范 磊, 趙振宏, 王旭升, 錢 會(huì)
(1.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2.西安市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院, 陜西 西安 710082;3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心, 陜西 西安 710054; 4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京), 北京 100083)
寧東能源化工基地是國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的國(guó)家重點(diǎn)開發(fā)區(qū)、國(guó)家重要的大型煤炭生產(chǎn)基地、“西電東送”火電基地、煤化工產(chǎn)業(yè)基地和循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范區(qū)?;匚挥诙鯛柖嗨古璧匚骶夓`鹽臺(tái)地之上,水資源極為貧乏,供水來(lái)源單一,絕大部分供水來(lái)源于黃河,少量來(lái)源于吳忠平原地下水。黃河引水不但用水成本很高,而且地表水易受污染,輸水又具有季節(jié)性,保障程度低。因此,如何高效利用水資源是寧東能源化工基地建設(shè)面臨的重要問(wèn)題,受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。本研究提出了基地地表水和地下水聯(lián)合配置供水方案,并對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)化研究。
水資源優(yōu)化配置是在流域或特定的區(qū)域范圍內(nèi),根據(jù)相關(guān)原則,通過(guò)合理抑制需求,保障有效供給等手段,對(duì)多種可利用水源在區(qū)域間和各用水部門間進(jìn)行調(diào)配[1]。1960年,Colorado大學(xué)對(duì)各部門需水計(jì)劃和未來(lái)水資源可供給量進(jìn)行的合作研究,是水資源優(yōu)化配置思想的雛形。此后,水資源優(yōu)化配置模型的研究快速發(fā)展,近年來(lái)興起的遺傳算法(GA)、模擬退火算法(SA)等新的優(yōu)化算法,使水資源優(yōu)化配置研究有效性顯著提高。我國(guó)的水資源優(yōu)化配置研究起步較晚,但進(jìn)展迅速。20世紀(jì)80-90年代,賀北方[2]對(duì)區(qū)域水資源優(yōu)化配置模型及實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了探索;2000年以來(lái),水資源優(yōu)化配置研究發(fā)展較快,在優(yōu)化理論、優(yōu)化方法和實(shí)際應(yīng)用等方面的研究都取得了較大發(fā)展[3-7]。近年來(lái),水資源優(yōu)化配置問(wèn)題的研究主要集中于對(duì)優(yōu)化方法的探索及實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的解決[8-12],尤其對(duì)礦區(qū)水資源綜合利用和優(yōu)化配置進(jìn)行了有益的探索[13-16],對(duì)寧夏等干旱半干旱地區(qū)依據(jù)不同目的和需求的水資源優(yōu)化配置研究也取得了可喜的進(jìn)展[17-20]。對(duì)于寧東能源化工基地的水資源優(yōu)化配置問(wèn)題,目前只是給出了基地各類水(黃河水、礦井疏干水、處理污水)配置數(shù)量,提出了礦井水、各類廢水處理利用及節(jié)約用水解決基地供水的措施[13-14],尚未涉及基地地表水與地下水的聯(lián)合運(yùn)用以及水資源優(yōu)化配置問(wèn)題。因而前人的研究對(duì)基地合理高效開發(fā)利用水資源的實(shí)際指導(dǎo)作用尚有欠缺,有必要進(jìn)行深入研究。本研究依據(jù)“鄂爾多斯盆地(寧夏)能源基地地下水勘查”項(xiàng)目的地下水資源評(píng)價(jià)資料,結(jié)合寧東能源化工基地建設(shè)規(guī)劃對(duì)水資源需求,提出了地表水和地下水聯(lián)合配置供水方案,并采用線性規(guī)劃模型對(duì)供水方案進(jìn)行了優(yōu)化研究,為基地水資源高效利用提供基礎(chǔ)依據(jù),也為干旱區(qū)工業(yè)基地經(jīng)濟(jì)合理利用水資源提供參考。
本研究根據(jù)寧東能源化工基地產(chǎn)業(yè)規(guī)劃對(duì)水資源的需求及供水現(xiàn)狀,依據(jù)“鄂爾多斯盆地(寧夏)能源基地地下水勘查”項(xiàng)目的地下水資源評(píng)價(jià)資料(2014年),利用拓?fù)鋱D方式表達(dá)地表水與地下水聯(lián)合供水方案的基本內(nèi)容,采用線性規(guī)劃模型對(duì)聯(lián)合供水方案進(jìn)行優(yōu)化研究,確定供水方案中地下水和地表水的實(shí)際配額及地下水供水路線。
2.1.1 寧東能源化工基地產(chǎn)業(yè)規(guī)劃 按照寧東能源化工基地總體規(guī)劃,基地以煤炭、電力和煤化工為3大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),輔助發(fā)展石油天然氣化工、精細(xì)化工、材料工業(yè)和其他服務(wù)業(yè)。煤礦區(qū)包括靈武、鴛鴦湖、橫城、馬家灘、積家井等礦區(qū)和井田,電廠包括馬連臺(tái)電廠、靈州煤矸石綜合電廠、靈武電廠、鴛鴦湖電廠、水洞溝電廠、方家莊電廠和棗泉電廠等。3個(gè)工業(yè)園區(qū)包括煤化工園區(qū)、臨河綜合項(xiàng)目區(qū)和靈州綜合項(xiàng)目區(qū)。在寧夏東北部與內(nèi)蒙古交界地帶建設(shè)了平羅精細(xì)化工基地。寧東能源化工基地地理位置及主要廠礦的分布見(jiàn)圖1所示。
圖1 寧東能源化工基地廠礦分布圖
2.1.2 寧東基地對(duì)水資源的需求 根據(jù)《寧東基地總體規(guī)劃與建設(shè)綱要》,2020年總需水量達(dá)到3.43×108m3/a,其中煤礦生產(chǎn)生活用水0.16×108m3/a,電廠生產(chǎn)生活用水0.29×108m3/a,煤化工生產(chǎn)用水2.98×108m3/a ,以煤化工用水量最大。環(huán)保綠化需水可通過(guò)礦坑廢水和工業(yè)廢水的處理或再循環(huán)利用解決。
2.1.3 寧東基地引黃供水工程和應(yīng)急水源需求
(1)引黃供水工程。鴨子蕩水庫(kù)位于基地北部,2020年供水量可以達(dá)到3.0×108m3/a;太陽(yáng)山供水工程(劉家溝水庫(kù))位于基地南部,供水量為0.36×108m3/a。這兩座水庫(kù)的水源均來(lái)自黃河,水量的配額來(lái)自水權(quán)置換,即把農(nóng)業(yè)節(jié)約用水所產(chǎn)生的余額分配給工業(yè)用水。
(2)應(yīng)急水源需求。應(yīng)急水源首先保障煤礦生產(chǎn)生活、電廠生產(chǎn)生活用水的需求,即2020年煤礦生產(chǎn)生活用水0.16×108m3/a,電廠生產(chǎn)生活用水0.29×108m3/a,合計(jì)0.45×108m3/a。煤化工項(xiàng)目的用水需求暫且不納入應(yīng)急供水保障范圍。
目前,已經(jīng)探明可以向?qū)帠|能源化工基地供水的地下水水源地有5處。通過(guò)對(duì)“鄂爾多斯盆地(寧夏)能源基地地下水勘查”項(xiàng)目地下水資源評(píng)價(jià)資料的歸納整理,可向?qū)帠|能源化工基地提供淡水的地下水水源地的現(xiàn)狀開采量、工程可開采量及開采潛力(供水能力)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。
表1 寧東能源化工基地水源地地下水開采量及開采潛力統(tǒng)計(jì)表 108(m3·a-1)
(1)駱駝井水源地: 處于基地西部,屬于北大池閉流區(qū)。現(xiàn)狀開采量0.018×108m3/a,工程可開采量 0.064×108m3/a,尚有0.046×108m3/a開采潛力(供水能力)。
(2)靈武大泉水源地:包括北部大泉鄉(xiāng)現(xiàn)有水源地和大泉1號(hào)備選水源地。北部大泉鄉(xiāng)現(xiàn)有水源地(直接供給神華基地),現(xiàn)狀開采量0.090×108m3/a,工程可開采量0.109×108m3/a;大泉1號(hào)備選水源地,現(xiàn)狀無(wú)開采,工程可開采量0.170×108m3/a。該水源地尚有0.189×108m3/a開采潛力 。
(3)靈武崇興水源地:現(xiàn)狀開采量0.040×108m3/a,工程可開采量0.070×108m3/a ,該水源地尚有0.030×108m3/a開采潛力。該水源地已經(jīng)是靈武市區(qū)的供水水源地。
(4)陶樂(lè)平原水源地:處于基地北部。高仁鎮(zhèn)水源地已開采0.010×108m3/a,傍河水源地工程可開采量0.113×108m3/a,該水源地尚有0.113×108m3/a開采潛力。
(5)吳忠平原傍河水源地:包括吳忠2號(hào)應(yīng)急備選水源地和靈武西側(cè)的梧桐樹3號(hào)備選傍河水源地。吳忠2號(hào)應(yīng)急備選水源地位于黃河?xùn)|岸,可開采量0.153×108m3/a;靈武西側(cè)的梧桐樹3號(hào)備選傍河水源地可開采量0.093×108m3/a。兩水源地現(xiàn)狀無(wú)開采,該水源地開采潛力0.246×108m3/a。
歸納得出:寧東能源化工基地西部的鹽池駱駝井地區(qū)水源地可供水0.046×108m3/a,東部的靈武地區(qū)水源地可供水0.465×108m3/a,而北部的陶樂(lè)地區(qū)水源地可供水0.113×108m3/a??上?qū)帠|能源化工基地供水的地下水水源地合計(jì)供水能力為0.624×108m3/a。
按照寧東能源基地的總體規(guī)劃,能源化工企業(yè)的用水主要由鴨子蕩水庫(kù)和劉家溝水庫(kù)提供。引黃供水維護(hù)運(yùn)營(yíng)的成本很高,蒸發(fā)滲漏造成的水資源浪費(fèi)較大,而且地表水易受污染,保障程度低。在探明了地下水水源地之后,通過(guò)適當(dāng)引入地下水的供水工程,可以減少蒸發(fā)損失,降低運(yùn)營(yíng)成本,并起到應(yīng)急供水的作用, 提高用水保障程度。但是,僅由現(xiàn)有的地下水水源地,還不能滿足能源化工基地的全部新鮮淡水需求。因此,采用地表水與地下水聯(lián)合配置供水方案,將更有利于區(qū)域水資源的高效開發(fā)利用。經(jīng)分析研究,提出了如圖2所示的寧東能源化工基地地表水與地下水聯(lián)合配置供水方案。
方案的要點(diǎn)如下:
(1)陶樂(lè)水源地向平羅精細(xì)化工基地單獨(dú)供水。平羅精細(xì)化工基地在陶樂(lè)地區(qū)的北端,目前的供水措施是引黃河水。該基地規(guī)劃供水為2.0×104m3/d(0.073×108m3/a),而陶樂(lè)傍河水源地的可開采量達(dá)到0.113×108m3/a,能夠滿足平羅精細(xì)化工基地的需求。
(2)修建輸水管道和配水站聯(lián)合基地西部駱駝井水源地,向橫城工礦區(qū)和鴛鴦湖礦區(qū)供水。駱駝井水源地的供水能力為0.046×108m3/a。
(3)在靈武地區(qū),修建配水站和輸水管道聯(lián)合傍河3號(hào)水源地和鴨子蕩水庫(kù)的供水管道,向橫城工礦區(qū)供水。另外修建配水站聯(lián)合現(xiàn)有的崇興水源地和2號(hào)備選水源地聯(lián)合鴨子蕩水庫(kù)的供水管道,向靈武工礦區(qū)提供煤礦和電廠的生產(chǎn)生活用水。這種與鴨子蕩水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度的方案中,地下水的可供水量達(dá)到0.276×108m3/a。鴨子蕩水庫(kù)則向煤化工基地提供煤化工項(xiàng)目的新鮮淡水需求,2020年設(shè)計(jì)供水能力為2.98×108m3/a,地下水可供水量占比很小。
(4)在靈武南部地區(qū),將大泉水源地與1號(hào)備選水源地與劉家溝水庫(kù)的地表水進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度,向積家井和馬家灘工礦區(qū)供水。馬家灘和積家井礦區(qū)2020年規(guī)劃需要0.054×108m3/a的新鮮淡水, 低于劉家溝水庫(kù)的供水能力。大泉水源地和1號(hào)水源地的可供水總量為0.189×108m3/a,比馬家灘和積家井礦區(qū)需求量還大,因此剩余的水量可以向北分配到靈武工礦區(qū)。
圖2 寧東能源化工基地地表水與地下水聯(lián)合配置供水方案拓?fù)鋱D
以上的討論提出了寧東能源化工基地地表水與地下水聯(lián)合配置供水方案,確定了周邊地下水水源地的供水線路和最大可能供水規(guī)模,但還存在很大的不確定性,即地表水和地下水的實(shí)際配額達(dá)到多大才是經(jīng)濟(jì)合理的方案。為了定量的確定方案中的供水配額,本文依據(jù)線性規(guī)劃理論,通過(guò)建模和模型求解對(duì)聯(lián)合供水方案進(jìn)行優(yōu)化,即在最低的經(jīng)濟(jì)成本達(dá)到供水目標(biāo)前提下對(duì)地表水和地下水資源進(jìn)行優(yōu)化配置。
線性規(guī)劃法是數(shù)學(xué)規(guī)劃的一個(gè)重要分支,是研究在現(xiàn)有人力、物力等資源條件下,合理調(diào)配和有效使用資源,以達(dá)到最優(yōu)目標(biāo)(產(chǎn)量最高、利潤(rùn)最大、成本最小、資源消耗最少等)的一種數(shù)學(xué)方法。線性規(guī)劃法是水資源優(yōu)化配置方法中最基本的方法,建模簡(jiǎn)單,并可通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算[10]。
3.2.1 模型方程的建立 寧東能源化工基地地表水與地下水聯(lián)合配置供水方案優(yōu)化的基本思路是用最低的經(jīng)濟(jì)成本達(dá)到供水目標(biāo)。因?yàn)橐命S河水的供水方案是已經(jīng)有規(guī)劃的,工程建設(shè)已經(jīng)部分完成。因此,在本模型中不再考慮地表供水工程的基礎(chǔ)設(shè)施投資,而主要考慮地下水供水工程的基礎(chǔ)設(shè)施投資和運(yùn)營(yíng)成本。
供水總量取決于需求,應(yīng)滿足以下關(guān)系式
Q1+Q2=Qx
(1)
式中:Q1為地表水的有效供水量,108m3/a;Q2為地下水的供水量,108m3/a;Qx為需要達(dá)到的總供水量,108m3/a。設(shè)地表水引水量為Qs(108m3/a),考慮到蒸發(fā)和滲漏損失量,地表水有效供水量與引水量關(guān)系為:
Q1=(1-η)Qs
(2)
式中:η為損失系數(shù)(無(wú)量綱),按照鴨子蕩水庫(kù)的有關(guān)資料,η可取3.3%(源自“寧東能源化工基地一期供水工程水資源論證報(bào)告書”)。
對(duì)于損失的水量,屬于水資源的浪費(fèi),引入以下罰函數(shù):
(3)
式中:Jw為模型中引入的處罰成本;qs為為單方水的水權(quán)置換成本;es為處罰的倍增函數(shù)(即每多浪費(fèi)1 m3水需要增加的單方成本)。根據(jù)寧夏地區(qū)水權(quán)置換的經(jīng)驗(yàn),qs=2.0元/m3。es可取0.01元/104m3,表示每浪費(fèi)1×104m3水單價(jià)上漲0.01元。
對(duì)于任一地下水水源地,開采量會(huì)引起當(dāng)?shù)毓┧蜕鷳B(tài)環(huán)境壓力,其水權(quán)置換的單方成本隨著實(shí)際開采量與可開采量的比例(環(huán)境壓力增大)增加,計(jì)算公式為:
(4)
式中:qg為地下水的基礎(chǔ)水權(quán)置換單方成本,取值為2.0元/m3。
總的經(jīng)濟(jì)成本按下式計(jì)算:
(5)
式中:Δt為模型考慮的投資回收周期,a,取Δt=20a;qsQ1為地表水的水權(quán)置換成本;qe為地下水供水工程的基礎(chǔ)設(shè)施投資單方成本,0.04元/m3·km;Lg為輸水距離,km;ms為地表水供水工程的運(yùn)營(yíng)配水成本,1.5元/m3;mg為地下水供水工程的配水運(yùn)營(yíng)成本,1.0元/m3。
規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)為:
Jx=minJx(Qs,Qg)
(6)
即聯(lián)合供水方案在20 a內(nèi)的總成本達(dá)到最低的情況下,確定地表水的供水量Qs及地下水的供水量Qg。
地表水和地下水供水均需滿足以下約束條件:
Qs≤QR;Qg≤QP
(7)
式中:QR為地表水庫(kù)的供水能力,108m3/a;QP為地下水的可開采量,108m3/a。
3.2.2 模型求解 模型求解通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行。對(duì)圖2中的供水方案可以分解為陶樂(lè)地區(qū)、中部工礦區(qū)和南部工礦區(qū)幾個(gè)組成部分,分別求解各自的優(yōu)化模型,遵循用最低的經(jīng)濟(jì)成本達(dá)到供水目標(biāo)的原則,對(duì)各區(qū)地表水和地下水資源進(jìn)行優(yōu)化配置。
(1)陶樂(lè)地區(qū)水資源優(yōu)化配置方案。陶樂(lè)地區(qū)平羅精細(xì)化工基地的需水量為Qx=0.073×108m3/a,而陶樂(lè)水源地地下水可開采量QP=0.113×108m3/a,目前黃河三棵柳引水工程供水能力為QR=0.055×108m3/a,輸水距離是Lg=40 km。模型求解得到的結(jié)果如圖3所示。
圖3可以看出:隨著地下水的供水量增加,供水經(jīng)濟(jì)成本總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)?shù)叵滤墓┧窟_(dá)到0.065×108m3/a時(shí),供水成本降低到最低。陶樂(lè)傍河水源地的可開采量達(dá)到0.113×108m3/a,但只需開采0.065×108m3/a就可以滿足經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)的供水目標(biāo),這樣地表水需要調(diào)度配置0.008×108m3/a。
(2)中部工礦區(qū)水資源優(yōu)化配置方案。中部工礦區(qū)包括橫城工礦區(qū)、靈武工礦區(qū)和鴛鴦湖工礦區(qū),聯(lián)合供水的總需水量為Qx=0.396×108m3/a,地表供水工程為鴨子蕩水庫(kù),除去向煤化工的供水外,剩余供水能力為0.256×108m3/a??晒┧牡叵滤吹赜?個(gè):駱駝井水源地、現(xiàn)有的靈武崇興水源地、3號(hào)備選水源地和2號(hào)備選水源地,地下水總計(jì)可供水量0.352×108m3/a。首先進(jìn)行總量的優(yōu)化選擇,然后按照各個(gè)水源地的供水能力分配供水量,平均輸水距離按照60 km計(jì),模型求解得到的結(jié)果如圖4所示。
圖4可以看出:隨著地下水的供水量增加,供水經(jīng)濟(jì)成本總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),但當(dāng)?shù)叵滤墓┧窟_(dá)到0.175×108m3/a時(shí),供水成本降低到最低。因中部礦區(qū)聯(lián)合供水的總需水量為Qx=0.396×108m3/a,故中部工礦區(qū)水資源最優(yōu)配置方案應(yīng)為:地下水的供水總量采用0.175×108m3/a;地表水的供水量為0.245×108m3/a。在周邊水源地中,崇興水源地已是靈武市供水水源地,可不作為寧東基地供水水源地考慮;2號(hào)水源地與3號(hào)水源地按照供水能力和輸水距離進(jìn)行比例劃分,建議開采方案為:駱駝井水源地0.019×108m3/a(駱駝井水源地可開采量0.046×108m3/a,占可開采量41%);靈武平原2號(hào)備選水源地0.089×108m3/a(占可開采量58%);靈武平原3號(hào)備選水源地0.067×108m3/a(占可開采量72%)。
(3)南部工礦區(qū)水資源優(yōu)化配置方案。南部工礦區(qū)包括馬家灘工礦區(qū)和積家井工礦區(qū),聯(lián)合供水的總需水量為Qx=0.054×108m3/a,地表供水工程為劉家溝水庫(kù),供水能力為0.061×108m3/a。地下水水源地為大泉鄉(xiāng)水源地和1號(hào)備選水源地,可開采量為0.189×108m3/a,輸水距離為50 km。模型求解得到的結(jié)果如圖5所示。
圖3 陶樂(lè)地區(qū)供水方案經(jīng)濟(jì)成本隨地下水供水量的變化曲線 圖4 中部工礦區(qū)供水方案經(jīng)濟(jì)成本隨地下水供水量的變化曲線 圖5 南部工礦區(qū)供水方案經(jīng)濟(jì)成本隨地下水供水量的變化曲線
圖5可以看出:采用地下水可以降低供水成本,且全部采用地下水時(shí)成本最低。靈武1號(hào)備選水源地的可開采量為0.170×108m3/a,超過(guò)了南部工礦區(qū)的需水量,因此南部工礦區(qū)可以考慮全部由1號(hào)備選水源地供水。
3.2.3 聯(lián)合供水方案地下水的實(shí)際供水路線和供水配額 為實(shí)現(xiàn)用最低的經(jīng)濟(jì)成本達(dá)到供水目標(biāo),通過(guò)對(duì)地表水與地下水聯(lián)合配置供水方案優(yōu)化,地下水的實(shí)際供水路線和供水配額歸納見(jiàn)表2。
表2 聯(lián)合供水方案地下水的實(shí)際供水路線和供水配額
由表2可知,按總供水量0.294×108m3/a和最佳供水路線聯(lián)合配置地下水,地表水配額只需3.136×108m3/a,既能滿足寧東能源化工基地2020年規(guī)劃對(duì)水資源需求,又能提高用水保障程度,實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的最大化。
(1)研究了寧東能源化工基地地表水和地下水聯(lián)合配置供水的方案,并采用線性規(guī)劃模型對(duì)聯(lián)合配置供水方案進(jìn)行優(yōu)化,根據(jù)優(yōu)化方案確定了地下水的實(shí)際供水路線和供水配額。陶樂(lè)傍河水源地可向平羅精細(xì)化工基地供水0.065×108m3/a;駱駝井應(yīng)急水源地向橫城和鴛鴦湖工礦區(qū)供水 0.019×108m3/a;吳忠平原2號(hào)和3號(hào)備選水源地向靈武工礦區(qū)供水0.089×108m3/a和0.067×108m3/a;大泉地區(qū)的1號(hào)水源地向南部的馬家灘和積家井工礦區(qū)供水0.054×108m3/a。
(2)根據(jù)優(yōu)化方案確定的地下水實(shí)際供水路線及配額聯(lián)合地表水供水,既可實(shí)現(xiàn)用最低的經(jīng)濟(jì)成本達(dá)到寧東能源化工基地2020年規(guī)劃的供水目標(biāo),又能提高基地供水保障程度,減少地表水蒸發(fā)等造成的水資源損失,從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源的高效開發(fā)利用。