城市水源為多個綜合利用水庫的供需平衡分析方法探討

曹國良，陳 菡

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430064)

城市供水是重要的民生工程，事關(guān)人民群眾身體健康和社會穩(wěn)定。由于工業(yè)化和城市化發(fā)展，城市人口劇增，且城鄉(xiāng)居民生活水平提高，城市需水量逐年遞增，城市供水水源的水庫多兼有農(nóng)業(yè)灌溉等綜合利用任務(wù)，城市供水與農(nóng)業(yè)供水爭水現(xiàn)象明顯，因此研究城市供水對城市經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展顯得十分重要。

目前部分城市存在多個常規(guī)供水水源和備用水源結(jié)合的情況，為實現(xiàn)水資源的高效利用和優(yōu)水優(yōu)用，研究多個水源對城市的合理高效供水非常必要。本文以安陸市城市供水研究為范例，從城市全行業(yè)全口徑需水方面著手研究與區(qū)域來水條件的適應(yīng)性，結(jié)合城市規(guī)劃及區(qū)域供水發(fā)展規(guī)劃分析當(dāng)?shù)厮Y源條件對城市發(fā)展的承載能力，統(tǒng)籌區(qū)域供水條件，分析城市供水水源配置方案。

1 安陸市城市概況

安陸市地處大洪山余脈與江漢平原交匯地帶，南通武漢，北依襄樊，處于兩大城市連接線中間地帶，處于武漢城市圈緊密圈層。安陸市下轄2個街道辦事處、1個經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、9個鎮(zhèn)、4個鄉(xiāng)，總國土面積1352.8km2。2017年安陸市常住人口為58.33萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值213.21億元。安陸市常用耕地總面積為68.08萬畝。

1.1 安陸市城區(qū)水廠現(xiàn)狀及存在的問題

安陸市城區(qū)現(xiàn)有兩座水廠，分別為第二水廠和第三水廠，水源地均為府河干流解放山水庫。第二水廠位于府河右岸，建成于1988年，日供水能力4萬m3/d。第三水廠位于府河左岸，設(shè)計供水規(guī)模為10萬m3/d。

解放山水庫位于府河干流上，壩址以上來水面積7131km2，是一座兼顧防洪、發(fā)電、供水、灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖和交通的河道型水庫工程。解放山水庫是解放山西干渠灌區(qū)的灌溉水源，灌區(qū)位于安陸市府河以西，設(shè)計灌溉面積16.71萬畝。水庫總庫容為0.47億m3，其中興利庫容0.32億m3。

府河開發(fā)利用程度較高，隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，沿線污水排放量大幅增加。近年來，政府部門大力推進(jìn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村污水處理設(shè)施建設(shè)，使得部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村的生活污水得到了一定程度上的處理，但是由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理建設(shè)普遍滯后，農(nóng)村污水處理較城市存在一定差距。農(nóng)村污水目前尚未實現(xiàn)全面覆蓋和收集，且部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠運行不理想，仍存在有零散生活污水直排入府河的現(xiàn)象。因此，府河解放山水庫水質(zhì)不穩(wěn)定，部分時段有水質(zhì)超標(biāo)情況，超標(biāo)指標(biāo)多為氨氮和總磷。根據(jù)2017年1～12月、2018年1～10月湖北省水功能區(qū)水質(zhì)通報結(jié)果，按全因子指標(biāo)評價，涢水安陸解放山開發(fā)利用區(qū)水質(zhì)有8個月份保持在Ⅱ～Ⅲ類，其余時段水質(zhì)為Ⅳ～Ⅴ類，個別月份甚至達(dá)到劣Ⅴ類，總磷和氨氮嚴(yán)重超標(biāo)。尤其每年春天，河道內(nèi)藻類繁殖，存在安全隱患。

1.2 安陸市農(nóng)村安全飲水現(xiàn)狀及存在問題

目前，安陸市三水廠供水范圍除府城、南城和開發(fā)區(qū)城區(qū)范圍外，還包括城區(qū)水廠管網(wǎng)延伸覆蓋到的洑水鎮(zhèn)、陳店鄉(xiāng)和李店鎮(zhèn)及煙店鎮(zhèn)、棠棣鎮(zhèn)部分鄉(xiāng)村，其余的接官鄉(xiāng)、趙棚鎮(zhèn)、辛榨鄉(xiāng)、巡店鎮(zhèn)、木梓鄉(xiāng)、雷公鎮(zhèn)、孛畈鎮(zhèn)和王義貞鎮(zhèn)等區(qū)域現(xiàn)狀均由當(dāng)?shù)剜l(xiāng)鎮(zhèn)水廠供水。目前安陸市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)小水廠普遍存在水量保障程度不高、處理工藝落后、水廠運行管理落后等問題，導(dǎo)致出廠水質(zhì)微生物超標(biāo)、消毒指標(biāo)不滿足規(guī)范要求。

2 城市需水預(yù)測

2.1 分析范圍

分析范圍為安陸市城市水廠規(guī)劃供水范圍以及徐家河水庫、解放山水庫生產(chǎn)生活供水范圍，涉及廣水市、安陸市、孝昌縣，共3縣市17個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

徐家河和解放山水庫農(nóng)業(yè)供水分別為徐家河灌區(qū)和解放山西干渠灌區(qū)，現(xiàn)狀有效灌溉面積分別為60萬畝和16.71萬畝。徐家河水庫是一座以灌溉、防洪為主，兼有發(fā)電、供水等綜合效益的大(2)型水庫。壩址以上流域面積749km2，水庫為多年調(diào)節(jié)水庫，總庫容為7.34億m3，興利庫容2.99億m3，死庫容1.41億m3。

2.2 需水預(yù)測成果

需水預(yù)測的口徑和全國水資源綜合規(guī)劃的口徑一致，分為生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境需水3大類。需水預(yù)測采用定額法進(jìn)行預(yù)測。

分析范圍基準(zhǔn)年、設(shè)計水平年總需水量(不含河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水)分別為5.24億m3和4.62億m3，設(shè)計水平年生活、生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境需水分別為0.59億m3、4.00億m3、0.03億m3。

3 供需平衡分析

3.1 水資源供需平衡原則

(1)各平衡片的用水分為城鄉(xiāng)生活(含第三產(chǎn)業(yè)等)及生態(tài)、工業(yè)(含建筑業(yè))、農(nóng)業(yè)灌溉3類。

(2)供水工程有大中小型水庫和塘堰等蓄水工程、引提水工程、地下水。地下水主要供水對象為少量的農(nóng)村安全飲水和工業(yè)用水；地表水供水水源中優(yōu)先使用塘壩和蓄水工程，然后是提水工程。其中的蓄水工程首先分片進(jìn)行概化合并，概化成若干個“大水庫”，然后按照塘堰、小(二)型水庫、小(一)型水庫、中型水庫、大型水庫的順序由小到大逐級平衡。生活工業(yè)需水主要由各片骨干工程供水。

(3)取自河道的引提水量按控制斷面來水量、現(xiàn)有引提水能力和供水范圍進(jìn)行平衡。

3.2 基準(zhǔn)年水資源供需平衡成果

經(jīng)供需平衡分析，安陸市城市供水考慮徐家河水庫進(jìn)行供水后，對徐家河灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉保證率和生活工業(yè)供水保證率影響不大，說明徐家河水庫具備置換安陸市生活用水的條件，具體供需平衡分析成果見表1。

表1 基準(zhǔn)年供需平衡成果表

3.3 設(shè)計水平年水資源供需平衡

設(shè)計水平年依據(jù)《安陸市城鄉(xiāng)供水一體化規(guī)劃》(2019年)、《安陸市給水專項規(guī)劃》(2015年)、《安陸市城市總體規(guī)劃(2013—2030)》等，并征求孝感市及安陸市市政、水利、城建等多部門意見，綜合確定規(guī)劃年供水范圍供水結(jié)構(gòu)布局。

隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，設(shè)計水平年安陸市考慮大范圍的城鄉(xiāng)一體化，城市生活工業(yè)用水將增加，經(jīng)計算，若仍以解放山水庫為水源，生活工業(yè)用水將擠占農(nóng)業(yè)用水，使農(nóng)業(yè)灌溉保證率達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)水源分析成果，徐家河水庫水質(zhì)和水量的保證程度較高。因此，待設(shè)計水平年解放山水庫水質(zhì)治理達(dá)標(biāo)后，可由解放山水庫、徐家河水庫為安陸市城鄉(xiāng)生活工業(yè)聯(lián)合供水。

設(shè)計水平年供需分析范圍生活工業(yè)總需水量為10228萬m3(扣除中水、地下水)，優(yōu)先采用解放山水庫向安陸市供水，在恢復(fù)解放山水庫上游洑水泵站后，在考慮退還被擠占的農(nóng)業(yè)用水，經(jīng)試算，在滿足解放山灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉保證率的條件下，可以滿足安陸市2500萬m3生活工業(yè)需水。除本已考慮在徐家河片供水的曾都區(qū)、廣水市、孝昌縣、云夢縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水外，安陸市城鄉(xiāng)一體化后的城鄉(xiāng)生活工業(yè)需水由徐家河水庫供給。如圖1所示。

圖1 安陸市城市供水水資源配置網(wǎng)絡(luò)圖

(1)計算工況

工況1：安陸市城鄉(xiāng)一體化后的城鄉(xiāng)其他需水由解放山水庫供給，先退還河道內(nèi)生態(tài)基流，河道外供水優(yōu)先滿足生活、工業(yè)需水，然后再考慮農(nóng)業(yè)。

工況2：試算解放山片在滿足保證農(nóng)業(yè)灌溉保證率80%的前提下能夠滿足的生活工業(yè)需水，剩余需求由徐家河水庫供給。

(2)水資源供需平衡計算成果

設(shè)計水平年在充分發(fā)揮現(xiàn)有供水工程的潛力，對灌溉渠系和供水管網(wǎng)進(jìn)行續(xù)建配套與節(jié)水改造，并進(jìn)一步提高水資源開發(fā)利用程度的基礎(chǔ)上，首先滿足河道內(nèi)生態(tài)基流要求，河道外供水優(yōu)生滿足生活、工業(yè)需水，然后再考慮農(nóng)業(yè)灌溉，以此進(jìn)行水資源供需平衡。

經(jīng)水資源供需平衡分析，設(shè)計水平年工況1解放山片農(nóng)業(yè)灌溉保證率為72.4%，生活用水保證率為96.4%，工業(yè)用水保證率為95.7%，生活工業(yè)需水量0.836億m3，農(nóng)業(yè)需水量0.788億m3，生活工業(yè)供水量0.811億m3，農(nóng)業(yè)供水量0.659億m3，生活工業(yè)缺水量為0.025億m3，農(nóng)業(yè)缺水量為0.129億m3。

工況2(推薦方案)解放山片農(nóng)業(yè)灌溉保證率為81%，生活用水保證率為99.1%，工業(yè)用水保證率為99.1%，生活工業(yè)需水量0.250億m3，農(nóng)業(yè)需水量0.788億m3，生活工業(yè)供水量0.249億m3，農(nóng)業(yè)供水量0.751億m3，生活工業(yè)缺水量為0.001億m3，農(nóng)業(yè)缺水量為0.038億m3。徐家河片農(nóng)業(yè)灌溉保證率為80.0%，生活用水保證率95.6%，工業(yè)用水保證率為95.0%，生活工業(yè)需水量0.884億m3，農(nóng)業(yè)需水量2.700億m3，生活工業(yè)供水量0.850億m3，農(nóng)業(yè)供水量2.444億m3，生活工業(yè)缺水量為0.034億m3，農(nóng)業(yè)缺水量為0.256億m3。解放山及徐家河片均能滿足保證率要求，水資源供需平衡成果見表2。

表2 設(shè)計水平年水資源供需平衡成果表

4 結(jié)論

本文主要研究了安陸市城市水源現(xiàn)狀年從河道型水庫到設(shè)計水平年調(diào)整為水質(zhì)較好的大型水庫為主，現(xiàn)狀河道型水庫為輔的情況下，結(jié)合供需平衡計算，分析了調(diào)整的原因，并從供水能力、水質(zhì)條件情況，按照優(yōu)水優(yōu)用的思路，提出設(shè)計水平年合理高效水資源配置方案，對于城市水源為多個綜合利用的水庫，且各水質(zhì)有差別的城市供水方案有指導(dǎo)意義。

文章僅提出了設(shè)計保證率工況下的供水方案，在豐水期和平水期，多水源供水需從水源水質(zhì)、供水成本考慮合理的水資源配置方案，但未進(jìn)行進(jìn)一步分析。