大凌河流域水資源優化配置及模擬分析

楊文博

(遼寧省石佛寺水庫管理局有限責任公司，沈陽 110000)

1 大凌河流域概況

大凌河流域位于遼西地區，該河流有南、西、北3源，三源匯合后呈西南-東北流向，流經朝陽、北漂、義縣、凌海等市縣后注入渤海，大凌河流域水系圖，見圖1。

大凌河全長453km，流域面積23235km2，其中89%屬于山地丘陵區，自凌海市石窗子以下進入平原區，流域內年降水量450-600mm，年徑流量16.67億m3，水資源補給以冰川融雪和降水為主。流域左側河網水系密布，主要有涼水河子河、細河、老虎山河、第二牤牛河等支流。大凌河干流建有宮山咀、閻王鼻子和白石三座控制性水庫，將大凌河依據各河段河流特征可以劃分成河源段、上游段、中游段和下游段。

2 水資源模擬研究

水資源模擬是指通過一些理論假設和已知的水力公式，在實現水力系統循環的情況下構建一個簡化的水力結構，然后對該結構利用數學工具或計算機技術進行模擬分析，從而解釋和預測流域的具體現象及其未來發展狀況，通過合理設置邊界條件尋求可行解或最優解，以此實現水資源的優化配置[1-2]。文章充分考慮流域系統的復雜性特征，將河流、水庫等簡化成匯流點和水庫節點，各節點之間利用描述河段和引水渠道的線段相連接，從而構成一個拓撲網絡圖，并依據該物理拓撲網絡系統將流域系統基本規律抽象呈數學模型。最后，通過模擬運算分析能夠獲取河流徑流和水庫的變化過程以及各節點的物理指標，在時間和空間上模擬流域水資源信息特征。

圖1 大凌河流域水系圖

2.1 地表水模擬

結合相關研究資料，文章基于水量平衡方程構建流域地表水模型，即利用下式反映水量平衡關系：

(1)

W耗=W農+W工+W生活+W生態

(2)

式中：∑W入為全流域的入境地表水；∑W耗為地表耗水總量；∑△S為蓄水總量變化；W耗為子區地表用水量；W農為農業；W工為工業；W生活為生活；W生態為生態地表用水量；i為用水單元i；i為供水單元j。

2.2 地下水模擬

對于流域地下水流模型考慮利用三維多邊形流差微分軟件PGMS計算，在平面上模擬范圍不涉及大凌河流域山區，而只是覆蓋自然范圍[3]。選擇模型底界和頂面為半膠結下的底面以及潛水面，最大厚度區間400-700m，大部分處于100-300m范圍。文章結合大凌河流域實際情況和三維多邊形流差微分軟件PGMS優化改進模型，主要流程為：

1)步驟1：地下水補排量-河流(渠系)模擬。對于計算方法的選擇、地下水與大凌河補排類型及其關系的確定，可以依據河流弱透水層地下水位、底面高程及其河流水位自動判斷完成。

2)步驟2：地下水入滲補給滯后性。模擬過程中，采用PGMS軟件中的滯后補給權系數法反映降雨、渠系、水庫和河流等入滲補給滯后性特征。

3)步驟3：水泉模擬。在泉未干枯的情況下，第一個邊界條件取泉口的標高，泉流量可以直接運行模型確定。模擬輸出的流量為正值時這不符合物理現象，即以泉口補給地下水，該條件下下應減去該泉口第一類邊界條件或設置流量為零，按以上流程重新求解[4]。

4)步驟4：合理確定初始水頭。以P-H0法(初始水頭-參數迭代法)確定初始水頭的分布。

2.3 水庫調度

調度過程中要充分考慮水庫的基本功能，當來水量無法滿足或超過總需水量時水庫予以供水或蓄水。根據非汛期和汛期實際情況進行蓄水，訊限水位<汛期水位時要實施棄水，興利庫容<非汛期水位時要實施棄水[5]。因此，利用數學模型反映以上調度過程，即：

Vt+1=Vt+Ot-Pt-Et

(3)

汛期滿足條件：Z死≤Z≤Z限；非汛期滿足條件：Z死≤Z≤Z興、Vt+1、Vt為水庫在t和t+1時段的蓄水量；Ot、It、Et為t時段水庫的出庫流量、入庫流量和蒸發滲漏損失水量；Z死為水庫死水位；Z限為汛期限制水位；Z興興利水位。

2.4 水資源配置

一般地，遵循按需供水的原則合理配置流域水資源[6]。文章考慮流域用水特點和需水優先等級將流域水資源劃分成兩個配置級別，即優先滿足基本生態用水、生活和工業用水，然后滿足農業和生態用水需求。缺水條件下，考慮不同用水單元的權重形式首先滿足高權重水，即權重不同時構建高、低權重兩種不同用水單元，而權重相同時應按照不同用水單元的缺水程度合理控制缺水，余水條件下按照水利拓撲圖向下游適當泄水。

2.5 模擬分析

文章利用適用于任意多邊形網格的有限差分法和PGMS軟件計算已構建的概念模型，具體流程為：

2.5.1 模型耦合計算

大凌河流域的出山河水先經朝陽城區段滲漏轉化成地下水，然后由地下水排泄進入凌海市石窗子平原，河水補給地下水從而形成含層統一的水資源系統和流域內河流。在地下地表耦合模型中以線源匯概化渠系、河道，以面狀源匯概化地下水開采井、生活工業污水和農田灌溉匯水，地下水模擬時考慮泉因素作用。在地下地表耦合模型各計算時段的每個分區上，按面狀源將工業與生活污水入滲量、田間灌溉回歸水入滲量、渠道入滲量平均分配至各分區每個節點上。對于開采區的每一節點按面狀匯分配地下水開采量，通過運行地下水模型按分區統計各時段的地下水、泉水向河水排泄量和平均地下水位等，地表水模型可以調用以上參數值，從而實現地下地表的系統耦合模擬。

2.5.2 運行檢驗

為進一步揭示地下水與地表水模擬轉變機理，文章綜合考慮歷史數據和模型模擬數值，以地下水動態水位和下游水庫水流作為檢驗標準，向用水模型輸入歷史水流序列，通過對地下水滲透參數的調整保證模型能夠準確揭示地下水和地表水系統的運動變化特征。

以2010年大凌河流域實測數據驗證地表水模擬模型，通過對比2010年各水庫實際調度方式及其出庫過程，水資源開發利用模擬等驗證模型可行性，實測與模擬水庫供水，見圖2。

(a)宮山嘴水庫

(b)閻王鼻子水庫

模型模擬過程中既要分析中上游水庫的供水過程，還要考慮上游分水、耗水以及用水等情況模擬下游水庫的來水，并且水資源循環利用系統與下游水庫來水直接相關，考慮到計算末端節點處會累積整個系統的模擬誤差，所以選用白石水庫來水反映模型模擬的最終精度和準確度，白石水庫實測與模擬來水量，見圖3。

然后比較驗證2010年白石水庫的旬來水模型計算值和實際月流量，結果顯示白石水庫2010年的實際入庫和模擬入庫水量分別為1.84億m3、1.78億m3，模型模擬誤差不超過5%，因此實際月流量與模型模擬值保持較好一致性。

圖3 白石水庫實測與模擬來水量

2.5.3 地下水位檢驗

根據現狀實際情況，系統比較各觀測孔地下水位監測值和計算值，采用2011年收集的各觀測孔水頭數據比較實測值和模擬值，水頭實測值與模擬值的絕對誤差，見表1。

表1 水頭實測值與模擬值的絕對誤差

結果表明，擬合絕對誤差△H≤1.0時發生頻次占比達到57.19%，△H≤1.2時發生頻次占比達到64.04%，因此該模型具有較好的擬合效果，可以保證模擬結果的精度和可靠度，水頭實測值與模擬值的關系，模擬與實測水頭關系圖，見圖4。

3 水資源優化配置

3.1 水資源分配現狀

鑒于大凌河流域水資源多次自然轉化的特征，現階段尚未形成全面的水量分配方案，但水資源以多次開發利用為主。具體而言，大凌河上游主要是通過修建水庫將地表水引致農業生產，該過程中渠道系統回水和滲漏會補給地下含水層；大凌河中游利用井泉與井灌混灌、泉水灌溉等多種方式，上游余水與滲流匯合，并考慮朝陽地下水開采對地表水和地下水實行混灌。將現狀水資源開采程度利用模型進行模擬，各分區超采及缺水量模擬值，見表2。結果顯示大凌河上游經濟社會發展對水資源開發利用水平較高，多年平均條件下中游地表水達到枯竭，流域特別是下游地下水超采問題突出。在大凌河地下水過度開采和上、下游地表水充分利用的條件下，才能滿足各區縣基本生態、生活和工業用水，但局部地區尚存在一定程度的缺水，這表明大凌河上下游依然存在供水不均衡現象。

圖4 模擬與實測水頭關系圖

表2 各分區超采及缺水量模擬值

由表2可知，遵循優先供水原則能夠滿足流域內基本生態、工業和生活用水需求。超采條件下農業生產仍然達到14.5%的缺水率，并且上游缺水率較高而下游較低；在空間分布上，流域內西部缺水率較高而東部缺水率較低。扣除區域超采量時農業生產達到35.0%缺水率，且與計入超采時的分布規律相反，即上游和西部的缺水率較低，而下游和東部較高。此外，扣除超采情況下白石-石窗子段的缺水率超過50%，總體處于較高水平，考慮可持續發展要求該區域是真實缺水率，這也體現了流域內東、西部以及上、下游的水資源分配不均衡。高缺水率情況下，為彌補水資源的短缺人們必然會在地表水流量越來越少時采取抽地下水的方式，若這種不公平現象長期無法得以糾正勢必會導致生態的持續惡化[7-12]。

從生態學的層面上，除周邊灌區外大凌河流域地下水深度已難以維持生態植被生長所需的水源，其水土保持能力大大下降。所以，為有效解決地下水的下降問題以及遏制生態環境持續惡化，必須通過水資源合理配置形成新的開發利用模式。流域中上游經濟社會的發展與現有的水資源利用模式協調匹配度較低，下游流量不斷減少引起生態環境持續惡化，進一步限制區域經濟可持續發展，必須有效控制這一趨勢的蔓延。

3.2 水資源配置原則

隨著生態環境的不斷惡化和水資源短缺問題的日趨突出，由于水資源時空分布不均衡特征以及自然界可利用水資源的有限性大凌河流域水資源供需矛盾將日趨尖銳。因此，有必要采取各種非工程和工程措施，以可持續發展為原則科學合理地將不同形式的、有限的水資源配置給各用水戶，具體原則如下：

1)從水源條件上，應充分考慮地下水與地表水的聯合使用及其轉化關系，要統籌考慮污水處理回用、跨流域調水的持續性、現實性以及水資源利用的各個環節(引、用、供、排、耗等)，加快形成尾水生態用、好水好用、高水高用配置格局。

2)從空間分布上，應充分考慮各行政區域和流域上、中、下游的用水公平性，在保證生活用水、基本生態用水的情況下和區域間水資源短缺差異最小、效率最高的前提下，科學優化區域水資源配置。

3)從供水順序上，要全面考慮生態環境、生產和生活用水，按照優先配置原則和不同重要程度先保障基本生活和生態用水，在此基礎上盡量滿足其他生態、工業以及農業用水，充分發揮水資源支撐經濟社會發展和保護環境安全的重要作用。

4 結 語

大凌河流域水資源利用格局、供需矛盾、自然水循環條件和時空分布不平衡性等使得水資源配置公平性發生嚴重扭曲，難以實現既支撐區域經濟發展又保障流域生態安全的目標。因此，必須通過合理的人工配置優化水資源自然分布格局，采取科學的管理手段和工程措施協調或緩解上下游用水矛盾。