，返回第二步并適當(dāng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)、需水量及供水能力，以j=j+1重復(fù)前一次迭代過(guò)程直至滿足要求，輸出水資源二次配置結(jié)果。

步驟四：向地下水“雙控”計(jì)算模塊輸入二次配置結(jié)果，并對(duì)未來(lái)地下水變化趨勢(shì)按照豐、平、枯3種來(lái)水情景進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算確定地下水位hj。若H下限≤hj≤H上限，則進(jìn)入下一步運(yùn)算；否則，返回第二步并對(duì)地下水開采量及開采布局進(jìn)行合理調(diào)整，以j=j+1重復(fù)運(yùn)算直至符合H下限≤hj≤H上限；此外，若|Wj+1-Wj|/Wj≤ε則進(jìn)入下一步運(yùn)算，否則返回第二步重復(fù)前一次運(yùn)算，直至滿足要求輸出水資源三次配置結(jié)果。

步驟五：迭代運(yùn)算終止，輸出水資源多重循環(huán)迭代運(yùn)算結(jié)果。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 研究概況

遼陽(yáng)縣地處遼東半島中部，被遼陽(yáng)市市區(qū)一分為二，總面積2828.2km2，地理位置如圖1所示。東部為丘陵山區(qū)，西部為沿河平原，地勢(shì)平坦，其中平原地區(qū)占全縣總面積34%，山丘區(qū)占66%。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均氣溫8.4℃，年降水量735.3mm，平均蒸發(fā)量508mm。目前，已建蓄水工程14座，現(xiàn)狀供水量0.81億m3，引水工程89處，提水工程27處，水井工程76143眼，中水回用供水量0.12億m3[13-16]。

圖1 遼陽(yáng)縣地理位置圖

遼陽(yáng)縣地區(qū)受歷史原因影響，承擔(dān)向鞍山生活及鞍鋼用水供給。由于該區(qū)集中了遼陽(yáng)、鞍山、鞍鋼供水水源地，地下水資源開采歷史達(dá)90余年，長(zhǎng)期大規(guī)模集中開采地下水導(dǎo)致地下水位下降，形成了降落漏斗。近年來(lái)，漏斗區(qū)的問(wèn)題得到有關(guān)部門的高度重視，通過(guò)關(guān)?；蚍忾]取水井、地下水取水工程等，嚴(yán)格控制地下水開采，使漏斗區(qū)得到了很好的控制與改善，漏斗區(qū)2005年面積縮小至220km2，2010年縮小至175km2，到2014年縮小至147.3km2。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和水資源條件的改變，如何優(yōu)化配置區(qū)域水資源布局已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

文章結(jié)合遼陽(yáng)縣水資源配置要求、水利工程規(guī)劃情況、水資源系統(tǒng)現(xiàn)狀和特點(diǎn)等，利用水資源配置系統(tǒng)的概化方法將研究區(qū)概化成2個(gè)流域分區(qū)，2個(gè)控制斷面，3個(gè)外調(diào)水配水節(jié)點(diǎn)，4個(gè)計(jì)算單元，8個(gè)匯水與引水節(jié)點(diǎn)，5個(gè)水庫(kù)節(jié)點(diǎn)，6個(gè)水源地，2個(gè)市政水廠，模擬站點(diǎn)分區(qū)如圖2所示。

2.2 方案設(shè)置

根據(jù)遼陽(yáng)縣水資源規(guī)劃及開發(fā)利用現(xiàn)狀，通過(guò)組合非工程與工程措施、需水過(guò)程、水文過(guò)程設(shè)置不同配置方案及其初始集，對(duì)初始房中中明顯較差或代表性不夠的方案利用人機(jī)交互的方式排出，最終方案如表1所示。其中，①、②代表大伙房水庫(kù)輸水工程和遼西北供水工程。

表1 遼陽(yáng)縣水資源配置方案

文章利用地下水雙控水資源優(yōu)化配置模型和1966-2020年長(zhǎng)系列逐徑流資料，在考慮農(nóng)業(yè)灌溉引水和河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境等最小流量約束條件下計(jì)算3套不同組合方案的長(zhǎng)系列逐月調(diào)節(jié)量，并獲取相應(yīng)的配置結(jié)果如表2所示。

表2 水資源供需平衡量計(jì)算

方案Ⅰ是在適度節(jié)水模式下，通過(guò)新增外調(diào)水規(guī)模和加大再生水回用規(guī)模來(lái)支撐經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這種“以產(chǎn)定水、走外延式發(fā)展”模式不符合國(guó)家“節(jié)水優(yōu)先戰(zhàn)略”，加之新增外調(diào)水的復(fù)雜性與艱巨性，不推薦使用該方案。方案Ⅲ主要是通過(guò)封井壓減開采規(guī)模實(shí)現(xiàn)地下水采補(bǔ)平衡，這種“以水定產(chǎn)、走內(nèi)涵式發(fā)展”模式雖有利于改善生態(tài)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)綠色低碳平穩(wěn)發(fā)展，但在既定外調(diào)水規(guī)模下過(guò)渡抑制工業(yè)發(fā)展和城市擴(kuò)張，與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展引擎、省市城市建設(shè)定位、當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)跨越式發(fā)展要求和國(guó)家“節(jié)水優(yōu)先戰(zhàn)略”不太相符，因此從綠色低碳的角度可作為次優(yōu)推薦方案。方案Ⅱ?qū)嵲诩榷ǖ倪|西北供水工程與大伙房輸水工程分水協(xié)議的情況下，適度利用已建供水管網(wǎng)并重啟部分封閉備用的地下水水源給市區(qū)供水，這種“供需協(xié)調(diào)、走穩(wěn)健式發(fā)展”模式既能滿足新增用水需求，又能合理利用各種資源降低成本，符合國(guó)家“節(jié)水優(yōu)先”戰(zhàn)略并保持地下水位合理波動(dòng)，可作為最優(yōu)方案。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 地下水可開采量動(dòng)態(tài)計(jì)算

將2009-2020年多年平均地下水補(bǔ)給量作為地下水可開采量動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊的初始條件，依據(jù)判別條件經(jīng)多次迭代運(yùn)算輸出不同水平年地下水可開采量，2030年的迭代運(yùn)算輸出如表3所示。

表3 地下水可開采量迭代計(jì)算

續(xù)表3 地下水可開采量迭代計(jì)算

由表3可知，地下水補(bǔ)給量隨規(guī)劃水平年水資源配置格局的改變發(fā)生相應(yīng)的變化，地表水入滲補(bǔ)給量隨灌區(qū)和渠系節(jié)水效率的提升逐漸減少，在方案Ⅱ水資源開發(fā)利用格局下2030年遼陽(yáng)縣地下水可開采量為1.58億m3，以地下水動(dòng)態(tài)可開采量為上限約束調(diào)整2030年水資源配置方案。

2.3.2 地下水“雙控”計(jì)算

根據(jù)地下水“雙控”計(jì)算模塊和水資源二次配置結(jié)果，基于降水與地下水調(diào)蓄能力的疊加積累效應(yīng)，從長(zhǎng)系列降水資料中選取連續(xù)5年作為2015-2020年、2020-2025年、2025-2030年降水輸入，初始水位取2015年1月1日地下水位，預(yù)測(cè)2015-2030年地下水位變化，如表4所示。

表4 超限監(jiān)測(cè)井地下水預(yù)測(cè)值

由表4可知，在方案Ⅱ水資源開發(fā)利用模式下遼陽(yáng)縣大部分觀測(cè)井地下水位自2025年以后開始超出控制性紅線上限水位，對(duì)地下建筑工程、環(huán)境地質(zhì)和水文地質(zhì)等產(chǎn)生一定影響或威脅，所以有必要在2025年后將部分地下水市政水源地適時(shí)重啟。

2.3.3 優(yōu)化配置結(jié)果

通過(guò)分析豐水年、枯水年、平水年3種情境下地下水位變化風(fēng)險(xiǎn)，最終確定2030年地下水市政水源重新開啟供水量為0.12億m3。依據(jù)方案Ⅱ水資源開發(fā)利用模式下的三次配置結(jié)果，2030年遼陽(yáng)縣水資源供需平衡目標(biāo)基本能夠?qū)崿F(xiàn)，如表5所示。

表5 2030年多年平均水資源供需平衡

3 結(jié) 論

1)在水源置換和封井壓采情境下獲取地下水“雙控”配置結(jié)果，2030年遼陽(yáng)縣年均供水量達(dá)到5.70億m3，其中外調(diào)水、再生水、地下水、地表水分別為1.80、0.47、2.62、0.81億m3，缺水率0%。鑒于豐水年、枯水年、平水年3種情境下地下水位變化風(fēng)險(xiǎn)，確定2030年地下水市政水源重新開啟供水量為0.12億m3，從而形成地下水“雙控”的配置格局。

2)該水資源配置比較側(cè)重于地下水“雙控”，而較少考慮水功能區(qū)地下水和地表水水質(zhì)，未來(lái)仍需綜合考慮和高度重視水量水質(zhì)問(wèn)題。