區域多水源聯合調配研究

李克飛，侯紅雨，賀麗媛，侯保儉

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引 言

黃河上中游地區能源礦產資源豐富；但近年來，隨著國家區域協調發展戰略的實施，在能源化工產業快速發展的驅動下需水量持續增長；另一方面，黃河流域河川徑流大幅減少[1-2]，水資源供需矛盾威脅流域供水安全，危及國家水安全戰略的實施。由于水資源缺乏，黃河上中游部分地區長期以來過度依賴地表和地下水，一方面造成水資源量嚴重短缺；另一方面也造成天然河湖濕地萎縮、地下水開采過量等一系列生態環境問題[3- 4]。在缺水地區，非常規水源是很好的水源補充，水源合理調配可提高供水效率、有效緩解水資源供需矛盾。因此，充分利用非常規水源，構建多水源合理調配、聯合調劑的供水格局是破解水資源短缺的有效途徑，也是我國水資源領域亟需解決的資源環境問題。

本文根據不同水源特征和用戶需水性質，提出多水源調配策略，在此基礎上，構建區域多目標優化模型，以呼和浩特市為典型研究區域，提出經濟合理、高效、可持續的多水源聯合調配方案。

1 多水源調配策略

黃河流域上中游地區非常規水源利用潛力較大，多水源聯合調配是一個非常復雜的系統工程[5]，供水水源考慮當地地表水、地下水、過境水、外調水以及合理利用微咸水、雨水、再生水、礦井水等其他水源。供水對象包括城鎮生活、農村生活、農業、一般工業、能源化工工業、建筑業和第三產業以及生態環境等7項用水。根據規劃水平年各種可能水源的特征和各項需水性質，提出多水源聯合調配的關系網絡圖(見圖1)。

多水源聯合調配關系：生活用水對水質要求較高，以優質地下水為主水源，地表水為輔助水源；工業用水和生態環境應首先利用再生水、微咸水、礦井水等非常規水源，盡量減少地下水的開采利用；農業用水以地下水和地表水為主水源。在多水源調配關系的基礎上，提出一套不同水源的運行規則指導水資源調配，這些規則構成了多水源調配的策略。

1.1 地表水運用規則

(1)上游無調節水庫的提水和引水工程的可供水量要優先利用；上游有調節水庫的，應優先利用引、提工程的區間來水量和水庫來水進行供水。如果不夠用，動用水庫的可用蓄水量。

(2)當蓄、引、提工程能夠同時向多個用水對象供水時，優先按規定比例供水；如果多個用水對象事先無規定分水比例，依照配置準則進行分配。

1.2 地下水運用規則

(1)地下水利用的優先次序為：①潛水以上的地下水量；②機動供水量(潛水以上的地下水量與可供水量之間的水量)；③超采量。

(2)地下水量首先滿足生活及工業需水中必須由地下水滿足的部分，剩余的地下水可利用量即為可用于農業的地下水量。

(3)當缺水量達到一定深度，而其他水源難以保障時，才可以動用地下水超采量，且超采的地下水量應及時在豐水年進行回補。

1.3 非常規水源運用規則

黃河上中游地區可利用的非常規水源包括：再生水、礦井水、微咸水、雨水等。規劃水平年應優先利用非常規水源，作為工業發展的水源。非常規水源利用中，宜根據各地區的非常規水資源分布情況，優先利用再生水、礦井水和微咸水。這樣既可增加經濟發展的可供水量，又可緩解環境壓力。

2 模型建立

2.1 目標函數與約束條件

水資源可持續利用問題涉及多目標、多水源協調。圍繞水資源全屬性(自然、環境、生態、社會和經濟等屬性)，水資源開發利用應以促進社會、經濟、生態環境的可持續協調發展作為目標。區域水資源利用的總目標包括：社會健康穩定、生態環境質量的改善和經濟的持續發展等。其模型為

maxf(x)=f(S(x),E(x),B(x))

(1)

式中，f(x)為區域水資源調配的總目標，是社會目標S(x)、生態環境E(x)、經濟發展目標B(x)的耦和復合函數。

(1)S(x)主要涵蓋民族區域協調發展、保障國家糧食安全等方面。可采用反映區域發展平等程度的基尼系數最小和區域糧食產量最多等指標表示。

(2)E(x)主要涵蓋實現區域環境優美和諧、保障生態環境修復等方面。可采用污染物COD排放量最小和保證河流最大的生態需水量等指標進行表征。

(3)B(x)指水資源開發利用既追求經濟總量，同時注重經濟效率，選擇區域國內生產總值最大作為主要經濟發展目標。

約束條件主要有：水量平衡約束(主要包括節點水量平衡、節點間水流連續性、水庫水量平衡、河渠回歸水量平衡約束等)，工程安全約束(主要包括水庫庫容、出庫流量、引提水量、管網水力、控制點壓力約束等)，水資源開發利用與保護約束(主要包括區域耗水總量小于可利用的水資源量、地下水使用量、地下水埋深、河湖最小生態需水約束等)，變量非負約束等。

不同的目標采用不同的指標進行表征，最終通過調控手段實現各目標的優化調整。但不同目標之間、目標和約束條件之間存在著競爭與協調性的關系。在進行多水源聯合調配時，既要考慮各目標的屬性，又要考慮決策者的偏好，尋求使決策者達到最大程度滿足的均衡非劣解。不同目標之間的競爭關系見圖2。

2.2 模型求解

水資源供需分析計算一般采用長系列月調節計算方法，結合多水源聯合調配策略，采用水資源系統分析原理，選擇模擬模型和交互式決策結合的方法進行不同方案的水資源供需分析，最終獲得使決策者滿意的多水源聯合調配方案。通過交互式決策，實現模擬模型輸出和專家決策的相互溝通，獲得對區域多水源聯合調配的宏觀決策。

圖2 多目標之間競爭關系

本次所用模擬模型是一個網絡模型，以最小費用最大流(MAXMIN法)理論為基礎，經改進后將其用于帶下限的網絡中進行求解，可用于各個節點的水量平衡計算。模擬模型分析的主要步驟如下。

(1)對區域水資源系統中的各個要素和它們之間的關系進行描述，繪制區域節點圖。

(2)明確模型運行的各項政策：①建立作物單產～水反映函數；②計算各類用戶需水要求；③將水庫庫容劃分出若干蓄水層，賦予相應的優先序，并將水庫供水范圍內各種需水的優先序組合在一起，制定水庫運行規則；④確定各節點上生活及工業需水、農業需水、水庫蓄水等項的供水優先序；⑤采用水利經濟計算規程中建議的方法，對農業、工業及生活等不同用水部門進行經濟效益計算。

(3)將模型所需的各類數據整理成節點文件。

(4)根據區域情況、生產需求、政策變化及模型的輸出成果調整運行政策或擬定運行方案。

3 區域多水源聯合調配方案

結合多水源調配策略和已建的多水源聯合調配模型，本次研究選擇呼和浩特市為典型研究區域，開展多水源聯合調配計算，分析調配方案。呼和浩特市是內蒙古自治區首府，位于內蒙古自治區中部，黃河作為過境河流，由托克托縣西南部入境，先后流經頭道拐、河口鎮等，經清水河縣出境后進入山西省[6]。近年來，隨著國家“一帶一路”戰略的實施，經濟快速發展，對水資源的需求不斷增長，供需矛盾日益突出。

3.1 水資源開發利用

自20世紀80年代以來，隨著國民經濟的發展，呼和浩特市的供水量不斷增加。1980年，呼和浩特市供水量僅5.34億m3，2015年呼和浩特市總供水量達到10.34億m3，35年間供水增長了5億m3。現狀供水量以地表水和地下水為主，非常規水源供水比重較小。呼和浩特市歷年供水量統計情況見圖3。未來隨著經濟社會發展，區域需水量將持續增長，預測2020年、2030年呼和浩特市水資源需求量將分別達到11.38億、13.29億m3。

圖3 1980年～2015年呼和浩特市供水量變化情況

3.2 總體調配方案

規劃水平年以區域水資源時空分布為基礎，以產業布局優化、規模調整為手段，實現水資源與經濟社會、生態環境的協調發展。規劃水平年呼和浩特市多水源聯合調配方案見表1。

表1 呼和浩特市多水源聯合調配方案 萬m3

從調配結果看，2020年黃河干流供水量增加較多，對地下水超采區實施壓采保護，地下水供水量有所減少，以再生水為主的非常規水源利用量大幅度增加，形成以黃河干流水、地下水源為主，當地地表水和再生水等多種水源聯合供水的格局；改變目前供水結構單一、過度依賴常規水源的狀況，以提高水資源保障能力和系統應急能力。與2020年相比，2030年呼和浩特市通過工程措施提高供水能力和供水保障程度，黃河干流水和非常規水源供水量進一步增加，提出的調配方案可基本滿足遠期經濟社會發展對水資源的需求。

3.3 分行業調配方案

進一步對各行業的調配方案進行分析，見圖4～圖8。由圖可知，規劃水平年呼和浩特市生活、工業、生態環境配置水量均有所增加，農業配置水量所占比例有所減少。

圖4 居民生活用戶多水源調配方案

圖5 城鎮公共用戶多水源調配方案

圖6 工業用戶多水源調配方案

圖7 農業用戶多水源調配方案

圖8 生態環境用戶多水源調配方案

規劃水平年農業在節水中求發展，隨著節水水平的提高，農業配置水量與現狀年相比有所減少，以地下水、黃河干流水和當地地表水為主。工業配置水量不斷增加，從現狀的1.38億m3增加到2030年的2.29億m3，并且改變現狀以地下水為主的狀況(部分食品工業由于對水質要求較高，仍開采少量地下水)，形成以黃河干流水和再生水為主的配水格局。居民生活和城鎮公共配置水量以優質地下水和黃河干流水為主，隨著生活水平的提高和社會的發展，居民生活和城鎮公共配置水量不斷增加。生態環境配置水量以黃河干流水和非常規水源為主，隨著生態文明建設需求的不斷提高將不斷增加。

3.4 總體布局

根據多水源聯合調配方案，提出規劃水平年呼和浩特市水源利用：以黃河干流水和地下水為中心，合理有效利用當地地表水，大力促進非常規水源利用，形成多水源聯合調配的總體格局。從用水格局看，在優先滿足生活用水、保障基本生態環境用水的基礎上，通過水量配置引導產業規模布局優化，實現產業發展布局與水資源配置格局的協調。從水資源利用的空間布局看，北部主要為武川縣，其中山丘區以水源涵養為主，加強水資源保護和水土保持建設；平原區發展高效生態農業，抑制高耗水產業的發展，水源利用以地下水為主。中部是呼和浩特市城鎮生活用水的中心區，同時也是工業發展的核心區，需要以區域發展總體規劃為導向，生活用水以優質地下水為主；工業用水以黃河水和再生水為主，加強城市水源網絡系統、沿黃取水工程和再生水管網系統建設，提高供水的保障程度。南部水源以當地地表水和地下水為主，可適當加大當地地表水的合理利用，優先保障城鄉飲水安全和城鎮供水安全，保證當地工業發展。

4 結 論

本文提出了包含地表水、地下水、非常規水源等的多水源聯合調配策略，構建了區域多目標優化模型，形成區域多水源開發聯合調劑的安全保障格局。以呼和浩特市為典型區域，提出不同水平年呼和浩特市多水源優化調配的方案，2020年、2030年多年平均供水量分別為10.74億、13.03億m3，可基本保障區域水資源安全，保障居民生活水平提高、經濟發展和環境改善的用水要求，實現多水源調劑的供水格局。