寧東能源化工基地水資源優化配置研究

范 磊， 趙振宏, 王旭升， 錢 會

(1.長安大學 環境科學與工程學院， 陜西 西安 710054； 2.西安市城市規劃設計研究院， 陜西 西安 710082；3.中國地質調查局西安地質調查中心， 陜西 西安 710054； 4.中國地質大學(北京)， 北京 100083)

1 研究背景

寧東能源化工基地是國務院批準的國家重點開發區、國家重要的大型煤炭生產基地、“西電東送”火電基地、煤化工產業基地和循環經濟示范區。基地位于鄂爾多斯盆地西緣靈鹽臺地之上，水資源極為貧乏，供水來源單一，絕大部分供水來源于黃河，少量來源于吳忠平原地下水。黃河引水不但用水成本很高，而且地表水易受污染，輸水又具有季節性，保障程度低。因此，如何高效利用水資源是寧東能源化工基地建設面臨的重要問題，受到社會各界的廣泛關注。本研究提出了基地地表水和地下水聯合配置供水方案，并對方案進行了優化研究。

水資源優化配置是在流域或特定的區域范圍內，根據相關原則，通過合理抑制需求，保障有效供給等手段，對多種可利用水源在區域間和各用水部門間進行調配[1]。1960年，Colorado大學對各部門需水計劃和未來水資源可供給量進行的合作研究，是水資源優化配置思想的雛形。此后，水資源優化配置模型的研究快速發展，近年來興起的遺傳算法(GA)、模擬退火算法(SA)等新的優化算法，使水資源優化配置研究有效性顯著提高。我國的水資源優化配置研究起步較晚，但進展迅速。20世紀80-90年代，賀北方[2]對區域水資源優化配置模型及實際應用問題進行了探索；2000年以來，水資源優化配置研究發展較快，在優化理論、優化方法和實際應用等方面的研究都取得了較大發展[3-7]。近年來，水資源優化配置問題的研究主要集中于對優化方法的探索及實際應用問題的解決[8-12]，尤其對礦區水資源綜合利用和優化配置進行了有益的探索[13-16]，對寧夏等干旱半干旱地區依據不同目的和需求的水資源優化配置研究也取得了可喜的進展[17-20]。對于寧東能源化工基地的水資源優化配置問題，目前只是給出了基地各類水(黃河水、礦井疏干水、處理污水)配置數量，提出了礦井水、各類廢水處理利用及節約用水解決基地供水的措施[13-14]，尚未涉及基地地表水與地下水的聯合運用以及水資源優化配置問題。因而前人的研究對基地合理高效開發利用水資源的實際指導作用尚有欠缺，有必要進行深入研究。本研究依據“鄂爾多斯盆地(寧夏)能源基地地下水勘查”項目的地下水資源評價資料，結合寧東能源化工基地建設規劃對水資源需求，提出了地表水和地下水聯合配置供水方案，并采用線性規劃模型對供水方案進行了優化研究，為基地水資源高效利用提供基礎依據，也為干旱區工業基地經濟合理利用水資源提供參考。

2 研究資料和研究方法

本研究根據寧東能源化工基地產業規劃對水資源的需求及供水現狀，依據“鄂爾多斯盆地(寧夏)能源基地地下水勘查”項目的地下水資源評價資料(2014年)，利用拓撲圖方式表達地表水與地下水聯合供水方案的基本內容，采用線性規劃模型對聯合供水方案進行優化研究，確定供水方案中地下水和地表水的實際配額及地下水供水路線。

2.1 寧東能源化工基地產業規劃對水資源的需求及供水現狀

2.1.1 寧東能源化工基地產業規劃 按照寧東能源化工基地總體規劃，基地以煤炭、電力和煤化工為3大主導產業，輔助發展石油天然氣化工、精細化工、材料工業和其他服務業。煤礦區包括靈武、鴛鴦湖、橫城、馬家灘、積家井等礦區和井田，電廠包括馬連臺電廠、靈州煤矸石綜合電廠、靈武電廠、鴛鴦湖電廠、水洞溝電廠、方家莊電廠和棗泉電廠等。3個工業園區包括煤化工園區、臨河綜合項目區和靈州綜合項目區。在寧夏東北部與內蒙古交界地帶建設了平羅精細化工基地。寧東能源化工基地地理位置及主要廠礦的分布見圖1所示。

圖1 寧東能源化工基地廠礦分布圖

2.1.2 寧東基地對水資源的需求 根據《寧東基地總體規劃與建設綱要》，2020年總需水量達到3.43×108m3/a，其中煤礦生產生活用水0.16×108m3/a，電廠生產生活用水0.29×108m3/a，煤化工生產用水2.98×108m3/a ，以煤化工用水量最大。環保綠化需水可通過礦坑廢水和工業廢水的處理或再循環利用解決。

2.1.3 寧東基地引黃供水工程和應急水源需求

(1)引黃供水工程。鴨子蕩水庫位于基地北部，2020年供水量可以達到3.0×108m3/a；太陽山供水工程(劉家溝水庫)位于基地南部，供水量為0.36×108m3/a。這兩座水庫的水源均來自黃河，水量的配額來自水權置換，即把農業節約用水所產生的余額分配給工業用水。

(2)應急水源需求。應急水源首先保障煤礦生產生活、電廠生產生活用水的需求，即2020年煤礦生產生活用水0.16×108m3/a，電廠生產生活用水0.29×108m3/a，合計0.45×108m3/a。煤化工項目的用水需求暫且不納入應急供水保障范圍。

2.2 地下水源地及其供水潛力

目前，已經探明可以向寧東能源化工基地供水的地下水水源地有5處。通過對“鄂爾多斯盆地(寧夏)能源基地地下水勘查”項目地下水資源評價資料的歸納整理，可向寧東能源化工基地提供淡水的地下水水源地的現狀開采量、工程可開采量及開采潛力(供水能力)統計見表1。

表1 寧東能源化工基地水源地地下水開采量及開采潛力統計表 108(m3·a-1)

(1)駱駝井水源地: 處于基地西部，屬于北大池閉流區?，F狀開采量0.018×108m3/a，工程可開采量 0.064×108m3/a，尚有0.046×108m3/a開采潛力(供水能力)。

(2)靈武大泉水源地：包括北部大泉鄉現有水源地和大泉1號備選水源地。北部大泉鄉現有水源地(直接供給神華基地)，現狀開采量0.090×108m3/a，工程可開采量0.109×108m3/a；大泉1號備選水源地，現狀無開采，工程可開采量0.170×108m3/a。該水源地尚有0.189×108m3/a開采潛力 。

(3)靈武崇興水源地：現狀開采量0.040×108m3/a，工程可開采量0.070×108m3/a ，該水源地尚有0.030×108m3/a開采潛力。該水源地已經是靈武市區的供水水源地。

(4)陶樂平原水源地：處于基地北部。高仁鎮水源地已開采0.010×108m3/a，傍河水源地工程可開采量0.113×108m3/a，該水源地尚有0.113×108m3/a開采潛力。

(5)吳忠平原傍河水源地：包括吳忠2號應急備選水源地和靈武西側的梧桐樹3號備選傍河水源地。吳忠2號應急備選水源地位于黃河東岸，可開采量0.153×108m3/a；靈武西側的梧桐樹3號備選傍河水源地可開采量0.093×108m3/a。兩水源地現狀無開采，該水源地開采潛力0.246×108m3/a。

歸納得出：寧東能源化工基地西部的鹽池駱駝井地區水源地可供水0.046×108m3/a，東部的靈武地區水源地可供水0.465×108m3/a，而北部的陶樂地區水源地可供水0.113×108m3/a?？上驅帠|能源化工基地供水的地下水水源地合計供水能力為0.624×108m3/a。

3 結果與討論

3.1 地表水與地下水聯合配置供水方案

按照寧東能源基地的總體規劃，能源化工企業的用水主要由鴨子蕩水庫和劉家溝水庫提供。引黃供水維護運營的成本很高，蒸發滲漏造成的水資源浪費較大，而且地表水易受污染，保障程度低。在探明了地下水水源地之后，通過適當引入地下水的供水工程，可以減少蒸發損失，降低運營成本，并起到應急供水的作用, 提高用水保障程度。但是，僅由現有的地下水水源地，還不能滿足能源化工基地的全部新鮮淡水需求。因此，采用地表水與地下水聯合配置供水方案，將更有利于區域水資源的高效開發利用。經分析研究，提出了如圖2所示的寧東能源化工基地地表水與地下水聯合配置供水方案。

方案的要點如下：

(1)陶樂水源地向平羅精細化工基地單獨供水。平羅精細化工基地在陶樂地區的北端，目前的供水措施是引黃河水。該基地規劃供水為2.0×104m3/d(0.073×108m3/a)，而陶樂傍河水源地的可開采量達到0.113×108m3/a，能夠滿足平羅精細化工基地的需求。

(2)修建輸水管道和配水站聯合基地西部駱駝井水源地，向橫城工礦區和鴛鴦湖礦區供水。駱駝井水源地的供水能力為0.046×108m3/a。

(3)在靈武地區，修建配水站和輸水管道聯合傍河3號水源地和鴨子蕩水庫的供水管道，向橫城工礦區供水。另外修建配水站聯合現有的崇興水源地和2號備選水源地聯合鴨子蕩水庫的供水管道，向靈武工礦區提供煤礦和電廠的生產生活用水。這種與鴨子蕩水庫聯合調度的方案中，地下水的可供水量達到0.276×108m3/a。鴨子蕩水庫則向煤化工基地提供煤化工項目的新鮮淡水需求，2020年設計供水能力為2.98×108m3/a，地下水可供水量占比很小。

(4)在靈武南部地區，將大泉水源地與1號備選水源地與劉家溝水庫的地表水進行聯合調度，向積家井和馬家灘工礦區供水。馬家灘和積家井礦區2020年規劃需要0.054×108m3/a的新鮮淡水, 低于劉家溝水庫的供水能力。大泉水源地和1號水源地的可供水總量為0.189×108m3/a，比馬家灘和積家井礦區需求量還大，因此剩余的水量可以向北分配到靈武工礦區。

圖2 寧東能源化工基地地表水與地下水聯合配置供水方案拓撲圖

3.2 寧東能源化工基地地表水和地下水聯合配置供水方案的優化

以上的討論提出了寧東能源化工基地地表水與地下水聯合配置供水方案，確定了周邊地下水水源地的供水線路和最大可能供水規模，但還存在很大的不確定性，即地表水和地下水的實際配額達到多大才是經濟合理的方案。為了定量的確定方案中的供水配額，本文依據線性規劃理論，通過建模和模型求解對聯合供水方案進行優化，即在最低的經濟成本達到供水目標前提下對地表水和地下水資源進行優化配置。

線性規劃法是數學規劃的一個重要分支，是研究在現有人力、物力等資源條件下，合理調配和有效使用資源，以達到最優目標(產量最高、利潤最大、成本最小、資源消耗最少等)的一種數學方法。線性規劃法是水資源優化配置方法中最基本的方法，建模簡單，并可通過計算機軟件進行計算[10]。

3.2.1 模型方程的建立 寧東能源化工基地地表水與地下水聯合配置供水方案優化的基本思路是用最低的經濟成本達到供水目標。因為引用黃河水的供水方案是已經有規劃的，工程建設已經部分完成。因此，在本模型中不再考慮地表供水工程的基礎設施投資，而主要考慮地下水供水工程的基礎設施投資和運營成本。

供水總量取決于需求，應滿足以下關系式

Q1+Q2=Qx

(1)

式中：Q1為地表水的有效供水量，108m3/a；Q2為地下水的供水量，108m3/a；Qx為需要達到的總供水量，108m3/a。設地表水引水量為Qs(108m3/a)，考慮到蒸發和滲漏損失量，地表水有效供水量與引水量關系為：

Q1=(1-η)Qs

(2)

式中：η為損失系數(無量綱)，按照鴨子蕩水庫的有關資料，η可取3.3%(源自“寧東能源化工基地一期供水工程水資源論證報告書”)。

對于損失的水量，屬于水資源的浪費，引入以下罰函數：

(3)

式中：Jw為模型中引入的處罰成本；qs為為單方水的水權置換成本；es為處罰的倍增函數(即每多浪費1 m3水需要增加的單方成本)。根據寧夏地區水權置換的經驗，qs=2.0元/m3。es可取0.01元/104m3，表示每浪費1×104m3水單價上漲0.01元。

對于任一地下水水源地，開采量會引起當地供水和生態環境壓力，其水權置換的單方成本隨著實際開采量與可開采量的比例(環境壓力增大)增加，計算公式為：

(4)

式中：qg為地下水的基礎水權置換單方成本，取值為2.0元/m3。

總的經濟成本按下式計算：

(5)

式中：Δt為模型考慮的投資回收周期，a，取Δt=20a；qsQ1為地表水的水權置換成本；qe為地下水供水工程的基礎設施投資單方成本，0.04元/m3·km；Lg為輸水距離，km；ms為地表水供水工程的運營配水成本，1.5元/m3；mg為地下水供水工程的配水運營成本，1.0元/m3。

規劃模型的目標函數為：

Jx=minJx(Qs,Qg)

(6)

即聯合供水方案在20 a內的總成本達到最低的情況下，確定地表水的供水量Qs及地下水的供水量Qg。

地表水和地下水供水均需滿足以下約束條件：

Qs≤QR；Qg≤QP

(7)

式中：QR為地表水庫的供水能力，108m3/a；QP為地下水的可開采量，108m3/a。

3.2.2 模型求解 模型求解通過計算機軟件進行。對圖2中的供水方案可以分解為陶樂地區、中部工礦區和南部工礦區幾個組成部分，分別求解各自的優化模型，遵循用最低的經濟成本達到供水目標的原則，對各區地表水和地下水資源進行優化配置。

(1)陶樂地區水資源優化配置方案。陶樂地區平羅精細化工基地的需水量為Qx=0.073×108m3/a，而陶樂水源地地下水可開采量QP=0.113×108m3/a，目前黃河三棵柳引水工程供水能力為QR=0.055×108m3/a，輸水距離是Lg=40 km。模型求解得到的結果如圖3所示。

圖3可以看出：隨著地下水的供水量增加，供水經濟成本總體呈現下降趨勢。當地下水的供水量達到0.065×108m3/a時，供水成本降低到最低。陶樂傍河水源地的可開采量達到0.113×108m3/a，但只需開采0.065×108m3/a就可以滿足經濟成本最優的供水目標，這樣地表水需要調度配置0.008×108m3/a。

(2)中部工礦區水資源優化配置方案。中部工礦區包括橫城工礦區、靈武工礦區和鴛鴦湖工礦區，聯合供水的總需水量為Qx=0.396×108m3/a，地表供水工程為鴨子蕩水庫，除去向煤化工的供水外，剩余供水能力為0.256×108m3/a?？晒┧牡叵滤吹赜?個：駱駝井水源地、現有的靈武崇興水源地、3號備選水源地和2號備選水源地，地下水總計可供水量0.352×108m3/a。首先進行總量的優化選擇，然后按照各個水源地的供水能力分配供水量，平均輸水距離按照60 km計，模型求解得到的結果如圖4所示。

圖4可以看出：隨著地下水的供水量增加，供水經濟成本總體呈現上升趨勢，但當地下水的供水量達到0.175×108m3/a時，供水成本降低到最低。因中部礦區聯合供水的總需水量為Qx=0.396×108m3/a，故中部工礦區水資源最優配置方案應為：地下水的供水總量采用0.175×108m3/a；地表水的供水量為0.245×108m3/a。在周邊水源地中，崇興水源地已是靈武市供水水源地，可不作為寧東基地供水水源地考慮；2號水源地與3號水源地按照供水能力和輸水距離進行比例劃分，建議開采方案為：駱駝井水源地0.019×108m3/a(駱駝井水源地可開采量0.046×108m3/a，占可開采量41%)；靈武平原2號備選水源地0.089×108m3/a(占可開采量58%)；靈武平原3號備選水源地0.067×108m3/a(占可開采量72%)。

(3)南部工礦區水資源優化配置方案。南部工礦區包括馬家灘工礦區和積家井工礦區，聯合供水的總需水量為Qx=0.054×108m3/a，地表供水工程為劉家溝水庫，供水能力為0.061×108m3/a。地下水水源地為大泉鄉水源地和1號備選水源地，可開采量為0.189×108m3/a，輸水距離為50 km。模型求解得到的結果如圖5所示。

圖3 陶樂地區供水方案經濟成本隨地下水供水量的變化曲線 圖4 中部工礦區供水方案經濟成本隨地下水供水量的變化曲線 圖5 南部工礦區供水方案經濟成本隨地下水供水量的變化曲線

圖5可以看出：采用地下水可以降低供水成本，且全部采用地下水時成本最低。靈武1號備選水源地的可開采量為0.170×108m3/a，超過了南部工礦區的需水量，因此南部工礦區可以考慮全部由1號備選水源地供水。

3.2.3 聯合供水方案地下水的實際供水路線和供水配額 為實現用最低的經濟成本達到供水目標，通過對地表水與地下水聯合配置供水方案優化，地下水的實際供水路線和供水配額歸納見表2。

表2 聯合供水方案地下水的實際供水路線和供水配額

由表2可知，按總供水量0.294×108m3/a和最佳供水路線聯合配置地下水，地表水配額只需3.136×108m3/a，既能滿足寧東能源化工基地2020年規劃對水資源需求，又能提高用水保障程度，實現社會經濟和環境效益的最大化。

4 結 論

(1)研究了寧東能源化工基地地表水和地下水聯合配置供水的方案，并采用線性規劃模型對聯合配置供水方案進行優化，根據優化方案確定了地下水的實際供水路線和供水配額。陶樂傍河水源地可向平羅精細化工基地供水0.065×108m3/a；駱駝井應急水源地向橫城和鴛鴦湖工礦區供水 0.019×108m3/a；吳忠平原2號和3號備選水源地向靈武工礦區供水0.089×108m3/a和0.067×108m3/a；大泉地區的1號水源地向南部的馬家灘和積家井工礦區供水0.054×108m3/a。

(2)根據優化方案確定的地下水實際供水路線及配額聯合地表水供水，既可實現用最低的經濟成本達到寧東能源化工基地2020年規劃的供水目標，又能提高基地供水保障程度，減少地表水蒸發等造成的水資源損失，從而實現區域水資源的高效開發利用。