濟寧市南水北調受水區(qū)地下水壓采替代水源方案優(yōu)選研究

劉志峰，王琳琳，林洪孝

(1．山東省水利工程管理局，山東 濟南 250014;2．山東省環(huán)境監(jiān)測中心站，山東 濟南 250013;3．山東農業(yè)大學，山東 泰安 271018)

1 前言

濟寧市位于魯西南腹地，地處黃淮海平原與魯中南山丘區(qū)交接地帶，地理坐標為北緯34°26'～35°57'， 東 經 115°52' ～ 117°36'， 總 面 積10684．9km2，該市礦產資源豐富，工農業(yè)發(fā)達，是國家重點糧棉基地和能源基地，亦是魯西南工業(yè)重鎮(zhèn)。

然而，隨著經濟的發(fā)展和人口的增長，濟寧市水資源利用的供需矛盾日益尖銳，地下水超采嚴重，造成大面積降落漏斗和部分地區(qū)的地面沉降。本著可持續(xù)發(fā)展的思想，2005年9月，濟寧市通過了《濟寧市南水北調受水區(qū)地下水壓采方案研究》，確定了在濟寧市南水北調受水區(qū)到2013年壓采3782萬m3地下水(平水年)和到2018年壓采7583萬m3地下水(平水年)的目標。因此，在全市需水量不斷增加的現實情況下，只有開源、節(jié)流，而且要充分利用南水北調水源，即找到替代水源才能解決水資源供需矛盾，促進濟寧市經濟社會的和諧發(fā)展，故濟寧市南水北調受水區(qū)地下水壓采替代水源方案的研究則尤為重要，對當前工作具有現實的指導意義。

2 替代水源分析

替代水源是指替代地下水壓采的水源，是超采區(qū)地下水壓采的基本水資源條件。

2.1 南水北調分配水量

南水北調水量是壓采的首要替代水源。根據南水北調規(guī)劃成果，2013年和2018年分配給濟寧市受水區(qū)的水量分別為4500萬m3、8000萬m3。

2.2 節(jié)水潛力

根據濟寧市節(jié)水規(guī)劃，分析受水區(qū)內未來的節(jié)水水平。由《濟寧市水資源綜合規(guī)劃—節(jié)水規(guī)劃專題報告》得平水年2013年和2018年各行業(yè)節(jié)水規(guī)劃量及污水處理回用量。見表1所示。

表1 濟寧市2013年和2018年各行業(yè)節(jié)水潛力及污水處理回用量(P=50%)

2.3 當地水資源開發(fā)潛力

當地水資源開發(fā)潛力分析，主要是分析當地水資源可能增加的供水量，包括地下水新增供水量、地表水新增供水量。

2.3.1 地下水新增供水量

地下水新增供水量包括地下水回灌水量、兗西奧灰水源的開發(fā)量、濱湖地區(qū)因潛水蒸發(fā)的減少而新增的開采量等。由《濟寧市南水北調受水區(qū)地下水壓采方案研究》可得平水年2013年和2018年地下水新增供水量分別為1500萬m3和2200萬m3。

2.3.2 地表水新增供水量

新增地表水水源主要是充分利用當地地表徑流獲得，其主要工程措施是攔蓄工程。

蓄水工程主要指湖東山溪性河道，在上游修建盡可能大的集水池，中游修建小水庫和塘壩工程或興建層層截潛工程，下游沿河布大口井和地道井等截潛工程。此工程措施在曲阜北部山丘區(qū)已有實踐，并獲得了成功。攔水工程主要指平原坡水河道，河道徑流量年內相差懸殊，汛期河水暴漲，枯季水量陡減，因此在河道適當位置興建攔河閘壩，對河道上游來水進行跨季節(jié)、跨年度調蓄，可增加地表水的可供水量。

由《濟寧市南水北調受水區(qū)地下水壓采方案研究》可得平水年2013年和2018年地表水新增供水量分別為3000萬m3和4000萬m3。

3 替代水源方案優(yōu)選模型的建立

建立替代水源優(yōu)選模型，進行替代水源方案優(yōu)選，解決該市地下水壓采和需水量增加而造成的水資源供需矛盾。

3.1 建模思想

擬算出采取的各項減少地下水開采措施的節(jié)水量、新增開發(fā)當地水源量與南水北調調水量的優(yōu)化分配方案，即在滿足減少開采地下水量和增加新需水量的同時，得出較優(yōu)的節(jié)流開源布局方案。

3.2 建立模型

以供水經濟效益最大為目標，建立目標函數，創(chuàng)建替代水源優(yōu)選模型。

式中:Wc—水費總收入，萬元;

Wj1—工業(yè)節(jié)水量，萬m3;

Wj2—農業(yè)節(jié)水量，萬m3;

Wj3—公共設施節(jié)水量，萬m3;

Pj1—工業(yè)節(jié)水商品水價，元/m3;

Pj2—農業(yè)節(jié)水商品水價，元/m3;

Pj3—公共設施節(jié)水商品水價，元/m3;

Wh—污水處理回用量，萬m3;

Ph—污水處理回用水商品水價，元/m3;

Ws—新增地表水供水量，萬m3;

Ps—地表水商品水價，元/m3;

Wg—新增地下水供水量，萬m3;

Pg—地下水商品水價，元/m3;

Wd—南水北調調水量，萬m3;

Pd—南水北調供水商品水價，元/m3;

T—規(guī)劃期。

mi—各項權重

3.3 所建模型分析

(1)節(jié)水按工業(yè)、農業(yè)和公共設施節(jié)水考慮，其中重點在工業(yè)、依次為農業(yè)和公共設施節(jié)水，農業(yè)節(jié)水主要轉供城市，所以，在計算農業(yè)節(jié)水時不能用農業(yè)用水價格，而用城市用水平均價格測算;因受原用水統計影響，經營性用水統計在公共設施用水中，而其用水是公共設施用水的主要部分，所以，分析中的公共設施節(jié)水主要指經營性用水;新增開發(fā)地表水用于工業(yè);(2)新增開發(fā)地下水用于生活;(3)污水處理回用水是減少地下水開采和滿足新增用水量的重要措施，主要用于工業(yè)用水;(4)南水北調調水用于城市;(5)各項節(jié)流開源水量應等于壓采措施減采量與新增需水量之和。

4 2013年替代水源方案優(yōu)選

4.1 水資源費及水費分析

根據目前水資源費及水費價格以及相關政策，得到2013年濟寧市水資源費及水費價格。

(1)水資源費(元/m3)，地下水:0．65;地表水:0．30

(2)水費(元/m3)，工業(yè):3．09(地下水源);工業(yè):2．74(地表水源);生活:2．69(該區(qū)無地表水源);行政事業(yè)單位:2．99;經營服務業(yè):4．10

(3)污水處理回用:1．0元/m3

4.2 方案優(yōu)選

根據《濟寧市水資源綜合規(guī)劃》得2013年平水年濟寧市新增需水量5595萬m3，故2013年平水年濟寧市壓采措施減采量與新增需水量之和為9377萬m3。根據建立的模型和對模型的分析得。

各符號含義同上。

設立七種方案，利用Matlab軟件的linprog命令分別計算其優(yōu)化結果，如表2所示。

分析方案一，其最優(yōu)結果是當Wj1=Wj2=Wj3=0時得到的，可見該方案沒有利用節(jié)約用水量，不利于各行業(yè)的節(jié)水管理;且污廢水回用量取上限值，利用率過高。固權重的選取不合理，此方案不可取。

分析方案二，其最優(yōu)結果是當Wh=0時得到的，可見該方案沒有充分利用污廢水的回用量，不利于污廢水的回用工作;且節(jié)水利用率和地表水開采率過高。固權重的選取不合理，此方案不可取。

表2 2013年替代水源方案優(yōu)選表

分析方案三，其最優(yōu)結果是當Wj1、Wj3、Wh取其上限值得到的，工業(yè)、公共設施節(jié)水利用率和污廢水回用利用率過高。固權重的選取不合理，此方案不可取。

分析方案四，其最優(yōu)結果是當Wj1、Wj2、Wj3、Wd取其上限值得到的，節(jié)水利用率和南水北調水利用率過高。固權重的選取不合理，此方案不可取。

分析方案五，其最優(yōu)結果是當Wj2、Wj3、Wd取其上限值得到的，農業(yè)、公共設施節(jié)水利用率和南水北調水利用率過高。固權重的選取不合理，此方案不可取。

分析方案六與方案七，此兩方案注重可持續(xù)發(fā)展思想，由其計算結果可見，權重的確定符合了以下四方面:①充分挖掘各行業(yè)的節(jié)水潛力，利用各行業(yè)節(jié)水水源，促進各行業(yè)節(jié)水;②充分利用污廢水處理回用水源，減少污廢水的排放量。③盡量少開源，尤其是地下水資源，走可持續(xù)發(fā)展道路;④充分利用南水北調水源，符合經濟合理性原則。此兩方案權重選擇合理，為優(yōu)選方案。

5 2018年替代水源方案優(yōu)選

考慮遠期的物價上漲因素，各行業(yè)水價均比近期水價增長10%進行計算。根據《濟寧市水資源綜合規(guī)劃》得2018年平水年濟寧市新增需水量3285萬m3，故2018年平水年濟寧市壓采措施減采量與新增需水量之和為10868萬m3。根據建立的模型和對模型的分析得

各符號含義同上。

設立六種模擬方案，利用Matlab軟件的linprog命令分別計算其優(yōu)化結果，如表3所示。

分析此六個方案(方法同2013年方案分析)，方案五和方案六為優(yōu)選方案。

表3 2018年替代水源方案優(yōu)選表

6 結語

利用建立的替代水源方案優(yōu)選模型，對濟寧市南水北調受水區(qū)地下水壓采替代水源方案進行優(yōu)選，最終得到了較優(yōu)的各項減少地下水開采措施的節(jié)水量、新增開發(fā)當地水源量與南水北調調水量的優(yōu)化分配方案，對濟寧市今后的水資源優(yōu)化配置與調度工作具有現實的指導意義，對今后此類工作的進行具有較好的借鑒意義。

［1］彭緒民等．濟寧市南水北調受水區(qū)壓采方案研究［R］．濟寧:濟寧市水資源管理辦公室、濟寧水文水資源勘測局，2005．

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［3］劉志峰，劉春成．MATLAB在水資源優(yōu)化配置與調度中的應用［J］．黑龍江水利科技，2007，35(01):18-19．

［4］許其寬，徐斌．推進節(jié)水型社會建設的文化思考［J］．水利發(fā)展研究，2009(03):67-69．

［5］周淑妹，賈麗業(yè)，周金達．天津市水資源優(yōu)化配置及節(jié)水問題的幾點思考［J］．水文，2009(01):36-37．