十堰市中心城區水資源配置方案研究

劉晨輝 蔣兆英 劉思

(1.湖北省水利水電規劃勘測設計研究院，湖北 武漢 430064；2.湖北省水利水電科學研究院，湖北 武漢 430070)

1 研究背景

十堰市位于湖北省鄂西北山區，與陜、渝、豫三省市交界，漢江以南，武當山以西，秦嶺大巴山以東，是鄂、豫、陜、渝毗鄰地區的區域性中心城市，鄂西生態文化旅游圈的核心城市，擁有武當山、丹江水、汽車城3處著名景點。

十堰市中心城區包括張灣區和茅箭區，是十堰市政府所在地，是十堰市的政治、經濟、文化和商貿中心。十堰市臨近漢江、丹江口水庫和堵河，但十堰城區的本地水資源比較匱乏，地區多年平均徑流深不足300mm，人均水資源量不足400m3。隨著十堰市中心城區社會經濟的發展，城鎮生活、工業以及生態環境用水需求快速增長，城市供需水矛盾日益突出。

在區域水資源調查評價、開發利用評價、需水預測、供水預測等成果基礎上，建立了十堰市中心城區水資源配置模型，組合不同供需條件下的工程措施，確定滿足區域人口、資源、環境與經濟協調發展的水資源最佳配置方案[1-6]。

十堰市中心城區水資源配置工程方案為：從堵河潘口水庫引水至十堰城區馬家河水庫，再設支線引入茅塔河水庫、百二河水庫和城區各水廠。工程引水干線全程65.56km，渠首設計引水流量6.70 m3/s，多年平均引水量1.66億m3。工程主要解決十堰城區生活、工業供水問題，兼顧百二河生態補水。

2 水資源供需平衡分析

2.1 供需平衡分析范圍

十堰中心城區水資源配置工程供水范圍為：十堰市中心城區(不含鄖陽區)，包括張灣區的花果、紅衛、車城路和漢江路街辦和柏林鎮，茅箭區的武當路、二堰、五堰、白浪街辦，總面積446km2，2016年常住人口74.74萬人。

2.2 需水預測

2.2.1 河道外需水

河道外需水包括生活、生產和生態環境需水。其中，生活需水包括城鎮居民生活需水和農村居民生活需水；生產需水是指有經濟產出的各類生產活動所需的水量，包括第一產業的種植業和畜牧業、第二產業的工業和建筑業、第三產業的商飲業和其他服務業等。本部分生態環境需水量指河道外生態環境需水，包括道路澆灑用水、綠化用水等。首先對十堰市中心城區張灣區、茅箭區全區的供水需求進行預測，再分解到供水范圍內。

根據統計年鑒和公報數據分析得到十堰市中心城區各項社會經濟指標，根據相關發展規劃分析地區各項社會經濟指標增長率，進而預測規劃水平年社會經濟指標。需水預測采用定額法，預測供水區現狀2016年、2035年的總需水量分別為1.35億m3、2.25億m3。

2.2.2 需水合理性分析

規劃水平年十堰市城區需水預測時，基準年各項社會經濟指標由統計年鑒分析得到，人口增長率、城鎮化率、GDP及工業增加值預測值與當地發展規劃銜接，基本能反映地區實際發展情況。為進一步驗證需水預測的合理性，從用水定額和用水總量控制指標兩個方面復核預測需水量。

2.2.2.1 用水定額

規劃水平年需水量預測以“三先三后”為原則，全面貫徹節水為主的方針，設計水平年各行業定額均充分考慮節水因素。將本次預測需水定額與2030年湖北省、十堰市需水定額進行比較分析，見表1。本次預測城鎮生活、農村生活、農田灌溉、農田灌溉水利用系數與《湖北省工業與生活用水定額(修訂)》《湖北省灌溉用水定額標準》中湖北省用水定額基本相當，萬元工業增加值指標明顯低于湖北省用水指標，其主要原因是十堰市中心城區位于南水北調中線工程水源丹江口水庫上游，對企業污水排放有嚴格要求，企業用水工藝較先進，節水程度高。

表1 需水預測定額

2.2.2.2 用水總量

依照國務院《關于實行最嚴格的水資源管理制度的意見》(國發﹝2012﹞3號)和《十堰市實施最嚴格水資源管理制度方案》，十堰市全市2015年、2030年用水總量控制指標分別為10.44億m3、12.61億m3，分解到十堰市中心城區張灣區和茅箭區2015年、2030年用水總量控制指標分別為2.34億m3、2.8億m3；本次供水范圍內的區域現狀2016年、2035年的總需水量分別為1.35億m3、2.25億m3。預測成果均在用水總量控制指標以內，因此成果合理。

2.2.3 河道內需水

百二河從十堰市中心城區內穿城而過，是十堰市重要的人文、生態和景觀河道，由于河道天然來水量不足，本次引水時考慮兼顧對百二河進行生態補水。采用《河湖生態環境需水計算規范》(SL/Z 712—2014)中Tennant法和水環境容量法分別計算百二河城區段內生態環境需水量，并綜合考慮河流特性、生態環境需求、開發利用程度等因素，經綜合分析，確定百二河城區段生態引水規模為0.5m3/s。

2.3 供水工程

十堰現狀供水工程包括：黃龍灘水庫引水工程，從堵河黃龍灘水庫通過管道引水至十堰城區，取水規模約4.0m3/s；馬家河中型水庫，壩址以上承雨面積125km2，總庫容2310萬m3；茅塔河中型水庫，壩址以上承雨面積91km2，總庫容1108萬m3。規劃水平年還包括中水回用工程，年中水回用量約3250萬m3。

2.4 水資源供需平衡分析

由基準年(2017年)和規劃水平年(2035年)十堰市城區供水工程布局，組成城區供水系統，根據系統的來水條件、工程狀況、需水要求及相應的運用調度方式和規則，進行長系列逐旬調節計算，得到基準年和規劃水平年水資源供需平衡成果，見表2。

表2 十堰市中心城區水資源供需平衡成果

根據水資源供需平衡計算成果，基準年十堰城區各片區供水保證率91.3%～99.9%，基本可滿足供水需求，缺水時段較少；規劃水平年十堰市城區需水量顯著增長，但可供水量有限，缺水量較大。

3 水資源配置方案

3.1 水資源配置原則

a.將當地的地表水與外引水水量進行聯合調度使用，實現豐枯互補，且優先使用當地水資源，當地水資源不足時才使用外引水。

b.水庫優先考慮下泄生態基流，退還下游河道被擠占的生態用水。

c.水資源配置時，以保障地區防洪安全、不影響水庫現有防洪能力為首要原則，各水庫按調度規程運行。

d.供水計算時，優先使用本地水庫上游來水和水庫蓄水，然后是外引水供水，當外引水富余且水庫有空余充蓄庫容時，對馬家河水庫和茅塔河水庫進行充蓄，減少輸水工程規模。

3.2 水資源配置方案

規劃水平年十堰城區在充分挖掘當地水資源的基礎上，仍不能滿足十堰城區生活、生產及生態用水需求，需考慮外流域調水。根據十堰市城區周邊水源條件，從技術可行性和經濟合理性等角度進行綜合分析，最終確定以潘口水庫為水源的引調水方案，見圖1。規劃水平年優先使用馬家河水庫和茅塔河水庫向十堰城區供水，黃龍灘水庫轉為備用水源，城區不足供水量全部由新建潘口引水工程提供。潘口引水先由引水干管引至馬家河水庫，再設分別支線引入茅塔河水庫、百二河水庫和城區各水廠，提供十堰城區生活、生產用水以及百二河生態補水。

圖1 十堰市中心城區水資源配置方案

4 水資源配置模型及計算成果

4.1 水資源配置模型

在現狀供用水情況調查評價、需水預測的基礎上，建立十堰市中心城區的水資源配置模型。水資源配置模型以區域徑流來水過程、預測需水量、供水工程供水能力為計算條件，對各供水用戶進行分區和概化，進行長系列水資源供需平衡調算，分析不同水平年、不同供水方案下區域水資源供需平衡情況。模型計算時段為1973—2015年，單位時段為旬，根據供需平衡分析結果來對供水方案進行不斷調整和修正，調整工程供水能力，最終得到滿足平衡要求的水資源配置方案。

4.2 模型計算原理

水資源配置模型是在擬定的水資源配置方案下，研究區域內各供水單元的水資源供與需的平衡，其基本原理是水量平衡和以需定供。計算約束條件包括長系列各計算時段內的來水量、水庫庫容限制、城鎮生活需水量、農業需水量、引水工程供水能力約束等。計算采用VBA編程語言實現，模型計算流程圖見圖2。

圖2 水資源供需平衡計算模型計算流程

4.3 主要計算公式

水量平衡計算公式如下：

WQ=WG-WX

(1)

引水工程供需平衡計算公式如下：

水庫工程供需平衡計算公式如下：

當WX>W1+WL時，WG=W1+WL

(4)

當WX

(5)

WQI=W1+W-WG-WS-VX

(6)

式中：WQ為缺水量;WG為供水量;WX為需水量；WY為可引水能力；WL為水庫時段內來水；W1為水庫時段初蓄水；W2為水庫時段未蓄水；WS為水庫蒸發、滲漏損失；VX為水庫興利庫容；WQI為水庫棄水量。

農機是農業生產過程中的主要機械設備，在現代農業發展過程中農機事業發展十分迅速。深松整地技術是農機應用過程中的常見技術，指的是依賴拖拉機的牽引深松機對土壤進行耕作的技術，在農業生產過程中要加強對深松機械設備的應用，并且對深松技術進行推廣，使得更多農戶能夠了解深松技術要求，提高深松作業水平。

計算時按逐時段、逐級順序循環計算。

4.4 模型計算成果

根據模型計算成果，規劃水平年水資源配置方案下，十堰市中心城區多年平均需水量23011萬m3，供水量23011萬m3。規劃水平年供水保證率達到97%以上，滿足城市供水要求。規劃水平年水資源配置計算成果見表3。

表3 十堰市中心城區水資源供需平衡成果

4.5 設計引水流量

潘口水庫至馬家河水庫引水干線、馬家河水庫至茅塔河水庫引水支線、馬家河水庫至百二河引水支線長系列逐旬引水量及引水流量由水資源配置模型計算得到。考慮引水渠道沿程輸水損失后，引水干渠渠首設計引水流量為6.7m3/s；馬家河水庫至百二河引水支線設計流量為長系列最大旬引水流量0.5m3/s；馬家河水庫至茅塔河水庫引水支線最大旬引水流量為0.71m3/s，考慮與對應的水廠規劃凈水處理規模，取0.82m3/s，具體設計流量見表4。

表4 引水干支渠設計流量計算 單位：m3/s

5 充蓄水庫在區域水資源配置方案中的應用分析

5.1 充蓄水庫在水資源配置方案中的應用

十堰城區現有馬家河水庫和茅塔河水庫兩座本地中型水庫，兩座水庫庫容較大，且均為十堰城區供水水庫，水庫通向城區水廠供水管網已布設連接好，水庫水源地保護措施已到位，具備引水入庫條件。馬家河水庫和茅塔河水庫位于輸水線路附近，其地理位置和高程，可滿足自流引水入庫條件。考慮城市用水過程年內冬夏季變幅較大，供水不均勻，將外引水先引至馬家河水庫和茅塔河水庫，充分利用這兩座水庫的調節作用進行充蓄和錯峰調度，可以減少輸水工程規模，降低工程投資。同時，在潘口水庫至馬家河水庫引水干線每年1月檢修期前，可先在馬家河水庫和茅塔河水庫內充庫蓄水，作為工程檢修期內供水。

5.2 充蓄效益分析

5.2.1 調蓄水庫減少輸水工程設計流量作用分析

為研究調蓄水庫減少輸水工程設計流量作用，擬定了潘口水庫引水直接進入城區各水廠的直供方案和潘口水庫引水先進入馬家河水庫和茅塔河水庫充蓄的方案，將兩套方案計算成果進行比較，見表5。由計算成果可知，相比直供方案，采用充蓄方案，可減少引水規模，而潘口水庫總引水量和棄水量略有增加，但增加很少。綜合工程投資、供水管理等多方面因素，充蓄方案具有明顯優勢。

表5 直供方案與充蓄方案計算成果對比

潘口引水工程輸水干渠檢修期設置在1月下旬，檢修時間為7天，檢修期十堰城區總需水量約為379萬m3(扣除中水回用量)。檢修期間總干渠停止引水，在檢修期前，須對馬家河水庫和茅塔河水庫進行引水充蓄，儲備足夠水量，保證工程檢修期十堰城區的正常供水。計劃在汛期結束后的11月初開始充蓄，充蓄時間為11月初至次年1月中旬，馬家河水庫充蓄水位290.2m，茅塔河水庫充蓄水位269.2m。

根據水資源配置模型計算成果，計算多年平均、一般枯水年(P=75%)、特枯水年(P=95%)條件下水庫總蓄水量分別為897m3、481m3、427m3，可滿足檢修期十堰城區供水需求，詳見表6。

表6 檢修期蓄水量計算成果

6 結 語

為解決十堰市中心城區日益凸顯的供水矛盾，本文實現區域水資源合理配置，本文在對十堰城區供、需水量進行系統分析的基礎上，擬定了從堵河潘口水庫引水的水資源配置方案，并進行了配置水量計算。引水工程渠首設計引水流量為6.70 m3/s，多年平均引水量1.66億m3。引水后，十堰市中心城區供水保證率達到了99.9%，滿足規劃水平年城區供水要求。在利用外引水量進行地區水資源配置時，充分發揮了本地馬家河水庫、茅塔河水庫調蓄作用，形成外引水與當地水相結合、區域用水互相調劑的配置格局，實現了減小引水工程規模、預存工程檢修期供水等功能。