基于三次平衡原理的水資源優化配置研究

潘淑慧

(菏澤市河湖流域工程管理服務中心，山東 菏澤 274000)

1 三次平衡原理

三次平衡原理是一種較為先進的供需分析理念，不同于傳統的供需一次分析法，三次平衡原理包括供需一次平衡分析、二次平衡分析、三次平衡分析。其中，一次平衡分析是現狀供水能力與外延式需水增長的平衡，可以作為水資源調控措施統一權衡的決策依據，未來可能最大缺水量可以通過對不同水平年的一次平衡來反映；二次平衡以一次平衡為基礎，對充分開源、非常規水資源利用和全面節水的水資源進行供需平衡，可以反映能實現的最小缺水量；三次平衡是在二次平衡的基礎之上，將能外調進來的水與區內的水資源統一配置后進行供需平衡，反映了在外調水影響下的供需平衡[1-3]。

2 實例分析

2.1 研究區概況

某市地處華北平原，境內分布多條河流水系，中心城區年降雨量615.2～968.3 mm，根據該市2020年水資源公報成果，該市中心城區地表水資源量為5153萬m3，地下水資源量為9321萬m3，水資源總量為13 224萬m3(扣除與地表水重復的地下水資源量1250萬m3)。為保障該市中心城區內的正常供用水，目前，該市范圍內已建有蓄水工程2560余座，總庫容16 460萬m3。2020年該市中心城區總供水量10 665萬m3，其中，地表水供水量1185萬m3，地下水供水量8120萬m3，其他水源供水量為1350萬m3。用水方面，2020年中心城區總用水量10 665萬m3，其中，生活及城市公共用水4555 m3，工業用水量4616萬m3，農業用水量1244萬m3，城鄉環境用水量為250萬m3。從工程供水能力來看，現狀年基本能實現供需平衡，但近年來由于下墊面條件改變，流域范圍內天然徑流量呈現明顯衰減趨勢，未來隨著經濟社會的發展水資源供需矛盾可能進一步加劇，因此，有必要對中心城區水資源進行供需分析，作為中心城區水資源優化配置的依據[4-5]。

2.2 需水量預測

本次分析以2020年為現狀年，2025年為近期規劃年，2035年為遠期規劃年。從用水區域上劃分，需水量分為城鎮需水和農村需水兩大類；從用水行業方面，又可分為生活、工業、農業和生態環境四大類。本次需水量按用水行業預測[6]。

(1)生活需水量。生活需水包括城鎮生活需水和農村生活需水，生活需水量按定額法預測，根據相關定額規范，取水定額分為通用值和先進值，通用值通常反映了該區域內平均節水水平下的取水定額，先進值則反映了行業較高節水水平下的取水定額，據此預測平均節水水平下2025年、2035年中心城區生活需水量為5320萬m3、7835萬m3，較高節水水平下的生活需水量為4611萬m3、6810萬m3。

(2)農業需水量。農業需水包括農田灌溉和林牧漁需水，其中，林牧漁所占比例較小，農田灌溉水量主要受有效灌溉面積、種植結構和節水灌溉水平等因素的影響。近幾年來，中心城區的農業用水量趨于穩定，預計未來農田灌溉面積無較大變化，本次結合該市農田水利規劃中確定的規劃年的灌溉定額指標及相關定額規范預測平均節水水平下2025年、2035年中心城區農業需水量為1321萬m3、1427萬m3，較高節水水平下的農業需水量為1201萬m3、1297萬m3。

(3)工業需水量。工業需水主要考慮中心城區內企業生產用水，采用相關定額規范中規定的工業產品取水定額，按照城市發展規劃中給定的工業增長率預測平均節水水平下2025年、2035年中心城區工業需水量為5680萬m3、7870萬m3，較高節水水平下的工業需水量為5410萬m3、7495萬m3。

(4)生態環境需水量。按照該市城市總體規劃中的綠地系統規劃，到2030年中心城區森林覆蓋率達到45%以上。綠地與廣場用地面積1482 hm2，人均12.55 m2。在考慮節水型社會建設、環境景觀需水的前提下，本次河道外生態環境用水需求以人均城鎮綠化面積、人均道路面積與相關定額標準進行預測，中心城區平均節水水平下2025年、2035年河道外生態環境需水量分別為511萬m3、845萬m3，較高節水水平下的河道外生態環境需水為402萬m3、665萬m3。

2.3 可供水量預測

根據該市水資源開發利用的實際情況，該市開發利用水資源的方式主要有三種，一是采用引水方式直接取用河道地表水，二是水庫供水取用地表水，三是采用傍河取用地下水。該市通過建設不同類型取水工程，分別取用地表水和地下水。可供水量為供水工程供水能力和可利用的水資源量兩者之間取小值，由此得到不同水平年常規水源可供水量。通過比較，不同水平年不同來水條件下，該市可利用的水資源大于工程供水能力，再生水以需水預測結合再生水利用率的方法確定。經計算，現狀及規劃水平年中心城區可供水量計算結果如表1所示。

表1 現狀及規劃水平年中心城區可供水量計算結果 萬m3

2.4 三次平衡分析

2.4.1 供需一次平衡分析

根據表2需水量預測結果，在現狀節水水平和水利工程現狀供水能力條件下，2025年中心城區總需水量為12 832萬m3，可供水量按中心城水利工程現狀供水能力10 655萬m3計，則2025年缺水量2177萬m3，缺水率17%；到2035年中心城區需水量為17 977萬m3，可供水量仍按現狀供水能力10 655萬m3計，缺水量為7332萬m3，缺水率41%。從2025年到2035年這10年間需水量增加主要是由于城鎮生活需水量和工業需水量的大幅提升，根據三次平衡分析原理，通過供需一次分析可獲得現狀供水能力下的最大供水缺口。從預測來看，如果不新增供水能力，水資源供需不平衡勢必會制約中心城區經濟社會發展，因此，必須強化節約用水，逐步減小用水需求，以緩解當地水資源供給壓力。

表2 規劃水平年中心城區水資源供需一次平衡分析 萬m3

2.4.2 供需二次平衡分析

根據表3在充分挖掘未來節水水平和工程供水能力條件下，2025年中心城區總需水量為11 624萬m3，可供水量按該市規劃的工程最大供水能力，預計可供水量達到12 635萬m3，滿足2025年需水要求；到2035年中心城區總需水量為16 268萬m3，可供水量為15 210萬m3，缺水量1058萬m3。與供需一次分析相比，通過提高中心城區節水水平并發掘工程最大供水能力，供水缺口得到大幅縮減。為此，應進行供需三次分析。

表3 規劃水平年中心城區水資源供需二次平衡分析 萬m3

2.4.3 供需三次平衡分析

在供需一次和二次分析的基礎上，2025年中心城區最大缺水量為2177萬m3，最小缺水量為0萬m3，2035年中心城區最大缺水量為7322萬m3，最小缺水量為1058萬m3，為保證中心城區有序發展，2035年該市將實施引調水工程，每年調入外來水1058萬m3，從而解決中心城區缺水問題，見表4。

表4 規劃水平年中心城區水資源供需三次平衡分析 萬m3

2.5 水資源優化配置

在配置水資源時生產生活用水應盡可能將地下水置換成當地地表水，非常規水主要用于工業企業生產和生態環境建設，地下水主要用于城鄉生活、農業灌溉和少量工業生產。到2025年預計非常規水量為1840萬m3，可優先作為工業用水，不足水量由地下水補充；地表水量1345萬m3，可配置給城鎮生活用水，不足水量由地下水補充，其余行業用水均取地下水。根據配置結果，預計2025年中心城區將有1011萬m3富余水量。到2035年預計非常規水量將達到3560萬m3，可優先供給工業用水，由于工業用水量較大，不足水量取地下水，外調水由于供水成本較高，如用于農業、生態等用水行業將大幅提高供水價格，不利于行業發展，本次配置考慮將外調水配置于城鎮生活用水，并將地表水1450萬m3用于城鎮生活，不足部分由地下水補充，其余行業用水均取地下水。本次配置完成后，供需達到平衡，規劃年水資源優化配置如表5所示。

表5 規劃水平年水資源優化配置 萬m3

3 結 語

通過三次平衡分析，預測到2025年中心城區缺水量為0～2177萬m3，2035年中心城區缺水量為1058～7322萬m3。在充分挖掘未來節水水平和工程供水能力條件下，到2025年可實現水量供需平衡，但2035年仍會有1058萬m3的缺口，需調入外來水才能解決。考慮華北地區地下水壓采要求，進行水資源配置時，應優先配置非常規水，主要用于工業用水，其次是地表水，主要用于生產生活用水，最后分配地下水。在城鎮化進程中，應不斷開發利用非常規水源，提高水資源重復利用率，逐步壓減地下水開采量。