香溪河流域水資源配置研究

景曉菊，黃志強(qiáng)，黨 祥，張瑞剛

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070；2.水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)河湖保護(hù)與建設(shè)運(yùn)行安全中心，湖北 武漢 430010)

水資源配置是實(shí)現(xiàn)水資源合理開發(fā)利用的基礎(chǔ)，解決水資源供需矛盾的關(guān)鍵所在[1]。 已有學(xué)者[2-11]主要開展了基于大系統(tǒng)理論的水資源配置，基于協(xié)調(diào)水資源供需與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展水資源配置，面向生態(tài)水資源配置，基于ET的水資源配置等。 張守平等[12]提出了水量水質(zhì)聯(lián)合配置研究的理論方法。 邵東國(guó)等[13]、蘇心玥等[14]將公平性、用水效率引入水資源配置。 金蓉[15]、馮房觀等[16]提出生活、生產(chǎn)用水優(yōu)化配置的分類細(xì)化研究。 水資源優(yōu)化配置研究成果日趨豐富，但對(duì)于不同類型用水研究仍舊具有繼續(xù)開拓的空間，區(qū)域用水優(yōu)化配置考慮要素仍有待進(jìn)一步完善。

香溪河流域現(xiàn)狀開發(fā)利用程度低，水利設(shè)施不足導(dǎo)致供需矛盾突出。 本文分析香溪河水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀，綜合考慮農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水戶之間用水權(quán)益，科學(xué)制定用水對(duì)象的優(yōu)先等級(jí)，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提高各部門用水效率，合理科學(xué)預(yù)測(cè)需水量，結(jié)合現(xiàn)有水源條件和開發(fā)利用規(guī)劃，提高水資源開發(fā)利用率，計(jì)算流域可供水量；按照以供定需原則，通過平衡分析對(duì)流域可利用水資源在區(qū)域和各用水戶之間進(jìn)行配置，確定水資源的優(yōu)化配置方案，解決香溪河局部地區(qū)水資源供需矛盾，維護(hù)香溪河流域社會(huì)生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展需水安全，改善水生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

1 流域基本情況

香溪河為長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)一級(jí)支流，分東、西兩大源流，東源為干流，發(fā)源于神農(nóng)架林區(qū)騾馬店，西源發(fā)源于神農(nóng)架山南的紅河。 東、西2 條河流在響灘匯合始稱香溪河，于峽口匯高嵐河，流至游家河入秭歸縣，在秭歸縣境內(nèi)流經(jīng)21 km后匯入長(zhǎng)江。 香溪河水系見圖1。 香溪河承雨面積3 238 km2，全長(zhǎng)105 km，年均徑流深532 mm，多年平均地下徑流量8.99 億m3，多年平均水資源總量為17.23 億m3。

圖1 香溪河流域水系及站點(diǎn)分布

2 水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

2.1現(xiàn)狀供水工程

香溪河流域共有水庫(kù)18 座，1 座大(2)型水庫(kù)即古洞口一級(jí)水庫(kù)，1 座中型水庫(kù)即毛家河水庫(kù)，3座小(1)型水庫(kù)，13 座小(2)型水庫(kù)；總庫(kù)容17 587萬(wàn)m3，興利庫(kù)容8 557 萬(wàn)m3。 塘堰298 處，總蓄水量147 萬(wàn)m3；水窖17 541 處，總蓄水量75 萬(wàn)m3。引提水工程695 處，設(shè)計(jì)引水流量1.14 m3/s。 現(xiàn)狀香溪河流域無(wú)外流域調(diào)水工程，流域內(nèi)調(diào)水工程歸州灌區(qū)，設(shè)計(jì)灌溉面積10 km2，流域內(nèi)有效灌溉面積僅2 km2。

2.2 流域水資源開發(fā)利用特點(diǎn)及存在問題

2010—2018 年流域年平均供用水量為5 037 萬(wàn)m3，占水資源總量的2.92%，開發(fā)利用程度低，存在主要問題如下:一是香溪河流域降雨豐富，時(shí)空分布不均，上中下游各區(qū)域水資源不平衡；二是隨著城市供水對(duì)水量、水質(zhì)需求不斷提升，城鎮(zhèn)用水?dāng)D占農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水問題越發(fā)突出；三是現(xiàn)有供水工程不足，配套工程不完善，缺乏統(tǒng)一調(diào)度等導(dǎo)致對(duì)地表徑流調(diào)節(jié)能力有限，部分地區(qū)供水能力不能滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要；四是“重建輕管”“重經(jīng)濟(jì)輕生態(tài)”等問題存在，水利管理體制還有待完善。

3 水資源供需平衡

3.1 工作范圍及水平年

香溪河流域涉及神農(nóng)架林區(qū)、興山縣、秭歸縣、夷陵區(qū)、保康縣等3 個(gè)地級(jí)市5 個(gè)縣(市、區(qū))15 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，分別占各個(gè)市縣(區(qū))面積比例為27.76%、89.31%、8.93%、1.09%、0.24%，各縣市境內(nèi)流域面積占整個(gè)流域比例分別為27.71%、64.21%、6.69%、1.15%、0.24%。 流域涉及保康縣為香溪河源頭，人口稀少，耕地稀缺，大部分為林區(qū)，幾乎無(wú)用水戶，且無(wú)水利工程，面積占流域比例、占縣域比例極低，本次香溪河流域水資源配置范圍不考慮?？悼h；現(xiàn)狀年、規(guī)劃水平年范圍基本一致，分為神農(nóng)架林區(qū)、興山縣、秭歸縣、夷陵區(qū)4 個(gè)計(jì)算分區(qū)，見圖2。 現(xiàn)狀水平年為2018 年，規(guī)劃水平年為2030 年。

3.2 經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)

根據(jù)2018 年各行政區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒，2018 年香溪河流域總?cè)丝?9.93 萬(wàn)人，其中城鎮(zhèn)人口8.17 萬(wàn)人，總體城鎮(zhèn)化率41.02%，其中神農(nóng)架林區(qū)33.24%，興山縣41.82%，秭歸縣、夷陵區(qū)均為農(nóng)村。 根據(jù)近幾年各行政區(qū)人口、地區(qū)生產(chǎn)總值增長(zhǎng)率趨勢(shì)，結(jié)合相關(guān)規(guī)劃，分析各行政區(qū)人口、地區(qū)生產(chǎn)總值增長(zhǎng)率和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整情況，預(yù)測(cè)規(guī)劃水平年2030 年經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展指標(biāo)。 參考各行政區(qū)城市總體規(guī)劃、《湖北省灌溉發(fā)展總體規(guī)劃》《湖北省水資源綜合規(guī)劃》等關(guān)于流域內(nèi)各縣市耕地、灌溉面積預(yù)測(cè)成果，優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)，仍以馬鈴薯和玉米為主，適當(dāng)降低玉米種植比例，適當(dāng)擴(kuò)種小麥、中稻、油菜、蔬菜。 香溪河流域現(xiàn)狀、規(guī)劃水平年主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)預(yù)測(cè)成果見圖2。

圖2 香溪河流域計(jì)算分區(qū)范圍、水平年主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)預(yù)測(cè)示意

3.3 需水預(yù)測(cè)

在香溪河流域各行政區(qū)2018 年水資源公報(bào)現(xiàn)狀定額基礎(chǔ)上，充分考慮節(jié)水技術(shù)、管理水平以及生活水平提高因素，城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村人畜飲水采用人均用水定額法計(jì)算；調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化升級(jí)，提高用水重復(fù)水平和推廣先進(jìn)節(jié)水工藝與技術(shù)等措施，結(jié)合神農(nóng)架林區(qū)、宜昌市最嚴(yán)格水資源管理三條紅線用水效率分解指標(biāo)、總體規(guī)劃及水利發(fā)展規(guī)劃要求，工業(yè)、建筑業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)等生產(chǎn)需水采用萬(wàn)元增加值定額法計(jì)算。 農(nóng)業(yè)灌水采用灌溉定額計(jì)算，收集神農(nóng)架、興山、秭歸3 個(gè)氣象站1976—2018 年逐日氣象資料，參照《湖北省灌溉用水定額修編》相關(guān)計(jì)算參數(shù)成果計(jì)算農(nóng)作物灌溉定額。 河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量按多年平均徑流量的10%計(jì)算，古洞口水庫(kù)最小生態(tài)流量為1.99 m3/s。 河道外生態(tài)用水主要集中在鎮(zhèn)區(qū)道路澆灑和公園綠化，采用單位面積定額法計(jì)算。 2030 年香溪河流域總需水量為8 430 萬(wàn)m3。

3.4 可供水量預(yù)測(cè)

3.4.1 徑流

a)興山(二)站徑流。 興山(二)站作為本次徑流分析采用的參證站，其1976—1999 年實(shí)測(cè)徑流接近天然狀況，整編方法一致，能滿足本次規(guī)劃要求。上游古洞口水庫(kù)1999 年5 月下閘蓄水，興山(二)站建庫(kù)蓄水后的實(shí)測(cè)徑流一致性遭到破壞。 本次采用紅花、九沖、水果園、中日?qǐng)骸⑶嗌?、鄭家坪、南?yáng)河等7 個(gè)雨量站及文武、寒溪口、南陽(yáng)、古夫、興山(二)站5 個(gè)水文站降雨量按泰森多邊形法計(jì)算興山(二)站以上流域面雨量，擬合興山(二)站以上流域1976—1998 年降雨-徑流關(guān)系(圖3)，其降雨徑流點(diǎn)據(jù)基本呈帶狀分布，徑流隨降水增大而增大的趨勢(shì)明顯。 依據(jù)興山(二)站以上流域1999—2018年面降雨量及逐年逐月降雨分配比例，比擬得興山(二)站1999—2018 年天然逐月徑流系列，與實(shí)測(cè)1976—1998 年徑流系列形成興山(二)站1976—2018 年天然徑流系列。

圖3 興山(二)站以上流域面降雨-徑流深

b)分區(qū)徑流。 香溪河流域計(jì)算分區(qū)面降雨量按泰森多邊形法計(jì)算，天然年、月徑流系列考慮降雨修正按照計(jì)算分區(qū)面積與興山(二)站控制面積的比值移置，得香溪河流域1976—2018 年神農(nóng)架林區(qū)、興山縣、秭歸縣、夷陵區(qū)、整個(gè)流域多年平均面降雨量分別為1 172、982、972、1 001、1 003 mm，多年平均年徑流深分別為621、521、515、531、532 mm。對(duì)照《湖北省第三次全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告》成果，香溪河流域多年平均降雨量主要位于900 ～1 200 mm等值線，多年平均徑流深主要位于500 ～600 mm等值線，本次徑流成果在合理范圍之內(nèi)。

3.4.2 可供水量分析復(fù)核

根據(jù)香溪河流域供水規(guī)劃，2030 年新建及擴(kuò)建供水工程(圖4)，經(jīng)計(jì)算，香溪河2030 年可供水量為1.40 億m3。

圖4 香溪河流域2030 年水利工程分布

3.5 水資源供需平衡分析復(fù)核

3.5.1 供需平衡分析原則

本次香溪河水資源供需平衡分析分片計(jì)算、總體平衡，采用1976 年4 月至2018 年3 月共43 年長(zhǎng)系列時(shí)歷法計(jì)算，計(jì)算時(shí)段為月。 用水戶優(yōu)先確保生活和二三產(chǎn)業(yè)用水，其次為農(nóng)業(yè)灌溉用水，最后為河道外生態(tài)環(huán)境用水，供水工程優(yōu)先次序?yàn)樘裂?、小型水?kù)、中型水庫(kù)、引水工程、提水工程、古洞口水庫(kù)、地下水。 其中塘堰只供給農(nóng)業(yè)用水，采用復(fù)蓄次數(shù)法計(jì)算塘堰供水能力，小型水庫(kù)、中型水庫(kù)分為只供灌溉、生產(chǎn)、生態(tài)用水和各行業(yè)均可供水2 種類型，古洞口水庫(kù)負(fù)責(zé)古夫鎮(zhèn)各行業(yè)用水和昭君鎮(zhèn)部分生活用水，小型水庫(kù)分片進(jìn)行概化合并成若干個(gè)“小型水庫(kù)”，對(duì)唯一的中型和大型水庫(kù)單獨(dú)調(diào)算，水庫(kù)供水量根據(jù)來(lái)水量扣除生態(tài)下泄流量、棄水量和蒸發(fā)滲漏損失量。 引提水閘站供水量根據(jù)閘站規(guī)模、控制面積以及水源來(lái)水情況分析計(jì)算實(shí)際供水。地下水主要供水對(duì)象為少量農(nóng)村安全飲水，由于供水量極小本次忽略不計(jì)。

3.5.2 供需平衡分析

a)基準(zhǔn)年供需平衡。 根據(jù)前述供需預(yù)測(cè)及平衡分析方法，計(jì)算基準(zhǔn)年水資源供需平衡。

b)規(guī)劃年一次平衡。 規(guī)劃水平年一次供需平衡考慮了人口自然增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化程度和人民生活水平提高，需水量為不考慮節(jié)水條件下的規(guī)劃水平年需水量，按供水預(yù)測(cè)的“零方案”，即在現(xiàn)狀水資源開發(fā)利用格局和發(fā)揮現(xiàn)有供水工程潛力的情況下進(jìn)行水資源供需分析，反映已有工程對(duì)未來(lái)規(guī)劃水平年合理需水要求的滿足程度，為確定未來(lái)水資源開發(fā)利用方向、節(jié)水、挖潛等措施提供依據(jù)，為解決水資源供需矛盾奠定基礎(chǔ)。

c)規(guī)劃年二次平衡。 由于一次供需平衡計(jì)算結(jié)果有缺口，故在一次平衡基礎(chǔ)上，立足當(dāng)?shù)厮Y源條件，根據(jù)供水規(guī)劃，2030 年香溪河流域神農(nóng)架林區(qū)新建4 個(gè)水廠，改擴(kuò)建2 個(gè)水廠，提升1 個(gè)水廠，小型集中工程36 處，分散供水工程368 處。 興山縣生活供水包括現(xiàn)有水源古洞口水庫(kù)、后坪水庫(kù)2 處水庫(kù)外，新增利用現(xiàn)有灘坪水庫(kù)，新建小(2)水庫(kù)4座、中型水庫(kù)1 座；秭歸縣新建1 處引水工程、2 座小(2)型水庫(kù)。 通過新建及擴(kuò)建供水工程、合理調(diào)配，進(jìn)行二次供需平衡分析，采用原則、調(diào)算方法與一次平衡類似，不同的是供水考慮了規(guī)劃水平年各行業(yè)新增水源工程的供水方案。 香溪河不同水平年水資源供需平衡計(jì)算匯總見表1。

表1 基準(zhǔn)年及規(guī)劃水平年平衡成果單位:萬(wàn)m3

本次生活用水、二三產(chǎn)業(yè)用水保證率為95%，農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)用水保證率為75%，從以上分析計(jì)算可以得知:神農(nóng)架林區(qū)基準(zhǔn)年、一次平衡各行業(yè)供水保證率為0；興山縣基準(zhǔn)年、一次平衡各行業(yè)均不缺水，水量完全滿足需求；秭歸縣基準(zhǔn)年、一次平衡生活、農(nóng)業(yè)供水保證率達(dá)不到設(shè)計(jì)保證率要求，可見基準(zhǔn)年神農(nóng)架、秭歸縣供水保證率低，加之工程老損破壞，進(jìn)一步加深了供水破壞程度，缺水問題嚴(yán)重，生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水安全均受到嚴(yán)重威脅；在發(fā)揮現(xiàn)有供水工程潛力進(jìn)行一次平衡計(jì)算后可知，國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)缺水狀況未得到改善，主要為工程性缺水；在充分利用水資源和新建蓄、引水工程進(jìn)行二次平衡分析可知，平水年(P=50%)、一般枯水年(P=75%)香溪河流域均不缺水；特枯年(P=95%)僅秭歸縣存在農(nóng)業(yè)缺水，其余3 個(gè)縣(市)分區(qū)均不缺水，基本實(shí)現(xiàn)水資源供需平衡，國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)用水需求得到基本保障。

2030 年香溪河流域二次平衡多年平均、平水年、一般枯水年、特枯年需水量比2018 年分別增加了1 686 萬(wàn)、1 664 萬(wàn)、1 687 萬(wàn)、2 468 萬(wàn)m3；供水工程格局不變、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展情況下，充分挖潛配套現(xiàn)有供水工程，香溪河流域一次平衡多年平均、平水年、一般枯水年、特枯年供水量比2018 年分別增加了1 308 萬(wàn)、1 228 萬(wàn)、1 269 萬(wàn)、1 856 萬(wàn)m3；充分挖潛配套現(xiàn)有供水工程后，通過新建供水工程，香溪河流域二次平衡多年平均、平水年、一般枯水年、特枯年供水量比一次平衡分別增加了681 萬(wàn)、722 萬(wàn)、790 萬(wàn)、1 091 萬(wàn)m3。

4 水資源配置方案及合理性分析

4.1 水資源配置方案

2030 年香溪河流域多年平均需水量8 430 萬(wàn)m3，比2018 年實(shí)際用水量增加3 086 萬(wàn)m3。 水資源配置方案依據(jù)香溪河流域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境等方面具體情況，遵循全面節(jié)約、有效保護(hù)、合理開源的原則優(yōu)化水資源配置，重點(diǎn)是在節(jié)水減污基礎(chǔ)上加強(qiáng)用水總量控制和定額管理，加強(qiáng)現(xiàn)有工程設(shè)施的挖潛配套和節(jié)水改造，根據(jù)水資源條件科學(xué)合理規(guī)劃新建一批水資源調(diào)控工程，結(jié)合優(yōu)化調(diào)度，合理配置水資源。

2030 年香溪河共配置水資源8 427 萬(wàn)m3，按用水戶劃分生活用水、二三產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)及生態(tài)環(huán)境用水分別為1 216 萬(wàn)、3 595 萬(wàn)、3 573 萬(wàn)、43 萬(wàn)m3；按供水水源劃分，塘堰、小(2)型水庫(kù)、小(1)型水庫(kù)、中型水庫(kù)、引水工程、古洞口水庫(kù)配置水量分別為174萬(wàn)、5 563 萬(wàn)、129 萬(wàn)、175 萬(wàn)、605 萬(wàn)、1 782 萬(wàn)m3。按香溪河流域、外流域調(diào)入水資源配置劃分，本地水水資源量8 318 萬(wàn)m3，外流域向香溪河調(diào)入水資源量109 萬(wàn)m3，無(wú)向流域外調(diào)水量。 按照行政區(qū)劃分配置水資源，神農(nóng)架林區(qū)、興山縣、秭歸縣、夷陵區(qū)分別為607 萬(wàn)、7 439 萬(wàn)、370 萬(wàn)、10 萬(wàn)m3。 2030 年水資源配置成果見表2、圖5—8。

圖5 香溪河2030 年分行業(yè)水資源配置

表2 香溪河2030 年水資源配置成果單位:萬(wàn)m3

4.2 配置方案合理性分析

本次流域各行政區(qū)水資源配置成果均在紅線指標(biāo)范圍內(nèi)，與各行政區(qū)用水總量控制指標(biāo)相銜接。

香溪河流域流域平均水平主要受興山縣影響。興山縣單位國(guó)土面積、人均和萬(wàn)元GDP分配水量相比其他縣市更接近且稍高于流域平均值，其他縣市低于流域平均值。 神農(nóng)架林區(qū)農(nóng)村、城鎮(zhèn)均衡分布，其配置水量占流域比例與其人口、GDP占流域比例協(xié)調(diào)，全為引水工程，灌溉水利用系數(shù)最大，畝均用水量最小。 秭歸縣生產(chǎn)用水僅為灌溉用水，僅占流域1%，萬(wàn)元GDP水量最大，遠(yuǎn)高于流域平均值，灌溉面積占流域14%，畝均定額最小。 夷陵區(qū)僅農(nóng)村生活用水，總配置水量最小。 總體來(lái)看，各縣市區(qū)分配水量與總?cè)丝凇DP、灌溉面積等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較為協(xié)調(diào)。

圖6 香溪河2030 年不同供水水源水資源配置

圖7 香溪河2030 年本地水、外流域調(diào)入水資源配置

圖8 香溪河2030 年不同行政區(qū)水資源配置

5 結(jié)論

香溪河流域水資源豐富，時(shí)空地域分布不均，開發(fā)利用程度低，香溪河流域水資源配置成果方案以現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)成果、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展指標(biāo)為依據(jù)，充分落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度的用水總量、用水效率控制指標(biāo)要求，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整力度，充分利用新建供水工程解決香溪河流域神農(nóng)架林區(qū)、秭歸縣局部缺水問題，為未來(lái)香溪河流域各縣(區(qū))、各行業(yè)水資源供需關(guān)系提出優(yōu)化配置方案，2030 年香溪河配置水量8 427 萬(wàn)m3，達(dá)到供需平衡，計(jì)算成果合理，能為流域水資源合理均衡配置提供一定理論參考，實(shí)現(xiàn)水資源支撐生活、生產(chǎn)、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。