基于最严格水资源管理制度的大功引黄灌区的水资源优化配置

基于最严格水资源管理制度的大功引黄灌区的 水资源优化配置

张运凤， 郭威， 徐建新， 张修宇

(华北水利水电大学,河南 郑州 450045)

摘要：大功引黄灌区是河南省重要的粮、棉生产基地，也是水资源严重匮乏的地区.随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，灌区内水资源的供需矛盾日益加剧，生态环境逐渐恶化.为解决此问题，以最严格水资源管理制度为理论基础，结合大功引黄灌区现状年水资源实际供需和开发利用状况，确定包括用水总量、用水效率、用水顺序、水质、纳污控制和生态保护共计6项水资源分配原则，建立规划年多目标多水源的优化配置模型，使用计算机软件进行求解，并提出适宜的规划年水资源优化配置方案以及灌区管理制度的改进建议.

关键词：最严格水资源管理制度；水资源优化配置；供需平衡；大功引黄灌区中图分类号：TV211文献标识码：A文章编号：1002-5634(2015)03-0028-05

收稿日期:2015-03-31

基金项目：国家自然科学

作者简介：刘慧敏(1981—),女,河南鄢陵人,讲师,硕士,主要从事应用数学方面的研究.

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.03.008

大功引黄灌区位于河南省东北部，设计灌溉面积19万 hm2，土地面积2 886 km2，是河南省大型引黄灌区之一[1].灌区涉及新乡市(封丘县、长垣县)、安阳市(滑县、内黄县)以及鹤壁市浚县，共计3市5县.5县均是全国粮食生产先进县，农业优势明显，作物主要有小麦、水稻、玉米，间作有花生、谷子、豆类、棉花、芝麻、红薯等杂粮作物.工业主要包括纺织、轻工、食品、酿造、电力、化工、建材等，基本形成门类齐全的工业体系.随着灌区社会经济的不断发展，农业、生活、二三产业、牲畜养殖、生态保护等用水需求的不断增加，水资源供需矛盾日趋紧张，同时灌区还存在严重的水资源浪费情况.2011年中央1号文件《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》明确指出：要建立用水总量控制制度；建立用水效率控制制度；建立水功能区限制纳污制度；建立水资源管理责任和考核制度.因此，笔者基于最严格水资源管理制度相关政策法规，针对河南省大功引黄灌区水资源供需实际情况，结合现状年(2012年)以及规划年(2020年)水利及社会经济发展，开展水资源合理配置研究，以期为灌区经济社会和水资源的可持续发展提供科学依据.

1灌区水资源供需情况分析及开发利用状况

1.1　供水分析

1.1.1黄河水

大功引黄灌区取水口下游20 km处设有国家重要水文站——夹河滩水文站.采用该站1994—2013年资料加以分析：1994—2002年大河多年平均流量631 m3/s,春灌期平均流量800 m3/s，夏灌期平均流量601 m3/s，冬灌期平均流量500 m3/s；2003—2013年大河多年平均流量880 m3/s，春灌期平均流量760 m3/s，夏灌期平均流量1 560 m3/s，冬灌期平均流量662 m3/s.

根据灌区渠首红旗闸1980—2013年取水资料分析：1980—2002年多年平均引水10 129万 m3，2003—2013年多年平均引水8 477万m3.按黄河水利委员会(取水(国黄)字[2010]第71 061 号文)规定的红旗闸取水许可水量为20 000 万m3进行分析，富余可引水量约10 000万m3.

河南省规划“十二五”期间沿黄地区建设47处引黄调蓄工程(其中大功引黄灌区8处)[2]，到2020年，建成167处引黄调蓄工程，其中涉及大功灌区引黄调蓄工程共计32处，调蓄总库容 6 594万m3，年调蓄水量10 850万m3.

1.1.2当地地表水和地下水

大功引黄灌区水资源匮乏，人均水资源量130 m3，仅为全国人均水资源量的6.2%.地表水资源约为1.43亿m3，可利用率较低；地下水资源量3.2亿m3，可开采系数为0.75～0.85.同时灌区又是农业核心主产区，为了维持经济社会的发展，不得不依靠过量开采地下水来满足用水需求.由于长期持续超采地下水，导致地下水位持续下降.灌区北部内黄县地下水超采严重，每年以0.5～0.8 m的速度急剧下降，造成数百眼机井报废，目前地下水位降到30 m以下，已成为全省最大的漏斗区.

1.1.3南水北调水

南水北调中线一期工程建成后，年调水量可达95亿m3，其中分配给河南省37.69亿m3[3].大功引黄灌区境内浚县、滑县、内黄县均可受到南水北调水的补给，可用于城镇居民饮水和对用水水质要求较高的工业.

1.2　需水分析

灌区内需水分析包括农业、二三产业、生活、牲畜养殖以及生态需水5个方面.

现状年以灌区2012年实际社会经济统计资料为基础，采用各行业现行用水定额标准计算求得灌区总需水量，见表1，降水频率为P，其值取为50%.规划年重点考虑：经过农业节水灌溉，提高农田灌溉水有效利用系数；二三产业经济收入和万元工业增加；提高工业用水重复率；居民生活用水量的提高；改善生态环境(河湖景观、城市绿化)用水量的增加.通过科学合理的用水定额与各行业经济发展指标相结合求得规划年灌区总需水量，具体见表2.

表1　2012年大功灌区水资源供需分析结果( P=50%)　亿m 3

表2　2020年大功灌区水资源供需分析结果( P=50%)　亿m 3

1.3　水资源开发利用状况

灌区多年平均降雨量610 mm，蒸发量1 922 mm.灌区内7、8、9月3个月的降水量占全年降水量的70%，灌区范围内降水年际变化较大，年内分配不均，不易利用.同时，蒸发量大于降水量，尤以冬、春最为明显.水资源供需矛盾较为突出，2012年大功灌区毛需水量为8.42亿m3，供水量仅为6.01亿m3，其中引黄供水量为1.00亿m3,当地地表水供水量为0.52亿m3,地下水开采量为4.49亿m3,缺水总量为2.41亿m3.随着灌区经济的迅速发展，规划年各行业需水将呈现一减多增(除农业外,各行业毛需水量都将增加)现象：二三产业中万元产值用水量将减少，但是用水总量将增加；生态用水的增加用以改善居民生活环境、河湖水质；随着引黄灌区续建配套设施与节水改造项目的建设，农业需水量将适度减少；需水总量呈减少趋势.供水方面重点考虑水利工程建设，包括引黄灌区渠首改造和调蓄工程建设，南水北调工程建设，规划年供水总量将呈现上升趋势.

2基于最严格水资源管理制度的水资源配置原则

水资源优化配置要求使有限的水资源得到合理、充分的利用，为全灌区农业、二三产业、生活、生产、生态5个方面提供可靠的水源，以获得最大的综合效益，即满足经济效益、社会效益、生态环境效益等多种效益目标，不是单纯地追求某一方面的效益最好[4]，这些目标之间存在相互关联、相互制约以及相互竞争的问题[5].

在基于最严格水资源管理制度的条件下，刘艳飞[6]提出要从水资源生态经济系统整体的角度研究水资源的合理配置，坚持供需双向协调.梁士奎等[7]提出以人水和谐为目标，在合理确定“三条红线”控制指标的基础上，研究不同水资源分配方案下的人水和谐程度.笔者结合灌区实际情况，提出在制定灌区水资源合理分配方案时，应当依照以下6项原则进行水资源优化配置.

1)用水总量控制.灌区地表水资源和地下水资源的可开采量应低于其阈值，不同水源供给各用水户的总水量不应多于可供水资源量.

2)用水效率控制.农业作物灌溉定额、工业增加值用水定额以及其他生产、生活、生态用水定额都应小于设计用水定额.

3)用水顺序控制.首先考虑保证城乡居民用水，其次考虑二三产业用水，然后考虑农业用水、生态建设用水、生产养殖用水.同一用水对象的不同用水部门也应该考虑用水的轻重缓急，应从人民生活和社会经济需要着手：生活用水应保证城乡居民最低的用水需求；二三产业用水应优先满足重要工业(电力、通讯、交通等部门)用水，其次考虑用水效益高的行业、企业用水[8]；农业用水应优先满足重要经济作物和粮食作物用水，同时还要考虑空间(灌区上下游、左右岸)关系等；生态用水方面应优先用于城镇绿化、环境卫生.

4)用水水质控制.不同水质的水源供给不同的用水对象时，尽量保证优水优用、低质低用的原则.

5)根据限制纳污控制红线，控制污染物入河总量不超过其纳污能力[9]，污染物排放浓度不能大于其允许排放的最高浓度，将有限的水资源数量和纳污能力在区域间和用水部门间进行合理调配.

6)生态环境用水量不得低于保护生态系统需要的最低用水量，包括改善水质，维护河湖平衡，美化居民的居住环境.

3灌区水资源优化配置模式

3.1　水资源优化配置模型的建立

基于上述灌区水资源合理分配方案原则，建立多目标多水源合理分配的模型，如图1所示.

图1　大功引黄灌区水资源分配图

3.2　目标方程的建立

根据多目标多水源模型建立目标方程.

需水目标方程为：

y1=a1+b1+c1，

y2=a2+b2，

y3=c2+d+e1，

y4=c3+e2，

y5=c4.

供水目标方程为:

x1=a1+a2,

x2=b1+b2,

x3=c1+c2+c3+c4,

x4=d,

x5=e1+e2.

式中:y1为农业需水量；y2为生态需水量(包括水系景观和环卫绿化2部分)；y3为生活需水量(包括农村生活和城镇生活)；y4为二三产业需水量；y5为牲畜养殖需水量；x1为黄河水供水量;x2为地表水供水量;x3为浅层地下水供水量;x4为中深层地下水供水量;x5为南水北调水供水量；a1、a2、b1、b2、c1、c2、c3、c4、d、e1、e2分别为不同水源应用于不同目标的水量值,单位统一为亿m3.

3.3　结果及分析

在规划年(2020年)水资源供需平衡的基础上，结合多目标多水源方程，采用线性规划和计算机软件(MATLAB)[10]相结合的办法合理分配灌区的水资源.经计算，大功引黄灌区不同水源优化配置结果详见表3.

表3　大功灌区规划年水资源优化配置结果 　亿m 3

结合大功引黄灌区社会经济、水资源开发利用现状与规划、水利工程建设等诸多方面的实际情况，基于最严格水资源管理制度下的水资源优化配置综合分析结果如下：

1)灌区生活、生产、二三产业和城市生态需水量均呈缓慢上升趋势，农业用水量有所下降.供水区引黄供水呈上升趋势，地下水开采量减少，考虑适当增加南水北调水来缓解非农业用水.

2)灌区以农业用水为主，综合效益不高，不利于灌区综合发展.为更好地实现水资源优化的配置，应加大推行农业灌溉节水技术和灌区高效运行管理模式的保障措施，提高灌溉水保证率，将节约的水资源用于城镇及工业区发展、灌区生态发展中.

3)在实际供水期间，应考虑充分使用引黄水量指标，适当增加引黄水量用于农业灌溉和生态用水，这样可以缓解灌区水资源的紧缺状况，并可有效遏制地下水超采的趋势，回补地下水；同时改善灌区河道的水质状况和生态环境，增加环境的湿度，减少地表湿度的光辐射，将对净化空气、调节区域小气候起到非常重要的作用.另外，在地下水埋深较浅、有可能引发盐碱化的地区则先利用地下水，如沿黄地区或引黄灌区；因黄河持续大量侧渗或大水漫灌而导致地下水位偏高，有可能引起土壤盐碱化，一般在每年8、9月份，地下水位达到最高，应优先开发利用地下水资源，减少引黄水量的使用，将引黄水供给下游缺水区.在不影响河道水环境条件下，可将地表水，用于农业生产和水系景观建设.南水北调水水质较高，用水成本也较高，可用于城镇生活和对水质要求较高的工业.

4)灌区上下游统筹管理的问题.由于分散管理使得上下游用水出现上游用水充足、下游无水可用的现象.为了充分发挥工程效益，建议施行统筹管理、统一调度，推广实行自上而下的配水计划制定方式，配水计划具体到各取水口，按时段划分流量、水量.对整个灌区的水源工程、灌区建设、灌区扩建更新改造、灌区水资源调度等进行统筹安排.

5)水资源实时监测与调控.采用高科技远程自动化监测、检测仪器，通过对灌区水资源使用信息的实时监测、反馈，由计算机软件系统作出适宜的实时水资源优化配置和调度方案，使得灌区管理更加科学化、智能化.

6)灌区要建立最严格水资源管理制度和水资源优化配置相结合的用水管理制度，推进以用水总量、用水定额控制管理为重点的节水防污、生态保护、有偿使用、监管并重的水资源管理制度.

4结语

对大功引黄灌区水资源优化配置的研究，涉及社会经济、生态环境、水文气象、水利工程建设等诸多方面，虽然取得了一些成果,但由于收集的资料不全，时间和经验不足，研究不够全面和深入，故对问题的探究做了适当简化.鉴于水资源优化配置是一个不断优化、不断完善的过程，需在以下几个方面做进一步的深入研究：

1)按照水质进行水资源配置的原则还需进一步完善.

2)缺乏对灌区水资源生态环境效益有效的评价方法和定量的计算分析.

3)随着科学技术的发展，灌区内二三产业对中水的利用将会加大.

4)随着经济社会的不断发展，对水资源的需求量和可供应量是不容易被确定的，要结合风险分析对这些量值进行预测.

参考文献

[1]曹宏斌,毛宏远,李晓南．河南省大功引黄灌区存在问题探讨[J]．河南水利与南水北调，2013(5)：38-39．

[2]李亮,张波,王丽红．新乡市引黄调蓄工程建设的必要性分析[J]．水科学与工程技术，2012(4)：36-38．

[3]张立春,陆海,费小霞．河南南水北调受水区水资源优化配置研究[J]．人民黄河，2013，35(9)：61-63, 67．

[4]董贵明,束龙仓,陈南祥，等．南水北调中线河南受水区水资源优化配置研究[J]．工程勘察，2007(4)：18-22．

[5]王伟荣,张玲玲．最严格水资源管理制度背景下的水资源配置分析[J]．水电能源科学，2014，32(2)：38-41．

[6]刘艳飞．最严格水资源管理制度下的水资源合理配置[J]．河南水利与南水北调，2013(5)：3-4．

[7]梁士奎,左其亭．基于人水和谐和“三条红线”的水资源配置研究[J]．水利水电技术，2013，44(7)：1-4．

[8]王长普,孙珂．中原沿黄经济带水资源优化配置效果研究[J]．人民黄河，2013，35(7)：49-50, 53．

[9]王富强,王雷,荣飞．基于一维水质模型的新乡市河流纳污能力计算[J]．华北水利水电大学学报(自然科学版)，2014，35(5)：81-84．

[10]崔东文．基于MATLAB的文山州区域水资源线性多目标优化配置研究[J]．华北水利水电学院学报，2011，32(3)：4-7．

Optimal Allocation to Water Resources of the Yellow River Irrigation District of

Dagong Based on the Strictest Managerical System of Water Resources

ZHANG Yunfeng， GUO Wei， XU Jianxin， ZHANG Xiuyu

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Abstract:The Yellow River irrigation district of Dagong is an important grain and cotton industry base in Henan Province, is also the area of serious shortage of water resources. With the development of social economy in irrigation districts and the improvement of people′s living standards, the contradiction between supply and demand for water resources is increasing, the ecological environment is deteriorating. In order to solve these problems, based on the Strictest Managerical System of Water Resources and combined with the situation of supply and demand and development and utilization for actual water resources of the Yellow River irrigation district of Dagong, six allocation principles for water resources were determined including total water consumption, water use efficiency, water use order, water quality, pollutant load and ecological protection, the optimal allocation models with multiple objects and water resources for the planning years were established, which could be solved by software, some suitable improvement measures were proposed about the optimal allocation schemes of water resources and the management of irrigation districts for the planning years.

Keywords:the Strictest Managerical System of Water Resources; optimal allocation to water resources; balance between supply and demand; the Yellow River irrigation district of Dagong

(责任编辑：杜明侠)