應(yīng)急備用水源聯(lián)合調(diào)度方案分析
——以黃巖區(qū)應(yīng)急備用水源聯(lián)調(diào)為例

張辰旸，童 旭，李子遠(yuǎn)

（浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017）

1 問(wèn)題的提出

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水資源短缺問(wèn)題越來(lái)越突出，水資源在時(shí)間和空間分布不均的情況嚴(yán)重制約其利用效率，一般解決降雨時(shí)空不均的手段是通過(guò)興建水庫(kù)等工程蓄水，進(jìn)而開(kāi)展科學(xué)調(diào)度。近年來(lái)，隨著水資源日益短缺和突發(fā)性水污染事故頻發(fā)，國(guó)內(nèi)各城市都在抓緊尋找或建設(shè)應(yīng)急備用水源[1]，如何合理利用應(yīng)急備用水源以保障城市用水安全是城市穩(wěn)定和發(fā)展面臨的新課題。

配置城市應(yīng)急備用水源是城市抵御突發(fā)性污染事件、應(yīng)對(duì)干旱等極端天氣最有效的措施，是城市供水保障體系降低供水風(fēng)險(xiǎn)、保障特殊時(shí)期供水安全的最主要手段，是城市水資源保障能力的韌性體現(xiàn)。目前我國(guó)對(duì)應(yīng)急備用水源的研究尚處于起步階段，如何利用現(xiàn)有水庫(kù)進(jìn)行科學(xué)聯(lián)網(wǎng)調(diào)度以達(dá)到合理分配水資源，仍需要進(jìn)一步探討。分析現(xiàn)階段我國(guó)城市應(yīng)急備用水源，發(fā)現(xiàn)目前應(yīng)急備用水分類(lèi)以及水量計(jì)算分析的基本依據(jù)是傳統(tǒng)用途，分為生活用水、工業(yè)用水、灌溉用水和生態(tài)環(huán)境用水。本文對(duì)應(yīng)急備用水源提出新的用水分類(lèi)方式，為應(yīng)急備用水源方案的用水量計(jì)算以及后期的調(diào)度模式提供參考途徑。

2 用水分類(lèi)

應(yīng)急備用水庫(kù)用水可分為區(qū)內(nèi)用水（現(xiàn)有供水區(qū)）和區(qū)外用水（向水廠供水）。其中，區(qū)內(nèi)用水包括灌溉用水、生態(tài)環(huán)境用水、生活用水等；區(qū)外用水根據(jù)用水特征可分為應(yīng)急用水、備用水和補(bǔ)充用水。

2.1 應(yīng)急用水

通常在確定應(yīng)急水源規(guī)模時(shí)，一方面要考慮到供水風(fēng)險(xiǎn)的持續(xù)時(shí)間。應(yīng)根據(jù)不同城市的水源特點(diǎn)及面臨的不同水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)類(lèi)型，選擇持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段作為確定應(yīng)急水量所需要的風(fēng)險(xiǎn)持續(xù)時(shí)間。另一方面需考慮日供水量。由于城市規(guī)模、性質(zhì)不同造成用水特征不同，優(yōu)先保證的供水區(qū)域及行業(yè)也會(huì)有所差別，供水量可壓縮潛力的差距較大，這些都會(huì)影響城市供水應(yīng)急水源規(guī)模的確定。當(dāng)應(yīng)急水源規(guī)模受客觀條件所限時(shí)，應(yīng)急供水應(yīng)首先滿足城市居民的基本生活用水需求，其次為重大生命線工程和重要基礎(chǔ)設(shè)施的用水需求，包括醫(yī)院、電力、通信、消防、供熱供氣、黨政機(jī)關(guān)、公用公共服務(wù)等，以及其他特殊用水，如重點(diǎn)企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)用水。

對(duì)于單一供水水源城市，應(yīng)急水量按下式確定[3]：

式（1）中：Q為應(yīng)急水量，m3；q為城市平均日用水量，m3/d；k為風(fēng)險(xiǎn)期用水壓縮比例，%；t為持續(xù)時(shí)間，d。

2.2 備用水

備用水是針對(duì)水廠供水出現(xiàn)階段性、突發(fā)性的用水增加，常規(guī)水源供應(yīng)緊張而需要提供的其他可用水源，以提高城市供水保證率。其特點(diǎn)為：一是階段性或突發(fā)性，如每年7—8月份出現(xiàn)用水高峰，或由于某種原因?qū)е露唐谟盟蝗辉黾?；二是根?jù)本地供水系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)合理設(shè)定備用目標(biāo)作為有限備用；三是在備用水源水量充足時(shí)，可反復(fù)使用備用功能。

2.3 補(bǔ)充用水

補(bǔ)充用水是水庫(kù)在滿足本區(qū)用水、確保應(yīng)急備用水的前提下能向區(qū)外提供的水量。這部分水量不需要供水保證率，這樣既能充分利用水庫(kù)的水資源，又能在一定程度上改善水廠供水緊張的狀況。

2.4 水庫(kù)現(xiàn)有供水區(qū)用水

水庫(kù)現(xiàn)有供水區(qū)用水主要包括生活用水、灌溉用水、生態(tài)環(huán)境用水、工業(yè)用水等，可運(yùn)用傳統(tǒng)需水量計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

3 項(xiàng)目分析

為解決城市供水安全問(wèn)題，臺(tái)州市黃巖區(qū)決定設(shè)立黃巖區(qū)城市應(yīng)急備用水源工程。佛嶺水庫(kù)、西溪水庫(kù)作為黃巖區(qū)城市應(yīng)急備用水源工程的水源后，現(xiàn)有調(diào)度運(yùn)行方式將發(fā)生較大改變；因此，為使2個(gè)水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行符合現(xiàn)狀，需重新思考合理、可行且較為科學(xué)的調(diào)度方式，既能滿足水庫(kù)用水各方的基本需求，確保應(yīng)急備用水源滿足黃巖區(qū)城市用水需求，又可充分利用水庫(kù)水資源，實(shí)現(xiàn)水廠、水庫(kù)效益最大化。

3.1 項(xiàng)目概況

3.1.1 水庫(kù)概況

佛嶺水庫(kù)位于臺(tái)州市黃巖區(qū)沙埠鎮(zhèn)，地處西江水系南岙溪上游，壩址位于南朱村，距沙埠鎮(zhèn)約3 km，距黃巖區(qū)政府所在地約17 km，是一座以防洪為主，結(jié)合灌溉發(fā)電的中型水庫(kù)。西溪水庫(kù)位于黃巖區(qū)院橋鎮(zhèn)西溪村，距院橋集鎮(zhèn)約6 km，是一座以防洪灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)魚(yú)等綜合利用的?。ㄒ唬┬退畮?kù)。水庫(kù)位置示意見(jiàn)圖1，水庫(kù)信息見(jiàn)表1。

圖1 西溪水庫(kù)與佛嶺水庫(kù)位置示意圖

表1 西溪水庫(kù)與佛嶺水庫(kù)信息表

3.1.2 黃巖區(qū)城市供水現(xiàn)狀

黃巖區(qū)城市區(qū)域目前的供水設(shè)施有黃巖水廠、西城水廠、江口水廠、院橋水廠和臺(tái)州市一、二期供水工程的輸水設(shè)施，黃巖城區(qū)供水主要由黃巖水廠承擔(dān)。

3.2 用水分類(lèi)計(jì)算

3.2.1 應(yīng)急用水

根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]，綜合考慮多方因素，黃巖區(qū)城市應(yīng)急備用水源工程按日用水20.0萬(wàn)m3取水規(guī)模設(shè)計(jì)。根據(jù)往年供水風(fēng)險(xiǎn)分析，黃巖區(qū)城市供水風(fēng)險(xiǎn)主要由供水管線損壞需要維修導(dǎo)致，參考近幾年的實(shí)際維修天數(shù)并考慮計(jì)算富裕度，取維修日15 d，則應(yīng)急水量為300.0萬(wàn)m3。

3.2.2 備用水

考慮佛嶺、西溪兩水庫(kù)有一定的調(diào)節(jié)能力和水量，可設(shè)定一個(gè)合適的備用水量，主要針對(duì)突發(fā)性用水和調(diào)節(jié)高峰用水。分析黃巖水廠近3 a的運(yùn)行記錄，日用水最大值的日均偏離值為3.0萬(wàn)m3，小時(shí)供水強(qiáng)度偏離更大。本次擬按日用水規(guī)模20.0萬(wàn)m3的25%考慮為5.0萬(wàn)m3[6]，調(diào)節(jié)時(shí)間取2個(gè)月計(jì)60 d，參考應(yīng)急用水計(jì)算公式，則備用水量為300.0萬(wàn)m3。

3.2.3 補(bǔ)充用水

參考補(bǔ)充用水定義，本項(xiàng)目的補(bǔ)充用水量不另行計(jì)算。

3.2.4 水庫(kù)現(xiàn)有供水區(qū)用水

佛嶺、西溪兩水庫(kù)主要提供灌溉和生態(tài)環(huán)境用水，其中佛嶺水庫(kù)還提供少量農(nóng)村生活用水。目前兩水庫(kù)發(fā)電均結(jié)合灌溉用水、生態(tài)環(huán)境用水及棄水。

根據(jù)當(dāng)?shù)厥占馁Y料，佛嶺水庫(kù)灌溉面積約366.7 hm2，西溪水庫(kù)灌溉面積為106.0 hm2。灌溉用水采取定額法計(jì)算，為確保水庫(kù)灌區(qū)的可能最大灌溉用水需求，本次水量平衡計(jì)算灌溉面積均以水田計(jì)，并按雙季稻計(jì)算。灌溉保證率按90%考慮，并按用水定額進(jìn)行節(jié)水控制。根據(jù)《臺(tái)州市用水定額》（臺(tái)水利 2017 74號(hào)），兩水庫(kù)灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)屬I(mǎi)II區(qū)，薄露灌溉方式下，90%保證率的早稻用水定額3 075.0 m3/ hm2，晚稻用水定額3 450.0 m3/ hm2，合計(jì)用水定額6 525.0 m3/ hm2，考慮到兩水庫(kù)下游灌區(qū)還有較大集雨面積的徑流匯集，灌溉水利用系數(shù)取0.78。

生態(tài)環(huán)境用水采用Tennant法，又稱(chēng)蒙大拿（Montana）法，取多年平均流量10%計(jì)算生態(tài)環(huán)境流量，4—9月灌溉期的下泄流量控制在10%以上，這樣在滿足農(nóng)田灌溉需求的同時(shí)可滿足河道生態(tài)環(huán)境用水需求。經(jīng)分析計(jì)算，佛嶺水庫(kù)的生態(tài)環(huán)境流量為0.07 m3/s，西溪水庫(kù)的生態(tài)環(huán)境流量為0.02 m3/s。

佛嶺水庫(kù)提供少量農(nóng)村生活用水。據(jù)本次調(diào)查，有2個(gè)村自行接入水庫(kù)輸水洞出口段鋼管，總用水人數(shù)約1 400人，其中南胡村1 100人，南朱村300人。

根據(jù)《臺(tái)州市用水定額》（臺(tái)水利 2017 74號(hào)），農(nóng)村生活用水定額按城市管網(wǎng)覆蓋區(qū)確定，并考慮今后城市管網(wǎng)延伸，取較大值160.0 L/（d ·人），計(jì)算得農(nóng)村生活用水224.0 m3/d，全年農(nóng)村生活用水約8.2萬(wàn)m3。

根據(jù)徑流長(zhǎng)系列調(diào)節(jié)計(jì)算，佛嶺水庫(kù)年均灌溉需水量184.0萬(wàn)m3，生態(tài)需水量169.0萬(wàn)m3，生活需水量8.2萬(wàn)m3；西溪水庫(kù)年均灌溉需水量53.0萬(wàn)m3，生態(tài)需水量51.0萬(wàn)m3。

3.3 調(diào)度方案

從前述資料來(lái)看，兩水庫(kù)的防洪調(diào)度從正常水位起調(diào)，均能達(dá)到規(guī)定的洪水標(biāo)準(zhǔn)。本次重點(diǎn)研究興利調(diào)度方案，洪水調(diào)度從現(xiàn)狀汛限控制水位和正常水位起調(diào)2種情況來(lái)考慮。

3.3.1 水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容設(shè)置

水庫(kù)徑流資料分析結(jié)果表明，水庫(kù)日引水量越大，年徑流利用系數(shù)也越大，徑流利用越充分。兩水庫(kù)日引水量與年徑流利用系數(shù)關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 水庫(kù)日引水量與年徑流利用系數(shù)關(guān)系表

分析表2可知，如果兩水庫(kù)僅靠用水戶引水調(diào)節(jié)，其日引水量規(guī)模最大不超過(guò)30.0萬(wàn)m3，年徑流利用系數(shù)在58%以下，年徑流利用總量不超過(guò)1 600.0萬(wàn)m3。

設(shè)置水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容可提高徑流利用率，相當(dāng)于增加引水流量。調(diào)節(jié)庫(kù)容設(shè)置得越大，水庫(kù)調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，徑流利用越充分。兩水庫(kù)若按20 a一遇洪水總量設(shè)置調(diào)節(jié)庫(kù)容，即佛嶺水庫(kù)設(shè)置741.0萬(wàn)m3、西溪水庫(kù)設(shè)置216.0萬(wàn)m3，合計(jì)957.0萬(wàn)m3，則除極個(gè)別特大洪水外幾乎都能攔截。考慮到調(diào)節(jié)庫(kù)容的利用率和用水需求的實(shí)際情況，實(shí)際年徑流利用系數(shù)可達(dá)80%以上，兩水庫(kù)年徑流利用總量超過(guò)2 200.0萬(wàn)m3，每年可增加徑流利用量600.0萬(wàn)m3。

3.3.2 水庫(kù)庫(kù)容安排

前述幾種用水可根據(jù)用水特點(diǎn)安排興利庫(kù)容位置。應(yīng)急水量在任何時(shí)候都必須保證，故應(yīng)安排為墊底庫(kù)容，非應(yīng)急需求不得動(dòng)用。備用水量可安排在墊底庫(kù)容之上，補(bǔ)充水量可利用上部興利庫(kù)容調(diào)節(jié)。

佛嶺水庫(kù)正常庫(kù)容1 332.5萬(wàn)m3，死庫(kù)容9.4萬(wàn)m3，可安排應(yīng)急庫(kù)容250.0萬(wàn)m3，備用庫(kù)容300.0萬(wàn)m3，尚有773.1萬(wàn)m3庫(kù)容可容納20 a一遇3 d洪水總量。佛嶺水庫(kù)備用庫(kù)容按5.0萬(wàn)m3/d，備用60 d，總計(jì)300.0萬(wàn)m3考慮。

西溪水庫(kù)正常庫(kù)容311.6萬(wàn)m3，死庫(kù)容5.6萬(wàn)m3，可安排應(yīng)急庫(kù)容50.0萬(wàn)m3，不考慮備用庫(kù)容，則有256.0萬(wàn)m3庫(kù)容可容納20 a一遇3 d洪水總量。

3.3.3 計(jì)算方案

擬定計(jì)算方案共有8種，見(jiàn)表3。以下方案的區(qū)外用水，兩水庫(kù)按佛嶺水庫(kù)75%、西溪水庫(kù)25%分配。

表3 水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算方案表

3.3.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)常規(guī)徑流調(diào)節(jié)計(jì)算方法、水庫(kù)控制運(yùn)行水位以及水量平衡計(jì)算參數(shù)，通過(guò)編程進(jìn)行計(jì)算，并統(tǒng)計(jì)各方案的計(jì)算成果（見(jiàn)表4~5）。

表4 佛嶺水庫(kù)各方案1963—2018年平均值匯總表

表5 西溪水庫(kù)各方案1963—2018年平均值匯總表

3.3.5 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)不同方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，兩水庫(kù)應(yīng)急庫(kù)容、備用庫(kù)容的設(shè)置及大小，控制運(yùn)用方案以及對(duì)外供水規(guī)模等，都會(huì)影響兩水庫(kù)對(duì)區(qū)外的供水能力和供水量。

（1）應(yīng)急庫(kù)容、備用庫(kù)容越小，區(qū)外供水量越大，徑流利用越充分；但兩水庫(kù)作為黃巖水廠的應(yīng)急備用水源后，應(yīng)急必須保障，備用應(yīng)該合理。尤其是設(shè)置備用庫(kù)容后，對(duì)7—8月用水高峰期能保證5.0萬(wàn)m3/d的水量供應(yīng)，解決城市高峰期用水需求非常有效。因此，建議兩水庫(kù)共設(shè)置300.0萬(wàn)m3應(yīng)急庫(kù)容，其中佛嶺水庫(kù)250.0萬(wàn)m3，西溪水庫(kù)50.0萬(wàn)m3。考慮到兩水庫(kù)的庫(kù)容系數(shù)、徑流調(diào)節(jié)能力和控制運(yùn)用的方便性，在佛嶺水庫(kù)設(shè)置300.0萬(wàn)m3備用庫(kù)容。

（2）兩水庫(kù)區(qū)外供水規(guī)模越大，年徑流利用系數(shù)越大，越能充分利用水庫(kù)天然徑流量，但供水規(guī)模取決于應(yīng)急備用供水工程的輸水能力及黃巖水廠的處理能力。建議調(diào)度方案在滿足區(qū)內(nèi)供水需求的情況下，盡量加大區(qū)外供水，以充分利用兩水庫(kù)的水資源。

（3）兩水庫(kù)的控制運(yùn)用方式會(huì)影響徑流調(diào)節(jié)及水資源的利用率，在滿足水庫(kù)防洪安全的前提下，盡量提高控制運(yùn)用限制水位，增加徑流調(diào)節(jié)庫(kù)容，減小棄水。經(jīng)前述分析，兩水庫(kù)的控制運(yùn)用限制水位可定在正常水位。

（4）由前述計(jì)算結(jié)果可知，各方案兩水庫(kù)的運(yùn)行水位都比較低，蓄洪能力基本能達(dá)20 a一遇不出庫(kù)。因此，擬定方案在提高水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)能力、防洪能力、天然徑流利用量和水資源利用率的同時(shí)，也有利于提高西江水系的防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)。

在水庫(kù)實(shí)際控制運(yùn)用過(guò)程中，應(yīng)視天氣變化情況，適時(shí)、適當(dāng)提高水庫(kù)運(yùn)行的低水位，盡可能改善庫(kù)區(qū)的生態(tài)景觀。

（5）本次分析主要從宏觀角度研究?jī)伤畮?kù)的功能利用、不同庫(kù)容的合理安排、控制運(yùn)用的優(yōu)化方案，最大程度滿足各方用水需求，最大可能提高水資源利用率。具體水庫(kù)年度控制運(yùn)用，尚須結(jié)合年度汛前水雨情及中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)，制訂年度控制運(yùn)用計(jì)劃，報(bào)主管部門(mén)批準(zhǔn)后實(shí)施。

4 結(jié) 語(yǔ)

為保障城市的供水需求，設(shè)立相應(yīng)的應(yīng)急備用水源，對(duì)用水進(jìn)行分類(lèi)并分析相應(yīng)用水量，以及提出科學(xué)合理的水源調(diào)度方案來(lái)提高水資源利用率，是值得探討與研究的問(wèn)題。本文對(duì)應(yīng)急備用水源的總需水量進(jìn)行細(xì)化分類(lèi)，有助于當(dāng)?shù)睾笃谡{(diào)蓄方案中對(duì)用水需求的主次把控和水量把控。本次應(yīng)急備用水源聯(lián)合調(diào)度方案分析為其他應(yīng)急備用水源聯(lián)調(diào)方案提供一種新的用水分類(lèi)模式示例和調(diào)度模式參考。