賈正茂，趙新磊，崔長(zhǎng)勇，王林威，李克飛

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003)

水資源是基礎(chǔ)性自然資源和戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)快速發(fā)展，水資源問題成為當(dāng)前我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸[1]。水資源的開發(fā)利用與當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)、水行政部門管理等方面有著緊密聯(lián)系，在制定水資源規(guī)劃配置方案時(shí)往往會(huì)遇到各種復(fù)雜問題。為解決此類問題，在水資源供需分析中往往設(shè)置不同情景方案，通過合理性對(duì)比分析，為水資源管理部門提供一套科學(xué)的措施方案。王浩等首次提出水資源“三次平衡”配置思想[2- 3]。彭少明等對(duì)鄂爾多斯市水資源進(jìn)行了“三次供需分析”[4]。楊志峰等按照基本控制方案、綜合強(qiáng)化方案對(duì)廣州市水資源進(jìn)行了研究[5]。呂彤在研究浦口區(qū)水資源供需分析及合理利用時(shí)，開展了基于現(xiàn)狀工程條件的一次、基于水資源承載能力的二次、考慮調(diào)水措施的三次供需平衡分析[6]。黃河水利委員會(huì)在研究黃河流域水資源供需分析時(shí)，按照工程是否生效，分2020年(無引漢濟(jì)渭工程)、2020年(有引漢濟(jì)渭工程)、2030年(無西線工程、無引漢濟(jì)渭工程)、2030年(有西線工程、有引漢濟(jì)渭工程)進(jìn)行研究[7]。

筆者認(rèn)為，在水資源供需分析中，要重點(diǎn)考慮用水總量控制紅線指標(biāo)和實(shí)際工程建設(shè)及規(guī)劃情況，由此設(shè)置供需分析中的情景方案，本文以駐馬店市為例，針對(duì)水資源管理需求，考慮用水總量控制紅線要求及工程建設(shè)情況，通過研究設(shè)置適合當(dāng)?shù)氐乃Y源供需情景方案，構(gòu)建駐馬店市水資源模擬模型，進(jìn)行供需分析及水資源配置，從而為駐馬店市的發(fā)展提供一定參考。

1 駐馬店市水資源利用問題

1.1 駐馬店市概況

駐馬店市下轄1區(qū)8縣，總面積13633km2，近年來其經(jīng)濟(jì)社會(huì)一直保持快速發(fā)展，“十一五”期間GDP年均增長(zhǎng)12.4%，“十二五”期間GDP增速在9%以上。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展、工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快及國(guó)家糧食安全保障需要，該市對(duì)水資源的需求不斷上升，水資源供需矛盾日益突出。

1.2 用水總量紅線管理要求

根據(jù)政府發(fā)布的文件，駐馬店市用水總量控制指標(biāo)情況見表1。由表1可知，駐馬店市2020年和2030年水平用水總量控制指標(biāo)分別為115253萬m3和125466萬m3，地表水所占比例較大，分別為61%、64%。

表1 駐馬店市用水總量控制指標(biāo)

1.3 近些年水資源利用情況分析

根據(jù)發(fā)布的《駐馬店市水資源公報(bào)》，分析了近些年水資源利用情況，見表2。由表2可知，12年間供水量總體上呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，從前6年的8.44億m3增加到后5年的10.00億m3，地表水從1.44億m3增加到2.53億m3，地下水供水量從7.00億m3增加到7.45億m3。

表2 駐馬店市2005—2016年供水量統(tǒng)計(jì)

注：數(shù)據(jù)來源于2005—2016年《駐馬店市水資源公報(bào)》。

1.4 存在問題

常規(guī)水源利用量大，非常規(guī)水源利用不足。駐馬店市從2015年才開始少量利用非常規(guī)水源，長(zhǎng)期過度依賴常規(guī)水源加劇了區(qū)域水資源供需矛盾，并且污染了水環(huán)境。

對(duì)地下水依賴程度高，當(dāng)?shù)氐乇硭貌蛔恪ｑv馬店市供水中主要以地下水為主，近6年平均地下水供水量占75%。

可控地表水主要集中在西部山區(qū)，加大了地表水利用難度。駐馬店市東部平原區(qū)面積占70%，不適合興建較大蓄水工程，地表水可控制利用程度相對(duì)較低，近6年平均地表水供水量占25%，而省政府下達(dá)駐馬店市地表水用水總量指標(biāo)所占比例較高，2015年為50%，2030年高達(dá)64%。

2 基于管理需求的情景方案設(shè)置

根據(jù)駐馬店市不同水平年需水預(yù)測(cè)成果，針對(duì)區(qū)域水資源存在的問題，為得到全面的水資源供需分析成果，根據(jù)地表水工程規(guī)劃情況及用水總量控制指標(biāo)要求，設(shè)置多個(gè)情景進(jìn)行反饋、協(xié)調(diào)與平衡分析。

2.1 典型年的設(shè)置

鑒于中等干旱年(P=75%)農(nóng)業(yè)灌溉需求較大，同時(shí)考慮到中等干旱年(P=75%)增加紅線可行性，除了設(shè)置常規(guī)的平水年(P=50%)、中等干旱年(P=75%)，本次增加中等干旱年(P=75%，增加紅線)第三個(gè)特殊的典型年，根據(jù)中等干旱年(P=75%)相比平水年(P=50%)的需水量增長(zhǎng)比例，按照以豐補(bǔ)歉的原則，適當(dāng)增加紅線控制指標(biāo)，見表3。

表3 典型年的設(shè)置情況

2.2 約束方式的設(shè)置

為了反映工程建設(shè)的實(shí)際情況，設(shè)置工程約束方式，為了反映用水總量控制指標(biāo)要求，設(shè)置紅線約束方式，見表4。

表4 約束方式的設(shè)置情況

2.3 基于駐馬店市水資源管理需求的情景方案設(shè)置

根據(jù)以上研究的平水年、中等干旱年、中等干旱年(增加紅線)三個(gè)典型年，交叉工程約束、紅線約束兩個(gè)約束方式，共交叉出六個(gè)情景，見表5。

表5 基于駐馬店市水資源管理需求的情景方案設(shè)置成果

3 水資源模擬模型構(gòu)建及供需配置研究

3.1 水資源模擬模型構(gòu)建

本次構(gòu)建的模型是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型，其平衡計(jì)算以運(yùn)籌學(xué)中的最小費(fèi)用、最大流原理(MAXMIN法)為基礎(chǔ)，經(jīng)改進(jìn)后將其用于帶下限的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中。此算法不僅保證了各節(jié)點(diǎn)的水量平衡，而且能夠非常方便地進(jìn)行大量分水政策等方面的試驗(yàn)。

本研究根據(jù)駐馬店市行政區(qū)劃和水系分布，考慮主要斷面控制要求和工程情況，將駐馬店市共劃分為38個(gè)計(jì)算單元，并構(gòu)建駐馬店市水資源供需平衡計(jì)算節(jié)點(diǎn)圖，如圖1所示，節(jié)點(diǎn)圖模擬實(shí)際系統(tǒng)及其內(nèi)部關(guān)系的概化，由一系列節(jié)點(diǎn)及有向連線組成，節(jié)點(diǎn)圖每個(gè)節(jié)點(diǎn)都標(biāo)明節(jié)點(diǎn)編號(hào)，并根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置區(qū)間入流、需水、水庫(kù)蓄水、斷面生態(tài)流量等要素。本模型輸入水資源評(píng)價(jià)成果，是以各節(jié)點(diǎn)為單位，以1956—2014年59年系列逐月為時(shí)限。供水優(yōu)先序設(shè)置方面，優(yōu)先考慮城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村人畜、河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水，工業(yè)用水次之，農(nóng)業(yè)灌溉及河道外生態(tài)最后滿足。

3.2 駐馬店市可供水量研究

3.2.1當(dāng)?shù)氐乇硭?/p>

根據(jù)已有規(guī)劃，2020年前對(duì)已建大型水庫(kù)進(jìn)行續(xù)建配套，新建3座中型水庫(kù)，40座小型水庫(kù)，2030年前對(duì)已建大型水庫(kù)繼續(xù)進(jìn)行續(xù)建配套，并新建1座大型水庫(kù)、1座中型水庫(kù)。

3.2.2地下水

駐馬店市多年平均淺層地下水可開采量不超過地下水實(shí)際開采量，總體上不超采，但局部地區(qū)由于開采集中，存在超采現(xiàn)象。根據(jù)地下水開采控制原則，在局部超采區(qū)壓減超采量，在具有地下水開采潛力的平原地區(qū)，結(jié)合實(shí)際需求，考慮地下水機(jī)電井工程更新改造及續(xù)建配套，從而增加地下水供水量。

3.2.3非常規(guī)水源

駐馬店市境內(nèi)主要的非常規(guī)水資源為再生水和雨水，在一定程度上替代常規(guī)水資源。

3.2.4外調(diào)水

規(guī)劃年考慮正陽(yáng)縣城引淮工程，用淮河干流的地表水置換現(xiàn)狀的地下水；根據(jù)駐馬店市利用南水北調(diào)中線水有關(guān)前期工作情況，結(jié)合用水需求合理配置南水北調(diào)中線水。

3.3 供需情景方案的對(duì)比解析

3.3.1多情景下的水資源供需分析

經(jīng)過駐馬店市水資源模擬模型調(diào)算，不同情景下的水資源供需分析成果見表6。由表6可知，同一典型年中，工程約束和紅線約束在不同水平年的需水量、供水量、缺水量相同，不同的是供水量中地表水和地下水分配不一樣。工程約束考慮地表水工程供水能力，同時(shí)在用水總量控制指標(biāo)的約束下(不再分地表水、地下水進(jìn)行指標(biāo)控制)，確定地表水、地下水供水量。而紅線約束則不考慮地表水供水工程情況，嚴(yán)格按照用水總量控制指標(biāo)約束，對(duì)地表水、地下水分別進(jìn)行指標(biāo)控制，確定地表水、地下水供水量。工程約束結(jié)合了駐馬店市水利工程建設(shè)情況，而紅線約束則更反映了最嚴(yán)格水資源管理的要求。

圖1 駐馬店市水資源供需平衡計(jì)算節(jié)點(diǎn)圖

典型年約束水平年需水量供水量缺水狀況當(dāng)?shù)厮乇硭叵滤浅Ｒ?guī)水淮河干流南水北調(diào)中線合計(jì)缺水量缺水率/%P=50%P=75%P=75%增加紅線工程約束紅線約束工程約束紅線約束工程約束紅線約束基準(zhǔn)年9844733832550090008884196079.82020年12589146151635054243815400011871471775.72030年149184561516500088881215840013965495306.4基準(zhǔn)年9844745476433640008884196079.82020年12589169225404314243815400011871471775.72030年149184791154203688881215840013965495306.4基準(zhǔn)年1249303383260016000938483108224.92020年1527695001262135424381540001212053156420.72030年17511561078600738888121584001396543546120.2基準(zhǔn)年1249304883045018000938483108224.92020年1527696922542922424381540001212053156420.72030年17511579115420368888121584001396543546120.2基準(zhǔn)年12493033832723700001062021872815.02020年152769500128023442438154000139304134658.82030年1751156107885466888812158400165047100685.7基準(zhǔn)年12493048830573720001062021872815.02020年152769692256102142438154000139304134658.82030年1751157911567428888812158400165047100685.7

表7 駐馬店市水資源配置成果(一) 單位：萬m3

表8 駐馬店市水資源配置成果(二) 單位：萬m3

3.3.2供需情景方案對(duì)比推薦

綜合各種情景下的水資源供需分析，考慮到駐馬店市地表水開發(fā)利用需要逐步實(shí)施到位，規(guī)劃水平年的地表水工程建設(shè)情況還不能支撐地表水用水總量紅線指標(biāo)，而規(guī)劃水平年地下水具備一定開采潛力，同時(shí)經(jīng)與相關(guān)水利主管部門深入交流與探討，建議駐馬店市加快地表水工程建設(shè)，使地表水的開發(fā)利用規(guī)模努力達(dá)到紅線指標(biāo)，在這之前，可以根據(jù)地下水可開采量和缺水情況，多利用一部分地下水，保障駐馬店市經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康發(fā)展。綜上，推薦平水年(P=50%)工程約束的供需方案情景。

3.4 基于推薦情景下的配置成果

根據(jù)推薦的供需方案情景，本次水資源配置方案為推薦的平水年(P=50%)工程約束情景的水資源配置方案，見表7—8。由表7—8可知，2020年水平配置河道外供水量118714萬m3，2030年水平配置河道外供水量139654萬m3。

駐馬店市2030年用水總量控制紅線指標(biāo)為125466萬m3，本次2030年水平年配置的水量中地表水、地下水、淮河干流水及紅線指標(biāo)內(nèi)的非常規(guī)水源占用駐馬店市紅線指標(biāo)，共計(jì)125466萬m3，紅線指標(biāo)全部配置完畢。

本次研究的配置成果，已應(yīng)用于《駐馬店市水資源綜合規(guī)劃》，并于2017年9月通過河南省專家評(píng)審，于2018年6月獲得駐馬店市人民政府批復(fù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)水資源供需分析中的情景方案設(shè)置問題進(jìn)行了深入研究，為解決駐馬店市分配的當(dāng)?shù)氐乇怼⒌叵滤偭靠刂萍t線與工程實(shí)際情況不協(xié)調(diào)問題，提出了基于用水總量紅線管理的水資源供需情景方案，設(shè)置平水年、中等干旱年、中等干旱年(增加紅線)三個(gè)典型年，交叉工程約束、紅線約束兩個(gè)約束，共六個(gè)情景模式，通過構(gòu)建駐馬店市水資源模擬模型，對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源供需形勢(shì)進(jìn)行深度摸底，對(duì)多種供需情景方案進(jìn)行優(yōu)選及深度解析，最終提出符合駐馬店市實(shí)際情況的水資源配置方案，可作為今后一段時(shí)期駐馬店市水資源開發(fā)利用、節(jié)約保護(hù)和管理的依據(jù)，也可為今后開展其他區(qū)域水資源規(guī)劃提供參考和借鑒。