邯鄲市西部水資源配置研究

單志學，張亭亭，劉 彬，3，沙金霞，孫建偉

(1.河北省承德水文水資源勘測局，河北承德067000;2.河北工程大學水電學院，河北邯鄲056021;3、中國水利水電科學研究院水資源研究所，北京100038;4、邯鄲市水利局，河北邯鄲056021;)

邯鄲市西部地區是該市重要的重工業基地，隨著經濟社會的快速發展，需水量逐年增長。但由于該區域地表水資源不足，導致局部地下水嚴重超采。而正在建設中的“南水北調工程”和規劃中的“邯鄲市引黃穿衛工程”，只解決了邯鄲市東部地區的供水問題，而西部地區的供水形勢依舊嚴峻、水資源供需矛盾日益突出。為了解決西部地區的供水問題，對該地區的水資源再配置問題進行深入研究與規劃是非常必要的。目前流域水資源優化配置方法主要包括系統優化法、模型模擬法、模擬與優化相耦合法三類［1－2］。其中系統優化法［3］對較小系統可以得到滿意的結果，但對于水資源優化配置大系統、復雜系統，所產生的維數災常使優化方法難以求解或優化結果與實際不符。模擬模型通用性好、適應性強，但模擬模型數據需求量大，且模型調參、率定需大量結合專業人員的經驗，這也導致模擬模型計算出的方案沒有優化模型的目標針對性強［4－5］。優化與模擬相耦合的方法，雖在一定程度上綜合了優化模型和模擬模型的優點，但仍不能克服模擬模型的缺點，同時由于耦合了兩種模型，模擬模型結果往往對于優化模型不能形成最優解，在最優方案選擇上較困難［6－8］。本文針對復雜水資源系統的特點，構建基于數學規劃及規則控制的水資源配置模型，實現邯鄲市西部水資源的綜合配置。

1 系統規則控制設定

1.1 工程規劃設定

工程規劃設定主要是為了水資源配置而擬定修建或改擴建的水利工程規劃。根據邯鄲西部地區的地形地勢、河流水系以及現狀水利工程情況，可以自清漳河擬定上線、中線和下線三條路線調水供給西部地區。

上線:自山西省建設中的澤城西安水利工程進行調水，向東南通過新開挖隧洞引水入青塔水庫和車谷水庫，經兩水庫調蓄后，再向武安和涉縣進行供水。

中線:自清漳河上擬建的賈家莊水庫進行調水，首先經漳北渠向涉縣供水，然后經十五里洞和規劃供水工程，引水入固鎮水庫和夏莊水庫，經兩水庫調蓄后，再向武安進行供水。

下線:自躍峰渠渠首進行調水，經過躍峰渠干渠向峰峰礦區供水，再經二分干和躍峰渠入大洺遠水庫，經水庫調蓄后向武安市進行供水。

1.2 供水范圍設定

供水范圍規則主要是為了配置方便，事前確定好外調水或當地水供水覆蓋區域。邯鄲市西部水資源包括當地水和外調水。本次研究對自產地表水和地下水供水范圍是區域內就近利用。為提高外調漳河水的利用率，并考慮到受水區的經濟承受能力，確定本次引漳供水范圍規則為邯鄲市西部重點工業企業。上線供水范圍主要是城西供水片和固鎮片，中線供水范圍主要是涉縣片和固鎮片，下線供水范圍主要為武安城東供水片。

1.3 方案設定

考慮三條線路的可供水覆蓋范圍以及上線工程的實施難度，本次規劃采用兩種方案組合，即方案一:當地水+上線+中線+下線;方案二:當地水+中線+下線。

2 水資源配置模型建立

2.1 水資源系統概化

根據邯鄲市西部地區水系、工程用水戶供水關系、擬定調水方案等建立水資源系統網絡關系圖(圖1)。以系統網絡關系圖為基礎構建水資源配置模型，并對相關參數以現狀數據信息資料進行校驗后開展規劃水平年的配置計算分析。

2.2 模型構建

通過建立以基本計算單元水資源供用水平衡方程、水利工程供水平衡方程以及各類約束方程，以供水系統總缺水量最小為目標函數構成數學規劃模型。

(1)目標函數

目標函數以區域供水系統總缺水量最小為目標。

式中:f(x)為總目標;xkij為水源i向k子區j用戶的供水量(萬m3);Dkj為k子區j用戶需水量(萬m3);J(k)為k子區用水戶數量;I(k)為k子區水源數量。

(2)約束條件

①水源可供水量約束

式中:wi為水源i的可供水量。

②水源輸水能力約束

表1 2020年邯鄲市西部山區水資源配置成果(萬m3)Tab.1 The water allocation results in 2020 of west Handan City(104m3)

④變量非負約束

3 配置結果分析及方案選擇

3.1 水資源配置結果分析

利用所構建的水資源配置模型及系統控制規則，對邯鄲市西部山區各行政區計算單元進行長系列逐月調節計算，分別得到方案一和方案二2020年規劃水平年不同保證率情況下的水資源配置結果，詳見表1。豐水年(P=25%)邯鄲市西部山區降水豐沛且入境水量偏多，區域整體不缺水，只在個別山勢較高地區由于地下水埋藏較深、不便開發而缺水;但在枯水年(P=75%)、特枯水年(P=95%)伴隨降水和入境水量的減少，區域呈現缺水，其中武安市缺水量最大，缺水率超過30%。

3.2 工程布局與供水總量控制

(1)方案一。上線只涉及到方案一，規劃上線自山西左權建設中的澤城西安水利工程進行調水，新開挖隧洞自澤城西安水利工程水電站尾水渠出口處開始，向東南沿直線至青塔水庫上游河道末端的龍洞村，再折向東至車谷水庫，引水入青塔水庫和車谷水庫，其中青塔水庫做為備用的調蓄水源。根據澤城西安水利工程下瀉水量和下游用水現狀，上線工程引水規模為2.5 m3/s。方案一中線以漳河上擬建的賈家莊水庫為水源地，采用泵站提水，經漳北渠干渠對涉縣進行供水，漳北渠引水規模為1.1 m3/s。下線自躍峰渠渠首進行調水，首先經過躍峰渠干渠向峰峰礦區供水，然后再經二分干和躍峰渠入大洺遠水庫，經水庫調蓄后向武安市進行供水。躍峰渠入大洺遠水庫引水工程規模為3 m3/s。

(2)方案二。方案二中線以漳河上擬建的賈家莊水庫為水源地，采用泵站提水，先經漳北渠向涉縣供水，然后經十五里洞和規劃供水工程，引水入固鎮水庫和夏莊水庫，經兩水庫調蓄后，再向武安市進行供水，漳北渠引水規模為1.9 m3/s，十五里洞引水規模為0.7 m3/s。下線同方案一。

3.3 工程投資估算

針對受水區水資源配置方案，從蓄水工程、調水工程及配套工程等方面，根據工程現狀和現場調查，并參照已建同類工程投資指標，分別估算方案一和方案二的工程總投資。經估算方案一、方案二工程總投資分別為23.99億元、22.77億元，投資估算詳見表2、表3。

表2方案一投資估算表Tab.2 The table of investment about program one

表3方案二投資估算表Tab.3 The table of investment about program two

3.4 方案選擇

對方案一、方案二水資源配置成果、工程布局與供水總量控制、工程投資估算對比分析。方案一供水范圍大，其中上線引水通過兩座中型水庫調節，供水范圍可以控制武安市主要工業用水戶，但方案一投資大，工程施工難度大，同時調水牽涉到山西省、河北省、海委漳河上游管理局等單位，協調難度大;方案二較方案一供水范圍偏小，可以滿足西部區域部分工業用水戶用水，但方案二較方案一投資省，調水全部在邯鄲市內完成，協調容易，利于工程盡早開工建設。綜合考慮方案一和方案二的優劣，最終選擇方案二為邯鄲市西部水資源配置方案(見表4)。

方案二在充分利用當地水的基礎上，通過中線和下線分別向邯鄲市西部地區調水，共需修建蓄、引、提、調水工程多處，包括興建賈家莊水庫、新建提水泵站、漳北渠渠道整治工程、十五里洞出口至南名河管道工程、躍峰渠渠道整治工程等，工程總投資為22.77億元。工程調水可以緩解西部缺水狀況，可以保證邯鄲市西部地區涉縣、峰峰、磁縣豐、平、枯水年不缺水，特枯水年缺水程度低于20%。但對于武安市，由于區域現狀用水缺口過大，方案二調水只是起到了緩解缺水的作用，武安市除了豐水年缺水率為9.2%，平、枯、特枯水年缺水率均超過20%。

4 結論

在對邯鄲市西部水資源調查研究基礎上，通過系統規則控制分別設定自澤城西安水利工程進行調水，經新開挖隧洞引水入青塔和車谷水庫，向武安和涉縣供水(上線)、自清漳河上擬建的賈家莊水庫經漳北渠和十五里洞向武安調水(中線)、由躍峰渠向峰峰礦區及武安調水(下線)三條工程調水路線，并對各調水線路供水區域進行了嚴格限定，減少了配置模型約束條件數量和規模。結合以供水系統總缺水量最小為目標函數的數學規劃模型，分別對擬定的兩套方案進行了模擬計算，鑒于方案二(當地水+中線+下線)比方案一(當地水+上線+中線+下線)投資少且調水協調工作方便，最終選擇方案二為最優方案。方案二可以緩解西部缺水狀況，可以保證邯鄲市西部地區涉縣、峰峰、磁縣豐、平、枯水年不缺水，特枯水年缺水程度低于20%，但西部地區武安市由于鋼鐵工業發達，用水量大，各水平年均有不同程度缺水，武安市未來需通過大力節水實現水資源的可持續利用。

表4方案二水資源配置成果表(萬m3)Tab.4 The water allocation results about program two in west Handan City(104m3)

［1］王浩，游進軍.水資源合理配置研究歷程與進展［J］.水利學報，2008，39(10):1168－1177.

［2］甘治國，蔣云鐘，魯 帆，等.北京市水資源配置模擬模型研究［J］.水利學報，2008，39(1):91－95.

［3］許新宜，王浩，甘泓，等.華北地區宏觀經濟水資源規劃理論與方法［M］.鄭州:黃河水利出版社，1997.

［4］高太忠，陸長福，李克榮，等.河北平原生態環境用水量估算［J］.河北科技大學學報，2003，24(1):1 －5.

［5］游進軍，王浩，甘泓.水資源系統模擬模型研究進展［J］.水科學進展，2006，17(3):425－429.

［6］游進軍，甘 泓，王 浩.基于規則的水資源系統模擬［J］.水利學報，2005，36(9):1043－1056.

［7］蔣云鐘，趙紅莉，甘治國.基于蒸騰蒸發量指標的水資源合理配置方法［J］.水利學報，2008，39(6):720－725.

［8］于常武，王宇林.城市小流域雨水資源利用探討［J］.黑龍江科技學院學報，2005，15(5):302 －308.

(責任編輯王利君)