區(qū)域多水源聯(lián)合調(diào)配研究

李克飛，侯紅雨，賀麗媛，侯保儉

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引 言

黃河上中游地區(qū)能源礦產(chǎn)資源豐富；但近年來，隨著國家區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，在能源化工產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的驅(qū)動下需水量持續(xù)增長；另一方面，黃河流域河川徑流大幅減少[1-2]，水資源供需矛盾威脅流域供水安全，危及國家水安全戰(zhàn)略的實施。由于水資源缺乏，黃河上中游部分地區(qū)長期以來過度依賴地表和地下水，一方面造成水資源量嚴重短缺；另一方面也造成天然河湖濕地萎縮、地下水開采過量等一系列生態(tài)環(huán)境問題[3- 4]。在缺水地區(qū)，非常規(guī)水源是很好的水源補充，水源合理調(diào)配可提高供水效率、有效緩解水資源供需矛盾。因此，充分利用非常規(guī)水源，構(gòu)建多水源合理調(diào)配、聯(lián)合調(diào)劑的供水格局是破解水資源短缺的有效途徑，也是我國水資源領(lǐng)域亟需解決的資源環(huán)境問題。

本文根據(jù)不同水源特征和用戶需水性質(zhì)，提出多水源調(diào)配策略，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建區(qū)域多目標優(yōu)化模型，以呼和浩特市為典型研究區(qū)域，提出經(jīng)濟合理、高效、可持續(xù)的多水源聯(lián)合調(diào)配方案。

1 多水源調(diào)配策略

黃河流域上中游地區(qū)非常規(guī)水源利用潛力較大，多水源聯(lián)合調(diào)配是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程[5]，供水水源考慮當?shù)氐乇硭⒌叵滤⑦^境水、外調(diào)水以及合理利用微咸水、雨水、再生水、礦井水等其他水源。供水對象包括城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、農(nóng)業(yè)、一般工業(yè)、能源化工工業(yè)、建筑業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)以及生態(tài)環(huán)境等7項用水。根據(jù)規(guī)劃水平年各種可能水源的特征和各項需水性質(zhì)，提出多水源聯(lián)合調(diào)配的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖(見圖1)。

多水源聯(lián)合調(diào)配關(guān)系：生活用水對水質(zhì)要求較高，以優(yōu)質(zhì)地下水為主水源，地表水為輔助水源；工業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境應(yīng)首先利用再生水、微咸水、礦井水等非常規(guī)水源，盡量減少地下水的開采利用；農(nóng)業(yè)用水以地下水和地表水為主水源。在多水源調(diào)配關(guān)系的基礎(chǔ)上，提出一套不同水源的運行規(guī)則指導(dǎo)水資源調(diào)配，這些規(guī)則構(gòu)成了多水源調(diào)配的策略。

1.1 地表水運用規(guī)則

(1)上游無調(diào)節(jié)水庫的提水和引水工程的可供水量要優(yōu)先利用；上游有調(diào)節(jié)水庫的，應(yīng)優(yōu)先利用引、提工程的區(qū)間來水量和水庫來水進行供水。如果不夠用，動用水庫的可用蓄水量。

(2)當蓄、引、提工程能夠同時向多個用水對象供水時，優(yōu)先按規(guī)定比例供水；如果多個用水對象事先無規(guī)定分水比例，依照配置準則進行分配。

1.2 地下水運用規(guī)則

(1)地下水利用的優(yōu)先次序為：①潛水以上的地下水量；②機動供水量(潛水以上的地下水量與可供水量之間的水量)；③超采量。

(2)地下水量首先滿足生活及工業(yè)需水中必須由地下水滿足的部分，剩余的地下水可利用量即為可用于農(nóng)業(yè)的地下水量。

(3)當缺水量達到一定深度，而其他水源難以保障時，才可以動用地下水超采量，且超采的地下水量應(yīng)及時在豐水年進行回補。

1.3 非常規(guī)水源運用規(guī)則

黃河上中游地區(qū)可利用的非常規(guī)水源包括：再生水、礦井水、微咸水、雨水等。規(guī)劃水平年應(yīng)優(yōu)先利用非常規(guī)水源，作為工業(yè)發(fā)展的水源。非常規(guī)水源利用中，宜根據(jù)各地區(qū)的非常規(guī)水資源分布情況，優(yōu)先利用再生水、礦井水和微咸水。這樣既可增加經(jīng)濟發(fā)展的可供水量，又可緩解環(huán)境壓力。

2 模型建立

2.1 目標函數(shù)與約束條件

水資源可持續(xù)利用問題涉及多目標、多水源協(xié)調(diào)。圍繞水資源全屬性(自然、環(huán)境、生態(tài)、社會和經(jīng)濟等屬性)，水資源開發(fā)利用應(yīng)以促進社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展作為目標。區(qū)域水資源利用的總目標包括：社會健康穩(wěn)定、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善和經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展等。其模型為

maxf(x)=f(S(x),E(x),B(x))

(1)

式中，f(x)為區(qū)域水資源調(diào)配的總目標，是社會目標S(x)、生態(tài)環(huán)境E(x)、經(jīng)濟發(fā)展目標B(x)的耦和復(fù)合函數(shù)。

(1)S(x)主要涵蓋民族區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展、保障國家糧食安全等方面。可采用反映區(qū)域發(fā)展平等程度的基尼系數(shù)最小和區(qū)域糧食產(chǎn)量最多等指標表示。

(2)E(x)主要涵蓋實現(xiàn)區(qū)域環(huán)境優(yōu)美和諧、保障生態(tài)環(huán)境修復(fù)等方面。可采用污染物COD排放量最小和保證河流最大的生態(tài)需水量等指標進行表征。

(3)B(x)指水資源開發(fā)利用既追求經(jīng)濟總量，同時注重經(jīng)濟效率，選擇區(qū)域國內(nèi)生產(chǎn)總值最大作為主要經(jīng)濟發(fā)展目標。

約束條件主要有：水量平衡約束(主要包括節(jié)點水量平衡、節(jié)點間水流連續(xù)性、水庫水量平衡、河渠回歸水量平衡約束等)，工程安全約束(主要包括水庫庫容、出庫流量、引提水量、管網(wǎng)水力、控制點壓力約束等)，水資源開發(fā)利用與保護約束(主要包括區(qū)域耗水總量小于可利用的水資源量、地下水使用量、地下水埋深、河湖最小生態(tài)需水約束等)，變量非負約束等。

不同的目標采用不同的指標進行表征，最終通過調(diào)控手段實現(xiàn)各目標的優(yōu)化調(diào)整。但不同目標之間、目標和約束條件之間存在著競爭與協(xié)調(diào)性的關(guān)系。在進行多水源聯(lián)合調(diào)配時，既要考慮各目標的屬性，又要考慮決策者的偏好，尋求使決策者達到最大程度滿足的均衡非劣解。不同目標之間的競爭關(guān)系見圖2。

2.2 模型求解

水資源供需分析計算一般采用長系列月調(diào)節(jié)計算方法，結(jié)合多水源聯(lián)合調(diào)配策略，采用水資源系統(tǒng)分析原理，選擇模擬模型和交互式?jīng)Q策結(jié)合的方法進行不同方案的水資源供需分析，最終獲得使決策者滿意的多水源聯(lián)合調(diào)配方案。通過交互式?jīng)Q策，實現(xiàn)模擬模型輸出和專家決策的相互溝通，獲得對區(qū)域多水源聯(lián)合調(diào)配的宏觀決策。

圖2 多目標之間競爭關(guān)系

本次所用模擬模型是一個網(wǎng)絡(luò)模型，以最小費用最大流(MAXMIN法)理論為基礎(chǔ)，經(jīng)改進后將其用于帶下限的網(wǎng)絡(luò)中進行求解，可用于各個節(jié)點的水量平衡計算。模擬模型分析的主要步驟如下。

(1)對區(qū)域水資源系統(tǒng)中的各個要素和它們之間的關(guān)系進行描述，繪制區(qū)域節(jié)點圖。

(2)明確模型運行的各項政策：①建立作物單產(chǎn)～水反映函數(shù)；②計算各類用戶需水要求；③將水庫庫容劃分出若干蓄水層，賦予相應(yīng)的優(yōu)先序，并將水庫供水范圍內(nèi)各種需水的優(yōu)先序組合在一起，制定水庫運行規(guī)則；④確定各節(jié)點上生活及工業(yè)需水、農(nóng)業(yè)需水、水庫蓄水等項的供水優(yōu)先序；⑤采用水利經(jīng)濟計算規(guī)程中建議的方法，對農(nóng)業(yè)、工業(yè)及生活等不同用水部門進行經(jīng)濟效益計算。

(3)將模型所需的各類數(shù)據(jù)整理成節(jié)點文件。

(4)根據(jù)區(qū)域情況、生產(chǎn)需求、政策變化及模型的輸出成果調(diào)整運行政策或擬定運行方案。

3 區(qū)域多水源聯(lián)合調(diào)配方案

結(jié)合多水源調(diào)配策略和已建的多水源聯(lián)合調(diào)配模型，本次研究選擇呼和浩特市為典型研究區(qū)域，開展多水源聯(lián)合調(diào)配計算，分析調(diào)配方案。呼和浩特市是內(nèi)蒙古自治區(qū)首府，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，黃河作為過境河流，由托克托縣西南部入境，先后流經(jīng)頭道拐、河口鎮(zhèn)等，經(jīng)清水河縣出境后進入山西省[6]。近年來，隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，經(jīng)濟快速發(fā)展，對水資源的需求不斷增長，供需矛盾日益突出。

3.1 水資源開發(fā)利用

自20世紀80年代以來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，呼和浩特市的供水量不斷增加。1980年，呼和浩特市供水量僅5.34億m3，2015年呼和浩特市總供水量達到10.34億m3，35年間供水增長了5億m3。現(xiàn)狀供水量以地表水和地下水為主，非常規(guī)水源供水比重較小。呼和浩特市歷年供水量統(tǒng)計情況見圖3。未來隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，區(qū)域需水量將持續(xù)增長，預(yù)測2020年、2030年呼和浩特市水資源需求量將分別達到11.38億、13.29億m3。

圖3 1980年～2015年呼和浩特市供水量變化情況

3.2 總體調(diào)配方案

規(guī)劃水平年以區(qū)域水資源時空分布為基礎(chǔ)，以產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化、規(guī)模調(diào)整為手段，實現(xiàn)水資源與經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。規(guī)劃水平年呼和浩特市多水源聯(lián)合調(diào)配方案見表1。

表1 呼和浩特市多水源聯(lián)合調(diào)配方案 萬m3

從調(diào)配結(jié)果看，2020年黃河干流供水量增加較多，對地下水超采區(qū)實施壓采保護，地下水供水量有所減少，以再生水為主的非常規(guī)水源利用量大幅度增加，形成以黃河干流水、地下水源為主，當?shù)氐乇硭驮偕榷喾N水源聯(lián)合供水的格局；改變目前供水結(jié)構(gòu)單一、過度依賴常規(guī)水源的狀況，以提高水資源保障能力和系統(tǒng)應(yīng)急能力。與2020年相比，2030年呼和浩特市通過工程措施提高供水能力和供水保障程度，黃河干流水和非常規(guī)水源供水量進一步增加，提出的調(diào)配方案可基本滿足遠期經(jīng)濟社會發(fā)展對水資源的需求。

3.3 分行業(yè)調(diào)配方案

進一步對各行業(yè)的調(diào)配方案進行分析，見圖4～圖8。由圖可知，規(guī)劃水平年呼和浩特市生活、工業(yè)、生態(tài)環(huán)境配置水量均有所增加，農(nóng)業(yè)配置水量所占比例有所減少。

圖4 居民生活用戶多水源調(diào)配方案

圖5 城鎮(zhèn)公共用戶多水源調(diào)配方案

圖6 工業(yè)用戶多水源調(diào)配方案

圖7 農(nóng)業(yè)用戶多水源調(diào)配方案

圖8 生態(tài)環(huán)境用戶多水源調(diào)配方案

規(guī)劃水平年農(nóng)業(yè)在節(jié)水中求發(fā)展，隨著節(jié)水水平的提高，農(nóng)業(yè)配置水量與現(xiàn)狀年相比有所減少，以地下水、黃河干流水和當?shù)氐乇硭疄橹鳌９I(yè)配置水量不斷增加，從現(xiàn)狀的1.38億m3增加到2030年的2.29億m3，并且改變現(xiàn)狀以地下水為主的狀況(部分食品工業(yè)由于對水質(zhì)要求較高，仍開采少量地下水)，形成以黃河干流水和再生水為主的配水格局。居民生活和城鎮(zhèn)公共配置水量以優(yōu)質(zhì)地下水和黃河干流水為主，隨著生活水平的提高和社會的發(fā)展，居民生活和城鎮(zhèn)公共配置水量不斷增加。生態(tài)環(huán)境配置水量以黃河干流水和非常規(guī)水源為主，隨著生態(tài)文明建設(shè)需求的不斷提高將不斷增加。

3.4 總體布局

根據(jù)多水源聯(lián)合調(diào)配方案，提出規(guī)劃水平年呼和浩特市水源利用：以黃河干流水和地下水為中心，合理有效利用當?shù)氐乇硭罅Υ龠M非常規(guī)水源利用，形成多水源聯(lián)合調(diào)配的總體格局。從用水格局看，在優(yōu)先滿足生活用水、保障基本生態(tài)環(huán)境用水的基礎(chǔ)上，通過水量配置引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)規(guī)模布局優(yōu)化，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局與水資源配置格局的協(xié)調(diào)。從水資源利用的空間布局看，北部主要為武川縣，其中山丘區(qū)以水源涵養(yǎng)為主，加強水資源保護和水土保持建設(shè)；平原區(qū)發(fā)展高效生態(tài)農(nóng)業(yè)，抑制高耗水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，水源利用以地下水為主。中部是呼和浩特市城鎮(zhèn)生活用水的中心區(qū)，同時也是工業(yè)發(fā)展的核心區(qū)，需要以區(qū)域發(fā)展總體規(guī)劃為導(dǎo)向，生活用水以優(yōu)質(zhì)地下水為主；工業(yè)用水以黃河水和再生水為主，加強城市水源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、沿黃取水工程和再生水管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，提高供水的保障程度。南部水源以當?shù)氐乇硭偷叵滤疄橹鳎蛇m當加大當?shù)氐乇硭暮侠砝茫瑑?yōu)先保障城鄉(xiāng)飲水安全和城鎮(zhèn)供水安全，保證當?shù)毓I(yè)發(fā)展。

4 結(jié) 論

本文提出了包含地表水、地下水、非常規(guī)水源等的多水源聯(lián)合調(diào)配策略，構(gòu)建了區(qū)域多目標優(yōu)化模型，形成區(qū)域多水源開發(fā)聯(lián)合調(diào)劑的安全保障格局。以呼和浩特市為典型區(qū)域，提出不同水平年呼和浩特市多水源優(yōu)化調(diào)配的方案，2020年、2030年多年平均供水量分別為10.74億、13.03億m3，可基本保障區(qū)域水資源安全，保障居民生活水平提高、經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境改善的用水要求，實現(xiàn)多水源調(diào)劑的供水格局。