平原河網(wǎng)地區(qū)地表水資源可利用量計(jì)算方法研究

馬嘉憶，董增川，邵逸卿，楊 光，陳茉彤，張 璐

（河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京210098）

隨著人口快速增長(zhǎng)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展，水資源成為越來(lái)越重要的戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源。水資源可利用量是從資源角度分析可以被消耗利用的水量，是人口和經(jīng)濟(jì)的直接載體，是水資源合理利用與配置的依據(jù)，有利于區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃［1，2］。因此，從人類(lèi)對(duì)水資源的開(kāi)發(fā)利用角度考慮，評(píng)估一個(gè)地區(qū)的水資源可利用量比計(jì)算水資源總量更有實(shí)際意義［3］。

對(duì)于處于一個(gè)或多個(gè)流域中的某一區(qū)域，區(qū)域地表水資源可利用量包括本地地表水資源可利用量和來(lái)自區(qū)外的過(guò)境水資源可利用量?jī)刹糠帧＿^(guò)境水資源可利用量的計(jì)算是區(qū)域水資源可利用量計(jì)算的難點(diǎn)［4］。由于單一河道區(qū)內(nèi)過(guò)境水直接過(guò)境，計(jì)算其地表水資源可利用量通常采用扣損法［5］，其原理清晰、操作簡(jiǎn)便，在我國(guó)西北［6］等區(qū)域得到了較好應(yīng)用。而平原河網(wǎng)區(qū)內(nèi)河網(wǎng)復(fù)雜、水系縱橫，且具有相當(dāng)規(guī)模的控制閘壩，使得河網(wǎng)具有一定調(diào)蓄能力，加之平原河網(wǎng)區(qū)本地水、過(guò)境水共同參與河道內(nèi)水資源調(diào)蓄，導(dǎo)致計(jì)算水資源可利用量時(shí)無(wú)法簡(jiǎn)單采用扣損法［7，8］。因此，本研究提出平原河網(wǎng)概化水庫(kù)模型，遵循充分利用當(dāng)?shù)厮?、盡量截留過(guò)境水的原則計(jì)算平原河網(wǎng)區(qū)水資源可利用量。該方法適用于水系復(fù)雜的平原河網(wǎng)區(qū)，考慮了河網(wǎng)的調(diào)蓄作用，可以有效解決進(jìn)行平原河網(wǎng)地區(qū)水資源可利用量計(jì)算時(shí)難以區(qū)分水源的問(wèn)題，有利于總體控制區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用程度，揭示水資源可開(kāi)發(fā)利用潛力，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源與環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 水資源可利用量概念

水資源可利用量是指在預(yù)見(jiàn)期內(nèi)，統(tǒng)籌考慮生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境用水，在協(xié)調(diào)河道內(nèi)外用水的基礎(chǔ)上，通過(guò)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（不包括回歸水的重復(fù)利用）［9］。由此可見(jiàn)水資源可利用量不僅與可消耗的水資源量有關(guān)，還與區(qū)域生態(tài)保護(hù)要求、水資源開(kāi)發(fā)利用水平等有密切關(guān)系。

其中，界定生態(tài)需水量、棄水量是評(píng)估區(qū)域水資源可利用量的關(guān)鍵。即首先需保障本地河道內(nèi)生態(tài)需水、下游生態(tài)需水等基礎(chǔ)生態(tài)需水。其次，由于洪水具有突發(fā)性且變化幅度大，洪水資源無(wú)法也沒(méi)有必要全部利用，因此對(duì)于某一地區(qū)，根據(jù)區(qū)域未來(lái)需求、經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件，確定洪水可被利用的程度，對(duì)區(qū)域水資源合理利用與配置更具意義［10，11］?；诖?，進(jìn)行區(qū)域水資源可利用量計(jì)算時(shí)應(yīng)在滿(mǎn)足生態(tài)需水基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮工程能力發(fā)展等因素進(jìn)行研究［12］。

2 研究方法

2.1 建立平原河網(wǎng)概化水庫(kù)模型

針對(duì)平原河網(wǎng)區(qū)特點(diǎn)，建立平原河網(wǎng)概化水庫(kù)模型（圖1）。以本地地表水和過(guò)境水作為概化水庫(kù)入流，以生態(tài)庫(kù)容（生態(tài)水位對(duì)應(yīng)）作為概化水庫(kù)死庫(kù)容，超出概化水庫(kù)警戒庫(kù)容（警戒水位對(duì)應(yīng)）的水量作為棄水。生態(tài)庫(kù)容、警戒庫(kù)容差值為概化水庫(kù)參與調(diào)蓄的有效庫(kù)容，以工程取水能力、下游生態(tài)流量控制概化水庫(kù)出流。

圖1 概化水庫(kù)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of generalized reservoir model

2.2 構(gòu)建水位-庫(kù)容曲線(xiàn)

根據(jù)研究區(qū)遙感影像資料，繪制河流水位-水面面積曲線(xiàn)，再根據(jù)水位-水面面積曲線(xiàn)每隔1 cm 計(jì)算某水位下的庫(kù)容［13，14］，得到水位-庫(kù)容曲線(xiàn)。通過(guò)曲線(xiàn)讀取各概化水庫(kù)生態(tài)庫(kù)容、警戒庫(kù)容，其差值為參與調(diào)蓄的有效庫(kù)容，求和得到總生態(tài)庫(kù)容、警戒庫(kù)容、有效庫(kù)容。

式中：Vi為相鄰水位庫(kù)容差；Δh為相鄰水位差，取1 cm；Si、Si-1為相鄰水位對(duì)應(yīng)水面面積；n為計(jì)算次數(shù)；V0為初始庫(kù)容；Vl為單個(gè)概化水庫(kù)有效庫(kù)容；m為概化水庫(kù)個(gè)數(shù)；V總為總有效庫(kù)容。

2.3 概化水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算

假設(shè)取出全部工程能力對(duì)應(yīng)水量且滿(mǎn)足下游生態(tài)需水，遵循水量平衡原理可得概化水庫(kù)時(shí)段末庫(kù)容：

式中：V1為時(shí)段初庫(kù)容；V2為時(shí)段末庫(kù)容；I×Δt為時(shí)段內(nèi)概化入流；Q棄×Δt為時(shí)段內(nèi)棄水量；Q下游生態(tài)×Δt為時(shí)段內(nèi)下游生態(tài)水量；Q取水×Δt為時(shí)段內(nèi)工程能力對(duì)應(yīng)取水量；Δt為調(diào)蓄時(shí)段，計(jì)算步長(zhǎng)為1 d。

采用倒算法推求概化水庫(kù)水資源可利用量，根據(jù)時(shí)段末庫(kù)容與生態(tài)庫(kù)容關(guān)系，調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)可能出現(xiàn)以下情況：

（1）V2≥V生態(tài)，時(shí)段內(nèi)水資源可利用量為工程取水能力對(duì)應(yīng)取水量。

式中：V生態(tài)為生態(tài)庫(kù)容；V警戒為警戒庫(kù)容；V時(shí)段可利用為時(shí)段內(nèi)水資源可利用量。

（2）V2

①Q(mào)取水Δt-V補(bǔ)≥0，削減取水量：

②Q取水Δt-V補(bǔ)<0，適量削減下游生態(tài)需水：

式中：V補(bǔ)為時(shí)段內(nèi)生態(tài)補(bǔ)水量；V下泄為實(shí)際下泄水量。

下一時(shí)段相繼由上一時(shí)段末庫(kù)容狀態(tài)進(jìn)行調(diào)蓄計(jì)算，將各時(shí)段累加得到水資源可利用總量。

式中：V總可利用為水資源可利用總量。

2.4 計(jì)算情景

圖2 調(diào)節(jié)計(jì)算流程圖Fig.2 Flow chart of regulating calculation

本研究考慮了不同工程取水能力（現(xiàn)狀工程能力；規(guī)劃工程能力；遠(yuǎn)景工程能力）；不同保證率（50%；75%；90%；95%），共設(shè)立12種情景進(jìn)行計(jì)算（表1）。

表1 平原河網(wǎng)地區(qū)地表水資源可利用量計(jì)算情景Tab.1 Computing scenarios of available surface water resources in plain river network area

其中，現(xiàn)狀工程能力是指在現(xiàn)狀供水工程體系下的工程取水能力；規(guī)劃工程能力、遠(yuǎn)景工程能力考慮未來(lái)新增工程，分別指考慮規(guī)劃年、遠(yuǎn)景年經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展情況下的工程取水能力。同時(shí)由于枯水年水資源可利用量往往制約著城市的發(fā)展規(guī)模、灌溉面積、通航的容量和面積等，因此本文在設(shè)立情景時(shí)設(shè)置平水年（50%）、枯水年（75%；90%；95%）四種不同保證率進(jìn)行情景分析計(jì)算。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 研究區(qū)概況與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

鹽城市地處江蘇沿海中部，全境為平原地貌，大部分地區(qū)海拔不足5 m。當(dāng)?shù)厮Y源時(shí)空分布不均，年際變化較大，過(guò)境水豐富；境內(nèi)河網(wǎng)密布，主要河流有通榆河、串場(chǎng)河、灌河、蘇北灌溉總渠、射陽(yáng)河等，形成了“兩橫九縱”的復(fù)雜水系格局，屬于典型的平原河網(wǎng)地區(qū)。

本研究所涉及的蒸發(fā)、徑流、出入境水資源總量、本地地表水資源總量等資料來(lái)自鹽城市水資源公報(bào)及統(tǒng)計(jì)年鑒；主要河湖警戒水位來(lái)自鹽城市相關(guān)防洪規(guī)劃；工程取水能力相關(guān)資料來(lái)自《江蘇省水中長(zhǎng)期供求規(guī)劃（2015-2030）》；水面面積及河道相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)自ENVI 5.3對(duì)遙感影像進(jìn)行解譯、提取獲得。

圖3 鹽城市行政區(qū)劃及水系圖Fig.3 Administrative divisions and water system of Yancheng city

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 鹽城市生態(tài)需水

選擇90%頻率最枯月平均水位法［15，16］、最低生存水深水位法［17］進(jìn)行生態(tài)需水計(jì)算。對(duì)鹽城市主要河湖近30年最枯月平均水位進(jìn)行排頻統(tǒng)計(jì)，選擇90%頻率下近30年最枯月平均水位作為生態(tài)水位，并考慮河流維持水生物生態(tài)的功能，綜合最低生存水深水位法修正計(jì)算結(jié)果。根據(jù)《鹽城市水資源保護(hù)規(guī)劃（2015）》，鹽城市境內(nèi)骨干河道主要以魚(yú)類(lèi)作為關(guān)鍵保護(hù)目標(biāo)，研究表明適應(yīng)魚(yú)類(lèi)生存水深的下限約為魚(yú)類(lèi)平均體長(zhǎng)的2～3倍［18］，鹽城市境內(nèi)河流成年魚(yú)體長(zhǎng)在0.3 m 左右，因此最低生存水深確定為0.9 m，得到鹽城市主要河湖生態(tài)水位（表2）。

表2 鹽城市主要河湖生態(tài)水位 mTab.2 Ecological water level of the main rivers and lakes in Yancheng city

鹽城市有20多條流域及區(qū)域骨干河流排水入海，其下游基本生態(tài)需水主要為沖淤保港需水量，采用歷史流量法，以80%多年平均年入海徑流量估算出鹽城境內(nèi)入海河流沖淤保港生態(tài)需水量為40.5 億m3。

3.2.2 鹽城市水資源可利用量

根據(jù)公式（1）～（3）計(jì)算出鹽城市概化水庫(kù)總有效庫(kù)容為6.2 億m3。

根據(jù)公式（4）～（12）計(jì)算得到鹽城市水資源可利用量（表3）。

表3 鹽城市水資源可利用量計(jì)算結(jié)果 億m3Tab.3 Calculation results of available surface water resources in Yancheng city

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 鹽城市地表水資源可利用量分析

根據(jù)概化水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算得到鹽城市地表水資源可利用量（圖4）。

圖4（a）表明鹽城市地表水資源可利用量在不同工程能力下均隨來(lái)水減少而減少。在現(xiàn)狀工程能力下，鹽城市50%、75%、90%、95%保證率下地表水資源可利用量為：60.6、55.1、53.0、52.1 億m3，而鹽城市近10 a年平均用水量達(dá)到55.3 億m3，同時(shí)由于鹽城市灌溉高峰期缺水嚴(yán)重、沿海灘涂圍墾開(kāi)發(fā)區(qū)新增用水量大，可以看出現(xiàn)狀工程能力下鹽城市在枯水年僅憑借當(dāng)?shù)氐乇硭Y源和過(guò)境水資源很難完全滿(mǎn)足其用水量。

圖4（b）表明鹽城市地表水資源可利用量一定程度上受制于工程的調(diào)控能力，在不同保證率下，現(xiàn)狀工程能力水資源可利用量均低于規(guī)劃及遠(yuǎn)景工程能力。表明鹽城市地表水資源可利用量呈現(xiàn)隨著工程能力增加而增大的趨勢(shì)，但隨著來(lái)水減少，增加趨勢(shì)有所放緩。

圖4 不同情景下鹽城市地表水資源可利用量Fig.4 The available surface water resources of each scenario in Yancheng city

緩解區(qū)域缺水問(wèn)題的方式主要有遠(yuǎn)距離調(diào)水、提高當(dāng)?shù)毓こ棠芰Φ确椒?。目前鹽城市由于引水能力和長(zhǎng)距離輸水能力的限制，采取江水東引等工程措施后淮北地區(qū)、沿海墾區(qū)仍存在缺水情況。因此，可以考慮通過(guò)遠(yuǎn)距離引調(diào)水結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ棠芰μ嵘扰e措并行，增大水資源可利用量，進(jìn)一步改善區(qū)域缺水問(wèn)題。

3.3.2 水資源可利用率分析

根據(jù)調(diào)節(jié)計(jì)算結(jié)果，計(jì)算不同情景鹽城市地表水資源可利用率（圖5）。

圖5 不同情景下鹽城市水資源可利用率Fig.5 The utilization rate of available surface water resources of each scenario in Yancheng city

由圖4 可知，鹽城市地表水資源可利用率最低為36.6%（情景1），但仍高于全國(guó)地表水資源可利用率28.1%［19］。而由于鹽城市目前部分提水泵站老化失修；用水高峰期區(qū)域供水能力不足，水資源調(diào)配能力不夠，部分情景下（情景1、2、5、9）地表水資源可利用率低于淮河流域平均水平47%［19］。

隨著工程能力提升，鹽城市水資源可利用率隨之增加。規(guī)劃工程能力下水資源可利用率最高達(dá)到了55.2%（情景8），遠(yuǎn)景工程能力下水資源可利用率最高達(dá)到了57.1%（情景12），比現(xiàn)狀工程能力下的水資源可利用率最高值分別提升了10.8%、14.7%。然而，與水資源可利用量規(guī)律不同，隨著來(lái)水減少，可利用水資源率反而增加，這主要是由于偏枯年份來(lái)水基數(shù)小導(dǎo)致的。

3.3.3 提升建議

針對(duì)鹽城市現(xiàn)狀供水工程老化、部分河道淤積等問(wèn)題，可以通過(guò)加強(qiáng)輸配水河道、泵站的翻新及建設(shè)，保證各地區(qū)及時(shí)供水，完善鹽城市供水網(wǎng)絡(luò)；暢通河網(wǎng)，疏浚整治區(qū)內(nèi)骨干引排水河道；實(shí)施湖泊湖蕩退田退圩（漁）還湖工程及沿海平原水庫(kù)建設(shè)，運(yùn)用水庫(kù)、河網(wǎng)攔蓄本地徑流，增加調(diào)蓄量；增加回歸水的利用，加強(qiáng)重要水源地的保護(hù)，推進(jìn)鹽城市節(jié)水型社會(huì)建設(shè)等方法提升鹽城市供水能力，增加鹽城市水資源可利用量，解決鹽城市用水緊張問(wèn)題。

4 結(jié) 論

（1）本文以鹽城市為例，提出平原河網(wǎng)概化水庫(kù)模型，得到現(xiàn)狀工程能力下鹽城市50%、75%、90%、95%保證率下地表水資源可利用量分別為：60.6、55.1、53.0、52.1 億m3。

（2）通過(guò)分析12 種情景，發(fā)現(xiàn)鹽城市地表水資源可利用量總體隨來(lái)水減少而減少，并一定程度上受制于工程的調(diào)控能力。此外，鹽城市不同情景地表水資源可利用率均高于全國(guó)水平，但部分情景（情景1、2、5、9）低于淮河流域平均水平47%。

（3）由于在枯水年份，僅靠當(dāng)?shù)氐乇硭瓦^(guò)境水難以完全滿(mǎn)足鹽城市用水量，因此可以通過(guò)改善供水工程布設(shè)、配套和運(yùn)行狀況等措施提高水資源可利用量。

本方法的提出對(duì)于完善水資源可利用量計(jì)算方法具有一定實(shí)際意義。未來(lái)可以針對(duì)水質(zhì)型缺水問(wèn)題進(jìn)一步結(jié)合水質(zhì)約束完善平原河網(wǎng)地區(qū)水資源可利用量計(jì)算方法。 □