固原市水資源優化配置研究

張會平

(寧夏河海水利建筑勘測設計有限公司，寧夏 銀川 750001)

固原市位于寧夏南部六盤山地區，轄原州、隆德、西吉、彭陽和涇源5個區縣，年均降水量為477mm，年水面蒸發量高達946mm，多年平均徑流量5.666億m3，多年平均徑流深53.5mm，人均水資源量378m3，遠低于重度缺水地區人均1000m3的標準，水資源嚴重短缺；水資源量少質差，供需矛盾日益突出，全市地表徑流深僅為全國平均水平的1/6，苦咸水量占天然地表水資源的30%，且分布面積較廣；全市跨流域調水骨干工程網絡比較薄弱，城鄉一體化的水資源調度管理體系還未形成，供水保障率不高，屬于典型的資源型、水質型和工程型缺水地區。水資源作為地球演變發展過程中極為重要的一種自然資源，它對于人類社會發展至關重要。由于降水分布時空不均、水資源浪費和水體污染嚴重、水資源利用水平低下、地下水不合理開采等問題突出，區域可供水資源布局與工農業生產的需求極不協調，水資源利用的前景甚為嚴峻。本文通過深入查究固原這種干旱地區的水資源特性，分析水資源支撐經濟和人口發展規模，探索水資源開發新模式，建立水資源區域優化配置方案，統籌協調全市各縣區城鎮生活、農村生活、工業、農業各用水戶的用水需求，對區域內的有限水資源進行合理配置，緩解各用水戶的水資源供需矛盾，提高水資源的承載能力，以期為同類干旱地區的水源優化配置提供經驗借鑒。

隨著經濟社會發展，城鄉結構、經濟模式、生態環境等發生了深刻變化，水資源供給工程網絡的形式和供水管理的手段千差萬別，現有的水資源優化配合理論在實踐中還存在一些不足。一是水資源優化配置目標多以經濟效益為主，對社會和生態效益重視不夠，不利于經濟、社會、生態協調發展；二是研究重點傾向于水資源豐富的地區，對各類資源型、工程型、水質型缺水地區的水資源優化配置研究尚有不足；三是水資源優化配置研究與研究區當地水資源的調度能力、工程布局及用水戶特點結合不夠緊密，優化配置方法不夠靈活多樣。

1 固原水資源及其開發利用現狀

1.1 基本概況

固原市境內以六盤山為分水嶺，可分為東部和西部兩部分，地形分布山多川少，塬、梁、峁、壕交錯，丘陵起伏，溝壑縱橫；屬于典型的大陸性氣候，根據熱量和干濕情況差異，分為北部干旱區、中部半干旱區和南部半濕潤區三類氣候類型。

市境內主要河流水系有清水河、葫蘆河、祖歷河、涇河水系，固原市地表水資源量為5.666億m3，其中清水河流域0.875億m3，葫蘆河流域1.531億m3，涇河流域3.180億m3，祖歷河流域0.080億m3。全市農業有效灌溉面積為65.54畝。2015年全市完成工業增加值30.57億元，剔除物價因素，實際比上年增長9.3%。

1.2 水資源量

1.2.1 地表水資源量

本研究地表水資源以區域水文站實測資料為基礎，勾繪年徑流深等值線，再根據年徑流深等值線法進行推算[1]。多年平均徑流量按照徑流深等值線圖量算，具體計算公式如下：

(1)

式中，W—多年平均徑流量，萬m3；fi—相鄰兩徑流深等值線間的面積，km2；Pi—各相鄰兩徑流深等值線的平均值，mm。

根據推算結果，各縣區不同頻率地表水資源量統計成果見表1。

表1 固原市各縣區不同頻率地表水資源統計成果 單位：萬m3

1.2.2 水資源總量

水資源總量是指地表徑流量與降水入滲補給量之和，不包括外來水量，即境內當地由降水形成的地表和地下產水量[2]。水資源總量計算公式如下。

W=Rs+Pr=R+Pr-Rg

(2)

式中，W—水資源總量；Pr—降水入滲補給量(山丘區用地下水總排泄量代替)；Rs—地表徑流量(即河川徑流量與河川基流量之差值)；Rg—河川基流；R—河川徑流量(即地表水資源量)。

固原市屬于黃土丘陵地區，地下水資源量與地表水資源量重復計算，由此計算得到固原市各縣區多年平均水資源量成果。各縣區多年平均水資源量成果見表2。

表2 固原市各縣區多年平均水資源量成果單位：萬m3

1.3 水資源開發利用現狀

1.3.1 水利工程現狀

固原市建成中小型水庫163座、骨干淤地壩237座，中型淤地壩365座，機井5.18萬眼、集中式農村安全飲水工程189處，與建成的中南部城鄉飲水工程，固海揚黃工程、固原市東山坡引水工程、彭陽縣長城塬引水工程和隆德縣桃山引水工程聯合運行，全市生產、生活、生態供水網絡體系初步形成。

1.3.2 現狀供水及用水

經統計，2011—2015年，固原市年平均總用水量1.299億m3，其中，農業0.972億m3，占74.8%；工業0.069億m3，占5.3%；生活0.258億m3，占19.9%。生態與環境補水含在農業用水中。固原市2011—2015年各類工程年平均總供水量1.299億m3。其中，地下水供水量0.415億m3，占總供水量的32%；當地地表水供水量0.773億m3，占60%；引揚黃河水0.111億m3，占8%。

固原市2015年農業畝均用水量142m3/畝，城鎮綜合生活定額96L/人.d；工業萬元增加值取水量31m3/萬元，低于全區平均44m3/萬元；農村生活綜合定額35L/人.d，低于全區平均47L/人.d。

2 固原發展預測

2.1 經濟社會發展預測

2.1.1 人口與城鎮化

據2015年統計，各縣區人口自然增長率為7～12‰，全市平均10.35‰，城鎮化率為22%～45%，全市平均32.35%。固原市2011—2015年人口自然增長率如圖1所示。從圖1看出，2011—2013年實行計劃生育政策，人口呈下降趨勢，隨著國家和自治區放開單獨二胎生育政策的實施，2014—2015年人口自然增長率呈增加趨勢。全市現狀2015年總人口考慮扣除生態移民后為149.77萬人，預測2020年、2025年、2030年總人口分別達到158.08萬人、167.24萬人、177.31萬人。

圖1 固原市“十二五”人口自然增長率圖

2.1.2 工業增加值預測

固原市工業包括非火電工業和火電工業。非火電工業增加值預測采用增長趨勢方法，參考2015年以前的增長率擬定2020、2025、2030年的增長率，另外再加上相應水平年清水河產業長廊組團的增加值規劃值；火電工業現狀年2015年只有固原六盤山電廠2×330MW熱電聯產項目。全市2015年工業增加值為30.5億元，預計2020、2025、2030年規劃工業增加值分別為80億元、160億元、230億元。

2.1.3 農業灌溉面積預測

固原市農業灌溉面積大、用水效率低，水資源浪費嚴重，是節約水資源，提高水利用效率的重點和難點。對于干旱缺水的寧夏中南部地區，要通過嚴格控制新增灌溉面積，調整種植結構來實現農業增效增收。本研究農業灌溉面積預測現狀年灌溉面積采用水利普查成果，規劃水平年中南部地區的庫井灌區以續建配套結合高效節水灌溉改造為主，在保障生態移民用地的灌溉用水條件下，根據節水量確定恢復的灌溉面積，原則上不新增灌溉面積；中部干旱帶以揚黃灌區的續建配套結合高效節水灌溉改造為主，在保障生態移民用地條件下，新增灌溉面積與《寧夏水中長期供求規劃》、《寧夏灌溉發展總體規劃》擬定的灌溉面積協調一致。全市2015年農業灌溉面積為60.98萬畝，預計2020、2025、2030年農業灌溉面積分別為70.91萬畝、93.3萬畝、101.12萬畝。

2.2 需水預測

結合固原實際情況，將建筑業用水、第三產業用水統一納入城市生活用水之中。考慮到固原市屬于半干旱地區，其生態環境用水主要靠河道內生態用水及骨干壩、淤地壩、小流域治理等水土保持工程措施保障，本次預測不考慮生態環境需水，需水預測主要為城鎮生活、農村生活、工業及農業需水。

2.2.1 生活需水預測

生活需水分城鎮生活和農村生活需水，本研究需水預測采用人均日用水量方法進行預測，全年用水時間為365d，計算公式如下：

W=P×q×365/1000

(3)

式中，W—年生活凈需水量，萬m3/a；P—用水人口，萬人；q—日均用水定額，L/人·d。

各縣區用水定額根據生活用水現狀及城鄉用水標準確定。城鎮生活用水包括城鎮居民生活用水和公共建筑用水；農村生活用水包括農村居民生活用水和公共建筑如學校、寺廟等用水。生活需水定額具體見表3。

表3 生活需水定額

管網損失、不可預見水量及水廠自用水量分別按10%、5%考慮。經計算，全市規劃水平年生活需水預測結果2020年為3962萬m3、2025年為4874萬m3、2030年為5927萬m3。

2.2.2 工業需水

工業需水分為非火電工業和火電工業兩大類，非火電工業需水依據各規劃水平年工業增加值和工業需水定額進行預測，火電工業采用規劃水平年裝機容量和單位裝機容量需水定額進行預測[3]。固原非火電工業主要包括鹽化工循環經濟扶貧示范區等在內的清水河產業長廊工業組團及各縣區一般工業園區，火電工業主要是六盤山熱電廠。火電工業根據六盤山熱電廠設計規模和調查統計資料，現狀總用水量211萬m3，由于目前熱電廠沒有新的發展規劃，全市非火電工業規劃年需水量維持現狀用水量不變。經計算，全市工業規劃水平年需水量預測2020年為3585萬m3、2025年為5784萬m3、2030年為7073萬m3。

2.2.3 農業需水

結合固原市農業灌溉供水條件及種植業結構特點，本次農業灌溉定額參考定額取值為：渠畦灌溉畝均綜合定額取160m3/畝、高效節水灌溉及低壓管灌田間畝均綜合定額取120m3/畝。灌溉水利用系數根據《寧夏山區庫井灌區節水改造工程規劃報告》取值，目前寧夏全區2015年灌溉利用系數為0.51，現狀機井灌區渠系水利用系數平均0.60左右[4]。參考以上數據及固原各縣區現狀灌溉利用系數，各縣區渠畦灌溉利用系數取值為2020年0.65、2025年0.7、2030年0.75；考慮到高效節水中全部采用管道輸水、滴管、噴灌方式，各規劃水平年灌溉水利用系數均可提高至0.85。根據農業灌溉預測面積、灌溉定額和灌溉水利用系數計算得到，全市規劃水平年農業蓄水量預測結果2020年為11787萬m3、2025年為12544萬m3、2030年為12521萬m3。

表4 固原市規各劃水平年總需水量 單位：萬m3

2.2.4 總需水量

綜上所述，全市總需水量為城鎮生活、農村生活、工業、農業需水量之和，全市規劃水平年總需水量2020年為19334萬m3，2025年為23202萬m3，2030年為25522萬m3。各規劃水平年總需水量見表4。

2.3 供水預測

在可供水量計算中，對縣區內供水工程中水源取自庫壩工程或者水源已經被中南部城鄉飲水工程替代的，這次供水預測不再計入。2020年原州區、西吉縣、彭陽縣農村及城鎮水量均被中南部可供水量全部替換，隆德縣、涇源縣兩縣仍以現狀及規劃水源水量統計，城鎮生活及工業采用水庫水量的，在不同頻率水庫可供水量中予以扣除，其余的為農業用水量。

根據現狀庫壩工程、調水工程及規劃新建工程的設計用途、供水對象、工程布局和調度方案等實際情況，本次研究選用75%來水同時考慮汛期棄水條件下，對全市可供水量按城鎮生活、農村生活、工業和農業等4個供水對象進行統計。各規劃水平年可供水量見表5。

3 水資源優化配置

3.1 平衡分析

考慮棄水情況下，2020年，固原市需水量19334萬m3，可供水量26910萬m3，總量能滿足要求，富余水量7576萬m3。2030年，固原市需水量25522萬m3，可供水量27811萬m3，總量能滿足要求，富余水量2289萬m3。

表5 固原市75%條件下各規劃水平年可供水量表 單位：萬m3

3.2 配置原則

3.2.1 堅持統籌兼顧原則

針對枯水年份出現頻率較高的不利情況，堅持以供定需，合理配置，統籌兼顧，重點處理好以下四個關系：一是處理好生態與生活用水關系，始終堅持以解決人民生活用水為重點；二是處理好生活用水與農業用水關系，實行生活用水優先的原則，農業用水不能擠占生活用水[6]；三是處理好工業與農業用水關系，實行水權轉換制度，優先保證各工業園區及重點工業的用水安全；四是處理好節水同效率的關系，加大結構調整力度，實現節水高效，圍繞農民增收提高用水效率。

3.2.2 堅持因地制宜原則

按照當地社會、經濟、生態實際特點，結合當地水資源開發利用現狀、工程水量調配范圍和能力、供水工程網絡布局、工程保障對象等因素合理確定調度方案。從固原市水資源開發利用現狀來看，調水骨干工程中南部城鄉飲水工程重點保障全市城鄉人飲問題，引黃入固工程重點保障黃灌區大型節水園區農業灌溉及固原組團工業用水，同時骨干調水工程分配各縣區用水戶的可供水量基本穩定；當地水源水庫工程、節水灌溉工程及部分機井工程重點保障當地農業灌溉、工業及個別地方人飲用水，由于當地水資源不具備跨縣區調配的條件，用于保障當地各用水戶的可供水量也基本穩定，因此考慮以縣區為單位，在縣區區域內獨立進行水資源優化配置，將用水指標量化分配到到縣(區)，按照水量平衡分析結果，總量控制、優化調配、提高用水效益。

3.2.3 堅持開源節流并舉原則

一是挖掘當地水資源潛力，固原市當地地表水和地下水都有開發利用潛力，涇河還有水富余水量引、黃河水還沒有突破水權分配指標，隨城市發展用水量增加再生水逐漸增加。要堅持黃河水、當地地表水、地下水及再生水聯合統一調配，實現生活優先、注重應急、保障有序、突出效益的目標。二是節約保護水資源，根據各地水資源承載能力和經濟社會發展的用水需求，在保障水資源可持續利用和保護生態環境的前提下，統籌安排生活、生產和生態用水，促進經濟社會和資源環境的協調發展[7]。三是調整用水結構，要堅持按照水資源實際情況，確定發展方向、發展規模和經濟結構，對產業結構空間布局調整要堅持水資源同步配套規劃，體現以水定產、配置合理、科學高效的原則，真正實現水資源優化配置。

3.2.4 堅持節水防污結合原則

全市污水處理尚處于起步階段，工業、生活廢水的處理能力低，加之運行成本高，不少企業的廢水不能達標排放[8]。而排水溝天然河道的水環境容量小，天然降解能力低，工業廢水、生活廢水、農用化肥、農藥的大量進入水體造成嚴重污染。水體污染不僅喪失其使用價值，加劇水資源短缺局面，危及農田土壤、農產品安全，嚴重危害人體健康及生命安全。要以節水型社會建設中為抓手，通過嚴格執行節水政策倒逼治污措施落實，樹立治污就是節水的理念，推動污染防治取得實效。

3.2.5 堅持多工程聯合調配原則

多工程聯合調配是提高供水管理水平的重要舉措，在水資源調配工作中，要制定科學的水資源調度流程和管理機制，堅持黃河水、涇河水及當地水聯合統一調度，充分發揮骨干調水工程的調節作用和當地供水工程的基礎作用。一要加強庫、壩、塘、池、井、窖聯合運用，提高水資源綜合利用效率，實現供水工程用途多元化和聯合運用；二要注重水資源時空優化調配，圍繞用水需求，探索完善調蓄工程和骨干調水工程聯合調度運行模式，增強水資源調配效果，提高工程運行的經濟效益和社會效益。

3.3 優化配置

根據固原市經濟社會發展預測及供水、需水預測結果，按照75%來水條件并考慮汛期棄水情況下，通過水資源平衡分析，按照統籌兼顧、因地制宜、開源節流并舉、節水防污結合和多工程聯合調度的原則進行優化配置，得到固原市水資源優化配置方案。2020年全市配置水量17487萬m3，城鎮生活2314萬m3、農村生活1648萬m3、工業2585萬m3、農業9940萬m3；水量優化調配：隆德縣將城鎮生活余水量配給工業51萬m3，彭陽縣將城鎮生活余水量配給工業122萬m3；全市共計缺水1847萬m3，其中農業缺水1847萬m3。2030年全市配置水量21631萬m3，城鎮生活3608萬m3、農村生活1819萬m3、工業4794萬m3、農業11410萬m3；水量優化調配：原州區將中南部農村余水量配給城鎮29萬m3，彭陽縣將城鎮生活余水量配給農村27萬m3、工業74萬m3；全市共計缺水3891萬m3，其中城鎮生活381萬m3、農村生活120萬m3、工業缺水2279萬m3，農業缺水1111萬m3。對于2025—2030年固原組團工業均缺水，考慮通過將支流用水的水權調整為黃河干流的水權，通過外調黃河水方式加以解決；各縣區農業灌溉需水要在各流域內部節水改造的基礎上，堅持以供定需原則，最大限度地提高農業效率和效益；對于各縣區的工業缺水，應考慮將用城鄉飲水安全工程富余水量加以解決。各規劃水平年水資源優化配置成果見表6。

表6 固原市75%條件下各規劃水平年水資源優化配置成果表 單位：萬m3

4 結論

本次研究結合固原這類干旱地區水資源短缺、供水調配手段不多等實際特點，以縣區為單位進行水資源優化配置研究與探索。研究成果還有很多需要進一步探討和提高之處。一是考慮固原市水土保持生態建設效果較好，生態需水主要由河道內生態水量和水土保持工程蓄水量來保障，在水資源優化配置中未能反映生態用水。二是考慮到當地各用水戶的可供水量及其來源基本穩定的實際，按照城鎮生活、農村生活、工業、農業的優先次序進行配置，沒有建立專門水資源優化配置模型。將來研究要結合干旱缺水地區供水和需水結構，深入研究兼顧工程成本、經濟效益、社會效益和生態效益等逐因素的目標函數和相應約束條件，因地制宜建立具有地方特點的水資源優化配置模型[9]。