基于概化水庫模型的地表水資源可利用量研究
——以里下河平原河網區為例

陳 茉 彤，董 增 川，邵 逸 卿，韓 亞 雷，馬 嘉 憶，楊 光

(河海大學 水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

水資源可利用量是綜合規劃區域水資源節約、保護、配置、開發、利用和治理措施的必要條件，也是開展水資源承載能力分析的基礎[1]。中國部分地區的過度開發導致水資源嚴重不足，甚至無法保障基本的生活與生態環境用水的需求，水資源短缺已成為約束城市發展的主要問題之一[2]。合理的開發利用可以有效緩解供需矛盾，促進水資源的可持續發展[3]。因此，尋找適合地區地理特性和河流水系特征而且又便于計算的地表水資源可利用量的計算方法，就顯得尤為重要[4]。

對于單一河道區的水資源可利用量的計算，中國的通常做法是采用扣損法，即以地表水資源總量為基礎，扣除不可利用的地表水資源量。比如，河道內生態需水量和汛期難以控制利用的水量等，該方法原理清晰、計算便捷，而且在中國的西北[5]、華東[6]等地區已得到了實際應用。但對于水網密集的平原區，水系交互錯雜，入境水資源與本地水資源共同參與河網調蓄作用，二者難以區分[7]，因此，無法直接使用傳統的扣損法進行水資源可利用量計算。本文基于扣損法，以協調生態用水與生活用水為基礎，采取高效利用本地水、充分截留過境水的原則，通過搭建入流模塊、動態調蓄模塊以及出流模塊構建平原區概化水庫調蓄模型，并將模型運算結果用于對里下河區的水資源可利用量進行評價分析，以期為與此類似的平原河網地區的水資源規劃管理工作提供技術支撐。

1 平原河網區地表水資源可利用量計算方法

1.1 地表水資源可利用量概念

地表水水資源可利用量是指在可預見時期內，統籌考慮河道內外的生態環境用水以及其他用水的基礎上，通過經濟合理、技術可行的措施，區域水資源總量中可供河道外生產、生活一次性用水的最大水量[8]，其中不包括回歸水的重復利用。地表水資源可利用量由上游區域流入河網的過境水資源可利用量、本地地表水資源可利用量以及外調水資源可利用量3個方面構成[9]。保障生態環境用水是水資源可利用量計算的基礎，除此之外，由于洪水水量的年際變化幅度大，為能最大限度地利用洪水資源[10]，應以實際工程的取水能力作為控制條件來計算汛期難以利用的下泄水量。

1.2 概化水庫模型的構建

本文中概化水庫模型由入流模塊、動態調蓄模塊以及出流模塊構成。入流模塊由不同來水頻率(50%，75%，90%，95%)下研究區的逐日本地地表水資源量及其上游地區來水量構成；出流模塊采用3種不同的工程取水能力(現狀工程取水能力、規劃工程取水能力、遠景工程取水能力)控制水庫出流；動態調蓄模塊以河流的最小生態水位作為概化水庫的死水位、以河流的警戒水位作為概化水庫的正常高水位，計算得出參與調蓄的有效庫容。在此基礎上，再綜合另2個模塊的輸出結果進行動態調蓄計算，即可得出各情景下的水資源可利用量及汛期的棄水量，如圖1所示。

圖1 概化水庫構成模塊Fig.1 Schematic reservoir composition module

本次研究基于4種來水頻率、3種工程引提水能力以及2種生態水位取用值(最小、適宜)，設置了24種情景進行動態調蓄計算。概化水庫模型計算情況如表1所列。

表1 概化水庫模型計算情景

1.3 水位庫容關系的搭建

借助于ENVI軟件，對遙感影像資料進行解譯，提取河流各水位對應的水面面積，并得到水位Z與水面面積S的對應關系。在本次研究中，每隔0.01 m水位設置一個計算刻度[11]，利用公式(1)～(2)計算各概化水庫不同水位下的對應庫容，擬合得到水位庫容Z～V的曲線(見圖2)。根據下墊面條件和水流特征將研究區進行分區，并將每個分區都視為一個小型概化水庫，再結合生態水位與警戒水位得到各小型概化水庫的生態庫容、警戒庫容以及參與調節的有效庫容，將所有小型概化水庫的有效庫容之和作為研究區參與調蓄計算的總有效庫容。

圖2 庫容計算示意Fig.2 Storage capacity calculation diagram

(1)

(2)

V有效=V警戒-V生態

(3)

(4)

式中：Vn為第n個計算水位對應的庫容，億m3；V0為初始庫容，億m3；ΔVi為相鄰2個計算水位間的庫容差，億m3；Δh取0.01 m；Si，Si-1為相鄰2個計算水位對應的水面面積，m2；V有效為各小型概化水庫的有效庫容，億m3；V警戒為警戒水位(正常高水位)的對應庫容，億m3；V生態為生態水位(死水位)的對應庫容，億m3；V總為研究區的總有效庫容，億m3；Vj，有效為第j個概化水庫的有效庫容，億m3，m為概化水庫的個數，個。

1.4 生態水位的設定

為了滿足不同程度生態需水下的水資源可利用量，除了計算最小生態需水量之外，同時還考慮到了適宜的生態需水量，并將二者對應的水資源可利用量計算結果進行分析對比。采用最小生態徑流法，在超過20 a的天然月徑流系列中取生態徑流量的最小值作為最小生態流量[12]；采取逐月頻率計算法，基于豐、平、枯3個時期的流量資料，對不同時期不同保證率下的徑流量進行計算，即可得到該年的適宜的生態徑流過程，并將其作為適宜的生態流量。

根據式(1)和式(2)擬合得出的水位庫容曲線，讀取最小生態需水量對應的庫容數值，并將其轉換為概化水庫的最小生態水位取用值。對于適宜生態需水量的時間序列，讀取每日需水量對應的日庫容數值，并通過水位庫容曲線轉化為對應的日水位，取年水位均值作為其適宜的生態水位取用值。

1.5 概化水庫水量調蓄計算研究

假設可取出工程取水能力對應的全部水量，對于任一平原河網水庫，運用水量平衡方程可計算出該水庫在一定時段內的蓄水量變化情況。以此為原則，建立日尺度概化水庫模型如下：

V2=V1+(I-Q下泄-Q取水)Δt

(5)

式中：V2為時段末庫容，億m3；V1為時段初庫容，億m3；I為概化水庫入流，億m3；Q下泄為難以利用的下泄水量，億m3；Q取水為工程取水能力；Δt為時段長，本文中取為1 d。

在本次研究中，將研究區內本地的地表水資源量及其上游地區的來水量輸入入流模塊，將3種情況下的工程取水能力(現狀能力、規劃能力、遠景能力)輸入出流模塊，通過動態調蓄模塊進行水庫水量調蓄計算。在具體計算過程中，采取優先滿足生態需水的原則，其中，研究區的本地生態需水的優先級最高，其次為下游地區的生態需水。根據時段末庫容V2與生態水位、警戒水位對應庫容(圖中以V生態，V警戒表示)的關系，動態調蓄模塊在具體計算時可分為如圖3所示的3種情況。

圖3 動態調蓄模塊計算流程Fig.3 Calculation process of dynamic storage module

1.5.1情況1

當V2>V警戒時，此時超出的部分水為水庫的棄水，工程取水能力下的可取水量即為該時段的水資源可利用量：

V下泄=max{Q工程不可取×Δt+Q汛期棄水×Δt，

Q下游生態×Δt}

(6)

V時段可利用量=Q工程取水×Δt

(7)

式中：Q工程不可取為現狀工程能力、規劃工程能力、遠景工程能力下不可取的水量，億m3；Q汛期棄水為高于警戒水位的水庫棄水量，億m3；Q下游生態為研究區的下游區域生態需水量，億m3。

1.5.2情況2

當V2

V補=V生態-V2

(8)

(1) 當Q工程取水×Δt-V補≥0時，表明削減工程取水量已滿足以下條件：

V2=V生態

(9)

V下泄=Q下游生態×Δt

(10)

V時段可利用量=Q工程取水×Δt-V補

(11)

(2) 當Q工程取水×Δt-V補<0時，表明即使削減了工程取水量也無法滿足需水缺口，此時按照優先級，通過削減下游生態需水量來優先滿足本地的生態需水：

V下泄=Q下游生態×Δt-V補2

(12)

當下泄水量V下泄≥0時，V時段可利用量=0。

當下泄水量V下泄<0時，本地生態需水量也不能滿足：

V2=max(0，V生態-|V下泄|×Δt)

(13)

此時，V時段可利用量=0。

1.5.3情況3

當V生態≤V2≤V警戒時，工程可取水量為該時段的水資源可利用量，計算公式如下：

V時段可利用量=Q工程取水×Δt

(14)

V下泄=max{Q工程不可取×Δt，Q下游生態×Δt}

(15)

各時段初相繼以上一時段末的庫容狀態為起始庫容狀態，所有時段的水量調蓄計算結果累加數即為水資源可利用總量，即：

(16)

2 實例分析

2.1 研究區域概況

2.1.1研究區自然地理概況及分區

里下河區是江蘇省3級水資源分區，區內圩網密布、河湖縱橫，形成了“兩縱九橫”的水系格局[13]；里下河區東抵里運河，南達蘇北灌溉總渠，揚州至南通328國道以及如泰運河以北、通榆河以西區域，總面積約為11 722 km2[14]。里下河區多年平均降水量為1 025 mm，汛期降水量占比高達全年降水量的2/3，降水年際、年內分布極為不均。隨著近年來里下河區城市化進程的推進，人類活動對河網水文條件及生態水文過程的影響愈發劇烈，水資源開發難度日漸上升；而多年粗放型經濟發展引發的水資源短缺現狀，已成為里下河區面臨的新問題。

本次研究以下墊面條件相似、河流水位相近為依據，將里下河區劃分為斗龍港-大團、西塘河-黃土溝、蘇北灌溉總渠-阜寧腰閘、栟茶運河-小洋口閘共計4個片區(見圖4)。

圖4 里下河區分區概況Fig.4 Overview of the Lixiahe district

2.1.2數據來源

本次研究涉及的地表水資源量、入境水資源量1/2及徑流、降水、蒸發等數據，均來自江蘇省水文水資源勘測局的統計數據以及各地市水資源公報；水面面積數據來自ENVI 5.3及GIS對遙感影像的提??；現狀工程、規劃工程及遠景工程的取水能力數據來自《江蘇省水中長期供求規劃(2015～2030)》。

2.2. 計算結果

2.2.1里下河區生態需水量計算

里下河區最小生態水位及適宜的生態水位最終取值如表2所列。里下河區下游沿海，其下游地區的生態需水量以20世紀50～60年代多年平均年入海徑流量的80%來估算。計算得出的里下河區境內入海河流的河口沖淤保港基本生態需水量為34.17億m3。

表2 里下河地區各分區生態水位取用值

2.2.2結果分析

里下河區現狀工程、規劃工程、遠景工程的引調水能力分別為143.61億，178.21億，217.59億m3。按照式(1)～(4)，對里下河各片區的有效庫容進行計算；按照式(5)～(16)，對里下河區進行了概化平原河網水庫調節計算。滿足最小生態需水的地表水資源可利用量及滿足適宜生態需水的地表水資源可利用量分別如表3～4所列。

表3 地表水資源可利用量(滿足最小生態需水)

從可利用水資源數量來看(見圖5(a)和圖5(b))：里下河區的水資源可利用量結果總體呈現為隨工程取水能力提升、水資源量增長而增加的規律，即呈正相關關系。但隨著概化水庫生態水位的調高(即水庫死水位提高)，在動態調蓄模塊計算時，參與調蓄的水量減少，時段末庫容達到“情況2(V2

表4 地表水資源可利用量(滿足適宜生態需水)

圖5 各工程能力下可利用量變化趨勢Fig.5 Variation trend of available amount under each engineering capacity

圖6 最小與適宜生態水位下水資源可利用量變化(現狀工程能力)Fig.6 Variation trend of available water resources under minimum and suitable ecological water level in current water projects

從可利用量計算結果與實際用水量比對來看(見表3)，現狀工程能力下，在95%來水頻率(1967年)時，由于水資源的開發利用程度較低，采用現狀工程取水能力進行取水計算，得出的水資源可利用量結果為當年實際用水量的3倍；隨著經濟社會的快速發展，產業用水量的急劇增加導致水資源短缺問題日益嚴重，故50%來水頻率(2010年)時的水資源可利用量僅能勉強滿足當地用水。目前，主要是通過江水北調工程和東引工程對里下河區的水資源提供供給；南水北調東線工程建成后，在保證完成供水目標的同時，還需兼顧到里下河東引灌區的水資源需求，因此，里下河區可考慮采用遠距離調水、完善工程體系、優化用水結構等方法，最大限度地提高水資源可利用量，解決用水短缺問題。

從水資源可利用率及開發利用情況來看(見圖7)，平水年的水資源可利用率反而較枯水年的水資源可利用率小，主要是平水年來水多、基數大導致的。由圖7可以看出：在遠景工程能力下，里下河區地表水水資源可利用率(情景12)最高可達到62.07%，比同樣的來水頻率下的現狀工程能力(情景4)下的地表水水資源可利用率提高了約10.48%，表明該區仍有較高的水資源開發利用潛力。里下河區洪水資源豐富，但由于其特殊的地勢條件，極易因洪致澇，造成洪水資源浪費等現象。為此，可通過增加投資，興建里下河區各引提水骨干工程的方式，在防洪排澇的同時提高水資源的可利用率。

圖7 各工程能力下水資源可利用率變化趨勢(滿足最小生態需水)Fig.7 Variation trend of water resources availability under each engineering capacity meeting the minimum ecological water demand

里下河區地表水可利用率最低為39.00%(情景1)，高于全國地表水可利用率平均水平約28.1%[15]。然而，就淮河流域而言，其地表水可利用率達到了51.50%，里下河區在現狀取水能力下僅在情景4條件下的可利用率略高于淮河流域0.09%，其余情景下的水的可利用率都未能達到淮河流域可利用率水平。隨著后續引提水工程的實施，調控水資源的能力將得到進一步加強，里下河區的水資源可利用率也將得到進一步提升；同時，為了緩解用水緊張問題，增加水資源的開發利用效率，里下河區還應繼續優化供水管網，提升供水效率。除此之外，推進區域生態環境效益項目的建設，也可以在一定程度上提高生態補水能力[16]，減輕水資源供需矛盾。

3 結 論

(1) 本次研究通過概化平原河網水庫的方法，統籌考慮到現狀工程能力及規劃工程能力下水資源不同的開發利用狀況，對里下河區的水資源可利用量進行了計算分析。結果表明：在現狀工程能力下，里下河區的地表水資源可利用量介于81.01億～97.99億m3之間；在規劃工程能力下，地表水資源可利用量介于95.73億～104.90億m3之間；在遠景工程能力下，地表水資源可利用量介于93.80億～114.41億m3之間。

(2) 里下河區的地表水資源可利用量計算結果與地區的工程取水能力以及水資源總量呈正相關關系，但隨著生態用水需求的提高呈下降的趨勢；各種情景下計算得出的水資源可利用率均高于全國水資源可利用率的平均水平，但大多數情況下尚未能達到淮河流域的水資源可利用率水平。

(3) 里下河區城市化進展迅速，人類活動對河網水文條件及生態水文過程的影響愈發劇烈，水資源開發難度日漸上升，導致缺水問題日益嚴重。隨著里下河區各引提水骨干工程的興建，水資源可利用量將得到進一步提升；同時，為了增加水資源開發利用效率，緩解用水緊張問題，導致里下河區還應采取增加遠距離調水的措施、繼續優化供水管網以及完善工程體系，以提升里下河區的供水效率。

綜上所述，本次研究提出的方法可以較好地適應平原河網區交互錯雜的河流水系特征，可為其他同類地區的水資源可利用量計算提供參考。同時，對于本文考慮不周的部分還需進行繼續深化探討。比如，本文模型動態調蓄模塊中有關每年的生態水位、警戒水位為定值，后續應將其細化為逐日的水位進行更為精準的計算。另外，本文僅對地表水的水資源可利用量進行了計算分析，尚未考慮到地下水的水資源可利用量，因此，還需進一步開展深入研究。