濟寧市南水北調受水區地下水壓采替代水源方案優選研究

劉志峰，王琳琳，林洪孝

(1．山東省水利工程管理局，山東 濟南 250014;2．山東省環境監測中心站，山東 濟南 250013;3．山東農業大學，山東 泰安 271018)

1 前言

濟寧市位于魯西南腹地，地處黃淮海平原與魯中南山丘區交接地帶，地理坐標為北緯34°26'～35°57'， 東 經 115°52' ～ 117°36'， 總 面 積10684．9km2，該市礦產資源豐富，工農業發達，是國家重點糧棉基地和能源基地，亦是魯西南工業重鎮。

然而，隨著經濟的發展和人口的增長，濟寧市水資源利用的供需矛盾日益尖銳，地下水超采嚴重，造成大面積降落漏斗和部分地區的地面沉降。本著可持續發展的思想，2005年9月，濟寧市通過了《濟寧市南水北調受水區地下水壓采方案研究》，確定了在濟寧市南水北調受水區到2013年壓采3782萬m3地下水(平水年)和到2018年壓采7583萬m3地下水(平水年)的目標。因此，在全市需水量不斷增加的現實情況下，只有開源、節流，而且要充分利用南水北調水源，即找到替代水源才能解決水資源供需矛盾，促進濟寧市經濟社會的和諧發展，故濟寧市南水北調受水區地下水壓采替代水源方案的研究則尤為重要，對當前工作具有現實的指導意義。

2 替代水源分析

替代水源是指替代地下水壓采的水源，是超采區地下水壓采的基本水資源條件。

2.1 南水北調分配水量

南水北調水量是壓采的首要替代水源。根據南水北調規劃成果，2013年和2018年分配給濟寧市受水區的水量分別為4500萬m3、8000萬m3。

2.2 節水潛力

根據濟寧市節水規劃，分析受水區內未來的節水水平。由《濟寧市水資源綜合規劃—節水規劃專題報告》得平水年2013年和2018年各行業節水規劃量及污水處理回用量。見表1所示。

表1 濟寧市2013年和2018年各行業節水潛力及污水處理回用量(P=50%)

2.3 當地水資源開發潛力

當地水資源開發潛力分析，主要是分析當地水資源可能增加的供水量，包括地下水新增供水量、地表水新增供水量。

2.3.1 地下水新增供水量

地下水新增供水量包括地下水回灌水量、兗西奧灰水源的開發量、濱湖地區因潛水蒸發的減少而新增的開采量等。由《濟寧市南水北調受水區地下水壓采方案研究》可得平水年2013年和2018年地下水新增供水量分別為1500萬m3和2200萬m3。

2.3.2 地表水新增供水量

新增地表水水源主要是充分利用當地地表徑流獲得，其主要工程措施是攔蓄工程。

蓄水工程主要指湖東山溪性河道，在上游修建盡可能大的集水池，中游修建小水庫和塘壩工程或興建層層截潛工程，下游沿河布大口井和地道井等截潛工程。此工程措施在曲阜北部山丘區已有實踐，并獲得了成功。攔水工程主要指平原坡水河道，河道徑流量年內相差懸殊，汛期河水暴漲，枯季水量陡減，因此在河道適當位置興建攔河閘壩，對河道上游來水進行跨季節、跨年度調蓄，可增加地表水的可供水量。

由《濟寧市南水北調受水區地下水壓采方案研究》可得平水年2013年和2018年地表水新增供水量分別為3000萬m3和4000萬m3。

3 替代水源方案優選模型的建立

建立替代水源優選模型，進行替代水源方案優選，解決該市地下水壓采和需水量增加而造成的水資源供需矛盾。

3.1 建模思想

擬算出采取的各項減少地下水開采措施的節水量、新增開發當地水源量與南水北調調水量的優化分配方案，即在滿足減少開采地下水量和增加新需水量的同時，得出較優的節流開源布局方案。

3.2 建立模型

以供水經濟效益最大為目標，建立目標函數，創建替代水源優選模型。

式中:Wc—水費總收入，萬元;

Wj1—工業節水量，萬m3;

Wj2—農業節水量，萬m3;

Wj3—公共設施節水量，萬m3;

Pj1—工業節水商品水價，元/m3;

Pj2—農業節水商品水價，元/m3;

Pj3—公共設施節水商品水價，元/m3;

Wh—污水處理回用量，萬m3;

Ph—污水處理回用水商品水價，元/m3;

Ws—新增地表水供水量，萬m3;

Ps—地表水商品水價，元/m3;

Wg—新增地下水供水量，萬m3;

Pg—地下水商品水價，元/m3;

Wd—南水北調調水量，萬m3;

Pd—南水北調供水商品水價，元/m3;

T—規劃期。

mi—各項權重

3.3 所建模型分析

(1)節水按工業、農業和公共設施節水考慮，其中重點在工業、依次為農業和公共設施節水，農業節水主要轉供城市，所以，在計算農業節水時不能用農業用水價格，而用城市用水平均價格測算;因受原用水統計影響，經營性用水統計在公共設施用水中，而其用水是公共設施用水的主要部分，所以，分析中的公共設施節水主要指經營性用水;新增開發地表水用于工業;(2)新增開發地下水用于生活;(3)污水處理回用水是減少地下水開采和滿足新增用水量的重要措施，主要用于工業用水;(4)南水北調調水用于城市;(5)各項節流開源水量應等于壓采措施減采量與新增需水量之和。

4 2013年替代水源方案優選

4.1 水資源費及水費分析

根據目前水資源費及水費價格以及相關政策，得到2013年濟寧市水資源費及水費價格。

(1)水資源費(元/m3)，地下水:0．65;地表水:0．30

(2)水費(元/m3)，工業:3．09(地下水源);工業:2．74(地表水源);生活:2．69(該區無地表水源);行政事業單位:2．99;經營服務業:4．10

(3)污水處理回用:1．0元/m3

4.2 方案優選

根據《濟寧市水資源綜合規劃》得2013年平水年濟寧市新增需水量5595萬m3，故2013年平水年濟寧市壓采措施減采量與新增需水量之和為9377萬m3。根據建立的模型和對模型的分析得。

各符號含義同上。

設立七種方案，利用Matlab軟件的linprog命令分別計算其優化結果，如表2所示。

分析方案一，其最優結果是當Wj1=Wj2=Wj3=0時得到的，可見該方案沒有利用節約用水量，不利于各行業的節水管理;且污廢水回用量取上限值，利用率過高。固權重的選取不合理，此方案不可取。

分析方案二，其最優結果是當Wh=0時得到的，可見該方案沒有充分利用污廢水的回用量，不利于污廢水的回用工作;且節水利用率和地表水開采率過高。固權重的選取不合理，此方案不可取。

表2 2013年替代水源方案優選表

分析方案三，其最優結果是當Wj1、Wj3、Wh取其上限值得到的，工業、公共設施節水利用率和污廢水回用利用率過高。固權重的選取不合理，此方案不可取。

分析方案四，其最優結果是當Wj1、Wj2、Wj3、Wd取其上限值得到的，節水利用率和南水北調水利用率過高。固權重的選取不合理，此方案不可取。

分析方案五，其最優結果是當Wj2、Wj3、Wd取其上限值得到的，農業、公共設施節水利用率和南水北調水利用率過高。固權重的選取不合理，此方案不可取。

分析方案六與方案七，此兩方案注重可持續發展思想，由其計算結果可見，權重的確定符合了以下四方面:①充分挖掘各行業的節水潛力，利用各行業節水水源，促進各行業節水;②充分利用污廢水處理回用水源，減少污廢水的排放量。③盡量少開源，尤其是地下水資源，走可持續發展道路;④充分利用南水北調水源，符合經濟合理性原則。此兩方案權重選擇合理，為優選方案。

5 2018年替代水源方案優選

考慮遠期的物價上漲因素，各行業水價均比近期水價增長10%進行計算。根據《濟寧市水資源綜合規劃》得2018年平水年濟寧市新增需水量3285萬m3，故2018年平水年濟寧市壓采措施減采量與新增需水量之和為10868萬m3。根據建立的模型和對模型的分析得

各符號含義同上。

設立六種模擬方案，利用Matlab軟件的linprog命令分別計算其優化結果，如表3所示。

分析此六個方案(方法同2013年方案分析)，方案五和方案六為優選方案。

表3 2018年替代水源方案優選表

6 結語

利用建立的替代水源方案優選模型，對濟寧市南水北調受水區地下水壓采替代水源方案進行優選，最終得到了較優的各項減少地下水開采措施的節水量、新增開發當地水源量與南水北調調水量的優化分配方案，對濟寧市今后的水資源優化配置與調度工作具有現實的指導意義，對今后此類工作的進行具有較好的借鑒意義。

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［4］許其寬，徐斌．推進節水型社會建設的文化思考［J］．水利發展研究，2009(03):67-69．

［5］周淑妹，賈麗業，周金達．天津市水資源優化配置及節水問題的幾點思考［J］．水文，2009(01):36-37．