邯鄲市西部水資源配置研究

單志學(xué)，張亭亭，劉 彬，3，沙金霞，孫建偉

(1.河北省承德水文水資源勘測(cè)局，河北承德067000;2.河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北邯鄲056021;3、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京100038;4、邯鄲市水利局，河北邯鄲056021;)

邯鄲市西部地區(qū)是該市重要的重工業(yè)基地，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，需水量逐年增長(zhǎng)。但由于該區(qū)域地表水資源不足，導(dǎo)致局部地下水嚴(yán)重超采。而正在建設(shè)中的“南水北調(diào)工程”和規(guī)劃中的“邯鄲市引黃穿衛(wèi)工程”，只解決了邯鄲市東部地區(qū)的供水問(wèn)題，而西部地區(qū)的供水形勢(shì)依舊嚴(yán)峻、水資源供需矛盾日益突出。為了解決西部地區(qū)的供水問(wèn)題，對(duì)該地區(qū)的水資源再配置問(wèn)題進(jìn)行深入研究與規(guī)劃是非常必要的。目前流域水資源優(yōu)化配置方法主要包括系統(tǒng)優(yōu)化法、模型模擬法、模擬與優(yōu)化相耦合法三類［1－2］。其中系統(tǒng)優(yōu)化法［3］對(duì)較小系統(tǒng)可以得到滿意的結(jié)果，但對(duì)于水資源優(yōu)化配置大系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)，所產(chǎn)生的維數(shù)災(zāi)常使優(yōu)化方法難以求解或優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際不符。模擬模型通用性好、適應(yīng)性強(qiáng)，但模擬模型數(shù)據(jù)需求量大，且模型調(diào)參、率定需大量結(jié)合專業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)，這也導(dǎo)致模擬模型計(jì)算出的方案沒(méi)有優(yōu)化模型的目標(biāo)針對(duì)性強(qiáng)［4－5］。優(yōu)化與模擬相耦合的方法，雖在一定程度上綜合了優(yōu)化模型和模擬模型的優(yōu)點(diǎn)，但仍不能克服模擬模型的缺點(diǎn)，同時(shí)由于耦合了兩種模型，模擬模型結(jié)果往往對(duì)于優(yōu)化模型不能形成最優(yōu)解，在最優(yōu)方案選擇上較困難［6－8］。本文針對(duì)復(fù)雜水資源系統(tǒng)的特點(diǎn)，構(gòu)建基于數(shù)學(xué)規(guī)劃及規(guī)則控制的水資源配置模型，實(shí)現(xiàn)邯鄲市西部水資源的綜合配置。

1 系統(tǒng)規(guī)則控制設(shè)定

1.1 工程規(guī)劃設(shè)定

工程規(guī)劃設(shè)定主要是為了水資源配置而擬定修建或改擴(kuò)建的水利工程規(guī)劃。根據(jù)邯鄲西部地區(qū)的地形地勢(shì)、河流水系以及現(xiàn)狀水利工程情況，可以自清漳河擬定上線、中線和下線三條路線調(diào)水供給西部地區(qū)。

上線:自山西省建設(shè)中的澤城西安水利工程進(jìn)行調(diào)水，向東南通過(guò)新開(kāi)挖隧洞引水入青塔水庫(kù)和車谷水庫(kù)，經(jīng)兩水庫(kù)調(diào)蓄后，再向武安和涉縣進(jìn)行供水。

中線:自清漳河上擬建的賈家莊水庫(kù)進(jìn)行調(diào)水，首先經(jīng)漳北渠向涉縣供水，然后經(jīng)十五里洞和規(guī)劃供水工程，引水入固鎮(zhèn)水庫(kù)和夏莊水庫(kù)，經(jīng)兩水庫(kù)調(diào)蓄后，再向武安進(jìn)行供水。

下線:自躍峰渠渠首進(jìn)行調(diào)水，經(jīng)過(guò)躍峰渠干渠向峰峰礦區(qū)供水，再經(jīng)二分干和躍峰渠入大洺遠(yuǎn)水庫(kù)，經(jīng)水庫(kù)調(diào)蓄后向武安市進(jìn)行供水。

1.2 供水范圍設(shè)定

供水范圍規(guī)則主要是為了配置方便，事前確定好外調(diào)水或當(dāng)?shù)厮┧采w區(qū)域。邯鄲市西部水資源包括當(dāng)?shù)厮屯庹{(diào)水。本次研究對(duì)自產(chǎn)地表水和地下水供水范圍是區(qū)域內(nèi)就近利用。為提高外調(diào)漳河水的利用率，并考慮到受水區(qū)的經(jīng)濟(jì)承受能力，確定本次引漳供水范圍規(guī)則為邯鄲市西部重點(diǎn)工業(yè)企業(yè)。上線供水范圍主要是城西供水片和固鎮(zhèn)片，中線供水范圍主要是涉縣片和固鎮(zhèn)片，下線供水范圍主要為武安城東供水片。

1.3 方案設(shè)定

考慮三條線路的可供水覆蓋范圍以及上線工程的實(shí)施難度，本次規(guī)劃采用兩種方案組合，即方案一:當(dāng)?shù)厮?上線+中線+下線;方案二:當(dāng)?shù)厮?中線+下線。

2 水資源配置模型建立

2.1 水資源系統(tǒng)概化

根據(jù)邯鄲市西部地區(qū)水系、工程用水戶供水關(guān)系、擬定調(diào)水方案等建立水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖(圖1)。以系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖為基礎(chǔ)構(gòu)建水資源配置模型，并對(duì)相關(guān)參數(shù)以現(xiàn)狀數(shù)據(jù)信息資料進(jìn)行校驗(yàn)后開(kāi)展規(guī)劃水平年的配置計(jì)算分析。

2.2 模型構(gòu)建

通過(guò)建立以基本計(jì)算單元水資源供用水平衡方程、水利工程供水平衡方程以及各類約束方程，以供水系統(tǒng)總?cè)彼孔钚槟繕?biāo)函數(shù)構(gòu)成數(shù)學(xué)規(guī)劃模型。

(1)目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)以區(qū)域供水系統(tǒng)總?cè)彼孔钚槟繕?biāo)。

式中:f(x)為總目標(biāo);xkij為水源i向k子區(qū)j用戶的供水量(萬(wàn)m3);Dkj為k子區(qū)j用戶需水量(萬(wàn)m3);J(k)為k子區(qū)用水戶數(shù)量;I(k)為k子區(qū)水源數(shù)量。

(2)約束條件

①水源可供水量約束

式中:wi為水源i的可供水量。

②水源輸水能力約束

表1 2020年邯鄲市西部山區(qū)水資源配置成果(萬(wàn)m3)Tab.1 The water allocation results in 2020 of west Handan City(104m3)

④變量非負(fù)約束

3 配置結(jié)果分析及方案選擇

3.1 水資源配置結(jié)果分析

利用所構(gòu)建的水資源配置模型及系統(tǒng)控制規(guī)則，對(duì)邯鄲市西部山區(qū)各行政區(qū)計(jì)算單元進(jìn)行長(zhǎng)系列逐月調(diào)節(jié)計(jì)算，分別得到方案一和方案二2020年規(guī)劃水平年不同保證率情況下的水資源配置結(jié)果，詳見(jiàn)表1。豐水年(P=25%)邯鄲市西部山區(qū)降水豐沛且入境水量偏多，區(qū)域整體不缺水，只在個(gè)別山勢(shì)較高地區(qū)由于地下水埋藏較深、不便開(kāi)發(fā)而缺水;但在枯水年(P=75%)、特枯水年(P=95%)伴隨降水和入境水量的減少，區(qū)域呈現(xiàn)缺水，其中武安市缺水量最大，缺水率超過(guò)30%。

3.2 工程布局與供水總量控制

(1)方案一。上線只涉及到方案一，規(guī)劃上線自山西左權(quán)建設(shè)中的澤城西安水利工程進(jìn)行調(diào)水，新開(kāi)挖隧洞自澤城西安水利工程水電站尾水渠出口處開(kāi)始，向東南沿直線至青塔水庫(kù)上游河道末端的龍洞村，再折向東至車谷水庫(kù)，引水入青塔水庫(kù)和車谷水庫(kù)，其中青塔水庫(kù)做為備用的調(diào)蓄水源。根據(jù)澤城西安水利工程下瀉水量和下游用水現(xiàn)狀，上線工程引水規(guī)模為2.5 m3/s。方案一中線以漳河上擬建的賈家莊水庫(kù)為水源地，采用泵站提水，經(jīng)漳北渠干渠對(duì)涉縣進(jìn)行供水，漳北渠引水規(guī)模為1.1 m3/s。下線自躍峰渠渠首進(jìn)行調(diào)水，首先經(jīng)過(guò)躍峰渠干渠向峰峰礦區(qū)供水，然后再經(jīng)二分干和躍峰渠入大洺遠(yuǎn)水庫(kù)，經(jīng)水庫(kù)調(diào)蓄后向武安市進(jìn)行供水。躍峰渠入大洺遠(yuǎn)水庫(kù)引水工程規(guī)模為3 m3/s。

(2)方案二。方案二中線以漳河上擬建的賈家莊水庫(kù)為水源地，采用泵站提水，先經(jīng)漳北渠向涉縣供水，然后經(jīng)十五里洞和規(guī)劃供水工程，引水入固鎮(zhèn)水庫(kù)和夏莊水庫(kù)，經(jīng)兩水庫(kù)調(diào)蓄后，再向武安市進(jìn)行供水，漳北渠引水規(guī)模為1.9 m3/s，十五里洞引水規(guī)模為0.7 m3/s。下線同方案一。

3.3 工程投資估算

針對(duì)受水區(qū)水資源配置方案，從蓄水工程、調(diào)水工程及配套工程等方面，根據(jù)工程現(xiàn)狀和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并參照已建同類工程投資指標(biāo)，分別估算方案一和方案二的工程總投資。經(jīng)估算方案一、方案二工程總投資分別為23.99億元、22.77億元，投資估算詳見(jiàn)表2、表3。

表2方案一投資估算表Tab.2 The table of investment about program one

表3方案二投資估算表Tab.3 The table of investment about program two

3.4 方案選擇

對(duì)方案一、方案二水資源配置成果、工程布局與供水總量控制、工程投資估算對(duì)比分析。方案一供水范圍大，其中上線引水通過(guò)兩座中型水庫(kù)調(diào)節(jié)，供水范圍可以控制武安市主要工業(yè)用水戶，但方案一投資大，工程施工難度大，同時(shí)調(diào)水牽涉到山西省、河北省、海委漳河上游管理局等單位，協(xié)調(diào)難度大;方案二較方案一供水范圍偏小，可以滿足西部區(qū)域部分工業(yè)用水戶用水，但方案二較方案一投資省，調(diào)水全部在邯鄲市內(nèi)完成，協(xié)調(diào)容易，利于工程盡早開(kāi)工建設(shè)。綜合考慮方案一和方案二的優(yōu)劣，最終選擇方案二為邯鄲市西部水資源配置方案(見(jiàn)表4)。

方案二在充分利用當(dāng)?shù)厮幕A(chǔ)上，通過(guò)中線和下線分別向邯鄲市西部地區(qū)調(diào)水，共需修建蓄、引、提、調(diào)水工程多處，包括興建賈家莊水庫(kù)、新建提水泵站、漳北渠渠道整治工程、十五里洞出口至南名河管道工程、躍峰渠渠道整治工程等，工程總投資為22.77億元。工程調(diào)水可以緩解西部缺水狀況，可以保證邯鄲市西部地區(qū)涉縣、峰峰、磁縣豐、平、枯水年不缺水，特枯水年缺水程度低于20%。但對(duì)于武安市，由于區(qū)域現(xiàn)狀用水缺口過(guò)大，方案二調(diào)水只是起到了緩解缺水的作用，武安市除了豐水年缺水率為9.2%，平、枯、特枯水年缺水率均超過(guò)20%。

4 結(jié)論

在對(duì)邯鄲市西部水資源調(diào)查研究基礎(chǔ)上，通過(guò)系統(tǒng)規(guī)則控制分別設(shè)定自澤城西安水利工程進(jìn)行調(diào)水，經(jīng)新開(kāi)挖隧洞引水入青塔和車谷水庫(kù)，向武安和涉縣供水(上線)、自清漳河上擬建的賈家莊水庫(kù)經(jīng)漳北渠和十五里洞向武安調(diào)水(中線)、由躍峰渠向峰峰礦區(qū)及武安調(diào)水(下線)三條工程調(diào)水路線，并對(duì)各調(diào)水線路供水區(qū)域進(jìn)行了嚴(yán)格限定，減少了配置模型約束條件數(shù)量和規(guī)模。結(jié)合以供水系統(tǒng)總?cè)彼孔钚槟繕?biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，分別對(duì)擬定的兩套方案進(jìn)行了模擬計(jì)算，鑒于方案二(當(dāng)?shù)厮?中線+下線)比方案一(當(dāng)?shù)厮?上線+中線+下線)投資少且調(diào)水協(xié)調(diào)工作方便，最終選擇方案二為最優(yōu)方案。方案二可以緩解西部缺水狀況，可以保證邯鄲市西部地區(qū)涉縣、峰峰、磁縣豐、平、枯水年不缺水，特枯水年缺水程度低于20%，但西部地區(qū)武安市由于鋼鐵工業(yè)發(fā)達(dá)，用水量大，各水平年均有不同程度缺水，武安市未來(lái)需通過(guò)大力節(jié)水實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

表4方案二水資源配置成果表(萬(wàn)m3)Tab.4 The water allocation results about program two in west Handan City(104m3)

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(責(zé)任編輯王利君)