基于地下水“雙控”的水資源配置模型與實例應用

謝新民，李麗琴，2，周翔南，王金娥，劉俊秋，魏傳江

(1.中國水利水電科學研究院水資源研究所，北京 100038；2.北京市水科學技術研究院水資源研究所，北京 100038；3.黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003； 4.渭源縣水務局，甘肅 定西 748200；5.天津農學院水利工程學院，天津 300384)

聯合國發布的《2018年世界水資源開發報告》顯示，全球水資源的需求正在以每年1%的速度增長，而這一速度在未來20年還將大幅加快。由于全球人口、經濟爆發式增長及水資源的不合理開發與利用(地下水無序開采、過度開發、管理粗放、保護滯后等)，導致大范圍地下水嚴重超采，繼而引發地下水位持續下降，導致地面沉降、海(咸)水入侵、地下水工建筑物受損等一系列生態、地質、環境問題[1-4]，給當地的經濟社會發展和人民生活造成嚴重影響。為防止地下水問題進一步惡化，國務院2012年開始對地下水采取“雙控”(控制取水總量與水位)管理。隨后，水利部和各省市水行政主管部門組織開展了一系列地下水“雙控”方面的專項研究工作，取得了重要進展[5-6]。眾所周知，流域/區域水資源開發利用格局不同，地下水補排關系也隨之發生變化，如水庫的修建、河道及渠道防滲功能的提升將大幅影響水庫、河湖、渠系對地下水的補給作用；新型節水灌區大面積提升以及農業與工業之間的水權轉換，將影響地下水的田間入滲補給[7-9]。因此，未來不同水平年地下水可開采量也是變化的[10-11]。如何根據不同水平年地下水可開采量的變化和地下水“雙控”管理的需要[6]，科學規劃和調整水資源配置總體格局，顯得十分重要[12]。而傳統的水資源配置往往弱化或忽視了不同水平年不同水資源開發利用格局下地下水可開采量和地下水位的動態約束作用[13-14]，鑒于此，筆者結合目前國家對地下水“雙控”管理的需求，提出了一種基于水資源“三次配置”的多重循環迭代算法，并以沈陽市地下水壓采和境外地表水置換境內地下水為例開展應用研究，為地下水壓采區進一步優化調整水資源配置總體格局、保障供水安全，形成面向“人與自然、人與水和諧”的水資源配置總體格局提供技術支撐[15]。

1 水資源配置模型系統及求解方法

1.1 模型系統

所構建的基于地下水“雙控”的水資源配置模型，實際上是一個模型系統，由水資源優化配置模塊、地下水可開采量動態計算模塊和地下水“雙控”計算模塊三部分組成，以優化配置模塊為核心，牽引地下水可開采量動態計算模塊和地下水“雙控”計算模塊，采用基于水資源“三次配置”的多重循環迭代算法，實現水資源在不同時空尺度(流域/區域/計算單元，年/月)、不同水源、不同行業等多個維度、滿足地下水可開采量動態變化約束和地下水“雙控”要求的協同配置多重循環迭代計算功能。

1.1.1 水資源優化配置模塊

根據“自然-社會”二元水循環模式及其特點，在水利工程時空分布格局下，建立以“三生”用水需求與水資源供給之間平衡關系為基礎的優化配置模塊，以長系列水文資料及不同水平年的國民經濟與生態需水數據為輸入條件，以“自然-社會”二元水循環中各類水量平衡關系為約束條件，以供水凈效益最大及水量損失最小為目標函數，利用世界銀行和美國通用公司研制的Windows GAMS2.5軟件進行求解計算。

1.1.2 地下水可開采量動態計算模塊

地下水開采量一般是由地下水可開采量(或地下水取水總量控制指標)控制的，而地下水可開采量主要取決于地下水補給量和開采條件，當地下水補給量發生變化時，可開采量也會相應發生變化。在該模塊設計中，將水資源優化配置模塊計算結果輸入地下水均衡模型，確定不同單元、不同水平年地下水渠系(管網)滲漏補給量、河湖水庫滲漏補給量、田間滲漏補給量及井灌回歸量等，計算出不同水平年地下水可開采量；并將所確定的地下水動態可開采量再反饋給水資源優化配置模塊，作為地下水開采量上限約束參與計算；通過地下水均衡模塊與水資源優化配置模塊實現傳輸與反饋交互迭代計算，確定地下水可開采量和地下水供水量。

1.1.3 地下水“雙控”計算模塊

在該模塊設計中，將水資源優化配置模塊計算結果輸入地下水數值模型，按照降水豐、平、枯3種情景預測不同水平年不同水資源配置方案地下水位變化趨勢，并根據所確定的地下水控制性紅線水位(包括上限水位、下限水位)[6]，判定該水資源配置方案下地下水位是否滿足地下水位閾值(上限水位、下限水位)要求；通過地下水數值模型與水資源優化配置模塊實現傳輸與反饋交互迭代計算，確定地下水“雙控”計算結果。

1.2 多重循環迭代算法

傳統的水資源配置往往弱化或忽視了不同水平年地下水可開采量和水位的動態變化約束，本文提出的基于水資源“三次配置”的多重循環迭代算法，以水資源優化配置模塊牽引地下水可開采量動態計算模塊和地下水“雙控”計算模塊，通過水資源“三次配置”實現傳輸與反饋交互迭代計算，最終獲得同時滿足社會經濟需水、河道內生態環境需水、地下水動態采補平衡及“雙控”管理要求的水資源配置方案(圖1)。其具體計算步驟如下：

步驟1：設置不同規劃水平年不同發展模式/節水情景下的供需水方案。其中，地下水初始可開采量采用水資源評價結果設為Wj，j=0。根據研究區水資源系統特點和現狀、規劃的水利工程情況以及水資源配置的要求等，將水資源系統中各類物理元素(重要水利工程、計算單元、河渠道交匯點等)作為節點，各節點間通過水資源傳播系統的各類線段連接，形成研究區水資源配置系統網絡圖，構建水資源優化配置模塊。

步驟2：基于構建的目標函數、約束條件、平衡方程和模型初始參數，通過長系列逐月調節計算，得到不同規劃水平年水資源配置結果，即一次配置結果。

圖1 基于水資源“三次配置”的多重循環迭代算法流程

步驟3：將水資源一次配置結果輸入地下水可開采量動態計算模塊，計算地下水可開采量Wj(j為迭代次數，j=0，1，2，…，n)；如果|Wj+1-Wj|/Wj≤ε，則停止迭代計算，輸出計算結果；否則，轉向第二步對供水能力、需水量及相關參數進行適當調整，并設j=j+1，重復前一次迭代過程，直至滿足條件，輸出二次配置結果。

步驟4：將水資源二次配置結果輸入地下水“雙控”計算模塊，并按照豐、平、枯3種來水情景預測未來地下水位變化趨勢，即地下水位hj(j為迭代次數，j=1，2，…，n)；如果H下限≤hj≤H上限，則轉向第五步；否則，轉向第二步，并設j=j+1，合理調整地下水開采布局及開采量，直至滿足H下限≤hj≤H上限；同時，如果|Wj+1-Wj|/Wj≤ε，則轉向第五步；否則，轉向第二步，并置j=j+1，重復前一次運算過程，直至滿足條件，輸出三次配置結果。

步驟5：停止迭代計算，輸出最終結果。

2 實例應用

2.1 研究區概況

沈陽市包括市內5區(和平區、沈河區、大東區、皇姑區、鐵西區)、市郊4區(沈北新區、蘇家屯區、渾南區和于洪區)、1個縣級市(新民市)、3個縣(康平縣、法庫縣和遼中縣)，全市總面積為12 956 km2。沈陽市多年平均年降水量為598.9 mm，平均水面蒸發量為823.3 mm。現狀以地下水供水為主，地下水供水量占供水總量的66%，地下水超采降落漏斗主要集中在石佛寺、新民匯津、遼中茨榆坨和于洪水源區，漏斗區面積超過70 km2。根據沈陽市人民政府辦公廳下發的關于封閉地下水取水工程實施方案，2012—2015年沈陽市將封閉或關停地下水取水工程1 071處，取水井1 847眼，削減地下水開采量4.79億m3，削減的地下水開采量和沈陽市新增用水需求，未來將主要通過大伙房輸水和遼西北供水兩大外調水工程實現。隨著水資源開發利用條件改變，如何科學調整水資源配置總體布局，保障全市供水安全，是當前關注熱點和研究重點之一。

根據水資源配置系統的概化方法[16]，結合沈陽市水資源系統特點和現狀、規劃的水利工程情況以及水資源配置的要求等，將沈陽市概化為7個流域分區，23個計算單元，13個水庫節點，18個市政(縣區)水廠，43個水源地，8個外調水配水節點，7個流域控制斷面，16個引水、匯水節點，考慮篇幅所限，僅給出沈陽市市區所在的大伙房水庫以下流域水資源配置系統網絡圖，見圖2。

2.2 方案設置及優選

結合沈陽市水資源現狀及規劃情況，通過對水文過程、需水過程、工程和非工程措施設置不同方案組合，得到配置方案的初始集，采用人機交互的方式排除初始方案中代表性不夠和明顯較差的方案，最終選取3套組合方案(表1)。

表1 沈陽市水資源配置組合方案

注：①為大伙房輸水工程；②為遼西北供水工程。

圖2 沈陽市(局部)水資源配置系統網絡

本次采用1956—2013年長系列逐月徑流資料，利用所構建的基于地下水水量和水位動態“雙控”的水資源優化配置模型，在考慮河道內生態環境和農業灌溉引水等最小流量約束條件下，對選取的3套組合方案進行長系列逐月調節計算，得到不同水平年不同組合方案的水資源配置結果，見表2。

表2 沈陽市水資源供需平衡結果

方案Ⅰ基于“以產定水、走外延式發展”，在適度節水模式下通過加大再生水回用規模和新增外調水規模來支撐經濟社會的快速發展，不符合國家“節水優先”戰略，考慮到大量新增外調水規模的艱巨性和復雜性，該方案暫不作為優先推薦方案。方案Ⅲ基于“以水定產、走內涵式發展”，未來通過實施封井壓減開采規模，最終實現地下水采補平衡。該方案在既定的外調水規模下，雖然有利于實現綠色低碳平穩發展與改善生態環境，但因過度抑制城市擴張和工業發展，與當地經濟社會可持續跨越式發展要求和國家中心城市建設、區域經濟發展引擎等定位不太吻合，亦不符合國家的“節水優先”戰略，因此，基于綠色低碳角度考慮，該方案可作為次優推薦方案。方案Ⅱ基于“供需協調，走穩健式發展”，在既定的大伙房輸水工程與遼西北供水工程分水協議框架下，適度重啟一部分封閉備用的地下水市政水源并利用已建供水管網給市區供水，既能滿足新增用水需求，又節約成本使各種資源得到合理利用，并可保持地下水位處于合理的變幅內波動，亦符合國家“節水優先”戰略，故該方案作為優先推薦方案。

2.3 推薦方案結果分析

2.3.1 地下水可開采量動態計算結果

利用地下水可開采量動態計算模塊，將2002—2013多年平均地下水補給量作為初始輸入，經過多次迭代計算最終滿足判斷條件，確定不同水平年地下水可開采量，由于篇幅有限，僅列出2030年具體迭代計算結果(表3)。

由表3可以看出，隨著規劃水平年水資源配置格局發生變化，地下水補給量也會有相應改變，隨著渠系、灌區節水效率的提升，地表水入滲補給量逐漸減少，推薦方案水資源開發利用格局下，沈陽市2030年的地下水可開采量為20.82億m3，以各分區地下水動態可開采量作為地下水開采量上限約束，調整2030年水資源配置方案。

2.3.2 地下水“雙控”計算結果

根據二次配置結果，采用地下水“雙控”計算模塊，考慮到地下水調蓄能力及降水的疊加累積效應，從沈陽市58年長系列降水資料中選取連續6年(分豐、平、枯3種情景)作為2014—2019年降水輸入、連續10年(分豐、平、枯3種情景)作為2020—2029年降水輸入、連續6年(分豐、平、枯3種情景)作為2030—2035年降水輸入，將2014年1月1日地下水位作為初始水位，預測不同水平年(豐、平、枯3種情景)2014—2035年地下水位變化趨勢。具體計算結果見表4。

從表4可以看出，該水資源開發利用模式下，2020年以后沈陽市城區內部分觀測井地下水位超出了控制性紅線上限水位，對區域水文地質、環境地質和地下建筑工程等造成一定威脅或影響，尤其是靠近地鐵線附近，會對地鐵建設和安全運行造成一定威脅。因此，在2020年以后適時重啟部分地下水市政水源地是十分必要的。

2.3.3 基于地下水“雙控”的配置結果

通過豐、平、枯3種情景下地下水位變化趨勢風險分析，最終確定2030年市內五區重新開啟地下水市政水源供水量為0.22億m3。其中李官水源和河北水源需要重新開啟，供水量分別為0.1億m3、0.02億m3；新南塔水源需增加供水量0.1億m3。由于篇幅有限，僅列出沈陽市2030年多年平均配置結果。從推薦方案三次配置結果可知，到2030年全市基本實現水資源供需平衡。具體結果見表5。

3 結論與展望

a. 地下水位偏高或偏低都有可能引發土壤次生鹽漬化、道路翻漿和地面沉降、地裂縫等環境地質問題，成為社會經濟可持續發展所面臨的最突出、最尖銳、最難解決的復合型問題。針對生態文明建設的需要與地下水資源保護的特殊性，提出的基于地下水“雙控”的水資源配置模型，改進和突破了傳統配置中地下水可開采量作為非變化量處理的缺陷，通過地下水可開采量動態計算模塊與水資源優化配置模塊的信息傳輸與反饋，給出不同水平年地下水可開采量動態變化下的水資源配置方案，同時新增了地下水水位在水資源配置中的調控作用，通過地下水雙控計算模塊與水資源優化配置模塊的交互迭代計算，給出同時滿足地下水位閾值(上限水位、下限水位)要求下的水資源配置方案，為面向人水和諧的水資源配置和地下水“雙控”管理提供了一種全新的模型工具。

表3 2030年推薦方案地下水可開采量迭代計算結果

表4 推薦方案超限監測井地下水位預測結果 m

注：控制性紅線上下限水位主要結合沈陽市地下水可能產生的各類風險或災害來綜合確定。

表5 2030年沈陽市多年平均水資源供需平衡結果

b. 以沈陽市封井壓采和水源置換為例，獲得基于地下水“雙控”的配置結果：到2030年，沈陽市多年平均供水總量為39.88億m3，其中地表水、地下水、再生水、外調水供水量分別為5.65億m3、18.35億m3、3.29億m3、12.57億m3，缺水量為0.02億m3，缺水率為0.05%。其中，市內五區局部區域到2023年就需重新開啟部分地下水市政水源，到2030年地下水市政水源重啟開采總量為0.22億m3，包括李官水源重啟開采量為0.1億m3，河北水源重啟開采量為0.02億m3，新南塔水源重啟開采量為0.1億m3，最終形成基于地下水“雙控”的水資源配置總體格局。

c. 本次研究主要側重基于地下水“雙控”的水資源配置，對水功能區地表水水質和地下水水質未予足夠重視，下一步研究要對水量水質問題給予足夠重視和綜合考慮。