基于工程供水能力的地表水資源可利用量研究
----以榮昌為例

魏 佳，張守平，楊清偉，王國泰，張 潤

(重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074)

0 引 言

水資源是人類生存和社會發展的重要基礎，與人類的生活息息相關。隨著環境污染問題的加劇，水資源短缺問題的突出，我國的水資源情勢正在發生新的變化，因此全國水資源綜合規劃要求進行水資源可利用量的分析估算[1]。水資源可利用量既是綜合規劃區域水資源的節約、配置、開發、利用和治理措施的條件，又是進行水資源承載力分析的基礎[2]。學者們對于水資源可利用量的概念有著不同的理解[3-5]。關于地表水資源可利用量的計算，國內外學者進行了不同的研究。其中包括提出評估方法[6]，引進向量建立模型的方法[7]，扣損法[8]，倒算法[9]以及考慮水量、水權、水質的計算方法等[10]。分析可知地表水資源可利用量與當年降水情況和水利工程建設有關，對于南方降水豐沛地區，地表水資源可利用量與取水設施有著直接關系。

以上研究均基于現狀條件下計算某區域多年平均水資源可利用量。隨著經濟的發展，對產業結構進行調整，人民生活所需水量和耗水系數發生變化，單純考慮自然來水條件下水資源可利用量已不能滿足實際發展需要。一個地區的水資源可利用量是變化的，若每個水平年都按照多年平均水資源可利用量去規劃人類用水和當地經濟發展，將會造成水資源的枯竭或浪費，這就需要計算各水平年水資源可利用量。沈大軍等[11]對以供定需的水資源配置方案進行了研究并闡述其優點，文中指出水資源量以供定需可促進人水和諧發展，但并未指出其中的供水工程具體可供水量。人類生產生活所需水量都需要借助一定的工程措施來滿足，若某地區存在豐沛的水資源量，但工程措施不足，這部分水資源量便不能被人類利用。基于此，水資源可利用量需要在工程供水能力的因素下進行研究。人類取用水過程中，會有管道漏損、人類利用消耗等不能回歸地表或地下含水層的水量，即耗水量。耗水量與用水量之比即為整個社會經濟系統中的耗水系數。本文通過建立水資源優化配置模擬模型計算榮昌區現狀年及規劃年耗水系數，利用正算法計算榮昌區現狀年及規劃年地表水資源可利用量，避免超量使用水資源量，為榮昌區經濟發展和戰略決策提供技術支持和理論支撐。

1 水資源可利用量計算

1.1 水資源可利用量概念

水資源可利用量是指可預見的時期內，統籌考慮生活、生產和生態環境用水，協調河道內與河道外用水的基礎上，通過經濟合理，技術可行的措施可供河道外一次性利用的最大水量(不包括回歸水重復利用量)[12]。其中經濟合理技術可行的措施即代表水利工程等取水設施，水資源可利用量即為天然水資源量中能夠通過水利工程措施最大可能地提供給工農業生產、城鄉居民生活、生態環境等部門符合水質要求的水量[13]。由于人類科技水平有限和生態環境保護的需求，尚有人類目前不能利用的水量。因此，本文根據工程的供水能力計算地表水資源可利用量，并與生態需水量進行比較，得出在不破壞環境的前提下，以榮昌為例，能夠被人類利用的水資源可利用量，為榮昌區經濟發展提供理論支撐。

1.2 水資源可利用量計算方法

水資源可利用量有扣損法和正算法兩種計算方法[1]，扣損法是區域多年平均水資源總量減去人類不能利用和難以控制利用的水量得多年平均水資源可利用量。北方地區水資源短缺，汛期與非汛期界限明顯，為避免出現河流斷流等生態問題，適宜用扣損法計算北方地區水資源可利用量。

人類通過工程措施取水，因此水資源的利用需要在供水工程的建設和供水能力的基礎上進行分析計算；在人類取用水過程中，存在著不能回歸水循環的水量消耗。因此，水資源可利用量的計算要考慮以上兩種因素。

南方地區降水豐沛，水資源可利用量一般采用正算法計算[1]，即工程最大供水能力與耗水系數乘積折算出相應的可供河道外一次性利用的水量，計算公式如下：

Wc=KiWd

(1)

式中：Wc為地表水資源可利用量；Ki為用水消耗系數；Wd為工程最大供水能力。

本文通過分析統計榮昌區工程供水能力，建立水資源優化配置模擬模型計算榮昌區現狀年及規劃年耗水系數的方法計算榮昌區現狀年及規劃年地表水資源可利用量。

1.2.1 水資源優化配置模擬模型

根據水量平衡原理建立系統網絡圖中各個控制節點、水庫、計算單元等的平衡方程和約束方程，以供水凈效益最大、損失水量最小以及生態保護目標期望值為目標函數構成數學規劃模型[14]，對該模型進行求解計算，得各項耗水量和用水量。

1.2.2 模型計算耗水系數

耗水量是指在輸用過程中，通過各種途徑被消耗而不能回歸到水循環中的水量。耗水系數為耗水量與用水量之比，是反映一個國家或地區用水水平的重要特征指標[15]。

耗水系數可通過模型計算求得。計算耗水系數前要進行模型參數率定，綜合確定模型的各類參數[14]，進而計算區域各項耗水量。

社會經濟耗水量為城鎮生活、農村生活、工業、農業各項耗水量之和，城鎮生活Da、農村生活Db、工業耗水量Dc可用下列公式計算:

Di=(1-Ki)Qi+Eii=a、b、c

(1)

式中：D為各項目耗水量；K為各項目污水排放率；Q為各項目用水量；E為各項目供水渠系蒸發量。其中，農村生活用水比較分散，根據現狀統計數據，用水與耗水比較接近，故Eb為零。

農業耗水量Dd由地表水渠系蒸發、田間耗水、地下水耗水構成。計算公式如下：

Dd=(1-r)QdKd+Qdr-Gd+Qe-Gr

(2)

式中：r為灌溉水利用系數；Qd為農業地表水毛供水量；Kd為渠系損失水量蒸發比例系數；Gd為田間凈用水量補給地下水量；Qe為農業地下水毛供水量；Gr為井灌回歸量。

2 榮昌區地表水資源可利用量計算

2.1 榮昌區基本概況及水資源條件

榮昌區位于重慶市西部，地理位置為東經105°17′～105°44′，北緯29°15′～29°41′，面積1 076.71 km2。隨著社會經濟的進步和人民生活水平的提高，榮昌區水資源的供、用、耗、排結構發生了很大的變化，人均占有水資源量為全國的1/4，重慶市的1/3。榮昌區多年平均降水量1 048.48 mm，平均蒸發量758.30 mm，平均徑流量4.12 億m3。榮昌區水資源情況見表1。

表1 榮昌區多年水資源量情況

2.2 榮昌區河道內生態環境需水量的估算

河道內生態環境需水量包含維持河道基本功能的需水量、通河湖泊濕地需水量及河口生態環境需水量[16]。關于生態需水，粟曉玲等[17]提出了其概念和計算方法，魏彥昌等[18]對海河流域進行了生態需水核算，王偉等[19]估算灤河下游河道生態需水量，喬云峰等[20]提出了基于生態經濟理論的生態需水計算方法，一般河道基流量常用的估算方法可以多年平均徑流量的百分數 (一般取10%～20% )作為河流最小生態環境需水量[10]。榮昌區境內有兩大河流，清流河和瀨溪河。根據計算，兩大河流在榮昌區的多年平均徑流量為4.12 億m3，取10%計算其河道內生態環境需水量為0.41 億m3，不使榮昌區生態環境遭到破壞的最大水資源量為3.71 億m3。

2.3 榮昌區地表水資源可利用量估算

2.3.1 榮昌區工程供水能力

榮昌區現有各類水利工程共118 456 處，蓄引提水能力20 586.20 萬m3，其中：蓄水工程3 519處，年設計供水能力9 519.22 萬m3；河湖引水閘工程3處，設計供水能力233.64 萬m3；河湖取水泵站工程405處，設計供水能力9 017.16 萬m3；機電井工程114 480 處，設計供水能力1 002.08 萬m3；其他工程設計供水能力814.10 m3。

為了滿足不同階段人們的用水需求，促進經濟發展，榮昌區擬在2020-2030年各階段新建水庫，規劃水庫各參數見表2。

2.3.2 榮昌區現狀年及規劃年耗水系數

榮昌區分為清流河流域、瀨溪河流域2個流域分區；榮昌區包括6個街道辦事處和15個鎮。榮昌區仁義鎮、河包鎮以及盤龍鎮分屬于清流河流域和瀨溪河流域兩個流域，將榮昌區鄉鎮劃分成24個計算單元，其中每個計算單元包含該鄉鎮的生產、生活以及農業灌溉等基本情況。

將榮昌區內大中小型水庫均作為獨立水庫節點，包括現有水庫和規劃水庫，共計104座。為了便于在水資源分區進行耗水平衡分析，各水資源分區出口斷面均設置水資源分區斷面控制節點。根據實際供水和受水單元狀況，確定供水節點。根據水庫節點、斷面控制節點和供水節點等，共確定控制節點29個。

表2 規劃水庫工程參數 萬m3

根據以上分析和概化，確定系統網絡圖，見圖1。包括2個流域分區、21個行政分區、24個計算單元、29個控制節點、104座水庫等。

圖1 榮昌區水資源系統網絡圖

根據建立的水資源優化配置模擬模型計算的榮昌區未來水平年各項耗水量、用水量及耗水系數見圖2-圖6。

隨著人類進步和社會發展，生活用水量逐年增加，耗水量隨著節水水平的加強在逐年降低，如圖2所示；為滿足《重慶市水資源承載能力預警評價報告》(2016年)中關于榮昌區2020年用水總量控制2.01億m3的目標，需對2020年榮昌區工業需水定額進行調整，導致2020年相比其他水平年工業用水量偏少，隨著工藝改進和節水措施的實施等導致工業耗水量逐年增加，用水量也呈增加趨勢，見圖3；隨著節水力度的加強和農業種植結構的調整，農業需水量應是逐年降低，但由于各水平年工程供水能力不同，造成各水平年農業不同的缺水率，致各水平年農業用水量不一致，農業耗水量隨時間變化呈增加趨勢，見圖4；隨著社會進步和科學技術的發展，用水量和耗水量隨著時間均呈增加趨勢，如圖5所示。

圖2 榮昌區不同水平年生活用水量、耗水量

圖3 榮昌區不同水平年工業用水量、耗水量

圖4 榮昌區不同水平年農業用水量、耗水量

圖5 榮昌區社會經濟系統不同水平年綜合用水量、耗水量

如圖6所示，生活耗水系數因管網漏損率降低和生活用水量增加等逐年降低；工業耗水系數隨著工業節水技藝的改進等逐年增加；農業耗水系數因其灌溉方式和種植結構調整等逐年增加；為了滿足可持續發展的理念，進行產業結構調整，第二產業和第三產業占比逐漸增大，導致社會經濟系統綜合耗水系數增加。

圖6 榮昌區社會經濟系統不同水平年各項耗水系數

2.3.3 榮昌區地表水資源可利用量

根據榮昌區工程供水能力和各水平年社會經濟系統耗水系數，計算求得榮昌區各水平年地表水資源可利用量，結果見表3。各水平年地表水資源可利用量和用水量進行對比，可見，按照榮昌區當地水資源狀況很難滿足其用水量。2030年榮昌區可利用水量為1.70 億m3，2030年松溉引水濟榮工程建設完成，可引水0.95 億m3，2030年可用水量2.65 億m3。榮昌區缺水情況得到很大改善，可滿足未來經濟發展需要。

表3榮昌區現狀年及規劃年水資源可利用量萬m3

年份工程供水能力綜合耗水系數水資源可利用量201520 586.200.5811 940.00202021 139.810.6513 740.88202522 039.830.6614 546.29203025 444.420.6717 047.76

3 結 語

水資源可利用量對于區域經濟發展起著至關重要的作用，本文通過建立模型計算榮昌區各水平年耗水系數進而計算水資源可利用量，計算結果表明多年地表水資源可利用量均小于3.71億m3，不會造成生態環境破壞，單靠榮昌區當地水資源可利用量是不能滿足其經濟發展需要的，可考慮利用客水及跨流域調水滿足榮昌區未來人民生產生活用水需要。但本次計算僅考慮未來規劃水庫建設，未考慮塘壩、窖池、引水、提水及機電井工程建設問題，計算結果可能偏小，需收集更加詳細的數據，計算出更加精確的水資源可利用量，更好的促進榮昌區的經濟發展。