寧東能源化工基地水資源優化配置研究

馮興平，江 濤，唐 林，李永紅*，范 磊，趙正宏，侯光才，錢 會

(1.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100；2.長安大學環境科學與工程學院，陜西西安710054；3.西安市城市規劃設計研究院，陜西西安 710082；4.中國地質調查局西安地質調查中心，陜西西安 710054)

寧東能源化工基地位于寧夏回族自治區中東部，在靈武、鹽池、同心、紅寺堡地區，南北長130 km，東西寬50 km，面積約為3 500 km2，已探明煤炭儲量273×108t，遠景儲量1 394.3×108t，是一個全國罕見的儲量大、煤質好、地質構造簡單的整裝煤田，被列為國家13個重點開發的億噸級礦區之一。寧東能源化工基地位于鄂爾多斯盆地西緣靈鹽臺地之上，區內水資源極為貧乏。基地供水來源單一，絕大部分供水來源于黃河引水，少量來源于吳忠平原地下水。黃河引水不但用水成本很高，而且地表水易受污染，輸水具有季節性，保障程度低。因此，如何高效利用水資源是寧東能源化工基地建設面臨的重要問題，受到社會各界的廣泛關注。目前文獻的研究，只是給出了基地各類水(黃河水、礦井疏干水、處理污水)配置數量，并提出礦井水、各類廢水處理利用及節約用水解決基地供水的措施[1-2]，但未涉及基地地表水與地下水的聯合運用以及水資源優化配置問題，因而前人的研究對基地合理高效開發利用水資源的實際指導作用尚有欠缺，有必要進行深入研究。筆者依據“鄂爾多斯盆地(寧夏)能源基地地下水勘查”項目的地下水資源評價資料，結合寧東能源化工基地建設規劃對水資源的需求，提出了地表水和地下水聯合供水方案，并采用線性規劃模型對供水方案進行了優化研究，為基地水資源經濟和高效利用提供基礎依據，也為干旱區工業基地經濟合理利用水資源提供參考。

1 寧東能源化工基地產業規劃對水資源的需求及供水現狀

1.1寧東能源化工基地產業規劃按照寧東能源化工基地總體規劃，基地以煤炭、電力和煤化工為三大主導產業，輔助發展石油天然氣化工、精細化工、材料工業和其他服務業。煤礦區包括靈武、鴛鴦湖、橫城3個礦區，12個井田；電廠包括馬連臺電廠、靈州煤矸石綜合電廠、靈武電廠、鴛鴦湖電廠、水洞溝電廠、方家莊電廠和棗泉電廠等；3個工業園區包括煤化工園區、臨河綜合項目區和靈州綜合項目區。在寧夏東北部與內蒙古交界地帶建設了平羅精細化工基地[3-4]。寧東能源化工基地地理位置及主要廠礦的分布見圖1。

圖1 寧東能源化工基地廠礦分布Fig.1 Distribution of factories and mines in Ningdong energy chemical base

1.2寧東基地對水資源的需求主要包括煤礦生產生活、電廠生產生活和煤化工項目對新鮮淡水的需求。根據《寧東基地總體規劃與建設綱要》，2020年總需水量達到3.43×108m3/a，其中煤礦生產生活用水0.16×108m3/a，電廠生產生活用水0.29×108m3/a，煤化工生產用水2.98×108m3/a，以煤化工用水量最大。環保綠化需水可通過礦坑廢水和工業廢水的處理或再循環利用解決。

1.3寧東基地引黃供水工程和應急水源需求

1.3.1引黃供水工程。寧夏已經按照基地規劃修建了2座引黃供水水庫：鴨子蕩水庫和劉家溝水庫。其中，鴨子蕩水庫位于基地北部，2020年供水量可以達到3.00×108m3/a以上；太陽山供水工程(劉家溝水庫)位于基地南部，供水量為0.36×108m3/a。這2座水庫的水源均來自黃河，通過專門的管道進行輸送，水量的配額來自水權置換，即把農業節約用水所產生的余額分配給工業用水[5]。

1.3.2應急水源需求。應急水源首先保障煤礦生產生活、電廠生產生活新鮮淡水的需求，即2020年煤礦生產生活用水0.16×108m3/a，以及電廠生產生活用水0.29×108m3/a，合計0.45×108m3/a。煤化工項目的用水需求暫且不納入應急供水保障范圍。

2 研究資料與方法

筆者依據“鄂爾多斯盆地(寧夏)能源基地地下水勘查”項目的地下水資源評價資料(2014年)，通過統計和圖表方法分析可向寧東能源化工基地供水的各地下水水源地的可采資源量及基地周邊水源地應急供水能力；利用拓撲圖方式表達地表水與地下水聯合供水的方案的基本內容；采用線性規劃模型對聯合供水方案進行優化研究，確定供水方案中地下水的實際配額和供水路線。

3 結果與分析

3.1地下水源地及其供水潛力目前，已經探明可以向寧東能源化工基地供水的地下水水源地有5處，各水源地的地下水可開采量統計如表1所示。備選應急水源地的可開采量匯總見表2。將上述水源地的供水能力繪制成框圖(圖2)。

表1寧東能源化工基地水源地地下水可開采量統計

Table1StatisticsofgroundwaterrecoverableinNingdongenergychemicalbase

水源地Water head site現狀開采量Current exploitation quantity×108 m3/a工程可開采量Engineering recoverable quantity×108 m3/a水質Water Quality駱駝井水源地Luotuojing water head site0.0180.046淡水靈武大泉水源地Lingwu Daquan water head site0.0900.270淡水靈武崇興水源地Lingwu Chongx-ing water head site0.0400.070淡水陶樂平原水源地Taole plain water head site0.0100.113淡水吳忠平原傍河水源地Wuzhong plain riverside water head site00.246淡水

表2 寧東基地備選應急水源地的可開采量匯總

注：括號數據中為已有開采量(×108 m3/a) Note：The data in parentheses is the existing mining amount(×108 m3/a) 圖2 寧東能源基地周邊水源地應急供水能力框圖Fig.2 Block diagram of emergency water supply capacity of water sources near Ningdong energy base

根據圖2分析，來自寧東能源化工基地西部的鹽池駱駝井地區可供水0.046×108m3/a，東部的靈武地區可供水0.465×108m3/a，而北部的陶樂地區可供水0.113×108m3/a。合計的工程可開采量為0.624 ×108m3/a，已經能滿足寧東能源化工基地2020年應急供水0.450×108m3/a的要求。更遠期的應急供水可能需要利用微咸水，要考慮對微咸水進行處理。

3.2地表水與地下水聯合供水的方案按照寧東能源基地的總體規劃，能源化工企業的用水主要通過鴨子蕩水庫和劉家溝水庫提供[6]。引黃供水工程依賴于黃河及其附屬的水利設施，輸水具有季節性，需要修建水庫或大型蓄水池并處理泥沙沉淀，供水和維護運營的成本很高，蒸發滲漏造成的水資源浪費較大，而且地表水易受污染，保障程度低[7]。在探明了地下水水源地之后，通過適當引入地下水的供水工程，可以減少蒸發損失，降低運營成本，并起到應急供水的作用。但是，僅靠現有的地下水水源地，還不能滿足能源化工基地的全部新鮮淡水需求。因此，采用地表水與地下水聯合供水的方案，將更有利于區域水資源的高效開發利用[8]。經分析研究，提出了如圖3所示的寧東能源化工基地地表水與地下水聯合供水方案。方案的要點如下：

(1)陶樂水源地向平羅精細化工基地單獨供水。平羅精細化工基地在陶樂地區的北端，目前的供水措施是引黃河水，經供水管道和泵站輸送到工業區。該基地規劃供水為2.0萬m3/d(0.073×108m3/a)，而陶樂傍河水源地的可開采量達到0.113×108m3/a，能夠滿足平羅精細化工基地的需求。

(2)修建輸水管道和配水站聯合駱駝井應急水源地，向橫城工礦區和鴛鴦湖礦區供水。駱駝井應急水源地的供水能力為0.046×108m3/a。

(3)在靈武地區，修建配水站和輸水管道聯合傍河3號水源地和鴨子蕩水庫的供水管道，向橫城工礦區供水。另外修建配水站聯合現有的崇興水源地和2號備選水源地聯合鴨子蕩水庫的供水管道，向靈武工礦區提供煤礦和電廠的生產生活用水。這種與鴨子蕩水庫聯合調度的方案中，地下水的可供水量達到0.276×108m3/a。鴨子蕩水庫則向煤化工基地提供煤化工項目的新鮮淡水需求，2020年設計供水能力為2.980×108m3/a，地下水可供水量占比很小。

(4)在靈武南部地區，將大泉水源地與1號備選水源地與劉家溝水庫的地表水進行聯合調度，向積家井和馬家灘工礦區供水。馬家灘和積家井礦區2020年規劃需要0.054×108m3/a的新鮮淡水，低于劉家溝水庫的供水能力。大泉水源地和1號水源地的可供水總量為0.189×108m3/a，比馬家灘和積家井礦區需求量還大，因此剩余的水量可以向北分配到靈武工礦區。

圖3 寧東能源化工基地地表水與地下水聯合供水方案拓撲圖Fig.3 Topological plan of joint water supply plan for surface water and underground water at Ningdong energy chemical base

3.3寧東能源化工基地供水方案的優化以上的討論提出了寧東能源化工基地地表水與地下水聯合供水的方案，確定了周邊地下水水源地的供水線路和最大可能供水規模，但還存在很大的不確定性，即地下水的實際供水規模達到多大才是經濟合理的方案。為了定量地確定方案中的供水配額，該研究通過線性規劃模型進行分析。

3.3.1模型方程。寧東能源化工基地地表水與地下水聯合供水方案優化的基本思路是用最低的經濟成本達到供水目標[9-10]。因為引用黃河水的供水方案是已經有規劃的，工程建設已經部分完成。因此，在該模型中不再考慮地表供水工程的基礎設施投資，而主要考慮地下水供水工程的基礎設施投資和運營成本。

供水總量取決于需求，應滿足以下關系式：

Q1+Q2=Qx

(1)

式中，Q1為地表水的有效供水量；Q2為地下水的供水量；Qx為需要達到的總供水量。設地表水引水量為Qs，考慮到蒸發和滲漏損失量，地表水有效供水量與引水量關系如下：

Q1=(1-η)Qs

(2)

式中，η為損失系數，按照鴨子蕩水庫的有關資料，η可取3.3%(源自“寧東能源化工基地一期供水工程水資源論證報告書”)。

對于損失的水量，屬于水資源的浪費，引入以下罰函數：

(3)

式中，Jw為模型中引入的處罰成本；qs為為單方水的水權置換成本；es為處罰的倍增函數(即每多浪費1 m3水需要多增加的單方成本)。根據寧夏地區水權置換的經驗，qs=2.0元/m3。es可取0.01元/萬m3，表示每多浪費1 萬m3方水單價上漲0.01元。

地下水和地表水供水都需要滿足以下約束條件：

Q1≤QR；Q2≤QP

(4)

式中，QP為地下水的可開采量；QR為地表水庫的供水能力。

對于任一地下水水源地，開采量會引起當地供水和生態環境壓力，其水權置換的單方成本隨著實際開采量與可開采量的比例(環境壓力增大)增加，計算公式如下：

(5)

式中，qg為地下水的基礎水權置換單方成本(取2.0元/m3)。

總的經濟成本按下式計算：

(6)

式中，t為模型考慮的投資回收周期(20年)；qsQ1為地表水的水權置換成本；qe為地下水供水工程的基礎設施投資單方成本[0.04元/(m3·km)]；Lg為輸水距離；ms為地表水供水工程的運營配水成本(1.5元/m3)；mg為地下水供水工程的運營配水成本(1.0元/m3)。

規劃模型的目標函數如下：

Jx=minJx(Qs,Qg)

(7)

即聯合供水方案在20年內的總成本達到最低。

3.3.2模型求解。對圖3中的供水方案可以分解幾個組成部分，分別求解各自的優化模型，然后進行匯總。

3.3.2.1陶樂地區優化供水方案。陶樂地區平羅精細化工基地的需水量Qx為0.073×108m3/a，其中陶樂水源地的工程可開采量為QP為0.113×108m3/a，目前黃河三棵柳引水工程供水能力QR為0.055×108m3/a，輸水距離Lg為40 km。模型求解得到的結果如圖4所示。

圖4 陶樂地區供水方案經濟成本隨地下水供水量的變化曲線Fig.4 Variation curve of economic cost of water supply scheme in Taole area

由圖4可以看出，隨著地下水的供水量增加，供水經濟成本總體呈現下降趨勢。當地下水的供水量達到0.065×108m3/a時，供水成本降低到最低。陶樂傍河水源地的可開采量達到0.113×108m3/a，但只要開采0.065×108m3/a就可以滿足最優供水目標，這樣地表水只需要調度0.008×108m3/a。

3.3.2.2中部工礦區優化供水方案。中部工礦區包括橫城工礦區、靈武工礦區和鴛鴦湖工礦區，聯合供水的總需水量Qx為0.396×108m3/a，地表供水工程為鴨子蕩水庫，除去向煤化工的供水外，剩余供水能力為0.256×108m3/a。地下水的水源地有4個：駱駝井應急水源地、現有的靈武崇興水源地、3號備選水源地和2號備選水源地，總計可供水量達到0.352×108m3/a。首先進行總量的優化選擇，然后按照各個水源地的供水能力分配供水量，平均輸水距離按照60 km計，模型求解得到的結果如圖5所示。

圖5 中部工礦區供水方案經濟成本隨地下水供水量的變化曲線Fig.5 Variation curve of economic cost of water supply scheme in central industrial and mining area

由圖5可以看出，隨著地下水的供水量增加，供水經濟成本總體呈現上升趨勢，但當地下水的供水量達到0.175×108m3/a時，供水成本降低到最低。因中部礦區聯合供水的總需水量Qx為0.396×108m3/a，故最優供水方案應為地下水的供水總量采用0.175×108m3/a，地表水的供水量為0.245×108m3/a。在這些水源地中，崇興水源地已是靈武市水源地，可不作為寧東基地應急供水的水源地。2號水源地與3號水源地按照供水能力和輸水距離進行比例劃分，建議開采方案：駱駝井應急水源地0.019×108m3/a(占可開采量的41%)；靈武平原2號備選水源地0.089×108m3/a(占可開采量的58%)；靈武平原3號備選水源地0.067×108m3/a(占可開采量的72%)。

3.3.2.3南部工礦區優化供水方案。南部工礦區包括馬家灘工礦區和積家井工礦區，聯合供水的總需水量Qx為0.054×108m3/a，地表供水工程為劉家溝水庫，供水能力為0.061×108m3/a。地下水水源地為大泉鄉水源地和1號備選水源地，應急供水量為0.189×108m3/a，輸水距離計為50 km。模型求解得到的結果如圖6所示。

圖6 南部工礦區供水方案經濟成本隨地下水供水量的變化曲線Fig.6 Variation curve of economic cost of water supply scheme in the southern industrial and mining area

由圖6可以看出，采用地下水可以降低供水成本，且全部采用地下水時成本最低。靈武1號備選水源地的可開采量為0.170×108m3/a，超過了南部工礦區的需水量，因此可以考慮全部由1號備選水源地供水，應急供水量0.054×108m3/a，只占可開采量的32%。

3.3.3聯合供水方案地下水的實際供水路線和供水配額。為實現用最低的經濟成本達到供水目標，通過對地表水與地下水聯合供水方案優化，地下水的實際供水路線和供水配額見表3。

表3 聯合供水方案地下水的實際供水路線和供水配額

按總供水量0.294×108m3/a和最佳供水路線聯合配置地下水，地表水配額只需3.136×108m3/a，既能滿足寧東能源化工基地2020年規劃對水資源的需求，又能實現社會經濟和環境效益的最大化。

4 結論

(1)該研究提出寧東能源化工基地地表水和地下水聯合供水的方案，并采用線性規劃模型對聯合供水的方案進行優化，根據優化方案確定了地下水的實際供水路線和供水配額：陶樂傍河水源地可向平羅精細化工基地供水0.065×108m3/a；駱駝井應急水源地向橫城和鴛鴦湖工礦區供水 0.019×108m3/a；吳忠平原2號和3號備選水源地向靈武工礦區供水0.089×108和0.067×108m3/a；大泉地區的1號水源地向南部的馬家灘和積家井工礦區供水0.054×108m3/a。

(2)按總供水量0.294×108m3/a和最佳供水路線聯合配置地下水，地表水配額只需3.136×108m3/a，既能滿足寧東能源化工基地2020年規劃對水資源需求，又能實現社會經濟和環境效益的最大化。