基于罕見枯水期的北方嚴重缺水城市供水預測及保障調度方案研究

孫志毅

(大連市水務事務服務中心，遼寧 大連 116001)

大連地區屬于我國缺水較為嚴重的區域，城市供水保證率是當前地區水資源配置最先保障的目標，也是大連市城市水資源供需分析的重要內容[1- 2]。當前，隨著城市供水保證率的逐年提高，當來水量不能滿足城市供水保證率尤其是出現罕見的枯水期時，需要及時制定城市應急供水保障調度方案，最大程度滿足城市供水的正常需求[3- 4]。大連市城市供水系統主要由5個部分組成，分別為金州以南地區供水系統、普蘭店區供水系統、瓦房店市供水系統、莊河市供水系統以及外調水供水系統，外調水作為大連地區主要的應急供水系統，水源來源于大伙房水庫輸水工程[5- 7]。近些年來，關于城市來水短缺情形下的供水應急調度方案已成為許多地區急需實施的方案[8- 12]，尤其是在缺水較為嚴重的城市，罕見枯水期供水預測及保障調度方案對于城市水量應急調度具有重要的支撐作用[13- 14]。為此本文以大連市各大水庫現有蓄水量為基準，結合用水量分析，預測未來2a若出現罕見枯水期的來水組合，并得出不同組合條件下的大連市供水保證率情況，從而可計算大伙房水庫輸水入大連市的補水量。根據供需平衡分析，對大連市5個供水系統的水量保障調度方案進行分解。研究成果對于大連地區水庫運行和城市供水系統應急調度具有重要的參考價值。

1 大連市城市供水系統組成

1.1 金州以南地區供水系統

大連市金州以南地區供水系統主要分為2個部分：北段供水工程和南段供水工程(含城市配水管網)。北段和南段供水工程以普蘭店市大劉家鎮的洼子店水庫為界。目前，向大連市金州以南地區輸水的北段主要工程包括：引碧入連暗渠工程、引英入連管線工程、轉角樓水庫與英那河水庫的調水工程，如圖1所示。同時，通過引碧應急工程及引英管線工程還向長興島經濟區、花園口經濟區及長海縣輸送原水。

1.2 普蘭店區供水系統

普蘭店區供水的水源地為劉大水庫，通過輸水管線自流至普蘭店凈水廠。當劉大水庫缺水時，可通過引碧應急工程向劉大水庫輸水。

1.3 瓦房店市供水系統

瓦房店市供水系統由松樹水庫輸水工程、引東入瓦供水工程和凈水廠組成，應急水源由大伙房應急入連的東風水庫高位水池供水。

1.4 莊河市供水系統

莊河市區供水的水源地為朱隈水庫。通過輸水管線輸送至莊河凈水廠。修建輸水管線之前莊河市區供水是由朱隈水庫放水沿河道自流至平頂山攔河閘，然后通過DN800的滲渠至莊河凈水廠，該線路現作為莊河供水的備用線路。應急水源來自引英入連工程莊河分水口，通過朱隈水庫輸水管線至凈水廠。

圖1 北段供水系統示意圖

1.5 外調水供水系統

大伙房水庫輸水應急入連工程是利用大伙房水庫輸水工程作為水源，解決大連市城市工業與生活用水并改善大連地區水環境的一項跨流域調水工程，如圖2所示。該工程是由大伙房輸水(二期)工程鞍山配水站開始，經二次加壓后通過管道將水調入碧流河水庫，經碧流河水庫中轉后，其中一部分水量利用引碧三期暗渠富余能力經洼子店水庫調節后送往大連市區，另一部分水量經引碧應急管線及新建輸水管線送往東風水庫高位水池，為瓦房店及長興島供水。工程調水規模3億m3/a。以碧流河水庫為界，大伙房水庫輸水應急入連工程分為北段工程和南段工程。北段工程位于遼陽、鞍山、營口市境內，全長165.07km。南段工程位于大連市境內，起點為碧流河水庫，終點為東風水庫高位水池，全長57.1km，主要供水對象為瓦房店市、長興島經濟區及松木島化工產業園區，目前，只有長興島經濟區使用該水。

2 未來罕見枯水水情及可供水量預測

2.1 當前水庫蓄水量情況

本次未來水情預測時間段為2019年7月1日—2021年6月30日。截至2019年7月1日，各水庫蓄水量情況見表1。

表1 各水庫蓄水量 單位：萬m3

2.2 未來罕見枯水期下水情預測

來水分為平水年(50%)、枯水年(75%)、特枯水年(95%)3種情況。另外，將系列中最枯年的來水也作為一種水情進行分析，轉角樓水庫的最枯年來水年為2000年，松樹水庫和劉大水庫的最枯年來水年為2002年，其他水庫的最枯年來水年均為2014年。對各水庫多年的水文資料進行分析，可以得出各水庫不同年份的來水量。根據不同來水年的徑流量選擇典型年，選取原則為典型年徑流量與相應保證率下的徑流量相近，且年內分配最不利。選定的典型年見表2。

從表2中可看出，各水庫不同保證率下的來水量差異性較大，各保證率條件下碧流河水庫作為大連市主要供水水庫，年徑流量最大，劉大水庫不同保證率條件下的年徑流量最小，罕見枯水期各水庫年徑流量在6852萬～394萬m3之間，碧流河罕見枯水期徑流量最大，劉大水庫在罕見枯水期能提供的水量最小。

圖2 大伙房水庫輸水應急入連工程示意圖

表2 大連地區罕見枯水期各水庫不同保證率下典型年選取

2.3 可供水量預測

針對不同的來水分別對各水庫進行調節計算。調節計算的初始庫容為各水庫2019年7月1日的庫容，調節計算考慮水庫下游河流生態環境用水和水庫的蒸發滲漏損失。調節計算對朱隈水庫和轉角樓水庫考慮農業用水量，每年為2000萬m3和7000萬m3。經調節計算出各水庫在不同水情下的可供水量見表3。引碧工程的輸水能力為120萬m3/d，引英工程的輸水能力為66萬m3/d，轉角樓水庫至英那河水庫的反調水工程輸水能力為12萬m3/d，當各水庫計算可供水量大于輸水規模時，按輸水規模計。

表3 大連地區罕見枯水期各水庫可供水量

注：轉角樓水庫除第一種情況外，恢復農業供水即缺水，缺水量平均為0.1～8.8萬m3/d。

3 需水量及缺水量情況

3.1 用水情況

碧流河水庫及英那河水庫共向主城區及附屬供水區域平均日供水量165萬m3，其中金州以南日供水量149.5萬m3、長興島13萬m3、莊河市2萬m3、長海縣0.5萬m3。劉大水庫(普蘭店區)日供水量7萬m3，松樹水庫(瓦房店市)日供水量9萬m3，朱隈水庫(莊河市)日供水量5萬m3。

3.2 供需平衡分析及調度方案

本次計算以各大水庫現有蓄水量為基準，結合用水量，并預測未來2a不同頻率的來水組合，得出不同組合條件下的供水保證率情況，可以得出缺水量數據，即大伙房水庫輸水入連補水量。根據前文可供水量及用水情況預測，進行供需水量平衡分析，可以得到各區缺水量及大伙房水庫輸水入連工程需供水量情況，見表4。

通過供需平衡分析可以看出，長海縣不缺水，其他各區的供水調度方案分別為：

(1)保證率50%+50%，瓦房店市和長興島臨港工業區缺水。瓦房店市日缺水量為0.2萬m3，長興島臨港工業區日缺水量為2.6萬m3。大伙房水庫輸水入連工程日需供水量分別為2.8萬m3。

(2)保證率50%+75%，金州以南地區、瓦房店市和長興島臨港工業區缺水。金州以南地區日缺水量為20.2萬m3，瓦房店市日缺水量為2.2萬m3，長興島臨港工業區日缺水量為13.0萬m3。大伙房水庫輸水入連工程日需供水量為35.4萬m3。

(3)保證率50%+95%、50%+最枯年、75%+75%、75%+95%和75%+最枯年，金州以南地區、瓦房店市、普蘭店區和長興島臨港工業區缺水。金州以南地區日缺水量分別為27.3萬、44.5萬、26.5萬、53.5萬、60.8萬m3，瓦房店市日缺水量分別為2.7萬、3.2萬、3.9萬、5.9萬、6.3萬m3，普蘭店區日缺水量分別為0.1萬、0.7萬、0.8萬、2.3萬、2.8萬m3，長興島臨港工業區日缺水量均為13.0萬m3。大伙房水庫輸水入連工程日需供水量分別為43.1萬、61.4萬、44.2萬、74.7萬、82.9萬m3。

(4)保證率95%+95%、95%+最枯年和最枯年+最枯年，全市各地區均缺水。金州以南地區日缺水量分別為80.6萬、87.8萬、95.0萬m3，莊河市日缺水量分別為1.7萬、2.3萬、2.9萬m3，瓦房店市日缺水量分別為7.9萬、8.3萬、8.8萬m3，普蘭店區日缺水量分別為3.8萬、4.3萬、4.8萬m3，長興島臨港工業區日缺水量均為13.0萬m3。大伙房水庫輸水入連工程日需供水量分別為107.0萬、115.7萬、124.5(超過能力)萬m3。

4 主要結論

(1)按罕見枯水期、保證率95%考慮，大連市各區日缺水量將達到124.5萬m3，需要由大伙房水庫進行應急輸水，但日輸水量將超過大伙房水庫的供水能力，還需要結合其他措施如分段限時供水方式滿足城市供水需求。

(2)各水庫不同保證率下的來水量差異性較大，在罕見枯水期下，碧流河水庫徑流量最大，劉大水庫在罕見枯水期能提供的水量最小，各水庫年徑流量在6852萬～394萬m3之間。

表4 大連地區罕見枯水期各水庫缺水量匯總

注：大伙房水庫輸水入連工程供水量為全市缺水量合計。

(3)本文雖然對罕見枯水期各供水系統的調度方案進行分析，但未對優化調度方案進行分析，以后還需根據優化方法對調度水量進行分解。