十堰市中心城区水资源配置方案研究

刘晨辉 蒋兆英 刘思

(1.湖北省水利水电规划勘测设计研究院，湖北 武汉 430064；2.湖北省水利水电科学研究院，湖北 武汉 430070)

1 研究背景

十堰市位于湖北省鄂西北山区，与陕、渝、豫三省市交界，汉江以南，武当山以西，秦岭大巴山以东，是鄂、豫、陕、渝毗邻地区的区域性中心城市，鄂西生态文化旅游圈的核心城市，拥有武当山、丹江水、汽车城3处著名景点。

十堰市中心城区包括张湾区和茅箭区，是十堰市政府所在地，是十堰市的政治、经济、文化和商贸中心。十堰市临近汉江、丹江口水库和堵河，但十堰城区的本地水资源比较匮乏，地区多年平均径流深不足300mm，人均水资源量不足400m3。随着十堰市中心城区社会经济的发展，城镇生活、工业以及生态环境用水需求快速增长，城市供需水矛盾日益突出。

在区域水资源调查评价、开发利用评价、需水预测、供水预测等成果基础上，建立了十堰市中心城区水资源配置模型，组合不同供需条件下的工程措施，确定满足区域人口、资源、环境与经济协调发展的水资源最佳配置方案[1-6]。

十堰市中心城区水资源配置工程方案为：从堵河潘口水库引水至十堰城区马家河水库，再设支线引入茅塔河水库、百二河水库和城区各水厂。工程引水干线全程65.56km，渠首设计引水流量6.70 m3/s，多年平均引水量1.66亿m3。工程主要解决十堰城区生活、工业供水问题，兼顾百二河生态补水。

2 水资源供需平衡分析

2.1 供需平衡分析范围

十堰中心城区水资源配置工程供水范围为：十堰市中心城区(不含郧阳区)，包括张湾区的花果、红卫、车城路和汉江路街办和柏林镇，茅箭区的武当路、二堰、五堰、白浪街办，总面积446km2，2016年常住人口74.74万人。

2.2 需水预测

2.2.1 河道外需水

河道外需水包括生活、生产和生态环境需水。其中，生活需水包括城镇居民生活需水和农村居民生活需水；生产需水是指有经济产出的各类生产活动所需的水量，包括第一产业的种植业和畜牧业、第二产业的工业和建筑业、第三产业的商饮业和其他服务业等。本部分生态环境需水量指河道外生态环境需水，包括道路浇洒用水、绿化用水等。首先对十堰市中心城区张湾区、茅箭区全区的供水需求进行预测，再分解到供水范围内。

根据统计年鉴和公报数据分析得到十堰市中心城区各项社会经济指标，根据相关发展规划分析地区各项社会经济指标增长率，进而预测规划水平年社会经济指标。需水预测采用定额法，预测供水区现状2016年、2035年的总需水量分别为1.35亿m3、2.25亿m3。

2.2.2 需水合理性分析

规划水平年十堰市城区需水预测时，基准年各项社会经济指标由统计年鉴分析得到，人口增长率、城镇化率、GDP及工业增加值预测值与当地发展规划衔接，基本能反映地区实际发展情况。为进一步验证需水预测的合理性，从用水定额和用水总量控制指标两个方面复核预测需水量。

2.2.2.1 用水定额

规划水平年需水量预测以“三先三后”为原则，全面贯彻节水为主的方针，设计水平年各行业定额均充分考虑节水因素。将本次预测需水定额与2030年湖北省、十堰市需水定额进行比较分析，见表1。本次预测城镇生活、农村生活、农田灌溉、农田灌溉水利用系数与《湖北省工业与生活用水定额(修订)》《湖北省灌溉用水定额标准》中湖北省用水定额基本相当，万元工业增加值指标明显低于湖北省用水指标，其主要原因是十堰市中心城区位于南水北调中线工程水源丹江口水库上游，对企业污水排放有严格要求，企业用水工艺较先进，节水程度高。

表1 需水预测定额

2.2.2.2 用水总量

依照国务院《关于实行最严格的水资源管理制度的意见》(国发﹝2012﹞3号)和《十堰市实施最严格水资源管理制度方案》，十堰市全市2015年、2030年用水总量控制指标分别为10.44亿m3、12.61亿m3，分解到十堰市中心城区张湾区和茅箭区2015年、2030年用水总量控制指标分别为2.34亿m3、2.8亿m3；本次供水范围内的区域现状2016年、2035年的总需水量分别为1.35亿m3、2.25亿m3。预测成果均在用水总量控制指标以内，因此成果合理。

2.2.3 河道内需水

百二河从十堰市中心城区内穿城而过，是十堰市重要的人文、生态和景观河道，由于河道天然来水量不足，本次引水时考虑兼顾对百二河进行生态补水。采用《河湖生态环境需水计算规范》(SL/Z 712—2014)中Tennant法和水环境容量法分别计算百二河城区段内生态环境需水量，并综合考虑河流特性、生态环境需求、开发利用程度等因素，经综合分析，确定百二河城区段生态引水规模为0.5m3/s。

2.3 供水工程

十堰现状供水工程包括：黄龙滩水库引水工程，从堵河黄龙滩水库通过管道引水至十堰城区，取水规模约4.0m3/s；马家河中型水库，坝址以上承雨面积125km2，总库容2310万m3；茅塔河中型水库，坝址以上承雨面积91km2，总库容1108万m3。规划水平年还包括中水回用工程，年中水回用量约3250万m3。

2.4 水资源供需平衡分析

由基准年(2017年)和规划水平年(2035年)十堰市城区供水工程布局，组成城区供水系统，根据系统的来水条件、工程状况、需水要求及相应的运用调度方式和规则，进行长系列逐旬调节计算，得到基准年和规划水平年水资源供需平衡成果，见表2。

表2 十堰市中心城区水资源供需平衡成果

根据水资源供需平衡计算成果，基准年十堰城区各片区供水保证率91.3%～99.9%，基本可满足供水需求，缺水时段较少；规划水平年十堰市城区需水量显著增长，但可供水量有限，缺水量较大。

3 水资源配置方案

3.1 水资源配置原则

a.将当地的地表水与外引水水量进行联合调度使用，实现丰枯互补，且优先使用当地水资源，当地水资源不足时才使用外引水。

b.水库优先考虑下泄生态基流，退还下游河道被挤占的生态用水。

c.水资源配置时，以保障地区防洪安全、不影响水库现有防洪能力为首要原则，各水库按调度规程运行。

d.供水计算时，优先使用本地水库上游来水和水库蓄水，然后是外引水供水，当外引水富余且水库有空余充蓄库容时，对马家河水库和茅塔河水库进行充蓄，减少输水工程规模。

3.2 水资源配置方案

规划水平年十堰城区在充分挖掘当地水资源的基础上，仍不能满足十堰城区生活、生产及生态用水需求，需考虑外流域调水。根据十堰市城区周边水源条件，从技术可行性和经济合理性等角度进行综合分析，最终确定以潘口水库为水源的引调水方案，见图1。规划水平年优先使用马家河水库和茅塔河水库向十堰城区供水，黄龙滩水库转为备用水源，城区不足供水量全部由新建潘口引水工程提供。潘口引水先由引水干管引至马家河水库，再设分别支线引入茅塔河水库、百二河水库和城区各水厂，提供十堰城区生活、生产用水以及百二河生态补水。

图1 十堰市中心城区水资源配置方案

4 水资源配置模型及计算成果

4.1 水资源配置模型

在现状供用水情况调查评价、需水预测的基础上，建立十堰市中心城区的水资源配置模型。水资源配置模型以区域径流来水过程、预测需水量、供水工程供水能力为计算条件，对各供水用户进行分区和概化，进行长系列水资源供需平衡调算，分析不同水平年、不同供水方案下区域水资源供需平衡情况。模型计算时段为1973—2015年，单位时段为旬，根据供需平衡分析结果来对供水方案进行不断调整和修正，调整工程供水能力，最终得到满足平衡要求的水资源配置方案。

4.2 模型计算原理

水资源配置模型是在拟定的水资源配置方案下，研究区域内各供水单元的水资源供与需的平衡，其基本原理是水量平衡和以需定供。计算约束条件包括长系列各计算时段内的来水量、水库库容限制、城镇生活需水量、农业需水量、引水工程供水能力约束等。计算采用VBA编程语言实现，模型计算流程图见图2。

图2 水资源供需平衡计算模型计算流程

4.3 主要计算公式

水量平衡计算公式如下：

WQ=WG-WX

(1)

引水工程供需平衡计算公式如下：

水库工程供需平衡计算公式如下：

当WX>W1+WL时，WG=W1+WL

(4)

当WX

(5)

WQI=W1+W-WG-WS-VX

(6)

式中：WQ为缺水量;WG为供水量;WX为需水量；WY为可引水能力；WL为水库时段内来水；W1为水库时段初蓄水；W2为水库时段未蓄水；WS为水库蒸发、渗漏损失；VX为水库兴利库容；WQI为水库弃水量。

农机是农业生产过程中的主要机械设备，在现代农业发展过程中农机事业发展十分迅速。深松整地技术是农机应用过程中的常见技术，指的是依赖拖拉机的牵引深松机对土壤进行耕作的技术，在农业生产过程中要加强对深松机械设备的应用，并且对深松技术进行推广，使得更多农户能够了解深松技术要求，提高深松作业水平。

计算时按逐时段、逐级顺序循环计算。

4.4 模型计算成果

根据模型计算成果，规划水平年水资源配置方案下，十堰市中心城区多年平均需水量23011万m3，供水量23011万m3。规划水平年供水保证率达到97%以上，满足城市供水要求。规划水平年水资源配置计算成果见表3。

表3 十堰市中心城区水资源供需平衡成果

4.5 设计引水流量

潘口水库至马家河水库引水干线、马家河水库至茅塔河水库引水支线、马家河水库至百二河引水支线长系列逐旬引水量及引水流量由水资源配置模型计算得到。考虑引水渠道沿程输水损失后，引水干渠渠首设计引水流量为6.7m3/s；马家河水库至百二河引水支线设计流量为长系列最大旬引水流量0.5m3/s；马家河水库至茅塔河水库引水支线最大旬引水流量为0.71m3/s，考虑与对应的水厂规划净水处理规模，取0.82m3/s，具体设计流量见表4。

表4 引水干支渠设计流量计算 单位：m3/s

5 充蓄水库在区域水资源配置方案中的应用分析

5.1 充蓄水库在水资源配置方案中的应用

十堰城区现有马家河水库和茅塔河水库两座本地中型水库，两座水库库容较大，且均为十堰城区供水水库，水库通向城区水厂供水管网已布设连接好，水库水源地保护措施已到位，具备引水入库条件。马家河水库和茅塔河水库位于输水线路附近，其地理位置和高程，可满足自流引水入库条件。考虑城市用水过程年内冬夏季变幅较大，供水不均匀，将外引水先引至马家河水库和茅塔河水库，充分利用这两座水库的调节作用进行充蓄和错峰调度，可以减少输水工程规模，降低工程投资。同时，在潘口水库至马家河水库引水干线每年1月检修期前，可先在马家河水库和茅塔河水库内充库蓄水，作为工程检修期内供水。

5.2 充蓄效益分析

5.2.1 调蓄水库减少输水工程设计流量作用分析

为研究调蓄水库减少输水工程设计流量作用，拟定了潘口水库引水直接进入城区各水厂的直供方案和潘口水库引水先进入马家河水库和茅塔河水库充蓄的方案，将两套方案计算成果进行比较，见表5。由计算成果可知，相比直供方案，采用充蓄方案，可减少引水规模，而潘口水库总引水量和弃水量略有增加，但增加很少。综合工程投资、供水管理等多方面因素，充蓄方案具有明显优势。

表5 直供方案与充蓄方案计算成果对比

潘口引水工程输水干渠检修期设置在1月下旬，检修时间为7天，检修期十堰城区总需水量约为379万m3(扣除中水回用量)。检修期间总干渠停止引水，在检修期前，须对马家河水库和茅塔河水库进行引水充蓄，储备足够水量，保证工程检修期十堰城区的正常供水。计划在汛期结束后的11月初开始充蓄，充蓄时间为11月初至次年1月中旬，马家河水库充蓄水位290.2m，茅塔河水库充蓄水位269.2m。

根据水资源配置模型计算成果，计算多年平均、一般枯水年(P=75%)、特枯水年(P=95%)条件下水库总蓄水量分别为897m3、481m3、427m3，可满足检修期十堰城区供水需求，详见表6。

表6 检修期蓄水量计算成果

6 结 语

为解决十堰市中心城区日益凸显的供水矛盾，本文实现区域水资源合理配置，本文在对十堰城区供、需水量进行系统分析的基础上，拟定了从堵河潘口水库引水的水资源配置方案，并进行了配置水量计算。引水工程渠首设计引水流量为6.70 m3/s，多年平均引水量1.66亿m3。引水后，十堰市中心城区供水保证率达到了99.9%，满足规划水平年城区供水要求。在利用外引水量进行地区水资源配置时，充分发挥了本地马家河水库、茅塔河水库调蓄作用，形成外引水与当地水相结合、区域用水互相调剂的配置格局，实现了减小引水工程规模、预存工程检修期供水等功能。