濟(jì)寧市南水北調(diào)受水區(qū)地下水壓采替代水源方案優(yōu)選研究

劉志峰，王琳琳，林洪孝

(1．山東省水利工程管理局，山東 濟(jì)南 250014;2．山東省環(huán)境監(jiān)測中心站，山東 濟(jì)南 250013;3．山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271018)

1 前言

濟(jì)寧市位于魯西南腹地，地處黃淮海平原與魯中南山丘區(qū)交接地帶，地理坐標(biāo)為北緯34°26'～35°57'， 東 經(jīng) 115°52' ～ 117°36'， 總 面 積10684．9km2，該市礦產(chǎn)資源豐富，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，是國家重點(diǎn)糧棉基地和能源基地，亦是魯西南工業(yè)重鎮(zhèn)。

然而，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長，濟(jì)寧市水資源利用的供需矛盾日益尖銳，地下水超采嚴(yán)重，造成大面積降落漏斗和部分地區(qū)的地面沉降。本著可持續(xù)發(fā)展的思想，2005年9月，濟(jì)寧市通過了《濟(jì)寧市南水北調(diào)受水區(qū)地下水壓采方案研究》，確定了在濟(jì)寧市南水北調(diào)受水區(qū)到2013年壓采3782萬m3地下水(平水年)和到2018年壓采7583萬m3地下水(平水年)的目標(biāo)。因此，在全市需水量不斷增加的現(xiàn)實(shí)情況下，只有開源、節(jié)流，而且要充分利用南水北調(diào)水源，即找到替代水源才能解決水資源供需矛盾，促進(jìn)濟(jì)寧市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的和諧發(fā)展，故濟(jì)寧市南水北調(diào)受水區(qū)地下水壓采替代水源方案的研究則尤為重要，對當(dāng)前工作具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

2 替代水源分析

替代水源是指替代地下水壓采的水源，是超采區(qū)地下水壓采的基本水資源條件。

2.1 南水北調(diào)分配水量

南水北調(diào)水量是壓采的首要替代水源。根據(jù)南水北調(diào)規(guī)劃成果，2013年和2018年分配給濟(jì)寧市受水區(qū)的水量分別為4500萬m3、8000萬m3。

2.2 節(jié)水潛力

根據(jù)濟(jì)寧市節(jié)水規(guī)劃，分析受水區(qū)內(nèi)未來的節(jié)水水平。由《濟(jì)寧市水資源綜合規(guī)劃—節(jié)水規(guī)劃專題報(bào)告》得平水年2013年和2018年各行業(yè)節(jié)水規(guī)劃量及污水處理回用量。見表1所示。

表1 濟(jì)寧市2013年和2018年各行業(yè)節(jié)水潛力及污水處理回用量(P=50%)

2.3 當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)潛力

當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)潛力分析，主要是分析當(dāng)?shù)厮Y源可能增加的供水量，包括地下水新增供水量、地表水新增供水量。

2.3.1 地下水新增供水量

地下水新增供水量包括地下水回灌水量、兗西奧灰水源的開發(fā)量、濱湖地區(qū)因潛水蒸發(fā)的減少而新增的開采量等。由《濟(jì)寧市南水北調(diào)受水區(qū)地下水壓采方案研究》可得平水年2013年和2018年地下水新增供水量分別為1500萬m3和2200萬m3。

2.3.2 地表水新增供水量

新增地表水水源主要是充分利用當(dāng)?shù)氐乇韽搅鳙@得，其主要工程措施是攔蓄工程。

蓄水工程主要指湖東山溪性河道，在上游修建盡可能大的集水池，中游修建小水庫和塘壩工程或興建層層截潛工程，下游沿河布大口井和地道井等截潛工程。此工程措施在曲阜北部山丘區(qū)已有實(shí)踐，并獲得了成功。攔水工程主要指平原坡水河道，河道徑流量年內(nèi)相差懸殊，汛期河水暴漲，枯季水量陡減，因此在河道適當(dāng)位置興建攔河閘壩，對河道上游來水進(jìn)行跨季節(jié)、跨年度調(diào)蓄，可增加地表水的可供水量。

由《濟(jì)寧市南水北調(diào)受水區(qū)地下水壓采方案研究》可得平水年2013年和2018年地表水新增供水量分別為3000萬m3和4000萬m3。

3 替代水源方案優(yōu)選模型的建立

建立替代水源優(yōu)選模型，進(jìn)行替代水源方案優(yōu)選，解決該市地下水壓采和需水量增加而造成的水資源供需矛盾。

3.1 建模思想

擬算出采取的各項(xiàng)減少地下水開采措施的節(jié)水量、新增開發(fā)當(dāng)?shù)厮戳颗c南水北調(diào)調(diào)水量的優(yōu)化分配方案，即在滿足減少開采地下水量和增加新需水量的同時(shí)，得出較優(yōu)的節(jié)流開源布局方案。

3.2 建立模型

以供水經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)，創(chuàng)建替代水源優(yōu)選模型。

式中:Wc—水費(fèi)總收入，萬元;

Wj1—工業(yè)節(jié)水量，萬m3;

Wj2—農(nóng)業(yè)節(jié)水量，萬m3;

Wj3—公共設(shè)施節(jié)水量，萬m3;

Pj1—工業(yè)節(jié)水商品水價(jià)，元/m3;

Pj2—農(nóng)業(yè)節(jié)水商品水價(jià)，元/m3;

Pj3—公共設(shè)施節(jié)水商品水價(jià)，元/m3;

Wh—污水處理回用量，萬m3;

Ph—污水處理回用水商品水價(jià)，元/m3;

Ws—新增地表水供水量，萬m3;

Ps—地表水商品水價(jià)，元/m3;

Wg—新增地下水供水量，萬m3;

Pg—地下水商品水價(jià)，元/m3;

Wd—南水北調(diào)調(diào)水量，萬m3;

Pd—南水北調(diào)供水商品水價(jià)，元/m3;

T—規(guī)劃期。

mi—各項(xiàng)權(quán)重

3.3 所建模型分析

(1)節(jié)水按工業(yè)、農(nóng)業(yè)和公共設(shè)施節(jié)水考慮，其中重點(diǎn)在工業(yè)、依次為農(nóng)業(yè)和公共設(shè)施節(jié)水，農(nóng)業(yè)節(jié)水主要轉(zhuǎn)供城市，所以，在計(jì)算農(nóng)業(yè)節(jié)水時(shí)不能用農(nóng)業(yè)用水價(jià)格，而用城市用水平均價(jià)格測算;因受原用水統(tǒng)計(jì)影響，經(jīng)營性用水統(tǒng)計(jì)在公共設(shè)施用水中，而其用水是公共設(shè)施用水的主要部分，所以，分析中的公共設(shè)施節(jié)水主要指經(jīng)營性用水;新增開發(fā)地表水用于工業(yè);(2)新增開發(fā)地下水用于生活;(3)污水處理回用水是減少地下水開采和滿足新增用水量的重要措施，主要用于工業(yè)用水;(4)南水北調(diào)調(diào)水用于城市;(5)各項(xiàng)節(jié)流開源水量應(yīng)等于壓采措施減采量與新增需水量之和。

4 2013年替代水源方案優(yōu)選

4.1 水資源費(fèi)及水費(fèi)分析

根據(jù)目前水資源費(fèi)及水費(fèi)價(jià)格以及相關(guān)政策，得到2013年濟(jì)寧市水資源費(fèi)及水費(fèi)價(jià)格。

(1)水資源費(fèi)(元/m3)，地下水:0．65;地表水:0．30

(2)水費(fèi)(元/m3)，工業(yè):3．09(地下水源);工業(yè):2．74(地表水源);生活:2．69(該區(qū)無地表水源);行政事業(yè)單位:2．99;經(jīng)營服務(wù)業(yè):4．10

(3)污水處理回用:1．0元/m3

4.2 方案優(yōu)選

根據(jù)《濟(jì)寧市水資源綜合規(guī)劃》得2013年平水年濟(jì)寧市新增需水量5595萬m3，故2013年平水年濟(jì)寧市壓采措施減采量與新增需水量之和為9377萬m3。根據(jù)建立的模型和對模型的分析得。

各符號(hào)含義同上。

設(shè)立七種方案，利用Matlab軟件的linprog命令分別計(jì)算其優(yōu)化結(jié)果，如表2所示。

分析方案一，其最優(yōu)結(jié)果是當(dāng)Wj1=Wj2=Wj3=0時(shí)得到的，可見該方案沒有利用節(jié)約用水量，不利于各行業(yè)的節(jié)水管理;且污廢水回用量取上限值，利用率過高。固權(quán)重的選取不合理，此方案不可取。

分析方案二，其最優(yōu)結(jié)果是當(dāng)Wh=0時(shí)得到的，可見該方案沒有充分利用污廢水的回用量，不利于污廢水的回用工作;且節(jié)水利用率和地表水開采率過高。固權(quán)重的選取不合理，此方案不可取。

表2 2013年替代水源方案優(yōu)選表

分析方案三，其最優(yōu)結(jié)果是當(dāng)Wj1、Wj3、Wh取其上限值得到的，工業(yè)、公共設(shè)施節(jié)水利用率和污廢水回用利用率過高。固權(quán)重的選取不合理，此方案不可取。

分析方案四，其最優(yōu)結(jié)果是當(dāng)Wj1、Wj2、Wj3、Wd取其上限值得到的，節(jié)水利用率和南水北調(diào)水利用率過高。固權(quán)重的選取不合理，此方案不可取。

分析方案五，其最優(yōu)結(jié)果是當(dāng)Wj2、Wj3、Wd取其上限值得到的，農(nóng)業(yè)、公共設(shè)施節(jié)水利用率和南水北調(diào)水利用率過高。固權(quán)重的選取不合理，此方案不可取。

分析方案六與方案七，此兩方案注重可持續(xù)發(fā)展思想，由其計(jì)算結(jié)果可見，權(quán)重的確定符合了以下四方面:①充分挖掘各行業(yè)的節(jié)水潛力，利用各行業(yè)節(jié)水水源，促進(jìn)各行業(yè)節(jié)水;②充分利用污廢水處理回用水源，減少污廢水的排放量。③盡量少開源，尤其是地下水資源，走可持續(xù)發(fā)展道路;④充分利用南水北調(diào)水源，符合經(jīng)濟(jì)合理性原則。此兩方案權(quán)重選擇合理，為優(yōu)選方案。

5 2018年替代水源方案優(yōu)選

考慮遠(yuǎn)期的物價(jià)上漲因素，各行業(yè)水價(jià)均比近期水價(jià)增長10%進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《濟(jì)寧市水資源綜合規(guī)劃》得2018年平水年濟(jì)寧市新增需水量3285萬m3，故2018年平水年濟(jì)寧市壓采措施減采量與新增需水量之和為10868萬m3。根據(jù)建立的模型和對模型的分析得

各符號(hào)含義同上。

設(shè)立六種模擬方案，利用Matlab軟件的linprog命令分別計(jì)算其優(yōu)化結(jié)果，如表3所示。

分析此六個(gè)方案(方法同2013年方案分析)，方案五和方案六為優(yōu)選方案。

表3 2018年替代水源方案優(yōu)選表

6 結(jié)語

利用建立的替代水源方案優(yōu)選模型，對濟(jì)寧市南水北調(diào)受水區(qū)地下水壓采替代水源方案進(jìn)行優(yōu)選，最終得到了較優(yōu)的各項(xiàng)減少地下水開采措施的節(jié)水量、新增開發(fā)當(dāng)?shù)厮戳颗c南水北調(diào)調(diào)水量的優(yōu)化分配方案，對濟(jì)寧市今后的水資源優(yōu)化配置與調(diào)度工作具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義，對今后此類工作的進(jìn)行具有較好的借鑒意義。

［1］彭緒民等．濟(jì)寧市南水北調(diào)受水區(qū)壓采方案研究［R］．濟(jì)寧:濟(jì)寧市水資源管理辦公室、濟(jì)寧水文水資源勘測局，2005．

［2］高玲．南水北調(diào)石家莊受水區(qū)地下水壓采方案探討［J］．南水北調(diào)與水利科技，2006(04):23-24．

［3］劉志峰，劉春成．MATLAB在水資源優(yōu)化配置與調(diào)度中的應(yīng)用［J］．黑龍江水利科技，2007，35(01):18-19．

［4］許其寬，徐斌．推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)的文化思考［J］．水利發(fā)展研究，2009(03):67-69．

［5］周淑妹，賈麗業(yè)，周金達(dá)．天津市水資源優(yōu)化配置及節(jié)水問題的幾點(diǎn)思考［J］．水文，2009(01):36-37．