基于水資源供需均衡目標模型下東興水功能區(qū)水資源配置研究

周子杰

(廣東經(jīng)緯工程咨詢設(shè)計有限公司，廣州 510091)

1 概述

水資源的優(yōu)化配置乃是對水資源高效利用的重要保障，提升水資源配置水平有利于優(yōu)化地區(qū)水量供需關(guān)系[1-2]，降低用水矛盾，因而基于理論模型研究水資源優(yōu)化配置具有重要意義[3-4]。張帆等[5]、王一杰等[6]利用多目標函數(shù)模型，研究了地區(qū)水資源供需現(xiàn)狀，分析水資源優(yōu)化配置結(jié)果，為地區(qū)規(guī)劃年水資源配置設(shè)計提供了參考。但不可忽視，地區(qū)供水與用水具有顯著差異性，確保水資源配置模型能夠完全適用是不現(xiàn)實的，故劉美鈺等[7]、吳國新等[8]、馮淑琳等[9]利用各種智能算法解決水資源配置模型，以求規(guī)劃年水資源供需平衡。解決水資源供需平衡問題，不僅僅需要考慮算法問題，同樣需要考慮模型目標的全面性與均衡性[10-11]，涉及水資源目標函數(shù)模型的相關(guān)成果在某些地區(qū)適用性較好，但僅針對部分地區(qū)，有些地區(qū)還需考慮水資源供需時空分布特征，所以開展耦合供需均衡目標的水資源配置研究很有作用。本文根據(jù)東興水功能區(qū)水資源供需現(xiàn)狀，對規(guī)劃年水資源供需量進行了預(yù)測分析，并結(jié)合水資源供需均衡函數(shù)模型開展規(guī)劃年水資源配置優(yōu)化研究，為水資源規(guī)劃設(shè)計提供參考。

2 水功能區(qū)現(xiàn)狀概況

2.1 工程概況

東興水功能區(qū)乃是整個東興地區(qū)重要集水、供水來源，核心區(qū)域位于馬路鎮(zhèn)，該區(qū)域內(nèi)包括有老大塘水庫、新大塘水庫、峽下水庫、飛神水庫、坳背塘水庫、黃宗塘水庫、石角水庫，屬于Ⅱ、Ⅲ類水功能區(qū)。其中最大庫容為飛神水庫，位于東興水功能區(qū)南側(cè)，設(shè)計總庫容為255萬m3，蓄水大壩最高為22.45 m，設(shè)計調(diào)洪庫容為67萬m3，承擔著東興地區(qū)工、農(nóng)業(yè)用水，惠及農(nóng)田超過3.33萬hm2。其次庫容最大為峽下水庫，壩高為17.73 m，位于飛神水庫南側(cè)，設(shè)計庫容為42萬m3，死水庫容為15.5萬m3，主要面向下游生活用水、農(nóng)業(yè)灌溉。水功能區(qū)中地表水庫最小庫容為黃宗塘水庫，設(shè)計庫容為15.69萬m3，可增庫容為9.5萬m3，是東興中西部地區(qū)農(nóng)村生活用水、農(nóng)業(yè)用水重要源頭。該水功能區(qū)內(nèi)地表水資源豐富，在西北側(cè)分布有山溪水流，可作為補充式供水來源，地區(qū)內(nèi)地表總集水面積超過19.77 km2，徑流流域?qū)儆跍褰?，包括補充式山塘、山溪等水源203處。東興水功能區(qū)面積超過120 km2，陸域面積為82 km2，年降水量為1 500 mm，在來水保證率50%、90%下年降水量分別為1 450 mm、1 080 mm，流域內(nèi)河流以滃江為主水系，分散有多個支流水系，與地下水資源和地表蓄水庫等共同構(gòu)成了東興水功能區(qū)供水來源。為提升東興水功能區(qū)攻供給能力，并控制用水總量紅線與地下采水控制線，提升水功能區(qū)水資源供、需平衡。

2.2 水資源供需現(xiàn)狀

根據(jù)對東興水功能區(qū)現(xiàn)狀調(diào)查，需水項目主要分為生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)及補充用水，而農(nóng)業(yè)用水是水功能區(qū)面向的重要供給項目，本文現(xiàn)狀年專指2020年。農(nóng)業(yè)用水規(guī)劃灌溉面積為445.61 hm2，主要農(nóng)作物包括水稻與甘蔗，水稻灌溉保證率為85%～95%，項目總灌溉保證率為90%，灌溉凈定額為579 m3/畝，其他作物的灌溉定額參考甘蔗灌溉定額，為520 m3/畝，項目區(qū)水稻現(xiàn)狀年各月凈灌水量平均值變化特征如圖1所示。經(jīng)綜合計算，現(xiàn)狀水資源利用系數(shù)設(shè)定為0.56，即總年農(nóng)業(yè)需水量為662.82萬m3。

生活用水根據(jù)項目區(qū)人口與用水定額估計，年需水量約為355萬m3，此參數(shù)是在來水保證率75%時生活需水量。由于項目區(qū)內(nèi)限制工業(yè)規(guī)模，控制點源、面源造成的水質(zhì)污染，因而工業(yè)需水量較小，調(diào)查得知現(xiàn)狀年各月工業(yè)用水如圖2所示。從圖2中可知，工業(yè)用水整體在各月均較平均，年各月工業(yè)需水量平均值為5.48萬m3，總需水量為65.7萬m3。補充用水主要面向地區(qū)水功能區(qū)生態(tài)補水，項目區(qū)管理機構(gòu)設(shè)定每年6—8月為該水功能區(qū)內(nèi)河流、地表蓄水庫等水利工程的補水區(qū)間，設(shè)定年需補水量約為255萬m3。

圖2 現(xiàn)狀年各月工業(yè)用水示意

根據(jù)對水功能區(qū)各水利工程及地下水資源情況調(diào)查，年地表水可供水量為597萬m3，而地下水資源根據(jù)紅線控制原則，年可開采量為320萬m3，其他供水來源包括有循環(huán)用水等方面，每年約為225萬m3。根據(jù)現(xiàn)狀年供水調(diào)查，近10 a地表水供應(yīng)量為遞增態(tài)勢(如圖3所示)，其中現(xiàn)狀2020年地表水供應(yīng)量超過550萬m3，平均每年地表供水總量增長5.3%，地表水占總供應(yīng)量的比例逐年上升，在現(xiàn)狀年2020年已達到85%。地下水供應(yīng)量逐年遞減，此為逐步適應(yīng)地下水開采紅線，有目的性減少地下水供應(yīng)量，現(xiàn)狀年的地下水開采量在2018—2020年均較穩(wěn)定，為320～330萬m3。

圖3 近10 a地表水供應(yīng)量示意

為分析方便，本文將項目區(qū)按照間距與人口分布劃分出S1～S8共8個需水區(qū)(如圖4所示)。從現(xiàn)狀年水資源供、需關(guān)系可知，水資源失衡較為嚴重，特別在項目區(qū)S8區(qū)域中農(nóng)業(yè)缺水率超過7.5%，而其根源一部分因為水利設(shè)施的運營效率，另一原因則是水資源配比失衡。故針對項目區(qū)的水資源供、需現(xiàn)狀，分別開展規(guī)劃年水資源的供需預(yù)測分析，并引入水資源時空分布均衡理論模型，探討對規(guī)劃年水資源供、需關(guān)系分析研究。

圖4 項目區(qū)8個需水區(qū)示意

3 規(guī)劃年水資源供需預(yù)測分析

3.1 需水量預(yù)測分析

根據(jù)規(guī)劃年需水項目，對東興水功能區(qū)8個分區(qū)的4個用水部門開展預(yù)測分析，生活需水量按照人均定額進行計算：

(1)

式中:

R1、R2——各分區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)與農(nóng)村人口；

q1、q2——相應(yīng)的用水定額。

以定額計算獲得規(guī)劃年中8個分區(qū)生活需水量如圖5a所示。從圖5a中可知，兩個規(guī)劃年中需水量以S7分區(qū)為最高，對應(yīng)該地區(qū)人口量最多，規(guī)劃年2025年、2030年需水量在該分區(qū)分別達73萬m3、81萬m3；而需水量較低的地區(qū)為S4，分別達為21萬m3、30萬m3，相比S7分區(qū)需水量，差幅可達71.2%、63%；由此可知，基于人口用水定額計算的需水量差異很大程度還是人口量差距，項目區(qū)預(yù)測規(guī)劃年2025年、2030年生活需水總量為360萬m3、411萬m3。

a 2025年

a 生活

農(nóng)業(yè)需水作為地區(qū)最重要項目，針對不同來水保證率下預(yù)測計算獲得各分區(qū)農(nóng)業(yè)需水量(如圖5b所示)。從圖5b中可知，兩規(guī)劃年在保證率50%下農(nóng)業(yè)需水總量分別為636.2萬m3、605.8萬m3，而保證率90%時需水總量較前者分別降低了23.7%、23.4%；各分區(qū)中農(nóng)業(yè)需水量較均勻，差幅較小，在規(guī)劃年2025年保證率50%下，最大、最小需水量分區(qū)分別為85萬m3、75.5萬m3，差幅為11.2%；同樣在規(guī)劃年2030年中各分區(qū)農(nóng)業(yè)需水量差距較小，最大差幅僅為10.7%。分析表明，項目區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)需水量均勻分布，與農(nóng)田灌溉、水利工程分布位置密切相關(guān)。

工業(yè)用水與生態(tài)補水在兩規(guī)劃年中分布如圖5c所示，兩個用水項目在年總需水量中占比較小，規(guī)劃年2025年兩項目的需水總量分別為71.5萬m3、287.6萬m3，而規(guī)劃年2030年較前者分別增幅為46.4%、17.7%。綜合保證率50%、90%下各部分需水項目預(yù)測分析可知，規(guī)劃年2025年在兩保證率下的需水總量分別為1 355.1萬m3、1 505.96萬m3；同理，規(guī)劃年2030年的需水總量分別為1 460.11萬m3、1 603.1萬m3。

3.2 供水量預(yù)測分析

針對東興水功能區(qū)供水項目劃分成地表、地下、循環(huán)水及調(diào)度補水4部分供水項目，其中地表供水項目分成蓄水工程、引水工程及灌渠水資源，基于現(xiàn)狀年水利工程及擬建水工設(shè)施，預(yù)測獲得規(guī)劃年2025、2030年水資源供應(yīng)量如圖6所示。

從圖6中可知，地表水供應(yīng)量占比為最大，在來水保證率50%下2025年中地表供水量達1 066.9萬m3，而該規(guī)劃年中地下可供水量為120.3萬m3，占規(guī)劃年中9.7%；在規(guī)劃年2030年相同保證率下地表可供水量增長了14.2%，達1 216.32萬m3。調(diào)度補水量在供水總量中占比較低，在規(guī)劃年2025、2030年下分別為32.5萬m3、42.9萬m3，而循環(huán)水供水量在4部分供水項目中為最低，規(guī)劃年中該部分供水總量均為 25.6萬m3。

綜合計算獲得規(guī)劃年2025、2030年供水總量(如表1所示)。在規(guī)劃年2025年保證率50%、90%下供水總量分別為1 245.3萬m3、1 152.85萬m3，而規(guī)劃年2030年兩保證率下供水總量較之增長了13.1%、6.9%，分別可達1 408.66萬m3、1 231.95萬m3。對比規(guī)劃年水資源供、需量可知，存在水資源失衡矛盾，應(yīng)對規(guī)劃年水資源配置開展優(yōu)化探討。

表1 規(guī)劃年供水總量 萬m3

4 規(guī)劃年水資源配置優(yōu)化分析

4.1 模型建立

本文在考慮社會效益目標、經(jīng)濟目標、生態(tài)目標基礎(chǔ)上，耦合有水資源供需時空分布均衡目標，根據(jù)上述多目標構(gòu)建水資源配置模型[12-13]，進而探討規(guī)劃年水資源最優(yōu)配置。

社會目標考慮供水項目缺水率，其函數(shù)模型如下：

(2)

式中:

Mjk、Zijk——規(guī)劃年某項目用水部門的需水量、供水源向該項目能夠供應(yīng)的水量；

I、J、K——供水來源、用水項目、用水量。

經(jīng)濟目標考慮用水項目的最大經(jīng)濟效益，計算函數(shù)模型如下：

(3)

式中:

λijk——供水來源i向j項目的的k部門供水經(jīng)濟系數(shù)；

ai——供水優(yōu)先順序。

a 2025年

a 2025年

生態(tài)環(huán)境目標以水功能區(qū)總化學污染物分布含量作為評價參數(shù)，其關(guān)系式如下：

(4)

式中:

水資源供需時空均衡效應(yīng)目標如下：

(5)

式中:

εj——權(quán)重；

LJ——評價指標；

DJ——均衡系數(shù)；

Ij——均衡發(fā)展指標。

綜合四目標的水資源配置模型具有約束條件，其約束條件分別如下：

1) 供水量約束。水資源模型中具有最大供水量限制條件：

(6)

式中:

Mi——總供水量。

2) 需水量約束。各用水項目需水量未超過最大需水量，如下式：

(7)

式中:

Mk——總需水量。

3) 水資源總量約束。水資源總量乃是地區(qū)水資源量最高限制條件：

(8)

式中:

N總——用水總量上限。

4) 所有參數(shù)變量不為負。

4.2 模型求解結(jié)果分析

利用MATLAB平臺結(jié)合粒子群算法迭代求解[14-15]，最大迭代次數(shù)設(shè)定為300次，維數(shù)為4，計算水資源配置結(jié)果(如圖7、圖8所示)，計算結(jié)果可靠性與適配性均較高。

從考慮水資源供需均衡目標的模型配置結(jié)果可知，各用水項目基本實現(xiàn)供需平衡，規(guī)劃年2025年保證率50%下可供水量、需水總量配置結(jié)果分別為1 416.4萬m3、1 380萬m3，具有富裕供水量；而保證率90%下供、 需水總量具有差額15.2萬m3，缺水率為0.99%，而該缺水項目即為農(nóng)業(yè)項目。規(guī)劃年2030年中缺水率有所增大，在保證率90%中缺水額達3.1%，仍為農(nóng)業(yè)用水項目，該保證率下供、需水總量分別為1 578.13萬m3、1 629.2萬m3；而在保證率50%下水資源供需仍為平衡狀態(tài)，供需量均為1 488.83萬m3。水資源配置優(yōu)化結(jié)果表明，在考慮水資源時空供需均衡性后，項目區(qū)水資源配置結(jié)果顯著優(yōu)于規(guī)劃年預(yù)測結(jié)果，兩規(guī)劃年中最大缺水率低于5%，用水安全性較高[16-17]。

5 結(jié)語

1) 預(yù)測規(guī)劃年2025年在兩保證率下需水總量分別為1 355.1萬m3、1 505.96萬m3，2030年需水總量分別為1 460.11萬m3、1 603.1萬m3；各分區(qū)中農(nóng)業(yè)需水量較均勻，最差幅較?。灰?guī)劃年2025年中工業(yè)用水與生態(tài)補水需量分別為71.5萬m3、287.6萬m3。

2) 預(yù)測規(guī)劃年2025年保證率50%、90%下供水總量分別為1 245.3萬m3、1 152.85萬m3，規(guī)劃年2030年相比之增長了13.1%、6.9%；地表供水占比最大，保證率50%下2025年、2030年地表供水量分別為1 066.9萬m3、1 216.32萬m3，循環(huán)水供水量占比最低，在兩規(guī)劃年中均為25.6萬m3。

3) 經(jīng)水資源配置模型計算規(guī)劃年2025年保證率50%下可供水量、需水總量配置結(jié)果分別為1 416.4萬m3、1 380萬m3，保證率90%下農(nóng)業(yè)用水具有缺水額，缺水率為0.99%；規(guī)劃年2030年保證率50%下水資源供需平衡，水資源量均為1 488.83萬m3，保證率90%下農(nóng)業(yè)用水缺水率增大至3.1%。

4) 耦合水資源供需時空分布均衡目標建立的水資源配置模型適配結(jié)果可靠性高，模型配置水資源供需較合理，規(guī)劃年高保證率下缺水率較低。