遼陽縣地下水雙控的水資源配置研究

查曼麗

(沈陽市水利規劃院規劃室，沈陽 110015)

調查顯示，全球用水需求每年正以1%的速度不斷增長，在未來20a該速度還將大幅上升[1-3]。由于地下水保護滯后、管理粗放、過渡開發、無序開采等不合理利用，以及全球經濟、人口的爆發式增長，致使地下水大范圍超采以及地下水位持續下降，并引起地下水工建筑物受損、海水入侵、地面沉降等一起列水文地質、生態環境問題，嚴重影響著當地人民生活和經濟發展，逐漸成為制約區域可持續發展最難解決、最尖銳、最突出的復合型問題[4]。2012年，國務院開始提出“雙控”管理以防地下水問題的持續惡化，隨后各地水管部門和水利部組織實施了一系列專項研究，并取得顯著成效[5-6]。流域/區域地下水補排關系隨水資源開發利用格局的變化而發生改變，如渠道及河道防滲功能的提升、水庫的修建將顯著影響渠系、河湖、水庫對地下水的補給；工業與農業之間的水權轉換以及新型節水灌區大范圍提升將對地下水田間入滲補給帶來較大影響[7]。因此，地下水可開采量在未來不同水平年屬于動態變化的，結合地下水“雙控”管理需要和不同水平年地下水可開采量變化特征，如何科學調整和規劃水資源配置格局非常重要。然而，對于不同水資源開發利用格局不同水平年下的地下水位、地下水可開采量動態約束作用傳統的水資源配置考慮較少或給予弱化[8-12]。

因此，文章結合地下水資源保護的特殊性和水生態文明建設的實際要求，通過改進與突破傳統的非變化量處理地下水可開采量的缺陷構建水資源配置模型，并利用水資源配置與地下水可開采量動態計算模塊的信息反饋及傳輸給出不同水平年配置方案，新增水資源配置中地下水水位的調控作用，通過交互迭代計算水資源優化配置模塊與地下水雙控計算模塊給出滿足地下水位閾值要求的配置方案，為地下水壓采區水資源格局優化調整、地下水“雙控”管理和人水和諧的水資源配置提供一種全新的模型方法。

1 水資源配置模型與求解

1.1 模型系統

實際上，水資源配置模型就是由地下水“雙控”、可開采量動態計算和水資源優化三部分組成的模型系統，以優化配置模塊為核心牽引地下水“雙控”計算模塊和可開采量動態計算模型，利用“三次配置”的多重循環迭代算法實現不同行業、不同水源、不同時空尺度等多個維度的水資源分配，以滿足地下水“雙控”要求的多重循環協同配置和地下水可開采量動態變化約束功能。

1)優化配置模塊。根據水利工程時空分布格局和“社會-自然”二元水循環模式，構建以水資源供給與“三生”用水需求平衡為基礎、以各類水量平衡關系為約束條件的配置模型，目標函數為水量損失最小及供水凈效益最大，輸入條件為不同水平年的生態蓄水與國民經濟數據及長系列水文資料，并利用GAMS2.5軟件求解水資源優化配置模型。

2)可開采量動態計算模塊。地下水取水總量控制指標或地下水可開采量一般決定著地下水開采量，而地下水開采條件與補給量直接決定了可開采量，補給量發生變化可開采量也隨之改變。向地下水均衡模型輸入水資源配置模塊計算結果，以此確定不同水平年不同單元井灌回歸量、田間滲漏補給量、河湖水庫和地下水渠系管網滲漏補給量，并在此基礎上確定可開采量；水資源優化配置模塊接受地下水動態開采量反饋數據，并將其作為約束條件上限參與運算，通過水資源優化配置模型與地下水均衡模塊實現反饋與傳輸的迭代交互計算，科學計算地下水供水量和可開采量。

3)模塊“雙控”計算模塊。向地下水數值模型輸入水資源配置模塊計算結果，對不同水資源配置方案不同水平年的地下水位變化趨勢按照降水豐、平、枯3種情景進行預測，并結合地下水控制性紅線水位判定該水資源配置方案是否滿足地下水閾值要求，通過水資源配置模塊與地下水數值模型實現反饋與傳輸的迭代交互計算，精準計算出“雙控”結果。

1.2 多重循環迭代運算

對于不同水平年地下水水位和可開采量的動態變化約束傳統的水資源配置一般忽視或給予弱化，文章利用水資源優化配置模塊牽引地下水“雙控”和可開采量動態計算，通過“三次配置”多重循環迭代算法實現反饋與傳輸的迭代交互運算，從而獲取滿足滿足“雙控”管理要求、地下水動態采補平衡、河道內生態環境和經濟社會需水的水資源配置方案，主要流程如下：

步驟一：設置不同節水情景/發展模式下不同規劃水平年的供需水方案，其中初始地下水可采量評價為Wj，j=0。根據研究區水資源配置要求、水利工程規劃情況、水資源系統現狀和特點等，將河渠道交匯點、計算單元、重要水利工程等各類物理元素設為水資源系統節點，并采用各類線段連接水資源傳播系統的各節點，以此生成系統網絡圖和優化配置模塊。

步驟二：依據模型初始參數、平衡方程、約束條件和目標函數，經調節計算確定不同規劃水平年一次配置結果。

步驟三：向可開采量動態計算模塊輸入水資源一次配置結果，經迭代運算確定可開采量Wj(j=0，1，…，n，即迭代次數)。若符合條件|Wj+1-Wj|/Wj≤ε，則迭代運算終止，輸出運算結果；否則，返回第二步并適當調整相關參數、需水量及供水能力，以j=j+1重復前一次迭代過程直至滿足要求，輸出水資源二次配置結果。

步驟四：向地下水“雙控”計算模塊輸入二次配置結果，并對未來地下水變化趨勢按照豐、平、枯3種來水情景進行預測，計算確定地下水位hj。若H下限≤hj≤H上限，則進入下一步運算；否則，返回第二步并對地下水開采量及開采布局進行合理調整，以j=j+1重復運算直至符合H下限≤hj≤H上限；此外，若|Wj+1-Wj|/Wj≤ε則進入下一步運算，否則返回第二步重復前一次運算，直至滿足要求輸出水資源三次配置結果。

步驟五：迭代運算終止，輸出水資源多重循環迭代運算結果。

2 實例應用

2.1 研究概況

遼陽縣地處遼東半島中部，被遼陽市市區一分為二，總面積2828.2km2，地理位置如圖1所示。東部為丘陵山區，西部為沿河平原，地勢平坦，其中平原地區占全縣總面積34%，山丘區占66%。該區域屬溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫8.4℃，年降水量735.3mm，平均蒸發量508mm。目前，已建蓄水工程14座，現狀供水量0.81億m3，引水工程89處，提水工程27處，水井工程76143眼，中水回用供水量0.12億m3[13-16]。

圖1 遼陽縣地理位置圖

遼陽縣地區受歷史原因影響，承擔向鞍山生活及鞍鋼用水供給。由于該區集中了遼陽、鞍山、鞍鋼供水水源地，地下水資源開采歷史達90余年，長期大規模集中開采地下水導致地下水位下降，形成了降落漏斗。近年來，漏斗區的問題得到有關部門的高度重視，通過關停或封閉取水井、地下水取水工程等，嚴格控制地下水開采，使漏斗區得到了很好的控制與改善，漏斗區2005年面積縮小至220km2，2010年縮小至175km2，到2014年縮小至147.3km2。隨著經濟的快速發展和水資源條件的改變，如何優化配置區域水資源布局已成為當前研究的熱點之一。

文章結合遼陽縣水資源配置要求、水利工程規劃情況、水資源系統現狀和特點等，利用水資源配置系統的概化方法將研究區概化成2個流域分區，2個控制斷面，3個外調水配水節點，4個計算單元，8個匯水與引水節點，5個水庫節點，6個水源地，2個市政水廠，模擬站點分區如圖2所示。

2.2 方案設置

根據遼陽縣水資源規劃及開發利用現狀，通過組合非工程與工程措施、需水過程、水文過程設置不同配置方案及其初始集，對初始房中中明顯較差或代表性不夠的方案利用人機交互的方式排出，最終方案如表1所示。其中，①、②代表大伙房水庫輸水工程和遼西北供水工程。

表1 遼陽縣水資源配置方案

文章利用地下水雙控水資源優化配置模型和1966-2020年長系列逐徑流資料，在考慮農業灌溉引水和河道內生態環境等最小流量約束條件下計算3套不同組合方案的長系列逐月調節量，并獲取相應的配置結果如表2所示。

表2 水資源供需平衡量計算

方案Ⅰ是在適度節水模式下，通過新增外調水規模和加大再生水回用規模來支撐經濟的發展，這種“以產定水、走外延式發展”模式不符合國家“節水優先戰略”，加之新增外調水的復雜性與艱巨性，不推薦使用該方案。方案Ⅲ主要是通過封井壓減開采規模實現地下水采補平衡，這種“以水定產、走內涵式發展”模式雖有利于改善生態環境和實現綠色低碳平穩發展，但在既定外調水規模下過渡抑制工業發展和城市擴張，與區域經濟發展引擎、省市城市建設定位、當地經濟可持續跨越式發展要求和國家“節水優先戰略”不太相符，因此從綠色低碳的角度可作為次優推薦方案。方案Ⅱ實在既定的遼西北供水工程與大伙房輸水工程分水協議的情況下，適度利用已建供水管網并重啟部分封閉備用的地下水水源給市區供水，這種“供需協調、走穩健式發展”模式既能滿足新增用水需求，又能合理利用各種資源降低成本，符合國家“節水優先”戰略并保持地下水位合理波動，可作為最優方案。

2.3 結果分析

2.3.1 地下水可開采量動態計算

將2009-2020年多年平均地下水補給量作為地下水可開采量動態計算模塊的初始條件，依據判別條件經多次迭代運算輸出不同水平年地下水可開采量，2030年的迭代運算輸出如表3所示。

表3 地下水可開采量迭代計算

續表3 地下水可開采量迭代計算

由表3可知，地下水補給量隨規劃水平年水資源配置格局的改變發生相應的變化，地表水入滲補給量隨灌區和渠系節水效率的提升逐漸減少，在方案Ⅱ水資源開發利用格局下2030年遼陽縣地下水可開采量為1.58億m3，以地下水動態可開采量為上限約束調整2030年水資源配置方案。

2.3.2 地下水“雙控”計算

根據地下水“雙控”計算模塊和水資源二次配置結果，基于降水與地下水調蓄能力的疊加積累效應，從長系列降水資料中選取連續5年作為2015-2020年、2020-2025年、2025-2030年降水輸入，初始水位取2015年1月1日地下水位，預測2015-2030年地下水位變化，如表4所示。

表4 超限監測井地下水預測值

由表4可知，在方案Ⅱ水資源開發利用模式下遼陽縣大部分觀測井地下水位自2025年以后開始超出控制性紅線上限水位，對地下建筑工程、環境地質和水文地質等產生一定影響或威脅，所以有必要在2025年后將部分地下水市政水源地適時重啟。

2.3.3 優化配置結果

通過分析豐水年、枯水年、平水年3種情境下地下水位變化風險，最終確定2030年地下水市政水源重新開啟供水量為0.12億m3。依據方案Ⅱ水資源開發利用模式下的三次配置結果，2030年遼陽縣水資源供需平衡目標基本能夠實現，如表5所示。

表5 2030年多年平均水資源供需平衡

3 結 論

1)在水源置換和封井壓采情境下獲取地下水“雙控”配置結果，2030年遼陽縣年均供水量達到5.70億m3，其中外調水、再生水、地下水、地表水分別為1.80、0.47、2.62、0.81億m3，缺水率0%。鑒于豐水年、枯水年、平水年3種情境下地下水位變化風險，確定2030年地下水市政水源重新開啟供水量為0.12億m3，從而形成地下水“雙控”的配置格局。

2)該水資源配置比較側重于地下水“雙控”，而較少考慮水功能區地下水和地表水水質，未來仍需綜合考慮和高度重視水量水質問題。