平原河網地區地表水資源可利用量計算方法研究

馬嘉憶，董增川，邵逸卿，楊 光，陳茉彤，張 璐

（河海大學水文水資源學院，南京210098）

隨著人口快速增長、區域經濟穩步發展，水資源成為越來越重要的戰略性經濟資源。水資源可利用量是從資源角度分析可以被消耗利用的水量，是人口和經濟的直接載體，是水資源合理利用與配置的依據，有利于區域社會經濟活動的長遠規劃［1，2］。因此，從人類對水資源的開發利用角度考慮，評估一個地區的水資源可利用量比計算水資源總量更有實際意義［3］。

對于處于一個或多個流域中的某一區域，區域地表水資源可利用量包括本地地表水資源可利用量和來自區外的過境水資源可利用量兩部分。過境水資源可利用量的計算是區域水資源可利用量計算的難點［4］。由于單一河道區內過境水直接過境，計算其地表水資源可利用量通常采用扣損法［5］，其原理清晰、操作簡便，在我國西北［6］等區域得到了較好應用。而平原河網區內河網復雜、水系縱橫，且具有相當規模的控制閘壩，使得河網具有一定調蓄能力，加之平原河網區本地水、過境水共同參與河道內水資源調蓄，導致計算水資源可利用量時無法簡單采用扣損法［7，8］。因此，本研究提出平原河網概化水庫模型，遵循充分利用當地水、盡量截留過境水的原則計算平原河網區水資源可利用量。該方法適用于水系復雜的平原河網區，考慮了河網的調蓄作用，可以有效解決進行平原河網地區水資源可利用量計算時難以區分水源的問題，有利于總體控制區域水資源開發利用程度，揭示水資源可開發利用潛力，實現區域水資源與環境、社會經濟的協調發展。

1 水資源可利用量概念

水資源可利用量是指在預見期內，統籌考慮生活、生產和生態環境用水，在協調河道內外用水的基礎上，通過經濟合理、技術可行的措施可供河道外一次性利用的最大水量（不包括回歸水的重復利用）［9］。由此可見水資源可利用量不僅與可消耗的水資源量有關，還與區域生態保護要求、水資源開發利用水平等有密切關系。

其中，界定生態需水量、棄水量是評估區域水資源可利用量的關鍵。即首先需保障本地河道內生態需水、下游生態需水等基礎生態需水。其次，由于洪水具有突發性且變化幅度大，洪水資源無法也沒有必要全部利用，因此對于某一地區，根據區域未來需求、經濟技術條件，確定洪水可被利用的程度，對區域水資源合理利用與配置更具意義［10，11］。基于此，進行區域水資源可利用量計算時應在滿足生態需水基礎上，統籌考慮工程能力發展等因素進行研究［12］。

2 研究方法

2.1 建立平原河網概化水庫模型

針對平原河網區特點，建立平原河網概化水庫模型（圖1）。以本地地表水和過境水作為概化水庫入流，以生態庫容（生態水位對應）作為概化水庫死庫容，超出概化水庫警戒庫容（警戒水位對應）的水量作為棄水。生態庫容、警戒庫容差值為概化水庫參與調蓄的有效庫容，以工程取水能力、下游生態流量控制概化水庫出流。

圖1 概化水庫模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of generalized reservoir model

2.2 構建水位-庫容曲線

根據研究區遙感影像資料，繪制河流水位-水面面積曲線，再根據水位-水面面積曲線每隔1 cm 計算某水位下的庫容［13，14］，得到水位-庫容曲線。通過曲線讀取各概化水庫生態庫容、警戒庫容，其差值為參與調蓄的有效庫容，求和得到總生態庫容、警戒庫容、有效庫容。

式中：Vi為相鄰水位庫容差；Δh為相鄰水位差，取1 cm；Si、Si-1為相鄰水位對應水面面積；n為計算次數；V0為初始庫容；Vl為單個概化水庫有效庫容；m為概化水庫個數；V總為總有效庫容。

2.3 概化水庫調節計算

假設取出全部工程能力對應水量且滿足下游生態需水，遵循水量平衡原理可得概化水庫時段末庫容：

式中：V1為時段初庫容；V2為時段末庫容；I×Δt為時段內概化入流；Q棄×Δt為時段內棄水量；Q下游生態×Δt為時段內下游生態水量；Q取水×Δt為時段內工程能力對應取水量；Δt為調蓄時段，計算步長為1 d。

采用倒算法推求概化水庫水資源可利用量，根據時段末庫容與生態庫容關系，調節計算時可能出現以下情況：

（1）V2≥V生態，時段內水資源可利用量為工程取水能力對應取水量。

式中：V生態為生態庫容；V警戒為警戒庫容；V時段可利用為時段內水資源可利用量。

（2）V2

①Q取水Δt-V補≥0，削減取水量：

②Q取水Δt-V補<0，適量削減下游生態需水：

式中：V補為時段內生態補水量；V下泄為實際下泄水量。

下一時段相繼由上一時段末庫容狀態進行調蓄計算，將各時段累加得到水資源可利用總量。

式中：V總可利用為水資源可利用總量。

2.4 計算情景

圖2 調節計算流程圖Fig.2 Flow chart of regulating calculation

本研究考慮了不同工程取水能力（現狀工程能力；規劃工程能力；遠景工程能力）；不同保證率（50%；75%；90%；95%），共設立12種情景進行計算（表1）。

表1 平原河網地區地表水資源可利用量計算情景Tab.1 Computing scenarios of available surface water resources in plain river network area

其中，現狀工程能力是指在現狀供水工程體系下的工程取水能力；規劃工程能力、遠景工程能力考慮未來新增工程，分別指考慮規劃年、遠景年經濟和技術發展情況下的工程取水能力。同時由于枯水年水資源可利用量往往制約著城市的發展規模、灌溉面積、通航的容量和面積等，因此本文在設立情景時設置平水年（50%）、枯水年（75%；90%；95%）四種不同保證率進行情景分析計算。

3 實例應用

3.1 研究區概況與基礎數據

鹽城市地處江蘇沿海中部，全境為平原地貌，大部分地區海拔不足5 m。當地水資源時空分布不均，年際變化較大，過境水豐富；境內河網密布，主要河流有通榆河、串場河、灌河、蘇北灌溉總渠、射陽河等，形成了“兩橫九縱”的復雜水系格局，屬于典型的平原河網地區。

本研究所涉及的蒸發、徑流、出入境水資源總量、本地地表水資源總量等資料來自鹽城市水資源公報及統計年鑒；主要河湖警戒水位來自鹽城市相關防洪規劃；工程取水能力相關資料來自《江蘇省水中長期供求規劃（2015-2030）》；水面面積及河道相關數據來自ENVI 5.3對遙感影像進行解譯、提取獲得。

圖3 鹽城市行政區劃及水系圖Fig.3 Administrative divisions and water system of Yancheng city

3.2 計算結果

3.2.1 鹽城市生態需水

選擇90%頻率最枯月平均水位法［15，16］、最低生存水深水位法［17］進行生態需水計算。對鹽城市主要河湖近30年最枯月平均水位進行排頻統計，選擇90%頻率下近30年最枯月平均水位作為生態水位，并考慮河流維持水生物生態的功能，綜合最低生存水深水位法修正計算結果。根據《鹽城市水資源保護規劃（2015）》，鹽城市境內骨干河道主要以魚類作為關鍵保護目標，研究表明適應魚類生存水深的下限約為魚類平均體長的2～3倍［18］，鹽城市境內河流成年魚體長在0.3 m 左右，因此最低生存水深確定為0.9 m，得到鹽城市主要河湖生態水位（表2）。

表2 鹽城市主要河湖生態水位 mTab.2 Ecological water level of the main rivers and lakes in Yancheng city

鹽城市有20多條流域及區域骨干河流排水入海，其下游基本生態需水主要為沖淤保港需水量，采用歷史流量法，以80%多年平均年入海徑流量估算出鹽城境內入海河流沖淤保港生態需水量為40.5 億m3。

3.2.2 鹽城市水資源可利用量

根據公式（1）～（3）計算出鹽城市概化水庫總有效庫容為6.2 億m3。

根據公式（4）～（12）計算得到鹽城市水資源可利用量（表3）。

表3 鹽城市水資源可利用量計算結果 億m3Tab.3 Calculation results of available surface water resources in Yancheng city

3.3 結果分析

3.3.1 鹽城市地表水資源可利用量分析

根據概化水庫調節計算得到鹽城市地表水資源可利用量（圖4）。

圖4（a）表明鹽城市地表水資源可利用量在不同工程能力下均隨來水減少而減少。在現狀工程能力下，鹽城市50%、75%、90%、95%保證率下地表水資源可利用量為：60.6、55.1、53.0、52.1 億m3，而鹽城市近10 a年平均用水量達到55.3 億m3，同時由于鹽城市灌溉高峰期缺水嚴重、沿海灘涂圍墾開發區新增用水量大，可以看出現狀工程能力下鹽城市在枯水年僅憑借當地地表水資源和過境水資源很難完全滿足其用水量。

圖4（b）表明鹽城市地表水資源可利用量一定程度上受制于工程的調控能力，在不同保證率下，現狀工程能力水資源可利用量均低于規劃及遠景工程能力。表明鹽城市地表水資源可利用量呈現隨著工程能力增加而增大的趨勢，但隨著來水減少，增加趨勢有所放緩。

圖4 不同情景下鹽城市地表水資源可利用量Fig.4 The available surface water resources of each scenario in Yancheng city

緩解區域缺水問題的方式主要有遠距離調水、提高當地工程能力等方法。目前鹽城市由于引水能力和長距離輸水能力的限制，采取江水東引等工程措施后淮北地區、沿海墾區仍存在缺水情況。因此，可以考慮通過遠距離引調水結合當地工程能力提升等舉措并行，增大水資源可利用量，進一步改善區域缺水問題。

3.3.2 水資源可利用率分析

根據調節計算結果，計算不同情景鹽城市地表水資源可利用率（圖5）。

圖5 不同情景下鹽城市水資源可利用率Fig.5 The utilization rate of available surface water resources of each scenario in Yancheng city

由圖4 可知，鹽城市地表水資源可利用率最低為36.6%（情景1），但仍高于全國地表水資源可利用率28.1%［19］。而由于鹽城市目前部分提水泵站老化失修；用水高峰期區域供水能力不足，水資源調配能力不夠，部分情景下（情景1、2、5、9）地表水資源可利用率低于淮河流域平均水平47%［19］。

隨著工程能力提升，鹽城市水資源可利用率隨之增加。規劃工程能力下水資源可利用率最高達到了55.2%（情景8），遠景工程能力下水資源可利用率最高達到了57.1%（情景12），比現狀工程能力下的水資源可利用率最高值分別提升了10.8%、14.7%。然而，與水資源可利用量規律不同，隨著來水減少，可利用水資源率反而增加，這主要是由于偏枯年份來水基數小導致的。

3.3.3 提升建議

針對鹽城市現狀供水工程老化、部分河道淤積等問題，可以通過加強輸配水河道、泵站的翻新及建設，保證各地區及時供水，完善鹽城市供水網絡；暢通河網，疏浚整治區內骨干引排水河道；實施湖泊湖蕩退田退圩（漁）還湖工程及沿海平原水庫建設，運用水庫、河網攔蓄本地徑流，增加調蓄量；增加回歸水的利用，加強重要水源地的保護，推進鹽城市節水型社會建設等方法提升鹽城市供水能力，增加鹽城市水資源可利用量，解決鹽城市用水緊張問題。

4 結 論

（1）本文以鹽城市為例，提出平原河網概化水庫模型，得到現狀工程能力下鹽城市50%、75%、90%、95%保證率下地表水資源可利用量分別為：60.6、55.1、53.0、52.1 億m3。

（2）通過分析12 種情景，發現鹽城市地表水資源可利用量總體隨來水減少而減少，并一定程度上受制于工程的調控能力。此外，鹽城市不同情景地表水資源可利用率均高于全國水平，但部分情景（情景1、2、5、9）低于淮河流域平均水平47%。

（3）由于在枯水年份，僅靠當地地表水和過境水難以完全滿足鹽城市用水量，因此可以通過改善供水工程布設、配套和運行狀況等措施提高水資源可利用量。

本方法的提出對于完善水資源可利用量計算方法具有一定實際意義。未來可以針對水質型缺水問題進一步結合水質約束完善平原河網地區水資源可利用量計算方法。 □