基于工程供水能力的地表水資源可利用量研究
----以榮昌為例

魏 佳，張守平，楊清偉，王國泰，張 潤

(重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074)

0 引 言

水資源是人類生存和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，與人類的生活息息相關(guān)。隨著環(huán)境污染問題的加劇，水資源短缺問題的突出，我國的水資源情勢(shì)正在發(fā)生新的變化，因此全國水資源綜合規(guī)劃要求進(jìn)行水資源可利用量的分析估算[1]。水資源可利用量既是綜合規(guī)劃區(qū)域水資源的節(jié)約、配置、開發(fā)、利用和治理措施的條件，又是進(jìn)行水資源承載力分析的基礎(chǔ)[2]。學(xué)者們對(duì)于水資源可利用量的概念有著不同的理解[3-5]。關(guān)于地表水資源可利用量的計(jì)算，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了不同的研究。其中包括提出評(píng)估方法[6]，引進(jìn)向量建立模型的方法[7]，扣損法[8]，倒算法[9]以及考慮水量、水權(quán)、水質(zhì)的計(jì)算方法等[10]。分析可知地表水資源可利用量與當(dāng)年降水情況和水利工程建設(shè)有關(guān)，對(duì)于南方降水豐沛地區(qū)，地表水資源可利用量與取水設(shè)施有著直接關(guān)系。

以上研究均基于現(xiàn)狀條件下計(jì)算某區(qū)域多年平均水資源可利用量。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，人民生活所需水量和耗水系數(shù)發(fā)生變化，單純考慮自然來水條件下水資源可利用量已不能滿足實(shí)際發(fā)展需要。一個(gè)地區(qū)的水資源可利用量是變化的，若每個(gè)水平年都按照多年平均水資源可利用量去規(guī)劃人類用水和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，將會(huì)造成水資源的枯竭或浪費(fèi)，這就需要計(jì)算各水平年水資源可利用量。沈大軍等[11]對(duì)以供定需的水資源配置方案進(jìn)行了研究并闡述其優(yōu)點(diǎn)，文中指出水資源量以供定需可促進(jìn)人水和諧發(fā)展，但并未指出其中的供水工程具體可供水量。人類生產(chǎn)生活所需水量都需要借助一定的工程措施來滿足，若某地區(qū)存在豐沛的水資源量，但工程措施不足，這部分水資源量便不能被人類利用?；诖耍Y源可利用量需要在工程供水能力的因素下進(jìn)行研究。人類取用水過程中，會(huì)有管道漏損、人類利用消耗等不能回歸地表或地下含水層的水量，即耗水量。耗水量與用水量之比即為整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的耗水系數(shù)。本文通過建立水資源優(yōu)化配置模擬模型計(jì)算榮昌區(qū)現(xiàn)狀年及規(guī)劃年耗水系數(shù)，利用正算法計(jì)算榮昌區(qū)現(xiàn)狀年及規(guī)劃年地表水資源可利用量，避免超量使用水資源量，為榮昌區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和戰(zhàn)略決策提供技術(shù)支持和理論支撐。

1 水資源可利用量計(jì)算

1.1 水資源可利用量概念

水資源可利用量是指可預(yù)見的時(shí)期內(nèi)，統(tǒng)籌考慮生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境用水，協(xié)調(diào)河道內(nèi)與河道外用水的基礎(chǔ)上，通過經(jīng)濟(jì)合理，技術(shù)可行的措施可供河道外一次性利用的最大水量(不包括回歸水重復(fù)利用量)[12]。其中經(jīng)濟(jì)合理技術(shù)可行的措施即代表水利工程等取水設(shè)施，水資源可利用量即為天然水資源量中能夠通過水利工程措施最大可能地提供給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城鄉(xiāng)居民生活、生態(tài)環(huán)境等部門符合水質(zhì)要求的水量[13]。由于人類科技水平有限和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需求，尚有人類目前不能利用的水量。因此，本文根據(jù)工程的供水能力計(jì)算地表水資源可利用量，并與生態(tài)需水量進(jìn)行比較，得出在不破壞環(huán)境的前提下，以榮昌為例，能夠被人類利用的水資源可利用量，為榮昌區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供理論支撐。

1.2 水資源可利用量計(jì)算方法

水資源可利用量有扣損法和正算法兩種計(jì)算方法[1]，扣損法是區(qū)域多年平均水資源總量減去人類不能利用和難以控制利用的水量得多年平均水資源可利用量。北方地區(qū)水資源短缺，汛期與非汛期界限明顯，為避免出現(xiàn)河流斷流等生態(tài)問題，適宜用扣損法計(jì)算北方地區(qū)水資源可利用量。

人類通過工程措施取水，因此水資源的利用需要在供水工程的建設(shè)和供水能力的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析計(jì)算；在人類取用水過程中，存在著不能回歸水循環(huán)的水量消耗。因此，水資源可利用量的計(jì)算要考慮以上兩種因素。

南方地區(qū)降水豐沛，水資源可利用量一般采用正算法計(jì)算[1]，即工程最大供水能力與耗水系數(shù)乘積折算出相應(yīng)的可供河道外一次性利用的水量，計(jì)算公式如下：

Wc=KiWd

(1)

式中：Wc為地表水資源可利用量；Ki為用水消耗系數(shù)；Wd為工程最大供水能力。

本文通過分析統(tǒng)計(jì)榮昌區(qū)工程供水能力，建立水資源優(yōu)化配置模擬模型計(jì)算榮昌區(qū)現(xiàn)狀年及規(guī)劃年耗水系數(shù)的方法計(jì)算榮昌區(qū)現(xiàn)狀年及規(guī)劃年地表水資源可利用量。

1.2.1 水資源優(yōu)化配置模擬模型

根據(jù)水量平衡原理建立系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖中各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)、水庫、計(jì)算單元等的平衡方程和約束方程，以供水凈效益最大、損失水量最小以及生態(tài)保護(hù)目標(biāo)期望值為目標(biāo)函數(shù)構(gòu)成數(shù)學(xué)規(guī)劃模型[14]，對(duì)該模型進(jìn)行求解計(jì)算，得各項(xiàng)耗水量和用水量。

1.2.2 模型計(jì)算耗水系數(shù)

耗水量是指在輸用過程中，通過各種途徑被消耗而不能回歸到水循環(huán)中的水量。耗水系數(shù)為耗水量與用水量之比，是反映一個(gè)國家或地區(qū)用水水平的重要特征指標(biāo)[15]。

耗水系數(shù)可通過模型計(jì)算求得。計(jì)算耗水系數(shù)前要進(jìn)行模型參數(shù)率定，綜合確定模型的各類參數(shù)[14]，進(jìn)而計(jì)算區(qū)域各項(xiàng)耗水量。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)耗水量為城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)各項(xiàng)耗水量之和，城鎮(zhèn)生活Da、農(nóng)村生活Db、工業(yè)耗水量Dc可用下列公式計(jì)算:

Di=(1-Ki)Qi+Eii=a、b、c

(1)

式中：D為各項(xiàng)目耗水量；K為各項(xiàng)目污水排放率；Q為各項(xiàng)目用水量；E為各項(xiàng)目供水渠系蒸發(fā)量。其中，農(nóng)村生活用水比較分散，根據(jù)現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，用水與耗水比較接近，故Eb為零。

農(nóng)業(yè)耗水量Dd由地表水渠系蒸發(fā)、田間耗水、地下水耗水構(gòu)成。計(jì)算公式如下：

Dd=(1-r)QdKd+Qdr-Gd+Qe-Gr

(2)

式中：r為灌溉水利用系數(shù)；Qd為農(nóng)業(yè)地表水毛供水量；Kd為渠系損失水量蒸發(fā)比例系數(shù)；Gd為田間凈用水量補(bǔ)給地下水量；Qe為農(nóng)業(yè)地下水毛供水量；Gr為井灌回歸量。

2 榮昌區(qū)地表水資源可利用量計(jì)算

2.1 榮昌區(qū)基本概況及水資源條件

榮昌區(qū)位于重慶市西部，地理位置為東經(jīng)105°17′～105°44′，北緯29°15′～29°41′，面積1 076.71 km2。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和人民生活水平的提高，榮昌區(qū)水資源的供、用、耗、排結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，人均占有水資源量為全國的1/4，重慶市的1/3。榮昌區(qū)多年平均降水量1 048.48 mm，平均蒸發(fā)量758.30 mm，平均徑流量4.12 億m3。榮昌區(qū)水資源情況見表1。

表1 榮昌區(qū)多年水資源量情況

2.2 榮昌區(qū)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的估算

河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量包含維持河道基本功能的需水量、通河湖泊濕地需水量及河口生態(tài)環(huán)境需水量[16]。關(guān)于生態(tài)需水，粟曉玲等[17]提出了其概念和計(jì)算方法，魏彥昌等[18]對(duì)海河流域進(jìn)行了生態(tài)需水核算，王偉等[19]估算灤河下游河道生態(tài)需水量，喬云峰等[20]提出了基于生態(tài)經(jīng)濟(jì)理論的生態(tài)需水計(jì)算方法，一般河道基流量常用的估算方法可以多年平均徑流量的百分?jǐn)?shù) (一般取10%～20% )作為河流最小生態(tài)環(huán)境需水量[10]。榮昌區(qū)境內(nèi)有兩大河流，清流河和瀨溪河。根據(jù)計(jì)算，兩大河流在榮昌區(qū)的多年平均徑流量為4.12 億m3，取10%計(jì)算其河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量為0.41 億m3，不使榮昌區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到破壞的最大水資源量為3.71 億m3。

2.3 榮昌區(qū)地表水資源可利用量估算

2.3.1 榮昌區(qū)工程供水能力

榮昌區(qū)現(xiàn)有各類水利工程共118 456 處，蓄引提水能力20 586.20 萬m3，其中：蓄水工程3 519處，年設(shè)計(jì)供水能力9 519.22 萬m3；河湖引水閘工程3處，設(shè)計(jì)供水能力233.64 萬m3；河湖取水泵站工程405處，設(shè)計(jì)供水能力9 017.16 萬m3；機(jī)電井工程114 480 處，設(shè)計(jì)供水能力1 002.08 萬m3；其他工程設(shè)計(jì)供水能力814.10 m3。

為了滿足不同階段人們的用水需求，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，榮昌區(qū)擬在2020-2030年各階段新建水庫，規(guī)劃水庫各參數(shù)見表2。

2.3.2 榮昌區(qū)現(xiàn)狀年及規(guī)劃年耗水系數(shù)

榮昌區(qū)分為清流河流域、瀨溪河流域2個(gè)流域分區(qū)；榮昌區(qū)包括6個(gè)街道辦事處和15個(gè)鎮(zhèn)。榮昌區(qū)仁義鎮(zhèn)、河包鎮(zhèn)以及盤龍鎮(zhèn)分屬于清流河流域和瀨溪河流域兩個(gè)流域，將榮昌區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)劃分成24個(gè)計(jì)算單元，其中每個(gè)計(jì)算單元包含該鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生產(chǎn)、生活以及農(nóng)業(yè)灌溉等基本情況。

將榮昌區(qū)內(nèi)大中小型水庫均作為獨(dú)立水庫節(jié)點(diǎn)，包括現(xiàn)有水庫和規(guī)劃水庫，共計(jì)104座。為了便于在水資源分區(qū)進(jìn)行耗水平衡分析，各水資源分區(qū)出口斷面均設(shè)置水資源分區(qū)斷面控制節(jié)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際供水和受水單元狀況，確定供水節(jié)點(diǎn)。根據(jù)水庫節(jié)點(diǎn)、斷面控制節(jié)點(diǎn)和供水節(jié)點(diǎn)等，共確定控制節(jié)點(diǎn)29個(gè)。

表2 規(guī)劃水庫工程參數(shù) 萬m3

根據(jù)以上分析和概化，確定系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，見圖1。包括2個(gè)流域分區(qū)、21個(gè)行政分區(qū)、24個(gè)計(jì)算單元、29個(gè)控制節(jié)點(diǎn)、104座水庫等。

圖1 榮昌區(qū)水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

根據(jù)建立的水資源優(yōu)化配置模擬模型計(jì)算的榮昌區(qū)未來水平年各項(xiàng)耗水量、用水量及耗水系數(shù)見圖2-圖6。

隨著人類進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，生活用水量逐年增加，耗水量隨著節(jié)水水平的加強(qiáng)在逐年降低，如圖2所示；為滿足《重慶市水資源承載能力預(yù)警評(píng)價(jià)報(bào)告》(2016年)中關(guān)于榮昌區(qū)2020年用水總量控制2.01億m3的目標(biāo)，需對(duì)2020年榮昌區(qū)工業(yè)需水定額進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致2020年相比其他水平年工業(yè)用水量偏少，隨著工藝改進(jìn)和節(jié)水措施的實(shí)施等導(dǎo)致工業(yè)耗水量逐年增加，用水量也呈增加趨勢(shì)，見圖3；隨著節(jié)水力度的加強(qiáng)和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，農(nóng)業(yè)需水量應(yīng)是逐年降低，但由于各水平年工程供水能力不同，造成各水平年農(nóng)業(yè)不同的缺水率，致各水平年農(nóng)業(yè)用水量不一致，農(nóng)業(yè)耗水量隨時(shí)間變化呈增加趨勢(shì)，見圖4；隨著社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用水量和耗水量隨著時(shí)間均呈增加趨勢(shì)，如圖5所示。

圖2 榮昌區(qū)不同水平年生活用水量、耗水量

圖3 榮昌區(qū)不同水平年工業(yè)用水量、耗水量

圖4 榮昌區(qū)不同水平年農(nóng)業(yè)用水量、耗水量

圖5 榮昌區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)不同水平年綜合用水量、耗水量

如圖6所示，生活耗水系數(shù)因管網(wǎng)漏損率降低和生活用水量增加等逐年降低；工業(yè)耗水系數(shù)隨著工業(yè)節(jié)水技藝的改進(jìn)等逐年增加；農(nóng)業(yè)耗水系數(shù)因其灌溉方式和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等逐年增加；為了滿足可持續(xù)發(fā)展的理念，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)占比逐漸增大，導(dǎo)致社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)綜合耗水系數(shù)增加。

圖6 榮昌區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)不同水平年各項(xiàng)耗水系數(shù)

2.3.3 榮昌區(qū)地表水資源可利用量

根據(jù)榮昌區(qū)工程供水能力和各水平年社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耗水系數(shù)，計(jì)算求得榮昌區(qū)各水平年地表水資源可利用量，結(jié)果見表3。各水平年地表水資源可利用量和用水量進(jìn)行對(duì)比，可見，按照榮昌區(qū)當(dāng)?shù)厮Y源狀況很難滿足其用水量。2030年榮昌區(qū)可利用水量為1.70 億m3，2030年松溉引水濟(jì)榮工程建設(shè)完成，可引水0.95 億m3，2030年可用水量2.65 億m3。榮昌區(qū)缺水情況得到很大改善，可滿足未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。

表3榮昌區(qū)現(xiàn)狀年及規(guī)劃年水資源可利用量萬m3

年份工程供水能力綜合耗水系數(shù)水資源可利用量201520 586.200.5811 940.00202021 139.810.6513 740.88202522 039.830.6614 546.29203025 444.420.6717 047.76

3 結(jié) 語

水資源可利用量對(duì)于區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，本文通過建立模型計(jì)算榮昌區(qū)各水平年耗水系數(shù)進(jìn)而計(jì)算水資源可利用量，計(jì)算結(jié)果表明多年地表水資源可利用量均小于3.71億m3，不會(huì)造成生態(tài)環(huán)境破壞，單靠榮昌區(qū)當(dāng)?shù)厮Y源可利用量是不能滿足其經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的，可考慮利用客水及跨流域調(diào)水滿足榮昌區(qū)未來人民生產(chǎn)生活用水需要。但本次計(jì)算僅考慮未來規(guī)劃水庫建設(shè)，未考慮塘壩、窖池、引水、提水及機(jī)電井工程建設(shè)問題，計(jì)算結(jié)果可能偏小，需收集更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)，計(jì)算出更加精確的水資源可利用量，更好的促進(jìn)榮昌區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。