基于“三條紅線”約束的濱海區多水源聯合調度模型

王 偲，竇 明，張潤慶，湯 勇，張遠東

(1.鄭州大學水利與環境學院，河南 鄭州 450001;2.煙臺市水利局，山東 煙臺 264000;3.水利部水資源管理中心，北京 100053)

隨著2011年中央一號文件《中共中央國務院關于加快水利改革發展的決定》的提出，正式確立了將最嚴格水資源管理機制作為加快轉變經濟發展方式的戰略舉措，如何在水利工作中落實最嚴格水資源管理制度成為目前面臨的最緊迫問題。近年來，研究者針對最嚴格水資源管理和“三條紅線”進行解讀和分析，在水資源管理理論體系和實踐研究方面取得了一定的成果，涉及最嚴格水資源管理制度、水資源優化配置及節約用水和水資源保護等多個方面。但以上研究主要以定性分析為主，定量分析較少，尤其是“三條紅線”與水資源配置相結合的研究成果較少。當前，有關水資源配置模型的研究經驗趨于成熟，模型多以多層次、多工程、多用戶、多水源為核心，如何將水資源配置模型應用于海水入侵地區，使之既能滿足區域供需水的要求，又能推動海水入侵地區的地下水保護工作是目前的研究重點［1］。本文結合濱海地區地下水保護工作的需要，科學劃定“三條紅線”管理指標，構建了基于“三條紅線”約束的濱海區多水源聯合調度模型，并以萊州市為例開展模型的應用研究。

1 “三條紅線”控制指標的確定方法

“三條紅線”控制指標(用水總量控制指標、用水效率控制指標和水功能區限制納污控制指標)的確定是構建最嚴格水資源管理制度的前提。然而，目前許多地區在劃定“三條紅線”指標時，多帶有一定的行政色彩和主觀意識，缺乏科學嚴謹的論證態度。為此，首先探討“三條紅線”控制指標的確定方法，為實現多水源聯合調度提供支撐。

1.1 用水總量控制指標的確定

用水總量控制指標是對取用水總量進行宏觀、量化管理的控制指標。從區域供水結構特點出發，選取相應的用水總量控制指標，主要包括地表水用水量控制指標、地下水用水量控制指標和外調水用水量控制指標。在劃定用水總量控制指標時，首先充分考慮區域的地表水、地下水資源條件和供水結構，以地表水可利用量和地下水可開采量作為用水量控制指標劃定的上限值;其次考慮當前的水資源開發利用水平和替代水源工程的供水潛力，并遵照“優先考慮地表水、充分利用外調水、加大利用再生水、壓縮開采地下水”的水源建設理念，給出地表水、地下水、外調水等不同水源在考慮水源置換前提下的最大供水能力;最后結合當地社會經濟發展水平及需水情況，并充分考慮未來各指標的可實現性，對各水源的用水量指標進行合理調整，制定滿足不同發展水平要求的用水總量控制指標。

1.2 用水效率控制指標的確定

用水效率控制指標是對區域用水行為進行精細化管理的控制指標。在選取用水效率控制指標時，可從工業、農業、居民生活等不同用水行業來選取相應的指標，如萬元GDP用水量、萬元工業增加值取水量、工業用水重復利用率、畝均灌溉用水量、農業灌溉水有效利用系數及人均綜合生活用水量、農業節水灌溉率等。用水效率控制指標的確定方法為:首先，分析研究區當前各行業的用水定額大小，并將其與全國節水先進地區相同或相近行業的用水定額進行對比;其次，綜合考慮研究區水資源條件、節水水平、替代水源建設情況、城鎮居民收入等多方面因素，分析當地各行業的用水效率和節水潛力，確定在最大節水水平下的農業節水灌溉率、灌溉水有效利用系數、工業用水重復利用率和城市污水回用率等效率指標;最后，結合當地社會經濟發展水平和水資源管理工作水平，并充分考慮未來各指標的可實現性，對指標進行適當調整，分析指標的合理性。

1.3 水功能區限制納污控制指標的確定

水功能區限制納污控制指標是對區域排污總量進行定量化管理的控制指標。從水功能區管理的角度，可選取水功能區達標率、主要污染物入河總量、工業廢水達標排放率、城市生活污水處理率等指標作為限制納污指標。相應的確定方法為:首先，科學核定水功能區的水體納污能力，針對劃定的水功能區，在滿足水域功能要求的前提下，明確水功能區的水質管理目標;選取合適的數學方法，并綜合考慮水功能區的水文特性、自然凈化能力、排污狀況科學計算水體納污能力。其次，結合水功能區達標現狀、水體納污能力、污廢水處理水平、污染源布局等多方面因素，確定污染負荷削減目標。最后，分析未來的排污水平和水質管理目標，分析水功能區限制納污指標的可實現性，對指標進行適當調整，設定比較適合的控制指標值。

2 濱海區多水源聯合調度模型的構建

在確定“三條紅線”控制指標的基礎上，還要通過實施多水源聯合調度來實現對水資源的合理分配。針對濱海地區特點，建立多水源聯合調度模型的主要設計理念如下:在最嚴格水資源管理思想指導下，結合濱海地區特點，以防止海水入侵為調控目標，提出相應的地下水開采量閾值和地下水位閾值［2－3］，進而結合以上指標確定方法提出適合濱海地區水資源管理工作的“三條紅線”控制指標;以保障供水安全為目標，以“三條紅線”控制指標為約束，在充分考慮地表水、地下水、外調水、雨水等不同水源供水潛力和未來需水情況的基礎上，構建基于“三條紅線”約束的多水源聯合調度模型，優選出能滿足所有約束條件的多水源聯合調度方案。

2.1 目標函數

大部分沿海地區所面臨的生態環境問題以海水入侵最為突出。該問題的解決可歸結為如何協調處理好社會經濟發展與生態環境保護、水資源開發利用之間的關系和矛盾，關鍵手段在于如何合理地配置水資源。因此在水資源配置時，應突出對地下水資源的調控，通過合理利用其他水源、有效壓縮地下水開采來維持地下水系統的良性循環，防治海水入侵［3－4］。

在防治海水入侵、合理開發利用地下水資源的前提下，以地下水開采量最小作為水資源調控的總體目標，由此構建目標函數:

式中:m為開采井的數量;n為開采總時段;Cj，i為各開采井在各開采時段的開采天數;Qj，i為各開采井在各開采時段的開采量。

2.2 約束條件

a.地下水開采量和水位約束。依據地區多年地下水開采量及相應站點地下水位與監測井氯離子相關關系劃定地下水開采量閾值、地下水位(或地下水埋深)閾值。為避免海水入侵，地下水系統的開采量和水位降深應低于相應的閾值。對于整個區域來說，水位降深閾值只是一個參考值，可以不考慮該約束;而當研究區域位于地下水降落漏斗區附近時，則必須要考慮該約束，即

式中:Wg(x)為地下水開采量;WGT為地下水開采量閾值;HGmin為防止鹽堿化水位調控閾值;Hg(x)為地下水位;HGmax為防止海水入侵水位調控閾值;WGL為引起海水入侵的地下水開采量臨界值;WGA為地下水可開采量。

b.開采能力限制。考慮地下水開采量不應超過其可開采量，各開采井抽水設備能力不能超過其限定抽水量，即

式中:qj為第j個開采井抽水設備的限定抽水量。

c.可供水量約束。考慮到社會、經濟和環境的可持續發展，水源供水量應大于用戶需水量，但不超過其可利用的水資源總量，即

式中:Wsur，Wg，Wr，Ww，Wsea，Wb分別為地表水供水量、地下水供水量、雨水利用量、污水回用量、海水利用量和微咸水利用量;Dind，Ddom，Dagr，Denv分別為工業需水量、生活需水量、農業需水量和生態需水量;WC，DCA分別為某一水源的供水量和可供水量。

d.用水效率約束。在規劃水平年，工業需水定額、農業需水定額以及國民經濟整體需水定額都應小于設計用水效率控制指標。為盡可能滿足人民生活水平不斷提高的物質需求，故未對生活需水定額作出限制，則用水效率控制指標如下:

式中:DI，DA，DE分別為規劃水平年的工業、農業以及國民經濟整體需水定額;DID，DAD，DED分別為按照最嚴格水資源管理指導思想設計的工業、農業以及國民經濟用水效率約束。

e.水功能區限制納污約束。研究區的污染物入河總量不得超過該區域內所有水功能區的納污能力，即

式中:SI，SD，SP分別為研究區的工業污染物入河量、生活污染物入河量及面源污染入河量;SRN為所有水功能區的納污能力。

f.非負約束。模型要滿足決策變量非負約束:

3 調度方案的優選

以上構建的模型是一個極其復雜的非線性優化模型，直接求解該模型比較困難，故采取計算機模擬技術，在多種方案中優選最佳方案。其思路為:按照預測規劃水平年不同保證率條件下的需水量及供水量，進行水資源供需平衡分析;繼而依據供需平衡分析結果進行水資源配置及依據地下水開采水平的調控指標來編制多水源調度方案;最后比對分析各方案，優選滿足所有約束條件并能帶來最大社會經濟效益的方案作為最終調度方案。為了更好地緩解沿海地區海水入侵地下水的狀況，將區域按照海水入侵區及非海水入侵區進行分區，分區標準以氯離子濃度等級劃分為主要依據，考慮行政及地質情況劃分計算單元。海水入侵地區嚴格控制地下水開采，地下水開采嚴重的地區實行地下水禁采，同非海水入侵區水資源進行聯合調度，以滿足供需要求［5］。

4 算例分析

以萊州市為算例進行濱海區多水源聯合調度模型的應用分析。萊州市位于膠東半島西北部、萊州灣東岸，瀕臨渤海，全市總面積為1878 km2，海岸線長108.7 km，屬北溫帶季風區大陸性氣候，2010年全市總人口達85.9萬人。根據《煙臺市水資源綜合規劃》1956—2000年水文系列資料成果，萊州市多年平均水資源總量為32 711萬m3。2010年萊州市的總供水量為15344萬m3，其中地下水供水量占總供水量的54.5%，是主要的供水水源。農業用水量占總用水量的 76.6%，是最大的用水行業［6－7］。在水資源利用方面，萊州市用水還存在地表水和地下水用水比例失調、行業用水結構不合理、工業和農業節水水平不高、非常規水資源利用量偏少等問題。為了更好地解決萊州市用水問題，緩解海水入侵對地下水造成的危害，通過構建基于“三條紅線”約束的多水源聯合調度模型，研究提出多水源聯合調度方案，進而實現對水資源的合理開發利用和科學配置［8－9］。

4.1 確定“三條紅線”控制指標

4.1.1 用水總量控制指標

結合萊州市水資源可利用量、社會經濟發展水平及需水情況，并協調當地地下水采補平衡現狀及水資源涵養恢復目標等要求，確定萊州市2011年用水控制指標為1.89億m3，其中地表水0.86億m3，地下水0.86億m3，引黃水量0.17億m3。

依據萊州市經濟發展水平及用水需求，按照節水閾值的要求及用水總量控制指標的構建原則，設定用水總量控制紅線初值，擬定2015年、2020年、2030年用水控制指標見表1。

4.1.2 用水效率控制指標

結合萊州市實際用水水平，按照用水效率控制指標構建原則，設定用水效率控制紅線初值，擬定萊州市2015年、2020年、2030年用水效率控制指標見表2。

表1 萊州市規劃水平年用水總量控制指標 萬m3

表2 萊州市規劃水平年用水效率控制指標

4.1.3 水功能區限制納污控制指標

統籌萊州市未來污水處理水平、水資源保護要求和水環境建設目標，按照限制納污控制指標構建原則，設定水功能區限制納污控制紅線初值，2015年、2020年和2030年萊州市水功能區限制納污控制指標如表3所示。

4.2 調度方案

在萊州市水資源供需分析的基礎上，計算出不同保證率條件下萊州市規劃水平年的余缺水量，進而參照前面確定的“三條紅線”控制指標和萊州市供用水實際情況編制多水源聯合調度方案。不同保證率條件下萊州市規劃水平年的調控目標為:平水年(保證率P=50%)滿足城鄉生產、生活、生態用水需求，實現供需水平衡;枯水年(P=75%)基本滿足城鄉生產、生活、生態用水需求，允許少量缺水，缺水率控制在5%左右;特枯年(P=95%)基本滿足城鄉生活及工業供水和農業高效作物用水，缺水率控制在20%左右，通過豐、平水年間余水調節補充特枯年份缺水，實現供需基本平衡。調控方案編制原則為:若規劃水平年有盈余水量，則在滿足需水總量前提下，在供水方面通過減小地下水開采量，使地下水系統得到有效恢復;若規劃水平年缺水，則在不進一步擴大需水總量的前提下，在供水方面通過挖掘地表水和其他水源的供水潛力以提高可供水量，同時適當限制地下水開采量，使地下水開采量盡量維持在開采量閾值附近。

表3 萊州市規劃水平年水功能區限制納污控制指標

根據萊州市多年地下水開采量、地下水水位與氯離子濃度的相關關系，將萊州市按海水入侵區與非海水入侵區進行分區，在此基礎上得出根據不同區域取用水要求與目標等條件計算的海水入侵區分區水源調控方案，綜合研究區域各項節水目標及節水力度，控制海水入侵區地下水取水量，提高用水效率和節水水平，大力使用調配水水源，在“三條紅線”約束下，得到了萊州市海水入侵區分區多水源聯合調度方案［10－11］。規劃水平年50%保證率下萊州市分區多水源聯合調度方案見表4，對各規劃水平年多水源聯合調度方案下“三條紅線”的考核評估見表5。

表4 50%保證率下萊州市分區多水源聯合調度方案 萬m3

表5 萊州市多水源聯合調度方案下“三條紅線”考核評估

根據表4、表5可知，該方案以分區規劃供需水為主線，地下水壓縮開采效果明顯，各項供水指標滿足“三條紅線”要求。將海水入侵區與非海水入侵區供需水分別計算調配，可對地下水保護工作的進一步開展起到重要作用。

5 結語

本文在最嚴格水資源管理思想的指導下，提出了基于區域水資源條件、開發利用現狀、未來發展要求及區域地下水開采量和地下水位控制指標約束的

“三條紅線”控制指標的確定方法，并在充分考慮地表水、地下水、外調水、雨水等不同水源供水潛力和未來需水情況的基礎上，構建基于“三條紅線”約束的多水源聯合調控模型，優選多水源聯合調度方案。

采用本文方法確定了萊州市不同規劃水平年“三條紅線”控制指標，并優選得出萊州市各規劃水平年多水源聯合調度方案，保證各項取水滿足“三條紅線”控制指標要求［12］。模型應用結果表明，“三條紅線”約束的多水源聯合調度模型不僅滿足當前水資源保護的要求，也能為將來濱海地區地下水保護、海水入侵防治提供支持，可為推動濱海地區水資源可持續利用和區域經濟發展打下良好的基礎。

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［1］李硯閣，雷志棟.地下水系統保護研究［M］.北京:中國環境科學出版社，2008.

［2］張華僑，竇明，張海林，等.城市水資源“雙線”配置模型研究［J］.水電能源科學，2011，29(3):20－23.

［3］尹明萬，謝新民，王浩，等.基于生活、生產和生態環境用水的水資源配置模型［J］.水利水電科技進展，2004，24(2):5－8.

［4］柳長順，陳獻，劉昌明，等.國外流域水資源配置模型研究進展［J］.河海大學學報:自然科學版，2005，33(5):522－524.

［5］竇明，李重榮，馬軍霞，等.大武水源地水資源優化配置模型研究［J］.人民黃河，2006，28(8):28－30.

［6］王秋賢，任志遠，孫根牛.萊州灣東南沿岸地區海水入侵災害研究［J］.海洋環境科學，2002(8):10－13.

［7］姚普，姜振泉，田梅青.煙臺市海水入侵程度及影響因素探討［J］.江蘇地質，2006，30(2):120－125.

［8］吉孟瑞.煙臺市地下水人工調蓄可行性分析［J］.山東地質情報，1992(4):10－15.

［9］煙臺市水利局.煙臺北部沿海經濟產業帶供水水源規劃［R］.煙臺:煙臺市水利局，2004.

［10］荊艷東.大連市海水入侵區地下水系統保護標準及確定方法［D］.南京:河海大學，2005.

［11］劉桂儀.萊州灣南岸海咸水入侵的原因分析及防治對策［J］.中國地質災害與防治學報，2000(11):1－4.

［12］馬鳳山，蔡祖煌.海水入侵災害與區域農業持續發展對策［J］.科學對社會的影響，1998(4):32－37.