鹽堿環境下多水源聯合調配研究

萬新宇,汪曼琳,鐘平安,馬 彪

(河海大學水文水資源學院,江蘇南京210098)

鹽堿環境下多水源聯合調配研究

萬新宇,汪曼琳,鐘平安,馬 彪

(河海大學水文水資源學院,江蘇南京210098)

沿海圍墾區鹽漬化程度高,淡水資源不足,阻礙圍墾區經濟發展。為保障圍墾區水資源供給,進行鹽堿環境下多水源聯合調配研究。以江蘇沿海灘涂開發為背景,在分析當地水源特征的基礎上,結合研究區需水要求,提出雨水和微咸水等非常規水資源與傳統水資源聯合利用模式,將平原區河網概化為虛擬的河網水庫,對多水源多用戶供水關系進行分解,建立鹽堿環境下多水源聯合調配模擬模型,得到圍墾區不同水平年不同保證率下的供水量及其組成。研究表明,充分利用雨水和微咸水等非常規水資源,可緩解沿海圍墾區水資源緊張局勢。

水資源調配；多水源；雨水；微咸水；鹽堿環境

沿海灘涂鹽堿環境下水資源高效利用技術研究,是保障沿海灘涂開發的關鍵問題之一。目前報道的技術方法可概括為三類：一是開源,因地制宜,多利用非常規水資源,如雨水利用[1-2]、微咸水利用[3- 4]、海水利用[5- 7]、污水回用[8- 9]等；二是節流,抑制需水,實施節水方案,如節水灌溉技術[10]等；三是水資源優化配置,如濱海地區地表水與地下水聯合運用[11- 14]。然而,此類研究多數局限于某種單一非常規水資源利用模式的研究,且規模較小,鮮有大尺度的多種非常規水資源與傳統水資源聯合調配的研究。為此,本研究以江蘇沿海灘涂圍墾開發為背景,在分析研究區雨水、微咸水、當地水以及外調水等水源分布特征的基礎上,根據研究區水源工程、供水河道與需水用戶之間的拓撲關系,通過系統分解,構建鹽堿環境下多水源聯合調配模擬模型,計算不同水平年不同保證率下圍墾區各類水源供水量,為決策者提供決策支持,以實現圍墾區水資源高效利用。

1 研究區概況

江蘇沿海灘涂面積廣闊,是我國重大土地戰略儲備資源。據規劃[15],到2020年,江蘇沿海灘涂圍墾總面積18萬hm2,共建設21個圍區,其中連云港市4個,面積9 666.67 hm2；鹽城市9個,面積8.73萬hm2；南通市8個,面積8.3萬hm2。對圍填形成的土地資源,將以綜合開發為方向,優先用于發展現代農業、耕地占補平衡和生態保護與建設,適度用于臨港產業發展。其中,農業用地、生態用地和建設用地分別占圍填面積的60%、20%和20%左右。考慮到圍墾區95%集中于鹽城、南通兩市沿海,為了方便研究,本研究重點進行鹽城、南通兩市沿海17個圍墾區水資源聯合調配研究,以縣(市)為計算單元,將各圍墾區作為所在單元獨立需水部門,以2010年為現狀水平年,2015年為近期水平年,2020年為遠期水平年。通過需水預測,平水年圍墾區近期和遠期需水量分別增加7.2億m3和5.7億m3,枯水年分別增加8.0億m3和6.2億m3,特枯年分別增加9.6億m3和7.2億m3。

2 水資源系統概化

江蘇沿海供水系統分為江水北調、江水東引以及沿江自引三部分,為保證沿海圍墾區水資源供給,新辟臨海引江供水線,通過輸水支線工程向沿海灘涂圍墾區供水,并規劃建設5座平原水庫。

2.1 供水水源

(2)過境水。江蘇沿海地區地處江淮之間,過境水量(含引江水)較大。鹽城市沿海各縣響水、濱海、射陽、亭湖、大豐和東臺多年平均過境水量分別為19.58億、30.90億、55.62億、15.88億、18.45億m3和10.66億m3。南通市沿海各縣海安、如東、通州、海門和啟東多年平均過境水量分別為3.96億、8.44億、8.95億、3.40億m3和3.38億m3。

(3)非常規水。雖然研究區當地水資源及過境水較豐富,但由于處于流域末梢平原區,蓄水能力極差,調水成本較高。因此,本研究考慮因地制宜利用雨水和微咸水等非常規水資源。江蘇沿海1956年～2010年平均年降水量為1 022.7 mm。其中,汛期為709.5 mm,占全年的69%；枯季為313.2 mm,占全年的31%。研究區可充分利用原有地形、溝道,建立雨水貯留集蓄場(池塘),通過“雨水/灌溉——濕地處理——水庫(雨水集蓄池)——灌溉”的多次循環利用,提高雨水資源的使用效率,并在此過程中加速圍墾區土壤脫鹽。研究區地下水資源豐富,但礦化度較高,難以直接使用?？紤]圍墾區農業需水比重大,根據農業灌溉相關研究及生產實踐經驗[16],可與其他淡水資源配合使用,用于圍墾區農業灌溉等。本研究選取礦化度為2～5 g/L地下水資源進行微咸水利用,鹽城、南通沿海微咸水資源量分別為1.35億、2.99億m3。

2.2 系統概化

研究區地處江淮流域尾閭,平原河網縱橫交錯,供水系統非常復雜。根據水源工程、需水部門以及供水河道之間的拓撲關系,對研究區不同水平年的水資源系統進行概化(圖略),具體到計算單元內部,概化水資源供需關系,繪制出單元內供水關系圖,其中將計算單元內平原河網概化為虛擬的河網水庫,以計算單元響水縣為例概化其單元內水資源供需關系。

圖1 響水縣及其圍墾區遠期水平年水資源供需關系概化

3 水資源調配模擬

根據概化的研究區供水系統網絡,將多水源多用戶供需關系分解為單水源單用戶、單水源多用戶以及多水源單用戶三類簡單供需關系(見圖2)；再依據水源類型、用戶類別以及供需關系,確定供用水次序。

圖2 多水源多用戶供水關系分解

3.1 供水次序

遵循“優水優用,物盡其用”的原則,優先使用雨水、微咸水等非常規水源,然后充分攔蓄利用當地地表水、過境水,出現用水缺口時再從區域外調水,逐步滿足研究區經濟社會發展對水資源的需求。

3.2 用水次序

對于流場中球狀的顆粒，其受到的阻力大小除了與自身大小和阻力系數相關外，還與所作用的氣流速度和密度相關。本文基于Fluent對含有突出物的流場進行數值模擬，可獲得不同氣壓下和不同突出物間距對應突出物受到的氣流參數，阻力大小F可以表示為[5]：

在遵循各分區盡量公平的前提下,水量豐沛時,按定額滿足各區域、各類經濟活動用水；水量緊缺時,優先滿足城鄉居民生活用水,其次滿足重要工業生產用水,然后合理安排其他生產用水,優先考慮國計民生、經濟效益好的工業和農業用水,最后兼顧河道外生態環境等其他用水；各縣市區的當地地表水優先供給當地非墾區用水,然后供給沿海圍墾區用水。

3.3 計算方法

本研究可供水量計算分為蓄水工程(平原水庫、概化河網水庫)、調水工程(引江、引淮)、非常規水源工程(雨水、微咸水)分別計算。

3.3.1 蓄水工程可供水量

對于平原水庫以及概化的河網水庫等中小型蓄水工程,本研究采用寬淺型調度方式進行供水,即逐時段相對缺水量將盡可能均勻,其數學模型如下：

目標函數

(1)

約束條件

V(t)=V(t-1)+Y(t)-G(t)

X′(t)≤G(t)≤min[M,X(t)]

Vmin(t)≤V(t)≤Vmax(t)

式中,G(t)為t時刻蓄水工程供水流量；X(t)為t時刻用水戶需水流量；V(t-1)和V(t)分別為t時段初和時段末蓄水量；Y(t)為t時刻蓄水工程入庫流量；X′(t)為t時刻用水戶最小需水流量；M為蓄水工程最大供水流量；Vmax(t)和Vmin(t)分別為t時刻蓄水工程允許蓄水上下限。

根據研究區域的遙感影像資料,結合當地的下墊面資料,繪制得到研究區域河流水位庫容關系曲線和河流水位面積關系曲線,進而可得概化河網水庫的有效庫容。與大型蓄水工程不同,概化的河網水庫往往缺乏系統的入庫徑流資料,本研究根據河網水庫控制面積占分區面積比來分割區間水資源量,得河網水庫入庫水量

Y(t)=YT(t)·f/F

(2)

式中,Y(t)為t時刻蓄水工程入庫流量；YT(t)為時刻進入計算單元的總流量；f為蓄水工程的控制面積；F為計算單元面積。

3.3.2 外調水可供水量

研究區外調水包括引淮水和引江水,當淮河水量不足,加大抽引長江水,以滿足圍墾區需水要求,其供水目標函數與式(1)相同,但供水流量G(t)受到口門引水能力Qgate、河道輸水能力Qriver以及需水單元需水流量X(t)的約束,公式表示為

0≤G(t)≤min[Qgate,Qriver,X(t)]

(3)

3.3.3 非常規水可供水量

雨水資源利用量

Wrain(t)=α·P(t)

(4)

式中,Wrain(t)為t時段雨水利用量；α為雨水資源利用系數,根據研究區實驗結果,取10%；P(t)為t時段降水量。

微咸水資源利用量

Wbrackish(t)=β·Wtotal(t)

(5)

式中,Wbrackish(t)為t時段微咸水利用量；β為微咸水利用系數,根據研究區實驗結果,取12%；Wtotal(t)為t時段微咸水總量。

通過計算得到,至2020年隨著鹽城、南通兩市沿海圍墾區平原水庫投入運行,圍墾區供水能力顯著增加,特枯年份總供水量比近期水平年增加了5.73億m3；其次,供水以當地地表水為主,但在特枯年份外調水比重明顯加大,接近當地地表水利用量；另外,非常規水資源得到有效利用,2020年平水年圍墾區非常規水資源利用量占總供水量的7.79%,特枯年份亦能達到2.72%。

4 結 論

(1)沿海灘涂鹽漬化程度高,淡水資源不足,開發中根據經濟發展規劃適度利用雨水和微咸水等非常規水資源,在一定程度上可緩解當地淡水資源短缺問題。充分利用沿海灘涂原有地形、溝道及池塘,建立雨水貯留集蓄場,與微咸水結合使用,可滿足圍墾區部分農業灌溉需水及土壤脫鹽需水。

(2)平原區河網縱橫交錯,關系復雜,將其概化為虛擬的河網水庫,通過遙感技術建立相應的水位庫容關系,可方便水資源調節計算。

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(責任編輯 陳 萍)

Multi-water Conjunction Allocation in Saline-alkaline Environment

WAN Xinyu, WANG Manlin, ZHONG Ping’an, MA Biao
(College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China)

In coastal reclamation area, high degree of salinity and the shortage of fresh water resources become critical constraints for local economic development of Jiangsu Province. Multi-water resources allocation in saline-alkaline environment is researched for improving local water use efficiency. Based on water resources features and water demands, the conjunctive utilization mode of unconventional water and conventional water is presented, including rainwater and brackish water. The river network of plain areas is generalized as a virtual reservoir and the water supply systems of multi-water and multi-user are decomposed into three simple systems, then the simulation model of multi-water conjunctive allocation is developed to calculate water supply volume and its compositions of coastal reclamation area under different scenarios. The results demonstrate that the water scarcity of coastal reclamation area can be relieved to some degree by fully using unconventional water resources, such as rainwater and brackish water．

water allocation; multi-water; rainwater; brackish water; saline-alkaline environment

2015- 12- 10

國家自然科學基金資助項目(51379055)；國家重點研發計劃項目(2016YFC0400909)

萬新宇(1976—),男,江蘇東臺人,副教授,博士,從事水資源規劃與管理研究；鐘平安(通信作者)．

TV211.1

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0559- 9342(2017)05- 0030- 03