沙潁河流域水資源配置思路與計算模型

田進(jìn)寬，郭佳航，左其亭,3，魏鈺潔，雪 剛

(1.河南省沙潁河流域管理局，河南 漯河 462000； 2.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.河南省水循環(huán)模擬與水環(huán)境保護(hù)國際聯(lián)合實驗室，河南 鄭州 450001)

我國水資源時空分布極不均衡，部分地區(qū)存在水資源短缺現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了社會發(fā)展規(guī)模[1]。合理配置水資源，實施水資源調(diào)度可以有效促進(jìn)水資源可持續(xù)利用，對于缺水地區(qū)，進(jìn)行流域水資源配置，制定水資源配置方案，可以提高水資源利用效率，有效緩解地區(qū)缺水狀態(tài)，提高地區(qū)發(fā)展水平[2]。

關(guān)于水資源優(yōu)化配置研究，都金康等[3]提出了水庫群洪水調(diào)度模型，分析下泄流量與控制斷面洪量關(guān)系，采用逐次優(yōu)化算法研究洪水調(diào)度問題；Read等[4]提出了基于經(jīng)濟(jì)學(xué)的權(quán)力指數(shù)分配法，對里海地區(qū)的水資源優(yōu)化調(diào)配問題進(jìn)行分析，得出不同的分配方案；郭玉雪等[5]基于多種算法求解典型來水條件下的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并提出湖泊群聯(lián)合優(yōu)化進(jìn)行水量分配；姬志軍等[6]提出了基于動態(tài)互饋模擬的半分布式水資源綜合模型，對水資源系統(tǒng)單元進(jìn)行動態(tài)互饋分析，并對水資源進(jìn)行配置；馬立亞等[7]針對漢江流域調(diào)度對象多、調(diào)度規(guī)則復(fù)雜的問題，建立了漢江流域引調(diào)水工程及水庫統(tǒng)一調(diào)度模型，將漢江流域概化為多個模塊組成的水資源系統(tǒng)，實現(xiàn)水資源調(diào)度配置目標(biāo)；吳云等[8]針對供水區(qū)發(fā)電、灌溉等問題，建立了水資源優(yōu)化配置模型，利用多目標(biāo)貓群算法研究供水區(qū)水資源分配的問題。雖然上述研究均對流域或水庫水資源進(jìn)行配置，但關(guān)于水資源配置的理論研究還不夠深入，相關(guān)研究較少。沙潁河是河南省糧食主產(chǎn)區(qū)重要的灌溉用水來源，同時兼顧幾個地市的生活用水[9]，但是沙潁河流域處于北溫帶向亞熱帶過渡區(qū)，屬大陸性氣候，流域內(nèi)降水時空差異性顯著，流域內(nèi)部分河道水庫存在水量盈余，而鄭州等地市存在用水量短缺問題。因此，亟須制定并實施水資源配置方案，以系統(tǒng)協(xié)調(diào)各地區(qū)之間的用水需求。

1 研究區(qū)概況

沙潁河流域位于北緯32°29′～34°57′、東經(jīng)111°56′～116°31′之間，流域面積39 075.3 km2[10]，流域近90%位于河南省，沙潁河流域河南段范圍包括鄭州市、開封市等9個省轄市和河南省直管縣級市汝州市，如圖1所示。沙潁河流域多年平均降雨量760 mm，年內(nèi)分配很不均勻，呈明顯的季節(jié)性，豐枯變化顯著[11]，汛期降水量約占全年的60%，旱澇災(zāi)害時有發(fā)生，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響[12]。沙潁河流域內(nèi)有北汝河、賈魯河、潁河、汾泉河等支流，多年平均地表水資源量為101.59億m3，多年平均用水量74.09億m3。沙潁河流域人類活動強(qiáng)烈，干流存在嚴(yán)重的水質(zhì)污染，造成水質(zhì)性缺水等問題[13]。

圖1 沙潁河流域概況

2 沙潁河流域水資源配置原則和流程

2.1 水資源配置原則

a.流域水資源配置要明確水資源總量不變，為流域水資源配置確定總體水量約束。沙潁河流域人類活動強(qiáng)度大，對水環(huán)境影響顯著，進(jìn)行水資源配置時要充分考慮流域和區(qū)域水資源承載能力，嚴(yán)格控制取用水總量，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

b.沙潁河流域水量受到氣候影響，每年流量大小不同，需根據(jù)來水豐枯調(diào)節(jié)水量。根據(jù)預(yù)報來水，按照同比例豐增枯減原則，制定水資源配置方案。在實時分配中，應(yīng)優(yōu)先考慮城鄉(xiāng)居民生活用水，其他用水應(yīng)根據(jù)沙潁河實際來水量按比例進(jìn)行調(diào)整。

c.水資源配置應(yīng)保證沙潁河流域生態(tài)安全，服從防洪原則。沙潁河流域降水年內(nèi)、年際變化大，出現(xiàn)季節(jié)性干旱和洪水，水資源配置要保障防洪安全，確保分配的水資源控制在水利設(shè)施的承受范圍之內(nèi)，嚴(yán)禁洪水破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)條件；水庫汛期水位不得高于防洪限制水位，汛期過后，逐步抬高蓄水水位，用于農(nóng)田灌溉等。

d.水資源分配以不損害河流生態(tài)環(huán)境為前提。在保障生態(tài)安全的前提下，進(jìn)行沙潁河流域水資源調(diào)度配置，緩解沙潁河流域水質(zhì)問題，努力提高水資源利用效率，實現(xiàn)水資源合理調(diào)配。

e.水資源配置要保障流域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，促進(jìn)全流域均衡發(fā)展。水資源配置要公平合理，兼顧上下游、左右岸的實際情況，充分考慮各行政區(qū)域工業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r、水資源條件和供用水現(xiàn)狀、發(fā)展水平等，從實際用水需求出發(fā)，最終實現(xiàn)水資源的合理配置。

2.2 水資源配置流程

a.基本資料收集整理。收集沙潁河流域社會經(jīng)濟(jì)、水文氣象、水資源開發(fā)利用、用水量控制目標(biāo)、主要水庫調(diào)度運(yùn)行方式、來水預(yù)報、大型水庫調(diào)蓄情況、各地市用水量等基礎(chǔ)資料，進(jìn)行準(zhǔn)確性、合理性分析。

b.主要控制斷面及水庫來水分析。為實現(xiàn)水資源合理配置，保證生態(tài)安全，統(tǒng)籌兼顧控制斷面上下游用水需求，根據(jù)水利工程及水文站分布情況，合理確定流域內(nèi)控制斷面，根據(jù)收集到的流域來水預(yù)報信息和控制斷面多年平均天然月徑流量過程，考慮上下游斷面關(guān)系，分析計算時段內(nèi)各區(qū)間月徑流過程。

c.各控制斷面缺水量計算。根據(jù)各地市沙潁河流域用水量，各用水行業(yè)用水消耗率，計算各地市用水消耗量，將其分解到相應(yīng)控制斷面區(qū)間。

d.水量分配模擬。根據(jù)時段內(nèi)來水量過程、用水量計劃等數(shù)據(jù)，遵循水庫調(diào)度和沙潁河流域水資源配置原則，利用軟件模擬水量調(diào)度配置過程。

e.水量配置方案制定。根據(jù)模擬水量配置結(jié)果，為各用水對象制定水量調(diào)度配置方案，分析水資源配置方案的有效性、合理性。

3 沙潁河流域水資源配置計算方法

本文利用MIKE BASIN軟件，依據(jù)沙潁河流域水資源配置原則，建立水資源配置模型，考慮取水優(yōu)先順序及河道生態(tài)流量等因素，對流域內(nèi)各種可利用水源按照取水優(yōu)先順序進(jìn)行用水戶水量分配研究，實現(xiàn)水資源合理分配。

MIKE BASIN軟件是對流域或區(qū)域不同時間尺度和空間尺度水資源進(jìn)行綜合分析與管理的工具，主要通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型解決產(chǎn)匯流計算、水資源供需分析、污染物評價分析等具體問題[14-15]。MIKE BASIN軟件包含對水庫優(yōu)化調(diào)度，以及對農(nóng)業(yè)灌溉、城市工業(yè)和生活用水進(jìn)行計劃調(diào)配等功能模塊，可以解決流域缺水地區(qū)以優(yōu)化方式在不同用水者之間進(jìn)行水資源配置等問題[16-17]。

水資源配置模型主要包括河網(wǎng)、集水區(qū)域、供水戶、用水戶和水庫等要素，通過MIKE BASIN軟件的內(nèi)置操作將各個要素聯(lián)系起來[18]。構(gòu)建水資源配置模型包括數(shù)字流域處理、計算區(qū)域劃分、水庫模擬、用水戶計算和供水計算[16，19]等步驟，各計算分區(qū)間的水資源量按河段進(jìn)行上下游傳遞，在模型中通過河道將各分區(qū)進(jìn)行連接。具體步驟如下：

步驟1數(shù)字流域構(gòu)建。根據(jù)數(shù)字高程模型、河流要素、水文氣象觀測資料以及土地利用分類等數(shù)據(jù)建立沙潁河流域河網(wǎng)模型。

步驟2劃分計算區(qū)域。利用MIKE BASIN軟件的兩個功能——“河流追蹤”與“流域描述”進(jìn)行分區(qū)計算，將沙潁河流域河南段劃分成9個計算分區(qū)，計算區(qū)域共構(gòu)建10個用水戶、5個水庫。

步驟3水庫模擬。對水庫屬性參數(shù)資料進(jìn)行統(tǒng)計，對各個水庫進(jìn)行運(yùn)行規(guī)則的模擬分析，模擬水庫運(yùn)行。

步驟4設(shè)立水資源配置模型運(yùn)行規(guī)則。沙潁河流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水量大，因此，本文所構(gòu)建的模型用水戶分為農(nóng)業(yè)用水類型和其他用水類型。模型基于月尺度劃分計算時段，遵循“就近配置”的原則，優(yōu)先配置給居民生活用水，其次配置給煤電等重要工業(yè)，最后配置給農(nóng)業(yè)。

步驟5設(shè)置用水戶的需水量。直接從河道取水以及由水庫供水是沙潁河流域的主要供水方式，因此，在建立的水資源配置模型中把河道設(shè)定為直接取水點，在取水點和用水戶之間建立供需水關(guān)系時間序列。用水時間序列即為單位時間段內(nèi)用水戶的需水量，供水時間序列即為單位時間段內(nèi)水庫及河道內(nèi)可供給用水戶的水量。

步驟6水資源配置模型構(gòu)建。根據(jù)供水節(jié)點和用水節(jié)點之間的供需關(guān)系，構(gòu)建適用于水資源配置的網(wǎng)絡(luò)圖，并構(gòu)建沙潁河流域河南段的水資源配置模型，見圖2。

圖2 沙潁河流域河南段水資源配置概化圖

4 結(jié)果與分析

根據(jù)沙潁河流域水資源配置流程，本文以2015—2016年為例對水資源配置模型進(jìn)行驗證，2015—2016年流域相關(guān)數(shù)據(jù)齊全，且流域降水量為743 mm，與多年平均降水量相近，具有良好的代表性。主要數(shù)據(jù)涉及沙潁河流域各地市供水量、用水量、降水量、水庫庫容等。供水量、用水量數(shù)據(jù)來源于《河南省水資源公報》。流域降水量、各水庫庫容等數(shù)據(jù)來自政府網(wǎng)站和沙潁河流域管理局資料。

4.1 來水量分析

本文使用單因素法[20]預(yù)報沙潁河流域的來水過程。收集2015年11月至2016年10月沙潁河各水文站、降雨站觀測資料，根據(jù)沙潁河實際降雨和徑流過程分析其變化趨勢，推算2015年11月至2016年10月各控制斷面的來水趨勢，預(yù)測沙潁河流域的來水過程。2015年11月至2016年10月逐月天然徑流量過程見表1，其中，白龜山水庫—周口斷面的徑流量為白龜山水庫到周口斷面、孤石灘水庫到周口斷面和燕山水庫到周口斷面的徑流量之和；燕山水庫—何口斷面的徑流量為孤石灘水庫到何口斷面和燕山水庫到何口斷面的徑流量之和?？梢姡鲄^(qū)間在汛期7—10月徑流量較多，占比達(dá)到全年的60%以上，其中，白沙水庫—周口斷面年徑流量最大，燕山水庫—何口斷面來水最少。

表1 2015年11月至2016年10月各區(qū)間天然徑流量 單位:萬m3

4.2 用水量統(tǒng)計

水資源配置方案考慮的水庫一般有供水對象和可進(jìn)行調(diào)度的大中型水庫。沙潁河流域現(xiàn)有大型調(diào)蓄水庫5座，分別為白沙水庫、昭平臺水庫、白龜山水庫、孤石灘水庫和燕山水庫，供水行政區(qū)為鄭州市等9個地市及省直管市汝州市。5座大型水庫中，孤石灘水庫由于來水量偏少，2015年11月至2016年5月基本沒有放水灌溉，2016年6—10月計劃用水量也為0；燕山水庫由于運(yùn)行時間較短、供水配套工程設(shè)施不到位，且近幾年來水偏少，暫時沒有供水用戶；白龜山、白沙及昭平臺水庫有供水用戶，因此，本文僅考慮這3座水庫參與水資源調(diào)度。根據(jù)水庫多年平均興利調(diào)度計劃得到的2015年11月至2016年5月各水庫調(diào)度水量及流域內(nèi)各地市的計劃用水量詳見表2。

表2 2015年11月至2016年10月各地市計劃用水量和各水庫調(diào)度水量 單位：萬m3

4.3 各控制斷面缺水量計算

按照《水資源規(guī)劃規(guī)范》，綜合考慮干支流、上下游控制斷面之間的平衡關(guān)系，賈魯河、潁河上游的控制斷面最小生態(tài)下泄水量按多年平均天然徑流量的6%計算，北汝河、沙河、澧河的控制斷面最小生態(tài)下泄水量按多年平均天然徑流量的5.5%計算，將各地市計劃用水量分配到斷面區(qū)間上，得出各控制斷面區(qū)間缺水情況。在保證河道生態(tài)流量的前提下，模擬各斷面可供水量，發(fā)現(xiàn)旱季11月至次年5月部分?jǐn)嗝鎱^(qū)間出現(xiàn)缺水情況；在滿足各城市用水和河道生態(tài)流量要求下，汛期會有大量的水量盈余。各斷面區(qū)間全年情況見表3，中牟斷面以上區(qū)域?qū)?yīng)的供水區(qū)域為鄭州市部分地區(qū)，2015年11月至2016年10月中牟斷面以上河段下泄水量大于最小生態(tài)下泄水量，在控制斷面最小生態(tài)流量保證率為100%時，其對應(yīng)的供水區(qū)域不存在缺水情況。其余斷面區(qū)間在控制斷面最小生態(tài)流量保證率為100%時，供水能力有限，其對應(yīng)的供水地區(qū)存在缺水情況。

4.4 配置方案計算

根據(jù)控制斷面來水量過程、下泄水量、水庫調(diào)蓄情況和各用水對象用水量，利用水資源配置模型制定水量分配計劃。2015年11月至2016年5月在保證河道生態(tài)流量的同時，可以從潁河向鄭州市調(diào)水，從賈魯河向開封、許昌市區(qū)調(diào)水；2015年11月至2016年5月平頂山市從昭平臺水庫引水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，2016年2—4月從白龜山水庫調(diào)水；2015年11月至2016年4月駐馬店市從汾泉河引水、周口市從沙潁河引水。從潁河、賈魯河、昭平臺水庫、白龜山水庫、汾泉河、沙潁河等河道和水庫的引水量分別為3 544萬m3、3 544萬m3、201萬m3、106萬m3、3 576萬m3和3 576萬m3。進(jìn)行水資源配置后區(qū)間缺水情況見表3，各區(qū)間缺水情況反映至各地市后，缺水量見表4。

表3 水資源配置前后各區(qū)間缺水量和下泄水量 單位:萬m3

表4 水資源配置后各城市缺水量 單位:萬m3

4.5 合理性分析

本文依據(jù)沙潁河流域水資源配置原則和流程進(jìn)行水資源配置，實現(xiàn)優(yōu)水優(yōu)用，以有限的水資源來保證居民生活和生產(chǎn)用水。沙潁河流域進(jìn)行水資源配置后，流域整體缺水量減少，缺水量由34 306萬m3減少為19 759萬m3，水資源短缺情況得到有效緩解；部分控制斷面缺水情況得到控制，其中，中牟斷面—周口斷面缺水量減小至0，白沙水庫—周口斷面、大陳斷面以上、漯河斷面—槐店斷面、沈丘斷面以上等4個斷面區(qū)間缺水量減少。反映到各個地市中，開封市由缺水狀態(tài)改善為正常用水狀態(tài)，漯河、南陽等城市生活用水得到保證，但是沙潁河流域水資源整體仍處于缺乏狀態(tài)，水資源配置后，只能夠保證開封和洛陽市日常用水，其余地市仍存在少量缺水情況。未來需要采取因地制宜的節(jié)水策略，提高農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉比例，加強(qiáng)工業(yè)和生活節(jié)水，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級，從根本上減少水量消耗。

5 結(jié) 語

通過分析沙潁河流域?qū)嶋H情況，提出了沙潁河流域水資源配置原則和流程，并以此為依據(jù)，利用MIKE BASIN軟件設(shè)立分水規(guī)則，建立水資源配置模型。選取2015年11月至2016年10月數(shù)據(jù)進(jìn)行水資源配置研究，得出的水資源配置方案，可使大部分地市日常生活用水得到保證，表明本文提出的水資源配置思路可以指導(dǎo)沙潁河流域水資源配置，未來可以通過實地調(diào)研等方式獲取供水線路等詳細(xì)資料，同時考慮枯水年份等情況，對沙潁河流域水資源配置過程進(jìn)行更好地模擬。