撫河流域水資源分配與調(diào)度方案研究

吳江 盛衛(wèi)榮 陳濟天 馮宇

摘 要：通過開展撫河流域水資源分配與調(diào)度方案研究，提出了撫河流域水量分配方案，構(gòu)建了枯水期水量調(diào)度模型，并應(yīng)用于撫河流域枯水期水量調(diào)度實踐，研究成果可為流域水資源開發(fā)、利用與保護提供理論基礎(chǔ)，促進流域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：撫河流域，需水預(yù)測，水量分配，水資源調(diào)度

中圖法分類號：TV213.9? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0502

水資源合理利用與分配問題不僅關(guān)系國民經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)，而且也是影響國家用水安全的重大問題[1-4]。隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化深入發(fā)展，水資源需求將在較長一段時期內(nèi)持續(xù)增長，水資源供需矛盾將更加尖銳，我國水資源面臨的形勢將更為嚴峻。由于水量初始權(quán)屬的不明確和資源時段性的短缺，部分流域內(nèi)區(qū)域之間、行業(yè)之間用水矛盾和糾紛問題日益突出[5-8，11]。干旱時段，往往上游用水擠占下游，工業(yè)用水擠占農(nóng)業(yè)用水，農(nóng)業(yè)用水得不到合理的保護，河流生態(tài)基流保障程度不高。長期以來的水資源優(yōu)越感，使得部分區(qū)域在開發(fā)利用水資源方面形成了“以需定供”的管理概念，在區(qū)域開發(fā)時注重局部利益，盲目而無節(jié)制，不考慮優(yōu)化配置[9]。同時由于缺少用水總量控制制度和節(jié)約用水的激勵機制，區(qū)域用水管理粗放，節(jié)水意識淡薄，節(jié)水措施匱乏[10]。

1? 研究區(qū)域

江西省雖然地處豐水地區(qū)，但水資源時空分布不均，來水與用水不同步。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，全省水資源問題開始顯現(xiàn)并日益突出，資源性缺水、工程性缺水及水質(zhì)性缺水等問題在部分地區(qū)不同程度地出現(xiàn)。

撫河流域位于江西省東部，是鄱陽湖水系的主要河流之一，地跨東經(jīng)115°30′至117°10′，北緯26°30′至28°37′，主河源出于贛、閩邊界武夷山西麓廣昌縣梨木莊。河流自南向北，流經(jīng)廣昌、南豐、南城、右匯黎灘河經(jīng)滸灣進入下游平原，至撫州左納撫河最大支流臨水，西北向流經(jīng)南昌縣境，在荏港改道由青嵐湖入鄱陽湖。流域內(nèi)有撫州地區(qū)11個縣（區(qū)）和南昌市的南昌縣、進賢縣及宜春地區(qū)豐城縣的一部份（贛撫平原灌區(qū)）。流域形狀呈菱形，南北長，東西狹，東南高，西北低。流域南北長240km，平均寬70km，最大寬度140km，最小寬度20km。地面海拔高程在17～1 300m之間。干流全長349km，李家渡以上流域面積15 811km2（含境外23km2），河長278km，從河源到李家渡干流平均坡降2.09‰。撫州地區(qū)占流域總面積的91.2%。流域內(nèi)山地占27%，丘陵占63%，平原占10%。

2? 水資源供需分析和配置方案

2.1? 需水預(yù)測

定量需水預(yù)測的方法較多，歸納起來主要有趨勢分析法、綜合指標法、分類用水定額法、數(shù)學模型推算法等。趨勢分析方法相對便捷，但不能反映用水機制，一般不單獨作為定量預(yù)測的依據(jù)。綜合指標法是以人均用水量、單位建設(shè)用地或萬元GDP用水量等綜合用水指標，結(jié)合經(jīng)濟發(fā)展指標進行需水預(yù)測，綜合指標中對各行業(yè)用水指標進行了簡化，是工程實際中用水區(qū)域資料相對匱乏時常用。分類用水定額法是在水資源規(guī)劃中常用的方法，即用社會經(jīng)濟發(fā)展指標和相應(yīng)的定額預(yù)測需水量。數(shù)學模型法是依據(jù)過去若干年的統(tǒng)計資料，建立模型，找出影響用水量變化的因素、時間因子與用水量之間的關(guān)系，進而預(yù)測用水，有一元線性回歸、灰色系統(tǒng)理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和系統(tǒng)動力學等。我國用水量數(shù)據(jù)時間系列較短，數(shù)學模型對于水資源中長期預(yù)測的可靠性低，因此僅局限于理論研究或局部資料條件較好地區(qū)使用。本文考慮數(shù)據(jù)收集情況，主要采用分類用水定額法和綜合指標法進行需水預(yù)測。

（1）生活需水預(yù)測

生活用水在取水到用水的過程中存在一定的輸水損失，其中主要為自來水廠的制水損失和管網(wǎng)輸水損失，不同的供水方式存在不同的輸水損失，所以要考慮農(nóng)村集中供水工程建設(shè)的覆蓋率情況。生活需水預(yù)測流圖如下。

（2）工業(yè)需水

工業(yè)需水的預(yù)測主要采用萬元工業(yè)總產(chǎn)值用水指標的方法。同時，工業(yè)用水同生活用水一樣，從水源到用水戶之間損失的水量應(yīng)予以考慮，按照現(xiàn)在國內(nèi)的平均工業(yè)水平，這個指標一般在10%～15%之間，平均情況下取12%。預(yù)測年工業(yè)用水量的表達式為：

W工i=Gi*m工i? /（1-ci）? ?（1）

其中W工i為第i年工業(yè)需水量，Gi為第i年工業(yè)總產(chǎn)值（萬元），m工i 為第i年萬元工業(yè)總產(chǎn)值用水定額（m?/萬元），ci為第i年工業(yè)輸水損失率。

工業(yè)需水預(yù)測流圖如下。

（3）農(nóng)業(yè)需水

農(nóng)業(yè)需水主要有農(nóng)業(yè)灌溉需水和林牧漁業(yè)需水兩大部分。農(nóng)業(yè)灌溉需水包括水澆地和水田的灌溉需水。預(yù)測方法采用灌溉定額法，考慮灌溉保證率水平。林牧漁業(yè)需水包括林果地灌溉、牲畜用水和魚塘補水三類。由于林牧漁業(yè)用水定額資料少且用水量不大，故而不做變化預(yù)測。農(nóng)業(yè)需水預(yù)測流程如下。

（4）生態(tài)需水

河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量的計算，可以采用分項計算的方法。根據(jù)河道功能，分項計算需水量，然后分月取最大值，得到維持河道一定功能的年需水量。計算方法如下：

①生態(tài)基流：一般可取近10年每年最小月流量的平均值Wmin

②輸沙需水量：河道水流泥沙的沖淤平衡所需水量計算公式如下

式中S1為多年平均輸沙量，單位kg;Scwmax為多年平均汛期（最大月平均）含沙量，單位kg/m?。

③水生生物需水量Wsw：維持河道內(nèi)水生生物群落的穩(wěn)定性和保護生物多樣性所需水量。一般枯水期取多年平均徑流量的10%～20%，豐水期可取多年平均徑流量的20%～30%。

總的生態(tài)需水量：W生=max[Wmin，WS，WSW]

生態(tài)需水預(yù)測流程如下。

2.2? 水量分配

流域水資源配置在多次供需反饋并協(xié)調(diào)平衡的基礎(chǔ)上，一般進行二至三次水資源供需分析。一次供需分析是考慮人口的自然增長、經(jīng)濟的發(fā)展、城市化程度和人民生活水平的提高，按供水預(yù)測的“無新建水源工程的方案”，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，進行水資源供需分析。若一次供需分析有缺口，則在此基礎(chǔ)上進行二次供需分析，即新建水源工程進行水資源供需分析。若二次供需分析仍有較大缺口，應(yīng)考慮強化節(jié)水、污水處理再利用、挖潛配套以及合理提高水價、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、合理抑制需求和保護生態(tài)環(huán)境等措施，并進行三次供需分析。

河道外水資源供需平衡分析是以各項工程設(shè)施供水量與各項需水量（農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)、城鄉(xiāng)生活等）進行水量平衡分析。撫河流域水資源總量較為豐富，但年內(nèi)分布不均，枯水期供需水矛盾突出。隨著流域經(jīng)濟持續(xù)增長、人口不斷增加、城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進程加快，對水資源的需求將不斷增長，水資源開發(fā)利用與環(huán)境保護的矛盾將日益突出。在進行水資源供需配置時須遵循如下基本原則：全面節(jié)約、有效保護、合理開源，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用;推行節(jié)水減污政策，促進經(jīng)濟增長方式的轉(zhuǎn)變。

撫河流域2030年分水總量控制指標如下：

（1）50%頻率情況：34.73億m3～37.13億m3;

（2）75%頻率情況：39.28億m3～42.15億m3;

（3）95%頻率情況：39.72億m3。

政府余留可利用水資源量為機動水量，為應(yīng)對公共突發(fā)事件的應(yīng)急用水及調(diào)整初始水權(quán)的分配和規(guī)范水市場而合理保留的水量等。初步確定，政府余留可利用水資源量等于流域可供分配的水資源量減去用于分配的總量。2030年政府余留可利用水資源量指標如下，水量分配方案如表1所示：

（1）50%頻率情況：余留可利用水資源量為10.29～12.69億m3;

（2）75%頻率情況：余留可利用水資源量為3.95～6.82億m3;

（3）95%頻率情況：余留可利用水資源量為0。

3? 枯水期水量調(diào)度方案

3.1? 水量調(diào)度模型

調(diào)度目標：（1）基于三條紅線和流域控制取用水總量，通過大型水庫調(diào)度和斷面流量控制達到撫河流域各縣區(qū)用水限額不超過2030水平年所分配的水量;（2）合理配置撫河流域水資源，保障流域內(nèi)各區(qū)域公平用水權(quán)益;（3）同時兼顧地區(qū)間的用水公平以及水資源的健康、可持續(xù)發(fā)展要求。

調(diào)度范圍：（1）主要集中在廖坊水庫和洪門水庫之下河段，下游至撫河干流李家渡水文控制站;（2）廖坊水庫、洪門水庫之上和撫河其他支流主要依靠中、小型水庫和枯水時水量等比縮減來進行調(diào)度;（3）調(diào)度時段主要集中在每年的枯水期，即7月至次年3月份。汛期只統(tǒng)計各用戶需水量和耗水量，不實行控制。

調(diào)度原則：（1）各用水區(qū)實行用水總量控制。根據(jù)撫河流域水量分配方案，各縣區(qū)用水限額不超過2030年所分配水量;（2）水量調(diào)度主要考慮水量和水質(zhì)兩大控制因子，根據(jù)實測流量、降雨量、各用水區(qū)域用水量和水質(zhì)監(jiān)測情況，結(jié)合調(diào)度啟動條件進行綜合評判。當枯水期水量豐沛，河道外需水量與人河污水量較少時，在最小需水量中水量指標占比較大，將成為調(diào)度預(yù)警、啟動的主要條件;當枯水期來水較少，河道內(nèi)納污廢水較多時，水質(zhì)要素為調(diào)度預(yù)警和啟動的主要條件。

分區(qū)分級調(diào)度：當控制斷面來水量達到分級預(yù)警流量時，及時啟動不同等級的預(yù)警，并采取限污、節(jié)水、限水、水庫調(diào)水等措施。分區(qū)是指根據(jù)關(guān)鍵控制斷面、水庫所處地理空間位置，以就近原則來確定屬于分區(qū)。

鑒于流域蓄、引、提水利設(shè)施眾多，但調(diào)蓄能力較低，因此，在進行水量平衡計算時，只考慮洪門、廖坊兩座大型控制性水庫的水量調(diào)蓄作用，兩座水庫的基本情況及概化處理方法如下：

洪門水庫總庫容12.14億m3，調(diào)節(jié)庫容3.738億m3，正常蓄水位100.0m（相應(yīng)庫容5.418億m3），死水位92.0m（相應(yīng)庫容1.68億m3），防洪限制水位100.0m，屬不完全年調(diào)節(jié)水庫。廖坊水庫總庫容4.32億m3，調(diào)節(jié)庫容1.14億m3，正常蓄水位65.0m（相應(yīng)庫容2.0億m3），實際現(xiàn)階段蓄水位只能達到63.0m（相應(yīng)庫容1.4億m3），死水位61.0m（相應(yīng)庫容0.86億m3），防洪限制水位61.0m，屬不完全年調(diào)節(jié)水庫。

選擇水文年度為7月至次年3月份，水庫調(diào)節(jié)計算在滿足水庫防洪對汛限水位要求的前提下，根據(jù)上游來水、下游用水，進行水量平衡計算?？菟谒績?yōu)化分配是在將區(qū)域用水量總量在不同水平年下，在一定原則的基礎(chǔ)上合理分配給區(qū)域內(nèi)各行業(yè)。模型的建立遵循基本生活用水保障，基本生態(tài)用水保障，糧食安全保障，可持續(xù)發(fā)展，占用優(yōu)先、面積優(yōu)先、水源地優(yōu)先等基本原則。結(jié)合上述原則，以及經(jīng)濟發(fā)展目標、實際水資源量、供水能力等構(gòu)成模型的約束條件。

水量調(diào)度模型的以各分區(qū)供水缺額最小為目標，其優(yōu)化約束主要包括各縣區(qū)所需水量、水庫運行要求、用水總量以及各縣區(qū)分解控制約束等。

式中，為j時段的供水缺額;T為時段數(shù)。

3.2? 調(diào)度結(jié)果

根據(jù)年、月、旬降雨量和河道流量，采用產(chǎn)匯流模型計算各時段流域、控制區(qū)間可供水量，水資源配置結(jié)果，計算各時段、各斷面的水量余缺程度，然后根據(jù)缺水量，按照調(diào)度啟動條件進行水量調(diào)度。以50%，75%和95%來水頻率進行調(diào)度。根據(jù)撫河流域大型水庫洪門和廖坊水庫調(diào)度運行方式，對枯水期進行統(tǒng)籌考慮，在水庫運行規(guī)則下，通過優(yōu)化調(diào)度實現(xiàn)供需滿足，根據(jù)調(diào)度規(guī)則、調(diào)度時間和調(diào)度模型，對年水量調(diào)度方案進行編制。以下為頻率來水進行實例分析，根據(jù)頻率水量調(diào)度方案結(jié)果，各斷面預(yù)警等級均為正常。根據(jù)撫河流域大型水庫洪門和廖坊水庫調(diào)度運行方式，對枯水期統(tǒng)籌考慮，在水庫運行規(guī)則下，適當增加或削減水庫出庫流量，水庫調(diào)度后供需結(jié)果大于水庫調(diào)度前供需結(jié)果。對于廖坊水庫，調(diào)度前流量為計算下泄流量，調(diào)度后流量為運用模型后廖坊水庫的下泄流量。在50%，75%，95%的來水頻率下，各調(diào)度結(jié)果如表2-4所示。

4? 結(jié)語

2012年國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于實行最嚴格水資源管理制度的意見》，對我國水資源的合理高效使用提出指導方針和總體要求。可見，水量分配工作正是落實最嚴格水資源管理制度和高效合理用水要求的重要途徑。本文通過分析撫河流域水文特性和行業(yè)用戶需水特征，揭示行業(yè)用戶需水演變規(guī)律;研究水庫群聯(lián)合調(diào)控下流域水資源供需關(guān)系，制訂流域水量分配方案;建立撫河流域枯水期水量調(diào)度模型，并應(yīng)用于撫河流域枯水期水量調(diào)度實踐。研究成果可為流域水資源開發(fā)、利用與保護提供理論基礎(chǔ)，促進流域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

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Research on Water Resources Allocation and Regulation Plan of Fuhe River Basin

WU Jiang1? ?SHENG Wei rong2? ? CHEN Ji tian2? ?FENG Yu1

（1.Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan430010，China;

2. Hydrographic Bureau of Jiangxi Province，Nanchang330025，China）

Abstract：This paper puts forward a water allocation plan for the Fuhe River Basin by carrying out the research on the water resources allocation and dispatching plan of the Fuhe River Basin，constructs a water dispatching model during the dry season，and applies it to the practice of water dispatching during the dry season in the Fuhe River Basin. The development，utilization and protection of water resources provide a theoretical basis to promote sustainable social and economic development in the basin.

Keywords：Fuhe River Basin，water demand forecast，water distribution，water resources dispatch