沂河流域需水量與水資源調(diào)度研究

趙麗萍

(山東省臨沂市蘭陵縣會寶嶺水庫管理處，山東 臨沂，277712)

隨著社會經(jīng)濟的大力發(fā)展，城市對水資源的需求量越來越大。自然界中的水資源總量是一定的，受到時間和空間不均衡的影響，導致水資源分布不均。水資源是城市發(fā)展重要的基礎(chǔ)資源，需要得到合理的調(diào)配與利用。沂河流域水資源較為豐富，但隨著流域經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源短缺的問題也日益凸顯出來。因此，了解沂河流域水資源供需狀況，解決水資源供需矛盾迫在眉睫[1]

1 流域概況

沂河是沂河流域沂沭水系的重要支流之一，又稱沂水。其中大部分位于山東省中部腹地，沂水河發(fā)源于沂源縣，向南流經(jīng)山東省的8個縣區(qū)，最終流入徐州市，總長度約280km，其中山東240km，江蘇40km。在劉家道口，沂河有一個引水口，長約75km。沂河流域面積約12000km2，流域有許多復雜的支流，年徑流量約35億m3。

2 模型原理

2.1 流域概化及模型

通過對沂河流域的分析，將沂河流域概化為五個水庫、三個用水單元、三個水資源計算分區(qū)、五個匯水區(qū)，流域概化元素如圖1所示。

圖1 流域概化圖

構(gòu)建概化數(shù)學模型目標函數(shù)及其約束條件時，水庫調(diào)配優(yōu)先保障生活用水，其次滿足河道內(nèi)生態(tài)用水，合理安排工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水。該水量配置模型中，水庫供給城鎮(zhèn)生活、工業(yè)生產(chǎn)用水的優(yōu)先級要高于農(nóng)業(yè)灌溉用水。以無定河年取水量的總和為目標函數(shù)；以各取水項目取用地表徑流后的河川徑流量必須保障河流生態(tài)需水量為約束條件；以優(yōu)先保障生活用水，其次保障河道內(nèi)的生態(tài)需水量，盡可能地供給工業(yè)需水和農(nóng)業(yè)需水為配置原則。求解目標函數(shù)最大值，即流域內(nèi)的年最大取水量。具體計算公式如下[2]:

目標函數(shù)：

maxZ=ΣXJ+ΣA+ΣDK+ΣCl

約束條件：

Wi-ΣXJ-ΣA-ΣDk-ΣCl-ΣX損失+ΣX上游下滲量≥Wi生態(tài)

0≤Xj≤Xmax

0≤A≤Amax

0≤C1≤Cmax

0≤DK≤Dmax

ΣXJ+ΣA+ΣDK+ΣCl≤W可利用

(i=1,2…,m;j=1,2,…,n;k=1,2,…p;l=1,2,…q)

式中：Z為目標函數(shù)，是流域年取水量的總和；Xj為各個水庫向用水戶的年供水量；A為沿河農(nóng)業(yè)灌溉年取水量；DK為沿河生活用水年取水量，p為生活用水戶最大個數(shù)；C1為沿河工業(yè)用水年取水量，q為工業(yè)用水戶最大個數(shù)；Wi為控制斷面年徑流量，m為設(shè)立的控制斷面?zhèn)€數(shù)；X損失為控制斷面上游水庫因蒸發(fā)、滲漏造成的年損失水量；X上游下滲量為控制斷面上游水庫年下滲損失量；Wi生態(tài)為控制斷面上游的年生態(tài)需水量；Xmax為各水庫年最大供水量；Amax為流域農(nóng)業(yè)灌溉用水沿河取水最大值；Cmax為流域工業(yè)需水沿河取水最大量；Dmax為流域生活用水沿河取水最大值；W可利用為流域地表水資源最大可利用量。

2.2 水量平衡模型

在滿足計算精度的前提下，在調(diào)度水資源時，通過定義節(jié)點間的來水節(jié)點、蓄水節(jié)點、取水節(jié)點、退水節(jié)點和水流路徑(河道或渠道)，將沂河流域水資源系統(tǒng)進行簡化，把復雜的水資源系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為可以采用數(shù)學模型描述的簡化系統(tǒng)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的模型處理[3]。

通過定義節(jié)點間的來水節(jié)點、蓄水節(jié)點、取水節(jié)點、回水節(jié)點和水流路徑(河道等)，構(gòu)建了沂河流域的總體網(wǎng)絡(luò)圖。在考慮水文演變因素的基礎(chǔ)上，采用線性規(guī)劃等優(yōu)化方法對節(jié)點參數(shù)和水流路徑參數(shù)進行了標定，建立了沂河流域水資源與水平衡模型[4]。水量平衡模型主要用于水流演進過程中回水參數(shù)的標定。水量平衡模塊的總體框架如圖2所示。

圖2 水量平衡模塊總體框架

2.3 水庫聯(lián)合調(diào)度模型

水資源調(diào)度的復雜程度較高、綜合性強，屬于多種目標決策系統(tǒng)。需要從城鎮(zhèn)居民用水、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境等方面考慮，以防洪發(fā)電為目標，最大限度地發(fā)揮用水效益。在實際的調(diào)度過程中，很難把所有的目標都考慮進去。要根據(jù)目標的重要性，調(diào)整各需水單位的用水量，優(yōu)化總體目標[5]。

圖3 用水單元劃分

3 水文條件及需水量

3.1 水文條件

沂河流域降雨豐沛，是該地區(qū)降雨較多的流域，通過對歷史降雨資料的搜集和整理，得到沂河流域1960-1980年的降雨資料。沂河流域的多年平均降雨量約為850mm，流域內(nèi)多年平均徑流深約為327mm，年徑流量約為35億m3。根據(jù)臨沂水文站多年的監(jiān)測資料顯示，年徑流量最大約為65.9億m3，年徑流量最小約為8.5億m3。且沂河流域的降雨主要集中在6-9月份，其中7、8月份的年徑流量占到年徑流量的65%以上。

3.2 河流水資源量與需水量

通過現(xiàn)有能夠收集到的資料選擇合適的算法模型，盡可能準確地計算出沂河流域的需水情況。對往年水資源公報和年鑒分析，臨沂市沂河流域用水單元、淄博市沂河流域用水單元的年人均用水定額取166.67m3/人。計算臨沂市用水單元、淄博市用水單元的生活用水量如表1。計算公式如下：

表1 生活用水預測

EW=PLwLr

式中：EW為用水單元計算分區(qū)中生活用水總量；P為人口數(shù)；LW為年人均用水量；Lr用水利用效率[6]。

通過對往年水資源公報和年鑒分析，臨沂市沂河流域用水單元、淄博市沂河流域用水單元的萬元工業(yè)生產(chǎn)值耗水量為9.48m3/萬元。預測2019年臨沂市用水單元、淄博市用水單元的工業(yè)用水量如表2。計算公式如下：

表2 工業(yè)用水預測

RW=Sevi·IQ/IR

式中：RW為用水單元計算分區(qū)中工業(yè)用水總量；Sevi為年工業(yè)生產(chǎn)總值；IQ為工業(yè)需水定額9.48m3/萬元；IR為工業(yè)用水利用效率0.79。

通過分析臨沂市沂河流域用水單元、淄博市沂河流域用水單元、徐州市沂河流域用水單元往年水資源公報和年鑒各種農(nóng)作物的用水定額。預測2019年臨沂市沂河流域用水單元、淄博市沂河流域用水單元、徐州市沂河流域用水單元的農(nóng)業(yè)需水量如表3，蓄業(yè)需水量如表4。

表3 農(nóng)業(yè)需水量

表4 畜業(yè)需水量

通過對沂河流域水資源公報、年鑒等資料的收集，根據(jù)當?shù)厝丝?、工業(yè)、農(nóng)業(yè)的增長率以及凈水定額預測沂河流域2019年的需水量。將流域內(nèi)各用水單元的預測用水匯總，預計沂河流域 2019年的需水總額約89434.18萬m3。根據(jù)需水預測的結(jié)果發(fā)現(xiàn)臨沂市的工業(yè)用水占流域總工業(yè)用水的84.7%，區(qū)域工業(yè)用水量大，未來應(yīng)進一步加大該地區(qū)工業(yè)用水的水資源利用效率。

為了保證流域的生態(tài)環(huán)境，防止由于用水過度造成的水資源的匱乏，保證沂河河道的生態(tài)、河道外的生態(tài)以及地下水水位的安全。生態(tài)用水也將采用用水定額的方式計算。即根據(jù)當?shù)氐纳鷳B(tài)防護林及生態(tài)綠化植株確定用水，城鎮(zhèn)生態(tài)用水定額為0.40 L/m3·d，農(nóng)村生態(tài)用水定額為0.3-5 L/m3·d。

4 水量調(diào)度方案

根據(jù)中長期供水預測，2019年沂河流域最大供水量15.26億m3。根據(jù)《沂河流域水資源配置報告》，考慮到現(xiàn)有工程的供水能力，預測供水量的10%作為河基流量，90%作為地表可供水量。本研究未考慮水利工程供水能力減弱，可供水量13.734億m3。根據(jù)淮河流域和山東半島綜合規(guī)劃，沂河流域年平均供水量19.66億m3，50%供水頻率20.56億m3，95%供水頻率12.92億m3。

對于50%來水頻率和95%來水頻率的月可供水量的計算，首先需要根據(jù)歷史徑流數(shù)據(jù)，繪制出皮爾遜Ⅲ型頻率曲線；然后找出典型來水年，確定月徑流分配比例系數(shù)；最后將得到的50%、75%、95%三種來水頻率下的月徑流量作為輸入，進行水庫的調(diào)度計算，得到各水庫的水位變化曲線及各用水單元的用水保證率。

在對2019年來水量預測和需水量分析的基礎(chǔ)上，建立了新的月調(diào)水方案，并設(shè)置了初始水位為正常蓄水位的調(diào)水方案。不同保證率時的水量調(diào)度方案詳見表5、表6、表7。

表5 50%來水情況下的水量調(diào)度方案 單位：m3/s

表6 75%來水情況下的水量調(diào)度方案 單位：m3/s

表7 95%來水情況下的水量調(diào)度方案 單位：m3/s

沂河流域缺水主要發(fā)生在3月、4月和5月。對于不同來水頻率下，徐州市的用水保證率最高，這是由于徐州市在沂河流域內(nèi)的面積小，取水主要是生活用水，在供水原則中優(yōu)先保證生活用水。

5 結(jié)論

本文將需水預報劃分為生活用水預測、工業(yè)用水預測、農(nóng)業(yè)用水預測以及生態(tài)用水預測4個模塊，采用用水定額的方式進行計算。水資源調(diào)度模塊在滿足計算精度的前提下在進行水資源調(diào)度時，通過定義沂河的來水節(jié)點、蓄水節(jié)點、取水節(jié)點、退水節(jié)點和節(jié)點間的流路(河道或渠道)，將沂河流域進行概化。通過需水模型計算得到沂河流域2019年預計需水89434.18萬m3。為了更真實全面地的模擬2019年來水情況下的水庫調(diào)度情況，本次采用50%、75%(2019年預報值)、95%三種來水頻率，進行水庫調(diào)度的模擬。本研究可為沂河流域水資源調(diào)度提供參考。