撫河流域水資源分配與調度方案研究

吳江 盛衛榮 陳濟天 馮宇

摘 要：通過開展撫河流域水資源分配與調度方案研究，提出了撫河流域水量分配方案，構建了枯水期水量調度模型，并應用于撫河流域枯水期水量調度實踐，研究成果可為流域水資源開發、利用與保護提供理論基礎，促進流域社會經濟可持續發展。

關鍵詞：撫河流域，需水預測，水量分配，水資源調度

中圖法分類號：TV213.9? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0502

水資源合理利用與分配問題不僅關系國民經濟發展和生態文明建設，而且也是影響國家用水安全的重大問題[1-4]。隨著工業化、城鎮化深入發展，水資源需求將在較長一段時期內持續增長，水資源供需矛盾將更加尖銳，我國水資源面臨的形勢將更為嚴峻。由于水量初始權屬的不明確和資源時段性的短缺，部分流域內區域之間、行業之間用水矛盾和糾紛問題日益突出[5-8，11]。干旱時段，往往上游用水擠占下游，工業用水擠占農業用水，農業用水得不到合理的保護，河流生態基流保障程度不高。長期以來的水資源優越感，使得部分區域在開發利用水資源方面形成了“以需定供”的管理概念，在區域開發時注重局部利益，盲目而無節制，不考慮優化配置[9]。同時由于缺少用水總量控制制度和節約用水的激勵機制，區域用水管理粗放，節水意識淡薄，節水措施匱乏[10]。

1? 研究區域

江西省雖然地處豐水地區，但水資源時空分布不均，來水與用水不同步。隨著經濟社會的快速發展，全省水資源問題開始顯現并日益突出，資源性缺水、工程性缺水及水質性缺水等問題在部分地區不同程度地出現。

撫河流域位于江西省東部，是鄱陽湖水系的主要河流之一，地跨東經115°30′至117°10′，北緯26°30′至28°37′，主河源出于贛、閩邊界武夷山西麓廣昌縣梨木莊。河流自南向北，流經廣昌、南豐、南城、右匯黎灘河經滸灣進入下游平原，至撫州左納撫河最大支流臨水，西北向流經南昌縣境，在荏港改道由青嵐湖入鄱陽湖。流域內有撫州地區11個縣（區）和南昌市的南昌縣、進賢縣及宜春地區豐城縣的一部份（贛撫平原灌區）。流域形狀呈菱形，南北長，東西狹，東南高，西北低。流域南北長240km，平均寬70km，最大寬度140km，最小寬度20km。地面海拔高程在17～1 300m之間。干流全長349km，李家渡以上流域面積15 811km2（含境外23km2），河長278km，從河源到李家渡干流平均坡降2.09‰。撫州地區占流域總面積的91.2%。流域內山地占27%，丘陵占63%，平原占10%。

2? 水資源供需分析和配置方案

2.1? 需水預測

定量需水預測的方法較多，歸納起來主要有趨勢分析法、綜合指標法、分類用水定額法、數學模型推算法等。趨勢分析方法相對便捷，但不能反映用水機制，一般不單獨作為定量預測的依據。綜合指標法是以人均用水量、單位建設用地或萬元GDP用水量等綜合用水指標，結合經濟發展指標進行需水預測，綜合指標中對各行業用水指標進行了簡化，是工程實際中用水區域資料相對匱乏時常用。分類用水定額法是在水資源規劃中常用的方法，即用社會經濟發展指標和相應的定額預測需水量。數學模型法是依據過去若干年的統計資料，建立模型，找出影響用水量變化的因素、時間因子與用水量之間的關系，進而預測用水，有一元線性回歸、灰色系統理論、人工神經網絡模型和系統動力學等。我國用水量數據時間系列較短，數學模型對于水資源中長期預測的可靠性低，因此僅局限于理論研究或局部資料條件較好地區使用。本文考慮數據收集情況，主要采用分類用水定額法和綜合指標法進行需水預測。

（1）生活需水預測

生活用水在取水到用水的過程中存在一定的輸水損失，其中主要為自來水廠的制水損失和管網輸水損失，不同的供水方式存在不同的輸水損失，所以要考慮農村集中供水工程建設的覆蓋率情況。生活需水預測流圖如下。

（2）工業需水

工業需水的預測主要采用萬元工業總產值用水指標的方法。同時，工業用水同生活用水一樣，從水源到用水戶之間損失的水量應予以考慮，按照現在國內的平均工業水平，這個指標一般在10%～15%之間，平均情況下取12%。預測年工業用水量的表達式為：

W工i=Gi*m工i? /（1-ci）? ?（1）

其中W工i為第i年工業需水量，Gi為第i年工業總產值（萬元），m工i 為第i年萬元工業總產值用水定額（m?/萬元），ci為第i年工業輸水損失率。

工業需水預測流圖如下。

（3）農業需水

農業需水主要有農業灌溉需水和林牧漁業需水兩大部分。農業灌溉需水包括水澆地和水田的灌溉需水。預測方法采用灌溉定額法，考慮灌溉保證率水平。林牧漁業需水包括林果地灌溉、牲畜用水和魚塘補水三類。由于林牧漁業用水定額資料少且用水量不大，故而不做變化預測。農業需水預測流程如下。

（4）生態需水

河道內生態環境需水量的計算，可以采用分項計算的方法。根據河道功能，分項計算需水量，然后分月取最大值，得到維持河道一定功能的年需水量。計算方法如下：

①生態基流：一般可取近10年每年最小月流量的平均值Wmin

②輸沙需水量：河道水流泥沙的沖淤平衡所需水量計算公式如下

式中S1為多年平均輸沙量，單位kg;Scwmax為多年平均汛期（最大月平均）含沙量，單位kg/m?。

③水生生物需水量Wsw：維持河道內水生生物群落的穩定性和保護生物多樣性所需水量。一般枯水期取多年平均徑流量的10%～20%，豐水期可取多年平均徑流量的20%～30%。

總的生態需水量：W生=max[Wmin，WS，WSW]

生態需水預測流程如下。

2.2? 水量分配

流域水資源配置在多次供需反饋并協調平衡的基礎上，一般進行二至三次水資源供需分析。一次供需分析是考慮人口的自然增長、經濟的發展、城市化程度和人民生活水平的提高，按供水預測的“無新建水源工程的方案”，即在現狀水資源開發利用格局和發揮現有供水工程潛力的情況下，進行水資源供需分析。若一次供需分析有缺口，則在此基礎上進行二次供需分析，即新建水源工程進行水資源供需分析。若二次供需分析仍有較大缺口，應考慮強化節水、污水處理再利用、挖潛配套以及合理提高水價、調整產業結構、合理抑制需求和保護生態環境等措施，并進行三次供需分析。

河道外水資源供需平衡分析是以各項工程設施供水量與各項需水量（農業灌溉、工業、城鄉生活等）進行水量平衡分析。撫河流域水資源總量較為豐富，但年內分布不均，枯水期供需水矛盾突出。隨著流域經濟持續增長、人口不斷增加、城鎮化和工業化進程加快，對水資源的需求將不斷增長，水資源開發利用與環境保護的矛盾將日益突出。在進行水資源供需配置時須遵循如下基本原則：全面節約、有效保護、合理開源，實現水資源的可持續利用;推行節水減污政策，促進經濟增長方式的轉變。

撫河流域2030年分水總量控制指標如下：

（1）50%頻率情況：34.73億m3～37.13億m3;

（2）75%頻率情況：39.28億m3～42.15億m3;

（3）95%頻率情況：39.72億m3。

政府余留可利用水資源量為機動水量，為應對公共突發事件的應急用水及調整初始水權的分配和規范水市場而合理保留的水量等。初步確定，政府余留可利用水資源量等于流域可供分配的水資源量減去用于分配的總量。2030年政府余留可利用水資源量指標如下，水量分配方案如表1所示：

（1）50%頻率情況：余留可利用水資源量為10.29～12.69億m3;

（2）75%頻率情況：余留可利用水資源量為3.95～6.82億m3;

（3）95%頻率情況：余留可利用水資源量為0。

3? 枯水期水量調度方案

3.1? 水量調度模型

調度目標：（1）基于三條紅線和流域控制取用水總量，通過大型水庫調度和斷面流量控制達到撫河流域各縣區用水限額不超過2030水平年所分配的水量;（2）合理配置撫河流域水資源，保障流域內各區域公平用水權益;（3）同時兼顧地區間的用水公平以及水資源的健康、可持續發展要求。

調度范圍：（1）主要集中在廖坊水庫和洪門水庫之下河段，下游至撫河干流李家渡水文控制站;（2）廖坊水庫、洪門水庫之上和撫河其他支流主要依靠中、小型水庫和枯水時水量等比縮減來進行調度;（3）調度時段主要集中在每年的枯水期，即7月至次年3月份。汛期只統計各用戶需水量和耗水量，不實行控制。

調度原則：（1）各用水區實行用水總量控制。根據撫河流域水量分配方案，各縣區用水限額不超過2030年所分配水量;（2）水量調度主要考慮水量和水質兩大控制因子，根據實測流量、降雨量、各用水區域用水量和水質監測情況，結合調度啟動條件進行綜合評判。當枯水期水量豐沛，河道外需水量與人河污水量較少時，在最小需水量中水量指標占比較大，將成為調度預警、啟動的主要條件;當枯水期來水較少，河道內納污廢水較多時，水質要素為調度預警和啟動的主要條件。

分區分級調度：當控制斷面來水量達到分級預警流量時，及時啟動不同等級的預警，并采取限污、節水、限水、水庫調水等措施。分區是指根據關鍵控制斷面、水庫所處地理空間位置，以就近原則來確定屬于分區。

鑒于流域蓄、引、提水利設施眾多，但調蓄能力較低，因此，在進行水量平衡計算時，只考慮洪門、廖坊兩座大型控制性水庫的水量調蓄作用，兩座水庫的基本情況及概化處理方法如下：

洪門水庫總庫容12.14億m3，調節庫容3.738億m3，正常蓄水位100.0m（相應庫容5.418億m3），死水位92.0m（相應庫容1.68億m3），防洪限制水位100.0m，屬不完全年調節水庫。廖坊水庫總庫容4.32億m3，調節庫容1.14億m3，正常蓄水位65.0m（相應庫容2.0億m3），實際現階段蓄水位只能達到63.0m（相應庫容1.4億m3），死水位61.0m（相應庫容0.86億m3），防洪限制水位61.0m，屬不完全年調節水庫。

選擇水文年度為7月至次年3月份，水庫調節計算在滿足水庫防洪對汛限水位要求的前提下，根據上游來水、下游用水，進行水量平衡計算。枯水期水量優化分配是在將區域用水量總量在不同水平年下，在一定原則的基礎上合理分配給區域內各行業。模型的建立遵循基本生活用水保障，基本生態用水保障，糧食安全保障，可持續發展，占用優先、面積優先、水源地優先等基本原則。結合上述原則，以及經濟發展目標、實際水資源量、供水能力等構成模型的約束條件。

水量調度模型的以各分區供水缺額最小為目標，其優化約束主要包括各縣區所需水量、水庫運行要求、用水總量以及各縣區分解控制約束等。

式中，為j時段的供水缺額;T為時段數。

3.2? 調度結果

根據年、月、旬降雨量和河道流量，采用產匯流模型計算各時段流域、控制區間可供水量，水資源配置結果，計算各時段、各斷面的水量余缺程度，然后根據缺水量，按照調度啟動條件進行水量調度。以50%，75%和95%來水頻率進行調度。根據撫河流域大型水庫洪門和廖坊水庫調度運行方式，對枯水期進行統籌考慮，在水庫運行規則下，通過優化調度實現供需滿足，根據調度規則、調度時間和調度模型，對年水量調度方案進行編制。以下為頻率來水進行實例分析，根據頻率水量調度方案結果，各斷面預警等級均為正常。根據撫河流域大型水庫洪門和廖坊水庫調度運行方式，對枯水期統籌考慮，在水庫運行規則下，適當增加或削減水庫出庫流量，水庫調度后供需結果大于水庫調度前供需結果。對于廖坊水庫，調度前流量為計算下泄流量，調度后流量為運用模型后廖坊水庫的下泄流量。在50%，75%，95%的來水頻率下，各調度結果如表2-4所示。

4? 結語

2012年國務院發布《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》，對我國水資源的合理高效使用提出指導方針和總體要求。可見，水量分配工作正是落實最嚴格水資源管理制度和高效合理用水要求的重要途徑。本文通過分析撫河流域水文特性和行業用戶需水特征，揭示行業用戶需水演變規律;研究水庫群聯合調控下流域水資源供需關系，制訂流域水量分配方案;建立撫河流域枯水期水量調度模型，并應用于撫河流域枯水期水量調度實踐。研究成果可為流域水資源開發、利用與保護提供理論基礎，促進流域社會經濟可持續發展。

參考文獻：

[1]Ahmad，S.，Simonovic，S. P. （2004）. Spatial system dynamics：new approach for simulation of water resources systems. Journal of Computing in Civil Engineering，18（4），331-340.

[2]Alex J.M，Dalton David A.S，Rosen，Andrew W. （2014）. Season and time of day affect the ability of accelerometry and the doubly labeled water methods to measure energy expenditure in northern fur seals （Callorhinus ursinus）[J]. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology. 452：125–136.

[3]Ambec.S.，Ehlers. L. （2008）. Sharing a river among satiable agents[J]. Games and Economic Behavior. 64：35-50.

[4]Bai，T.，Wu，L.，Chang，J. X.，Huang，Q. （2015）. Multi-objective optimal operation model of cascade reservoirs and its application on water and sediment regulation. Water Resources Management，29（8），2751-2770.

[5]Bravo M，Gonzalez I . （2009）. Applying stochastic goal programming：a case study on water use planning[J]. European Journal of Operational Research，196，1123–1129.

[6]Cao Li-jun，Wang Hua-dong. （1998）. A study on the principle and method of installation of sustainable development assessment in-dex. Acta Scientiae Circumstantiae，18（5）：80-86.

[7]Fleurbaey，M. （1995）. Equality and responsibility. European Economic Review. 39（3-4）：683-689.

[8]Frank A. Ward，Manuel Pulido-Velázquez .Efficiency，equity，and sustainability in a water quantity–quality optimization model in the Rio Grande basin[J]. Ecological Economics，2008，66（1）：23–37.

[9]汪黨獻，王浩，倪紅珍等. （2005）. 國民經濟行業用水特性分析與評價[J]. 水利學報，02：167-173.

[10]林旭，鮑淑君，雷曉輝，等. （2014）. 黃河流域初始水權分配的 Pareto 前沿求解. 人民黃河，36（6），61-65.

[11]鄒積君，劉志文，張小芬，等. （2003）. 區域水資源可持續利用指標體系的設計及評價方法研究 [J]. 干旱區資源與環境，17（1）：37-40.

Research on Water Resources Allocation and Regulation Plan of Fuhe River Basin

WU Jiang1? ?SHENG Wei rong2? ? CHEN Ji tian2? ?FENG Yu1

（1.Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan430010，China;

2. Hydrographic Bureau of Jiangxi Province，Nanchang330025，China）

Abstract：This paper puts forward a water allocation plan for the Fuhe River Basin by carrying out the research on the water resources allocation and dispatching plan of the Fuhe River Basin，constructs a water dispatching model during the dry season，and applies it to the practice of water dispatching during the dry season in the Fuhe River Basin. The development，utilization and protection of water resources provide a theoretical basis to promote sustainable social and economic development in the basin.

Keywords：Fuhe River Basin，water demand forecast，water distribution，water resources dispatch