焦作市南水北調(diào)工程受水區(qū)水資源優(yōu)化配置研究

馮琳偉，高 亮，杜青輝

（1.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450016；2.河南省南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局，河南 鄭州 450000）

0 引言

南水北調(diào)東中線一期工程通水五年來，規(guī)劃目標(biāo)已由原來的為受水區(qū)城市補充水源轉(zhuǎn)變到為多個重要城市生活用水提供主力水源，這樣，受水區(qū)城市水資源格局就發(fā)生了根本性變化。 所以，與此相應(yīng)的針對受水區(qū)城市水資源配置的傳統(tǒng)研究模式應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樵谀纤闭{(diào)水源狀況下的水資源綜合利用研究。

南水北調(diào)中線工程向焦作市分配水量為2.69億m3/年， 而該受水區(qū)2015～2019 年分別完成分配水量的1.49%、4.21%、5.93%、28.28%、23.38%，南水北調(diào)水量消納嚴(yán)重不足。 如何用足、用好南水北調(diào)分配的水量，是受水區(qū)城市要解決的最大問題。 筆者試以焦作市為例，針對如何充分利用南水北調(diào)供水量及提高供水效益的問題進行研究。

1 焦作市南水北調(diào)水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

南水北調(diào)總干渠在焦作市設(shè)置了5 座分水口門， 其中的4 座（25 號溫縣馬莊、26 號博愛縣北石澗、27 號焦作府城、28 號焦作蘇藺）分別向焦作市區(qū)以及修武縣、武陟縣、溫縣、博愛縣縣城供水，每年向各地分配水量為：市區(qū)21 780 萬m3、溫縣1 000 萬m3、武陟縣1 200 萬m3、博愛縣1 400 萬m3、修武縣1 520 萬m3。 配套工程共布置輸水線路6 條，線路總長60.593 km，具體情況如表1 所示。 已建成蘇藺水廠、溫縣第三水廠、武陟縣三水廠、博愛縣水廠、修武水廠、府城水廠等6 座配套水廠。河南省2015～2018年可調(diào)水量分 別為30.30 億m3、23.31 億m3、18.21億m3、35.77 億m3， 按比例折算到焦作市為2.27 億m3、1.74 億m3、1.36 億m3、2.68 億m3，約占全省可調(diào)水量的7%左右，具體情況見表2。

表1 焦作市南水北調(diào)配套水廠建設(shè)情況Tab.1 Supporting waterworks construction condition of South-to-North Water Transfer Project in Jiaozuo city

表2 焦作市南水北調(diào)供水情況Tab.2 Water supply condition of South-to-North Water Transfer Project in Jiaozuo city

2 焦作市南水北調(diào)受水區(qū)水資源供需分析

2.1 需水量預(yù)測

本次需水量預(yù)測分城市需水量預(yù)測和城鄉(xiāng)一體化用水戶需水量預(yù)測，具體方法為：分析受水區(qū)經(jīng)濟發(fā)展布局、發(fā)展總體目標(biāo)、城鄉(xiāng)一體化建設(shè)目標(biāo)等，并結(jié)合其水資源綜合規(guī)劃和節(jié)水型社會建設(shè)規(guī)劃等成果，確定各項指標(biāo)的需水定額， 再預(yù)測需水量。 以焦作市2017 年城區(qū)供水人口為基準(zhǔn)，結(jié)合供水人口發(fā)展布局情況， 預(yù)測不同水平年供水人口等指標(biāo)。 根據(jù)預(yù)測指標(biāo)， 計算不同水平年各用水戶需水量， 得出基準(zhǔn)年、2025 年、2035 年焦作市城市受水區(qū)總需水量分別為16 056 萬m3、28 632 萬m3、36 548 萬m3， 總體需水量分別為16 056 萬m3、32 869 萬m3、40 785 萬m3。將需水成果與全省水資源綜合規(guī)劃中的焦作市需水?dāng)?shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果如圖1 所示。 由圖1 可知，焦作市南水北調(diào)工程受水區(qū)前期增長趨勢明顯較快，發(fā)展到一定程度后，增長趨勢將逐步減緩，符合該區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的實際情況［1］。

圖1 焦作市需水變化趨勢對比Fig.1 Change trend of water demand in Jiaozuo city

2.2 可供水量預(yù)測

焦作市可供水量預(yù)測包括現(xiàn)有工程和規(guī)劃水平年內(nèi)新建工程的可供水量預(yù)測。 按照有利于當(dāng)?shù)厮Y源的可持續(xù)利用，保證生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的原則，確定各項工程的可供水量。 本次規(guī)劃范圍主要是焦作市2 市4 縣4 區(qū)， 用水對象包括城市用水和縣區(qū)城鄉(xiāng)一體化用水。根據(jù)各水源供水特點，本次可供水量預(yù)測主要從南水北調(diào)工程供水、引黃河水、其他地表水、當(dāng)?shù)氐叵滤⒃偕@五種水源進行分析。

2.2.1 南水北調(diào)工程可供水量

通過對1956～1997 年來水條件下南水北調(diào)工程總干渠口門來水過程進行頻率分析，結(jié)果如圖2 所示。

由圖2 可知，頻率為50%時，南水北調(diào)工程對焦作市的供水量為29.72 億m3； 頻率為75%時，供水量為26.80 億m3； 頻率為95%時， 供水量為22.98億m3。 南水北調(diào)工程對焦作市最大可供水量為31 260萬m3（1994 年來水條件），最小可供水量為18 894 萬m3（1978 年來水條件），多年平均可供水量為26 900 萬m3，大于或接近多年平均可供水量26 900 萬m3的有28 年，小于26 900 萬m3的有14 年。 在75%來水條件下，可供水量將減少到25 450 萬m3；在95%來水條件下，可供水量將減少到19 806 萬m3，不均勻系數(shù)（多年平均／最小年）為1.42。

圖2 1956～1997 來水條件下焦作市南水北調(diào)工程可供水量Fig.2 Available water supply of South-to-North Water Transfer Project in Jiaozuo city from 1956 to 1997

南水北調(diào)工程分水過程與城市均衡需水過程不完全匹配， 城市旬平均需南水北調(diào)水量747 萬m3，以42 年1 512 個旬統(tǒng)計， 旬最大可調(diào)水量為1 525 萬m3，旬最小調(diào)水量為0 萬m3， 旬調(diào)水量大于747 萬m3的旬?dāng)?shù)占總旬?dāng)?shù)的46%，枯水年連續(xù)2～3 個月不供水的年份有3 年，連續(xù)4 個月不供水的年份有2 年［2］。 南水北調(diào)中線工程供水量存在年際調(diào)水不均和年內(nèi)分配不均的特點，與城市均衡的需水過程不完全匹配，須與當(dāng)?shù)毓┧こ搪?lián)合調(diào)度， 規(guī)劃必要的調(diào)蓄工程和應(yīng)急供水工程，以提高供水保證率。

焦作市多年平均分配到的南水北調(diào)工程水量為26 900 萬m3，扣除配套輸水管道損失后，多年平均分配水量為25 555 萬m3。 在實施南水北調(diào)工程供水量97%利用率方案時，調(diào)蓄工程庫容為1 250 萬m3，最大年調(diào)蓄供水量為3 497 萬m3， 多年平均調(diào)蓄供水量為1 865 萬m3， 長系列充滿庫時段數(shù)為221 個旬，占長系列1 512 個旬的14.6%，詳細情況見圖3。 在實施南水北調(diào)工程供水量99.5%利用率方案時，調(diào)蓄工程庫容為4 600 萬m3，最大年調(diào)蓄供水量為5 973 萬m3，多年平均調(diào)蓄供水量為2 506 萬m3，長系列充滿庫時段數(shù)為30 個旬，占長系列的2.0%，詳細情況見圖4。 焦作市現(xiàn)在無南水北調(diào)工程水源調(diào)蓄工程［3］，近期推薦南水北調(diào)工程供水量97%利用率方案，結(jié)合各縣區(qū)南水北調(diào)工程配置水量，需新建調(diào)蓄工程的規(guī)模為1 250 萬m3。 遠期推薦南水北調(diào)工程供水量99.5%利用率方案， 結(jié)合各地市城鄉(xiāng)總體規(guī)劃布局， 需新建調(diào)蓄工程的規(guī)模達到4 600萬m3。

圖3 焦作市規(guī)劃水平年南水北調(diào)供水量曲線（97%利用率）Fig.3 Water supply curves in planning target years of South-to-North Water Transfer Project in Jiaozuo city （97%use ratio）

圖4 焦作市規(guī)劃水平年南水北調(diào)供水量曲線（99.5%利用率）Fig.4 Water consumption curves in planning target years of South-to-North Water Transfer Project in Jiaozuo city （99.5%use ratio）

2.2.2 黃河水供水量

焦作市境內(nèi)現(xiàn)在有引黃取水工程11 處，其中與城市供水有關(guān)的引黃取水工程有4 處， 分別是溫縣的供水一站黃河灘取水井群、 大玉蘭引黃補源生態(tài)治理取水工程、武陟縣的共產(chǎn)主義閘和張菜園閘。除溫縣供水一站黃河灘取水井群水源為灘區(qū)地下水之外，其余均為黃河干流地表水。全省規(guī)劃建設(shè)的四大灌區(qū)工程中， 涉及焦作市的有西霞院灌區(qū)工程和小浪底北岸灌區(qū)工程。 西霞院灌區(qū)工程規(guī)劃每年向焦作市引黃河水5 327 萬m3，全部用于農(nóng)業(yè)灌溉。小浪底北岸灌區(qū)工程多年平均引黃規(guī)模為14 869 萬m3，其中灌區(qū)灌溉用水為10 881 萬m3，沁陽城市用水為2 502 萬m3，孟州城市用水為1 486 萬m3。

2.2.3 其他地表水可供水量

焦作市蓄水工程主要為中小型水庫， 分布于北部的太行山區(qū)，除群英水庫有城市供水任務(wù)外，其余水庫現(xiàn)狀年以防洪和農(nóng)田灌溉為主， 規(guī)劃水平年不考慮作為城市用水水源。 受群英水庫來水量不穩(wěn)定的限制，群英水廠目前已停產(chǎn)，不再向城區(qū)供水。 規(guī)劃建設(shè)的九渡水庫設(shè)計年供水能力5 000 萬m3，向沁北產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)企業(yè)供水。 引水工程主要是引沁工程和引丹河工程。其余河流枯水期幾乎斷流，可利用水量少，且有不同程度的污染，無法滿足城市供水的需要［4］。

2.2.4 地下水可供水量

焦作市淺層地下水可開采量為52 105 萬m3/年。根據(jù)《河南省水利廳關(guān)于公布河南省地下水超采區(qū)范圍的通知》（豫水政資〔2014〕76 號），焦作市修武、武陟、溫縣、沁陽和孟州均被列入了淺層水一般超采區(qū)，超采面積約1 000 km2。 規(guī)劃水平年內(nèi)，地下水作為補充水源， 主要供農(nóng)業(yè)和城鄉(xiāng)供水管網(wǎng)未覆蓋區(qū)域的生活用水。對城鄉(xiāng)供水管網(wǎng)覆蓋區(qū)域，當(dāng)南水北調(diào)水廠及管網(wǎng)配套建成后，地下水基本不開采，僅作為枯水年份的應(yīng)急備用水源［5］。

2.2.5 再生水可供水量

現(xiàn)狀年焦作市供水范圍內(nèi)污水處理能力為66萬m3／d， 遠期規(guī)劃水平年全市污水處理能力達到148 萬m3／d。按照“以需定供”原則考慮，城市綠化澆灌和環(huán)衛(wèi)掃灑等河道外生態(tài)環(huán)境用水原則上全部使用污水處理廠的再生水。 污水處理廠經(jīng)過提標(biāo)改造后，再生水也可用于對水質(zhì)要求不高的工業(yè)，作為工業(yè)用水的重要補充水源。 經(jīng)統(tǒng)計分析， 焦作市2025年再生水可供水量為3 518 萬m3，2035 年再生水可供水量為6 424 萬m3。

3 水資源供需分析

供需方案設(shè)置主要是以需水方案、 供水方案為依據(jù)。 根據(jù)不同水平年的需水預(yù)測以及供水預(yù)測等成果，進行供需分析。本次供需分析包含南水北調(diào)工程單一水源分析和多水源聯(lián)合供水分析。 單一水源分析主要分析不同來水條件下（多年平均，75%來水條件，95%來水條件）的缺水程度；多水源聯(lián)合供水主要考慮多種水源的綜合利用。 考慮到焦作市城市發(fā)展趨勢及生態(tài)環(huán)境需求， 規(guī)劃水平年供水范圍內(nèi)地下水僅作為枯水年份的應(yīng)急備用水源。

3.1 南水北調(diào)工程單一水源分析

在南水北調(diào)工程作為單一水源的條件下， 焦作市規(guī)劃范圍內(nèi)2025 年城鄉(xiāng)需水量為32 493 萬m3。結(jié)合全市水廠規(guī)劃，近期（2025 年）焦作市南水北調(diào)工程多年平均供水量為24 752 萬m3， 供需缺口為7 741 萬m3，缺水率為24%；在保證率為75%時，南水北調(diào)工程供水量為23 418 萬m3，供需缺口為9 075 萬m3，缺水率為28%；在保證率為95%時，南水北調(diào)工程供水量為18224 萬m3，供需缺口為14269萬m3，缺水率為44%。 到2035 年，規(guī)劃范圍內(nèi)城鄉(xiāng)需水量為40 409 萬m3，南水北調(diào)工程多年平均供水量為26 900 萬m3，供需缺口為13 509 萬m3，缺水率為33%；在保證率為75%時，南水北調(diào)工程供水量為25 450 萬m3，供需缺口為14 959 萬m3，缺水率為37%； 在保證率為95%時， 南水北調(diào)工程供水量為19 806 萬m3， 供需缺口為20 603 萬m3， 缺水率達51%。由此可見，僅南水北調(diào)工程單一水源供水不能滿足焦作市的用水需求，且隨著供水保證率的提高，供需缺口還會增大。

3.2 多水源聯(lián)合供水分析

規(guī)劃調(diào)蓄工程后，2025 年，焦作市規(guī)劃范圍內(nèi)多年平均城鄉(xiāng)需水量為32 493 萬m3，其中生活需水量為20 873 萬m3，工業(yè)需水量為8 674 萬m3，生態(tài)環(huán)境需水量為2 946 萬m3；規(guī)劃范圍內(nèi)，除南水北調(diào)工程供水24 752 萬m3，還需引黃河水3 250 萬m3、引丹河水973 萬m3、利用再生水3 518 萬m3，總供水量為32 493 萬m3。 2035 年，多年平均城鄉(xiāng)需水量將增長至40 406 萬m3，其中生活需水量為26 285 萬m3，工業(yè)需水量為10 874 萬m3， 生態(tài)環(huán)境需水量為3 250 萬m3；南水北調(diào)工程全部供水量為26 900 萬m3，還需引黃河水5 397 萬m3、引丹河水1 825 萬m3、利用再生水6 424 萬m3，總供水量為40 409萬m3。

4 水資源配置

4.1 配置成果

南水北調(diào)工程水源優(yōu)先保證焦作市受水區(qū)居民生活用水和工業(yè)補充用水， 若規(guī)劃水平年有結(jié)余水量，可適當(dāng)考慮擴大供水目標(biāo)。2025 年，全市城鄉(xiāng)需水量為32 493 萬m3，其中城市生活需水量為18 839萬m3，城鄉(xiāng)一體化供水范圍內(nèi)農(nóng)村居民生活需水量為2 034 萬m3，工業(yè)需水量為8 674 萬m3，河道外生態(tài)環(huán)境需水量為2 946 萬m3。 結(jié)合焦作市南水北調(diào)工程配套工程及水廠、管網(wǎng)建設(shè)運行情況，南水北調(diào)工程供水量為24 752 萬m3， 占2025 年需水量的76.2%， 需要黃河水、 丹河水及再生水補充供水7 741萬m3，補充水量占2025 年總需水量的23.8%。 2035年，全市城鄉(xiāng)需水量為40 409 萬m3，其中城市生活需水量為24 251 萬m3，城鄉(xiāng)一體化供水范圍內(nèi)農(nóng)村居民生活需水量為2 034 萬m3， 工業(yè)需水量為10 874萬m3，河道外生態(tài)環(huán)境需水量為3 250 萬m3。 南水北調(diào)工程最大可供水量為26 900 萬m3，占2035 年需水量的66.6%，需要黃河水、丹河水及再生水補充供水13 509 萬m3，占2035 年需水量的33.4%。

4.2 水量調(diào)配方案

2025 年全市未被消納的南水北調(diào)工程供水量為2 148 萬m3，到2035 年，26 900 萬m3水量將全部消納（見表3）。 在滿足市區(qū)用水的前提下，結(jié)余水量可向其他縣市調(diào)配。建議向修武縣調(diào)配1 980 萬m3，向武陟縣調(diào)配1 200 萬m3， 向溫縣調(diào)配200 萬m3。調(diào)配后，市區(qū)南水北調(diào)工程的供水指標(biāo)為13 500 萬m3，修武縣為3 500 萬m3，武陟縣為3 800 萬m3，博愛縣為1 400 萬m3，溫縣為1 200 萬m3，沁陽市為2 000 萬m3，孟州市為1 500 萬m3。

表3 焦作市規(guī)劃水平年南水北調(diào)工程供水量消納情況Tab.3 Water consumption condition in planning target years of South-to-North Water Transfer Project in Jiaozuo city

4.3 南水北調(diào)工程配套水廠規(guī)劃

以遠期規(guī)劃水平年2035 年南水北調(diào)工程配置水量為依據(jù)，分析新建或擴建南水北調(diào)工程水廠規(guī)模是否可以消納配置水量。 規(guī)劃水平年，焦作市區(qū)配置南水北調(diào)工程水量為13 492 萬m3。 考慮水廠不均勻系數(shù)，市區(qū)南水北調(diào)工程配套水廠供水規(guī)模需達到45 萬m3／d，而目前市區(qū)南水北調(diào)工程配套水廠有府城水廠和蘇藺水廠， 供水規(guī)模為31 萬m3／d，還需增加14 萬m3／d 供水能力。 規(guī)劃擴建府城水廠和蘇藺水廠規(guī)模，擴建后府城水廠供水規(guī)模為19 萬m3／d，蘇藺水廠供水規(guī)模為26 萬m3／d。

4.4 調(diào)蓄工程規(guī)劃

擬將新建庫容為8 060 萬m3的靈泉湖調(diào)蓄工程和庫容為11 000 萬m3的馬村調(diào)蓄工程作為南水北調(diào)干線調(diào)蓄工程， 將太極湖調(diào)蓄工程列入南水北調(diào)調(diào)蓄工程，以滿足焦作市供水需求。根據(jù)南水北調(diào)工程可供水量預(yù)測，扣除配套輸水管道損失后，焦作市南水北調(diào)工程多年平均供水量為25 555 萬m3，其中直接供水量為22 920 萬m3， 調(diào)蓄供水量為2 635萬m3。 經(jīng)調(diào)蓄庫容計算，近期2025 年需新建調(diào)蓄工程規(guī)模為1 250 萬m3， 遠期2035 年調(diào)蓄工程規(guī)模需達到4 600 萬m3。

4.5 生態(tài)補水規(guī)劃

考慮丹江口汛期（4～10 月）和焦作市汛期（5～9月）的差別，在4 月、5 月、10 月期間，南水北調(diào)工程水資源豐沛時， 通過退水閘和分水口門補充生態(tài)用水。 鑒于南水北調(diào)工程汛期可供水量與南水北調(diào)工程總干渠過水能力富余情況的不確定性， 可利用洪水資源的時長取2 個月（錯汛期），城市生態(tài)需水按照生態(tài)水系換水2 次計算， 蒸發(fā)滲漏等損失按照20%估算， 計算出退水閘和口門生態(tài)補水流量為21.2m3／s，總生態(tài)補水量為11 020 萬m3。

5 結(jié)語

筆者對焦作市南水北調(diào)工程受水區(qū)的供水現(xiàn)狀進行了分析， 提出了南水北調(diào)工程供水量消納存在的問題。根據(jù)受水區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r，分析預(yù)測了受水區(qū)水資源供需情況。在科學(xué)配置、滿足城市供水保證率、合理配置水資源的前提下，制訂了焦作市南水北調(diào)工程水量調(diào)配方案。 根據(jù)焦作市南水北調(diào)工程受水區(qū)城市水資源及城鄉(xiāng)一體化供水配置要求，規(guī)劃了南水北調(diào)工程配套水廠及管網(wǎng)建設(shè)， 并提出了新增供水工程、調(diào)蓄工程、生態(tài)補水工程等配套設(shè)計構(gòu)想，以期充分發(fā)揮南水北調(diào)工程的綜合效益。