許昌市水資源多模式聯(lián)合調(diào)度與合理配置

周念清+夏學(xué)敏+朱勍+顏偉峰

摘要：水資源短缺是制約城市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要因素，合理配置和有效利用有限的水資源是解決水資源供需矛盾的有效途徑。以許昌市國家水生態(tài)文明試點城市建設(shè)為例，在分析水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，運用定額法對需水量進(jìn)行預(yù)測。以多年平均水資源量為基礎(chǔ)，2011年作為研究基準(zhǔn)年，根據(jù)水資源取用方式、工程方案及各種水量需求等，利用MIKE BASIN建立水資源配置模型，對許昌市水資源供需平衡進(jìn)行模擬，通過三次供需平衡分析，得到不同規(guī)劃水平年水資源供需配置方案，最終達(dá)到水資源供需平衡，使有限的水資源發(fā)揮最大效益。研究結(jié)果表明，本地水資源結(jié)合南水北調(diào)、引黃調(diào)蓄、中水回用等多模式聯(lián)合調(diào)度，可以滿足許昌市中長期經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展用水需求，對未來許昌市水資源可持續(xù)利用具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：水資源；聯(lián)合調(diào)度；合理配置；供需平衡；許昌市

中圖分類號：TV213.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672-1683（2017）01-0007-07

Abstract：Water resources shortage is an important factor restricting the economic and social development of a city.Rational allocation and effective use of limited water resources is an effective way to solve the contradiction between water supply and demand.Xuchang City as a pilot city for national water ecological civilization construction was studied in this paper.The water demand was forecasted by the quota method according to the current status of water resources development and utilization.A water resources allocation model was established using MIKE BASIN，based on the multi-year average water resources quantity，water resources access methods，engineering scheme，and various water demands，with 2011 as the research base year.The water supply and demand balance of Xuchang City was simulated.The supply and demand balance analysis was conducted three times to obtain the water supply and demand allocation schemes at different planning levels，and ultimately to achieve water supply and demand balance，so that the limited water resources can produce maximum benefits.The research results showed that the local water resources，combined with the joint operation of multiple modes such as South-to-North water diversion，Yellow River water diversion，and reclaimed water recycling，can meet the water demand of Xuchang City for the medium-long-term sustainable economic and social development.It also has guiding significance for the future sustainable utilization of water resources in Xuchang City.

Key words：water resources；joint operation；rational allocation；supply and demand balance；Xuchang City

水資源是制約城市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要因素，隨著城市化進(jìn)程的加快，水資源供需矛盾日益突出。為了解決水資源供需矛盾，實施水資源合理配置和優(yōu)化管理至關(guān)重要。充分利用各種水資源，采取節(jié)水措施，提高用水效率，使有限的水資源發(fā)揮最大效益。國外關(guān)于水資源優(yōu)化配置研究起步較早，在水資源配置目標(biāo)、研究方法和配置機制等方面均有較快發(fā)展[1-3]。水資源管理軟件較多，其中MIKE BASIN是進(jìn)行流域水資源綜合規(guī)劃與管理的重要工具，在國內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果[4-5]。通過MIKE BASIN構(gòu)建水資源優(yōu)化配置模型，進(jìn)行三次水資源供需平衡分析[6-7]，研究不同水平年水資源供需平衡狀況，并結(jié)合規(guī)劃期內(nèi)的水利工程方案，進(jìn)行多模式水資源聯(lián)合調(diào)度，以達(dá)到解決水資源供需矛盾的目的。

本文以許昌市為例進(jìn)行水資源調(diào)度與配置方面的研究。許昌市是我國嚴(yán)重缺水的城市之一，2013年被列入國家首批水生態(tài)文明建設(shè)試點城市，水生態(tài)文明建設(shè)的重點就是要解決水資源和水環(huán)境問題。通過實施水系連通、境外調(diào)水等工程措施，實現(xiàn)水資源配置和合理調(diào)度，加快推進(jìn)水生態(tài)文明城市建設(shè)，對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

許昌市地處河南省中部，位于東經(jīng)113°03′-114°19′，北緯33°42′-34°24′之間，下轄1區(qū)（魏都區(qū)）、2市（禹州市、長葛市）、3縣（許昌縣、鄢陵縣、襄城縣），總面積4 996 km2。全年平均氣溫在14.3～14.6 ℃之間；1953年-2011年多年平均降水量為727.62 mm，受季風(fēng)氣候影響，降水量年際變化大，豐水年與枯水年最大相差2.5倍，且汛期降水量占全年降水總量的80%。2011年許昌市域總?cè)丝?79.4 萬人，國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值1 516 億元，經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定增長，其增長速度高于河南省和全國平均水平，發(fā)展態(tài)勢良好。

1.1 水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

許昌市位于淮河流域中游，市域河流屬沙潁河水系，其中境內(nèi)河道流域面積大于1 000 km2的有北汝河、潁河、雙洎河、清潩河（圖1）。全市有大型水庫1座（白沙水庫），中型水庫2座（佛耳崗水庫、紙坊水庫），小型水庫44座，總庫容4.1億m3。根據(jù)多年調(diào)查和統(tǒng)計結(jié)果，許昌市地表水資源量為3.66億m3，地下水資源量7.23億m3，扣除地表水和地下水水資源重復(fù)計算量1.79億m3，許昌市多年平均水資源總量約為9.10億m3。

2011年全市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活總供水量為7.82 億m3，其中地表水源供水量3.07 億m3，地下水源供水量4.75 億m3，分別占供水總量的39.2%和60.8%，城市供水以地下水為主。在地表水源供水量中，蓄水工程、引水工程和提水工程供水量分別占地表水源供水量的26.2%、72.5%和1.3%。地下水源供水量中，淺層地下水和深層地下水供水量分別占地下水源供水量的96.9%和3.1%。

1.2 存在問題分析

許昌市水資源開發(fā)利用主要存在以下幾方面問題：（1）水資源量短缺，人均水資源占有量僅208 m3，不足全國平均水平的10%；（2）地表水資源分布不均，北汝河為許昌市主要的地表水水源地，位于襄城縣境內(nèi)，多年平均徑流量為8.94億m3，上游無大型控制性工程；（3）地下水資源開采不合理，在襄城縣、長葛市、鄢陵縣地下水超采已形成明顯的降落漏斗；（4）干旱年市區(qū)用水保證率低，自2006年以來，連年發(fā)生旱災(zāi)，需從平頂山市昭平臺水庫應(yīng)急買水，成本高、損耗大，嚴(yán)重影響市區(qū)供水安全。另外，由于城鎮(zhèn)工業(yè)廢水、生活污水排放量大幅增加，中水回用比例低；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥、農(nóng)藥大量使用，造成地表水環(huán)境污染嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境退化等問題。

2 需水量預(yù)測

根據(jù)《許昌市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃》和《許昌市節(jié)水“十二五”規(guī)劃》進(jìn)行需水量預(yù)測，以2011年作為基準(zhǔn)年，采用定額法[8]，分別預(yù)測2015年、2020年和2030年工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活和生態(tài)環(huán)境需水量，為制定相應(yīng)的用水量控制規(guī)劃提供依據(jù)。

2.1 農(nóng)業(yè)需水量

隨著農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用，2015年灌溉水有效利用系數(shù)為0.645，有效灌溉面積25.33萬hm2（占耕地總面積的73.64%），到2030年灌溉水有效利用系數(shù)將提高到0.65，有效灌溉面積27.47萬hm2（占耕地總面積約80%）。農(nóng)業(yè)灌溉需水定額逐步減少，但有效灌溉面積逐漸增加，農(nóng)業(yè)用水總量呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢。2015年農(nóng)業(yè)需水量為2.26億m3，2020年增長到2.31億m3，但灌溉定額由891.9 m3/hm2降低到887.7 m3/hm2，到2030年農(nóng)業(yè)需水量為2.43億m3，但灌溉定額降低到885 m3/hm2。

2.2 工業(yè)需水量

工業(yè)增速按照近、中、遠(yuǎn)期GDP均增速10.0%、9.0%、7.8%計算，通過技術(shù)革新和節(jié)水型社會建設(shè)，萬元工業(yè)用水量逐漸減少，由于工業(yè)發(fā)展迅速，需水量仍將逐年增加。2015年工業(yè)需水量為3.45億m3，2020年增長到4.57億m3，到2030年工業(yè)需水量將達(dá)到6.46億m3，15年間工業(yè)需水量將增加3.01億m3。

2.3 生活需水量

隨著城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)和居民生活水平不斷提升，2015至2030年之間城鎮(zhèn)化率由50%增至78%，居民生活需水量也逐步增加，2015年居民生活用水量為1.96億m3，2020年增長到2.14億m3，到2030年居民生活需水量為2.43億m3。

2.4 生態(tài)需水量

生態(tài)環(huán)境用水是自然環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。根據(jù)《許昌市節(jié)水“十二五”規(guī)劃》，2011年市區(qū)生態(tài)需水量為0.76億m3，按照市區(qū)生態(tài)用水量增長比例進(jìn)行放大，得到2015年生態(tài)環(huán)境需水量為0.84億m3，2020年為0.92億m3，2030年為1億m3。

綜合工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活和生態(tài)需水量，得到許昌市2015年、2020年和2030年需水量預(yù)測結(jié)果見表1。

由此可見，2015年-2030年間許昌市工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活和生態(tài)需水量均有所增加，其中工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水量占需水總量的比例逐漸增加，2015年為67%，2020年增加至69%，到2030年將進(jìn)一步增加至72%，生產(chǎn)用水仍將是用水的主要類型，而生活用水量和生態(tài)用水量比例均略有下降，分別維持在20%和10%。

3 水資源配置原則與模型構(gòu)建

3.1 水資源配置原則及方法

水資源合理配置以可持續(xù)發(fā)展為原則，對有限的、不同類型的水資源，通過工程和非工程措施在各用水戶之間進(jìn)行科學(xué)分配，以體現(xiàn)流域水資源支撐社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保障自然生態(tài)環(huán)境安全。水資源配置原則主要包括以下三方面：（1）優(yōu)先利用本地來水，再利用區(qū)域外來水，且優(yōu)先利用無法調(diào)蓄的水量，對不足的水量再利用蓄水工程進(jìn)行調(diào)節(jié)；（2）對于蓄水工程，先利用各分區(qū)內(nèi)的小型水庫調(diào)節(jié)，不足水量再利用大中型水庫調(diào)節(jié)；（3）從用戶上，優(yōu)先滿足生活用水，再考慮生態(tài)用水，然后是生產(chǎn)用水，并優(yōu)先保障保證率高的用戶，然后滿足保證率低的用戶需求。

水資源配置方法以水資源供需分析為手段，充分考慮現(xiàn)狀供需分析、增加水源工程、采取節(jié)水措施、積極保護(hù)生態(tài)環(huán)境等因素，在此基礎(chǔ)上對各種水資源配置方案進(jìn)行模擬、計算和評價，從而提出合理可行的推薦方案[9-10]。

3.2 水資源配置模型構(gòu)建

水資源配置模型構(gòu)建首先要確定模型范圍、與上下游關(guān)系、水量傳輸路徑以及所需數(shù)據(jù)等信息。模型數(shù)據(jù)來源于許昌市水資源公報及水利、城市、農(nóng)業(yè)等系列規(guī)劃報告。采用MIKE軟件中的BASIN模塊進(jìn)行計算，水資源配置以2011年作為基準(zhǔn)年，2020年為中期規(guī)劃水平年，2030年為遠(yuǎn)期規(guī)劃水平年，每個水平年計算時間為1年。

3.2.1 模型概化

根據(jù)研究范圍、研究尺度及研究目的，河網(wǎng)選取許昌市重要支流，按照選取的支流進(jìn)行自然流域邊界劃分，每個子流域的水量最終將匯集到清潩河、潁河、北汝河等主要干流中。經(jīng)過概化后的河網(wǎng)見圖2。

3.2.2 模擬范圍

水資源配置模型的范圍為許昌市整個規(guī)劃區(qū)域，按照市域內(nèi)主要河流分布，將研究區(qū)域分成不同的子流域，截取自然流域，總模擬范圍4 996 km2。

3.2.3 模型邊界確定

以許昌市行政區(qū)域外圍為邊界，規(guī)劃區(qū)域的過境河流包括北汝河、潁河、清潩河、雙洎河等，跨流域調(diào)水包括南水北調(diào)、引黃補源工程。模型中的約束為過境河流分配至各縣市的可用水量、跨流域調(diào)水的引水量、各縣市區(qū)域內(nèi)降雨徑流形成的水資源量以及各縣市區(qū)域內(nèi)的地下水資源量。模型中約束的設(shè)置為多年平均來水情況。

3.2.4 用水戶設(shè)置

模型中用水戶需水共分為3類，分別是生活和工業(yè)需水、農(nóng)業(yè)需水、生態(tài)需水。取水的主要河流有北汝河、潁河、清潩河、雙洎河等，主要地下水水源地為麥嶺、長葛、鄢陵。根據(jù)各類用水需求的最低水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及當(dāng)?shù)厍闆r，選取潁汝灌區(qū)總干渠及潁河橡膠壩段為生活用水水源，其它地表水用于農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)用水。地下水水質(zhì)較好，可以作為生活和工業(yè)用水水源，以及農(nóng)業(yè)、生態(tài)的補充水源。

4 水資源供需平衡分析

4.1 一次平衡分析

在無新建工程措施的條件下，進(jìn)行水資源一次平衡分析，定量確定水資源供需關(guān)系，將社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的水資源供需矛盾體現(xiàn)出來[11]，以確定現(xiàn)狀開發(fā)利用模式下的水資源供需缺口[12]，為確定節(jié)水、治污和挖潛等措施提供依據(jù)。供需平衡分析時將可利用的過境水資源量納入到了水資源總體規(guī)劃中，表2是許昌市水資源配置多年平均情況下一次平衡分析結(jié)果。

由表2可知，基準(zhǔn)年2011年許昌市全區(qū)除鄢陵縣缺水2 421萬m3外，其他各市縣均達(dá)到供需平衡狀態(tài)。全區(qū)在2020、2030水平年的缺水量分別為9 674萬m3和22 965萬m3，缺水率分別為6.4%和17%，各市縣缺水率在4%到32%之間，個別地區(qū)缺水率達(dá)46%。表明基準(zhǔn)年許昌市僅個別市縣水資源供需不均衡，但到2020年、2030年個別市縣的缺水狀況更加嚴(yán)重，缺水率也逐漸升高。許昌市在現(xiàn)狀供水條件下，未來會出現(xiàn)水資源供需矛盾逐漸突出的問題，將無法滿足許昌市社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的要求。

4.2 二次平衡分析

水資源二次平衡分析是在一次平衡分析的基礎(chǔ)上，以當(dāng)?shù)厮Y源條件為基礎(chǔ)，結(jié)合產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，節(jié)水措施和治污、挖潛等措施，考慮當(dāng)?shù)厮Y源承載力進(jìn)行供需平衡分析。如在充分發(fā)揮當(dāng)?shù)厮Y源承載力的條件下，仍不能解決水資源供需問題，需要從外流域調(diào)水，從而為確定調(diào)水工程設(shè)計規(guī)模提供依據(jù)[13]。

在規(guī)劃蓄水及供水條件下進(jìn)行水資源配置計算，以獲取缺水量大小，進(jìn)一步提出需水削減方案。根據(jù)已有的規(guī)劃，到2020年新增水源包括南水北調(diào)、引黃補源，增加水資源量分別為2.26億m3和5 000萬m3；另外，清潩河治理后可增加農(nóng)業(yè)生態(tài)供水1 200萬m3，魏都區(qū)中水回用水資源量由每年365萬m3提升到3 029萬m3。

國家實施最嚴(yán)格的水資源管理制度，用水總量控制是其中一項重要指標(biāo)，各地區(qū)在用水總量控制的指導(dǎo)下進(jìn)行用水指標(biāo)分解[14，15]。河南省分配給許昌市用水量配額，2020年為10.514億m3，2030年為11.466億m3。由于許昌市各市縣總需水量均大于配額指標(biāo)，必須按照省配額進(jìn)行規(guī)劃需水量削減，在仍不能達(dá)到配置要求的情況，需要進(jìn)一步深度削減，將生活、工業(yè)需水削減至90%，農(nóng)業(yè)生態(tài)需水消減至70%。得到二次均衡配置結(jié)果，見表3。

與一次平衡分析結(jié)果相比，2020、2030水平年全區(qū)可用水量分別增加了42 722萬m3，32 757萬m3，缺水量和缺水率分別降低了8 737萬m3、16 209萬m3和5.9%、13%，可見二次平衡分析作用效果明顯，但在這種深度削減條件下進(jìn)行的水資源平衡分析仍不能滿足個別市縣的水資源利用，因此需要增加工程調(diào)水和中水回用等工程措施來加以解決。

4.3 三次平衡分析

以二次平衡供需缺口作為其需水項，考慮境外調(diào)水條件下進(jìn)行水資源供需平衡分析，統(tǒng)籌考慮外調(diào)水量、中水回用水量與當(dāng)?shù)刭Y源聯(lián)合調(diào)度和優(yōu)化配置[16]，為制定調(diào)水工程規(guī)劃方案提供依據(jù)。

針對本地區(qū)特點，在規(guī)劃供水條件（2030年）的基礎(chǔ)上新增水源：在北汝河大陳閘新增水源可向許昌縣增加供水量3 000萬m3；鄢陵縣清潩河下游增加水利工程、通過南水北調(diào)引水、以及增加引黃水量，年增供水量分別為1 500萬m3、1 000萬m3、1 000萬m3；在禹州市通過提高中水回用的措施以及興建沙河水庫新增水源，新增供水量分別為1 500萬m3和3 600萬m3。

經(jīng)過三次平衡計算分析，得到結(jié)果如表4所示。配置結(jié)果表明，通過南水北調(diào)、清潩河調(diào)蓄、引黃調(diào)蓄、興建沙陀水庫、中水回用、佛耳崗水庫治理等工程措施，計算區(qū)域內(nèi)的水量供需最終達(dá)到了平衡狀態(tài)，解決了許昌市水資源的供需矛盾。

4.4 配置結(jié)果

按照供水資源配置原則，優(yōu)先供給生活用水，之后是生態(tài)用水，最后是生產(chǎn)用水。在規(guī)劃水平年的供水工程規(guī)劃及供水量預(yù)測的基礎(chǔ)上，按照供需平衡進(jìn)行水資源配置模擬，對未來規(guī)劃水平年許昌市水資源進(jìn)行合理配置，配置結(jié)果見表5。

2020年許昌市多年平均總配置水量為194 073萬m3，較基準(zhǔn)年2011年增加了28 755萬m3，其中生活和工業(yè)用水量為109 618萬m3，占總水量的56%；農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水量增加了52 841萬m3，為84 455萬m3，占總水量的44%。2030年許昌市多年平均總配置水量為169 752萬m3，總配置水量較2020年減少了24 321萬m3，其中生活和工業(yè)用水量減少了14 732萬m3，為94 886萬m3，占總水量的56%，農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水量為74 866萬m3，占總水量的44%。可見，規(guī)劃水平年2020年與2030年水資源配置結(jié)果中生活工業(yè)用水量和農(nóng)業(yè)生態(tài)用水量所占的比例不變，分別為56%和44%。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)許昌市水資源利用現(xiàn)狀，以2011年作為基準(zhǔn)年，對2015、2020、2030規(guī)劃水平年經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需水量進(jìn)行了預(yù)測，得到許昌市在規(guī)劃年中農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)需水量及需水總量。農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)需水量均有不同程度的增加，且工業(yè)需水量增加幅度最大，其次是生活、農(nóng)業(yè)和生態(tài)；三個不同規(guī)劃水平年的需水量分別為8.510億m3、9.936億m3和12.326億m3。

（2）通過一次水資源供需平衡分析，確定現(xiàn)狀開發(fā)模式下水資源供需缺口；在一次平衡的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次平衡，按照水資源配置原則采取需水削減方案，增加工程調(diào)水，利用節(jié)水、治污等措施，考慮到水資源承載力進(jìn)行分析，個別市縣仍存在不能解決的供需缺口；在二次平衡供需缺口的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采取工程措施，實施多模式水資源與當(dāng)?shù)厮Y源聯(lián)合調(diào)度，進(jìn)行三次平衡分析以全面解決水資源供需問題，最終實現(xiàn)供需平衡，達(dá)到合理配置的目的。

（3）許昌市在國家水生態(tài)文明建設(shè)過程中，依托南水北調(diào)中線工程、引黃調(diào)蓄工程，增加跨流域調(diào)水量，水庫興建與治理工程，通過提高中水回用率，增加中水回用量，對許昌市水資源進(jìn)行多模式聯(lián)合調(diào)度，實現(xiàn)許昌市不同規(guī)劃水平年水資源的合理配置，為許昌市水生態(tài)文明建設(shè)可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

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