沂河流域需水量与水资源调度研究

赵丽萍

(山东省临沂市兰陵县会宝岭水库管理处，山东 临沂，277712)

随着社会经济的大力发展，城市对水资源的需求量越来越大。自然界中的水资源总量是一定的，受到时间和空间不均衡的影响，导致水资源分布不均。水资源是城市发展重要的基础资源，需要得到合理的调配与利用。沂河流域水资源较为丰富，但随着流域经济的快速发展，水资源短缺的问题也日益凸显出来。因此，了解沂河流域水资源供需状况，解决水资源供需矛盾迫在眉睫[1]

1 流域概况

沂河是沂河流域沂沭水系的重要支流之一，又称沂水。其中大部分位于山东省中部腹地，沂水河发源于沂源县，向南流经山东省的8个县区，最终流入徐州市，总长度约280km，其中山东240km，江苏40km。在刘家道口，沂河有一个引水口，长约75km。沂河流域面积约12000km2，流域有许多复杂的支流，年径流量约35亿m3。

2 模型原理

2.1 流域概化及模型

通过对沂河流域的分析，将沂河流域概化为五个水库、三个用水单元、三个水资源计算分区、五个汇水区，流域概化元素如图1所示。

图1 流域概化图

构建概化数学模型目标函数及其约束条件时，水库调配优先保障生活用水，其次满足河道内生态用水，合理安排工业、农业用水。该水量配置模型中，水库供给城镇生活、工业生产用水的优先级要高于农业灌溉用水。以无定河年取水量的总和为目标函数；以各取水项目取用地表径流后的河川径流量必须保障河流生态需水量为约束条件；以优先保障生活用水，其次保障河道内的生态需水量，尽可能地供给工业需水和农业需水为配置原则。求解目标函数最大值，即流域内的年最大取水量。具体计算公式如下[2]:

目标函数：

maxZ=ΣXJ+ΣA+ΣDK+ΣCl

约束条件：

Wi-ΣXJ-ΣA-ΣDk-ΣCl-ΣX损失+ΣX上游下渗量≥Wi生态

0≤Xj≤Xmax

0≤A≤Amax

0≤C1≤Cmax

0≤DK≤Dmax

ΣXJ+ΣA+ΣDK+ΣCl≤W可利用

(i=1,2…,m;j=1,2,…,n;k=1,2,…p;l=1,2,…q)

式中：Z为目标函数，是流域年取水量的总和；Xj为各个水库向用水户的年供水量；A为沿河农业灌溉年取水量；DK为沿河生活用水年取水量，p为生活用水户最大个数；C1为沿河工业用水年取水量，q为工业用水户最大个数；Wi为控制断面年径流量，m为设立的控制断面个数；X损失为控制断面上游水库因蒸发、渗漏造成的年损失水量；X上游下渗量为控制断面上游水库年下渗损失量；Wi生态为控制断面上游的年生态需水量；Xmax为各水库年最大供水量；Amax为流域农业灌溉用水沿河取水最大值；Cmax为流域工业需水沿河取水最大量；Dmax为流域生活用水沿河取水最大值；W可利用为流域地表水资源最大可利用量。

2.2 水量平衡模型

在满足计算精度的前提下，在调度水资源时，通过定义节点间的来水节点、蓄水节点、取水节点、退水节点和水流路径(河道或渠道)，将沂河流域水资源系统进行简化，把复杂的水资源系统转化为可以采用数学模型描述的简化系统，实现整个系统的模型处理[3]。

通过定义节点间的来水节点、蓄水节点、取水节点、回水节点和水流路径(河道等)，构建了沂河流域的总体网络图。在考虑水文演变因素的基础上，采用线性规划等优化方法对节点参数和水流路径参数进行了标定，建立了沂河流域水资源与水平衡模型[4]。水量平衡模型主要用于水流演进过程中回水参数的标定。水量平衡模块的总体框架如图2所示。

图2 水量平衡模块总体框架

2.3 水库联合调度模型

水资源调度的复杂程度较高、综合性强，属于多种目标决策系统。需要从城镇居民用水、工业生产、农业生产和生态环境等方面考虑，以防洪发电为目标，最大限度地发挥用水效益。在实际的调度过程中，很难把所有的目标都考虑进去。要根据目标的重要性，调整各需水单位的用水量，优化总体目标[5]。

图3 用水单元划分

3 水文条件及需水量

3.1 水文条件

沂河流域降雨丰沛，是该地区降雨较多的流域，通过对历史降雨资料的搜集和整理，得到沂河流域1960-1980年的降雨资料。沂河流域的多年平均降雨量约为850mm，流域内多年平均径流深约为327mm，年径流量约为35亿m3。根据临沂水文站多年的监测资料显示，年径流量最大约为65.9亿m3，年径流量最小约为8.5亿m3。且沂河流域的降雨主要集中在6-9月份，其中7、8月份的年径流量占到年径流量的65%以上。

3.2 河流水资源量与需水量

通过现有能够收集到的资料选择合适的算法模型，尽可能准确地计算出沂河流域的需水情况。对往年水资源公报和年鉴分析，临沂市沂河流域用水单元、淄博市沂河流域用水单元的年人均用水定额取166.67m3/人。计算临沂市用水单元、淄博市用水单元的生活用水量如表1。计算公式如下：

表1 生活用水预测

EW=PLwLr

式中：EW为用水单元计算分区中生活用水总量；P为人口数；LW为年人均用水量；Lr用水利用效率[6]。

通过对往年水资源公报和年鉴分析，临沂市沂河流域用水单元、淄博市沂河流域用水单元的万元工业生产值耗水量为9.48m3/万元。预测2019年临沂市用水单元、淄博市用水单元的工业用水量如表2。计算公式如下：

表2 工业用水预测

RW=Sevi·IQ/IR

式中：RW为用水单元计算分区中工业用水总量；Sevi为年工业生产总值；IQ为工业需水定额9.48m3/万元；IR为工业用水利用效率0.79。

通过分析临沂市沂河流域用水单元、淄博市沂河流域用水单元、徐州市沂河流域用水单元往年水资源公报和年鉴各种农作物的用水定额。预测2019年临沂市沂河流域用水单元、淄博市沂河流域用水单元、徐州市沂河流域用水单元的农业需水量如表3，蓄业需水量如表4。

表3 农业需水量

表4 畜业需水量

通过对沂河流域水资源公报、年鉴等资料的收集，根据当地人口、工业、农业的增长率以及净水定额预测沂河流域2019年的需水量。将流域内各用水单元的预测用水汇总，预计沂河流域 2019年的需水总额约89434.18万m3。根据需水预测的结果发现临沂市的工业用水占流域总工业用水的84.7%，区域工业用水量大，未来应进一步加大该地区工业用水的水资源利用效率。

为了保证流域的生态环境，防止由于用水过度造成的水资源的匮乏，保证沂河河道的生态、河道外的生态以及地下水水位的安全。生态用水也将采用用水定额的方式计算。即根据当地的生态防护林及生态绿化植株确定用水，城镇生态用水定额为0.40 L/m3·d，农村生态用水定额为0.3-5 L/m3·d。

4 水量调度方案

根据中长期供水预测，2019年沂河流域最大供水量15.26亿m3。根据《沂河流域水资源配置报告》，考虑到现有工程的供水能力，预测供水量的10%作为河基流量，90%作为地表可供水量。本研究未考虑水利工程供水能力减弱，可供水量13.734亿m3。根据淮河流域和山东半岛综合规划，沂河流域年平均供水量19.66亿m3，50%供水频率20.56亿m3，95%供水频率12.92亿m3。

对于50%来水频率和95%来水频率的月可供水量的计算，首先需要根据历史径流数据，绘制出皮尔逊Ⅲ型频率曲线；然后找出典型来水年，确定月径流分配比例系数；最后将得到的50%、75%、95%三种来水频率下的月径流量作为输入，进行水库的调度计算，得到各水库的水位变化曲线及各用水单元的用水保证率。

在对2019年来水量预测和需水量分析的基础上，建立了新的月调水方案，并设置了初始水位为正常蓄水位的调水方案。不同保证率时的水量调度方案详见表5、表6、表7。

表5 50%来水情况下的水量调度方案 单位：m3/s

表6 75%来水情况下的水量调度方案 单位：m3/s

表7 95%来水情况下的水量调度方案 单位：m3/s

沂河流域缺水主要发生在3月、4月和5月。对于不同来水频率下，徐州市的用水保证率最高，这是由于徐州市在沂河流域内的面积小，取水主要是生活用水，在供水原则中优先保证生活用水。

5 结论

本文将需水预报划分为生活用水预测、工业用水预测、农业用水预测以及生态用水预测4个模块，采用用水定额的方式进行计算。水资源调度模块在满足计算精度的前提下在进行水资源调度时，通过定义沂河的来水节点、蓄水节点、取水节点、退水节点和节点间的流路(河道或渠道)，将沂河流域进行概化。通过需水模型计算得到沂河流域2019年预计需水89434.18万m3。为了更真实全面地的模拟2019年来水情况下的水库调度情况，本次采用50%、75%(2019年预报值)、95%三种来水频率，进行水库调度的模拟。本研究可为沂河流域水资源调度提供参考。