基于水资源供需均衡目标模型下东兴水功能区水资源配置研究

周子杰

(广东经纬工程咨询设计有限公司，广州 510091)

1 概述

水资源的优化配置乃是对水资源高效利用的重要保障，提升水资源配置水平有利于优化地区水量供需关系[1-2]，降低用水矛盾，因而基于理论模型研究水资源优化配置具有重要意义[3-4]。张帆等[5]、王一杰等[6]利用多目标函数模型，研究了地区水资源供需现状，分析水资源优化配置结果，为地区规划年水资源配置设计提供了参考。但不可忽视，地区供水与用水具有显著差异性，确保水资源配置模型能够完全适用是不现实的，故刘美钰等[7]、吴国新等[8]、冯淑琳等[9]利用各种智能算法解决水资源配置模型，以求规划年水资源供需平衡。解决水资源供需平衡问题，不仅仅需要考虑算法问题，同样需要考虑模型目标的全面性与均衡性[10-11]，涉及水资源目标函数模型的相关成果在某些地区适用性较好，但仅针对部分地区，有些地区还需考虑水资源供需时空分布特征，所以开展耦合供需均衡目标的水资源配置研究很有作用。本文根据东兴水功能区水资源供需现状，对规划年水资源供需量进行了预测分析，并结合水资源供需均衡函数模型开展规划年水资源配置优化研究，为水资源规划设计提供参考。

2 水功能区现状概况

2.1 工程概况

东兴水功能区乃是整个东兴地区重要集水、供水来源，核心区域位于马路镇，该区域内包括有老大塘水库、新大塘水库、峡下水库、飞神水库、坳背塘水库、黄宗塘水库、石角水库，属于Ⅱ、Ⅲ类水功能区。其中最大库容为飞神水库，位于东兴水功能区南侧，设计总库容为255万m3，蓄水大坝最高为22.45 m，设计调洪库容为67万m3，承担着东兴地区工、农业用水，惠及农田超过3.33万hm2。其次库容最大为峡下水库，坝高为17.73 m，位于飞神水库南侧，设计库容为42万m3，死水库容为15.5万m3，主要面向下游生活用水、农业灌溉。水功能区中地表水库最小库容为黄宗塘水库，设计库容为15.69万m3，可增库容为9.5万m3，是东兴中西部地区农村生活用水、农业用水重要源头。该水功能区内地表水资源丰富，在西北侧分布有山溪水流，可作为补充式供水来源，地区内地表总集水面积超过19.77 km2，径流流域属于滃江，包括补充式山塘、山溪等水源203处。东兴水功能区面积超过120 km2，陆域面积为82 km2，年降水量为1 500 mm，在来水保证率50%、90%下年降水量分别为1 450 mm、1 080 mm，流域内河流以滃江为主水系，分散有多个支流水系，与地下水资源和地表蓄水库等共同构成了东兴水功能区供水来源。为提升东兴水功能区攻供给能力，并控制用水总量红线与地下采水控制线，提升水功能区水资源供、需平衡。

2.2 水资源供需现状

根据对东兴水功能区现状调查，需水项目主要分为生活、农业、工业及补充用水，而农业用水是水功能区面向的重要供给项目，本文现状年专指2020年。农业用水规划灌溉面积为445.61 hm2，主要农作物包括水稻与甘蔗，水稻灌溉保证率为85%～95%，项目总灌溉保证率为90%，灌溉净定额为579 m3/亩，其他作物的灌溉定额参考甘蔗灌溉定额，为520 m3/亩，项目区水稻现状年各月净灌水量平均值变化特征如图1所示。经综合计算，现状水资源利用系数设定为0.56，即总年农业需水量为662.82万m3。

生活用水根据项目区人口与用水定额估计，年需水量约为355万m3，此参数是在来水保证率75%时生活需水量。由于项目区内限制工业规模，控制点源、面源造成的水质污染，因而工业需水量较小，调查得知现状年各月工业用水如图2所示。从图2中可知，工业用水整体在各月均较平均，年各月工业需水量平均值为5.48万m3，总需水量为65.7万m3。补充用水主要面向地区水功能区生态补水，项目区管理机构设定每年6—8月为该水功能区内河流、地表蓄水库等水利工程的补水区间，设定年需补水量约为255万m3。

图2 现状年各月工业用水示意

根据对水功能区各水利工程及地下水资源情况调查，年地表水可供水量为597万m3，而地下水资源根据红线控制原则，年可开采量为320万m3，其他供水来源包括有循环用水等方面，每年约为225万m3。根据现状年供水调查，近10 a地表水供应量为递增态势(如图3所示)，其中现状2020年地表水供应量超过550万m3，平均每年地表供水总量增长5.3%，地表水占总供应量的比例逐年上升，在现状年2020年已达到85%。地下水供应量逐年递减，此为逐步适应地下水开采红线，有目的性减少地下水供应量，现状年的地下水开采量在2018—2020年均较稳定，为320～330万m3。

图3 近10 a地表水供应量示意

为分析方便，本文将项目区按照间距与人口分布划分出S1～S8共8个需水区(如图4所示)。从现状年水资源供、需关系可知，水资源失衡较为严重，特别在项目区S8区域中农业缺水率超过7.5%，而其根源一部分因为水利设施的运营效率，另一原因则是水资源配比失衡。故针对项目区的水资源供、需现状，分别开展规划年水资源的供需预测分析，并引入水资源时空分布均衡理论模型，探讨对规划年水资源供、需关系分析研究。

图4 项目区8个需水区示意

3 规划年水资源供需预测分析

3.1 需水量预测分析

根据规划年需水项目，对东兴水功能区8个分区的4个用水部门开展预测分析，生活需水量按照人均定额进行计算：

(1)

式中:

R1、R2——各分区内城镇与农村人口；

q1、q2——相应的用水定额。

以定额计算获得规划年中8个分区生活需水量如图5a所示。从图5a中可知，两个规划年中需水量以S7分区为最高，对应该地区人口量最多，规划年2025年、2030年需水量在该分区分别达73万m3、81万m3；而需水量较低的地区为S4，分别达为21万m3、30万m3，相比S7分区需水量，差幅可达71.2%、63%；由此可知，基于人口用水定额计算的需水量差异很大程度还是人口量差距，项目区预测规划年2025年、2030年生活需水总量为360万m3、411万m3。

a 2025年

a 生活

农业需水作为地区最重要项目，针对不同来水保证率下预测计算获得各分区农业需水量(如图5b所示)。从图5b中可知，两规划年在保证率50%下农业需水总量分别为636.2万m3、605.8万m3，而保证率90%时需水总量较前者分别降低了23.7%、23.4%；各分区中农业需水量较均匀，差幅较小，在规划年2025年保证率50%下，最大、最小需水量分区分别为85万m3、75.5万m3，差幅为11.2%；同样在规划年2030年中各分区农业需水量差距较小，最大差幅仅为10.7%。分析表明，项目区内农业需水量均匀分布，与农田灌溉、水利工程分布位置密切相关。

工业用水与生态补水在两规划年中分布如图5c所示，两个用水项目在年总需水量中占比较小，规划年2025年两项目的需水总量分别为71.5万m3、287.6万m3，而规划年2030年较前者分别增幅为46.4%、17.7%。综合保证率50%、90%下各部分需水项目预测分析可知，规划年2025年在两保证率下的需水总量分别为1 355.1万m3、1 505.96万m3；同理，规划年2030年的需水总量分别为1 460.11万m3、1 603.1万m3。

3.2 供水量预测分析

针对东兴水功能区供水项目划分成地表、地下、循环水及调度补水4部分供水项目，其中地表供水项目分成蓄水工程、引水工程及灌渠水资源，基于现状年水利工程及拟建水工设施，预测获得规划年2025、2030年水资源供应量如图6所示。

从图6中可知，地表水供应量占比为最大，在来水保证率50%下2025年中地表供水量达1 066.9万m3，而该规划年中地下可供水量为120.3万m3，占规划年中9.7%；在规划年2030年相同保证率下地表可供水量增长了14.2%，达1 216.32万m3。调度补水量在供水总量中占比较低，在规划年2025、2030年下分别为32.5万m3、42.9万m3，而循环水供水量在4部分供水项目中为最低，规划年中该部分供水总量均为 25.6万m3。

综合计算获得规划年2025、2030年供水总量(如表1所示)。在规划年2025年保证率50%、90%下供水总量分别为1 245.3万m3、1 152.85万m3，而规划年2030年两保证率下供水总量较之增长了13.1%、6.9%，分别可达1 408.66万m3、1 231.95万m3。对比规划年水资源供、需量可知，存在水资源失衡矛盾，应对规划年水资源配置开展优化探讨。

表1 规划年供水总量 万m3

4 规划年水资源配置优化分析

4.1 模型建立

本文在考虑社会效益目标、经济目标、生态目标基础上，耦合有水资源供需时空分布均衡目标，根据上述多目标构建水资源配置模型[12-13]，进而探讨规划年水资源最优配置。

社会目标考虑供水项目缺水率，其函数模型如下：

(2)

式中:

Mjk、Zijk——规划年某项目用水部门的需水量、供水源向该项目能够供应的水量；

I、J、K——供水来源、用水项目、用水量。

经济目标考虑用水项目的最大经济效益，计算函数模型如下：

(3)

式中:

λijk——供水来源i向j项目的的k部门供水经济系数；

ai——供水优先顺序。

a 2025年

a 2025年

生态环境目标以水功能区总化学污染物分布含量作为评价参数，其关系式如下：

(4)

式中:

水资源供需时空均衡效应目标如下：

(5)

式中:

εj——权重；

LJ——评价指标；

DJ——均衡系数；

Ij——均衡发展指标。

综合四目标的水资源配置模型具有约束条件，其约束条件分别如下：

1) 供水量约束。水资源模型中具有最大供水量限制条件：

(6)

式中:

Mi——总供水量。

2) 需水量约束。各用水项目需水量未超过最大需水量，如下式：

(7)

式中:

Mk——总需水量。

3) 水资源总量约束。水资源总量乃是地区水资源量最高限制条件：

(8)

式中:

N总——用水总量上限。

4) 所有参数变量不为负。

4.2 模型求解结果分析

利用MATLAB平台结合粒子群算法迭代求解[14-15]，最大迭代次数设定为300次，维数为4，计算水资源配置结果(如图7、图8所示)，计算结果可靠性与适配性均较高。

从考虑水资源供需均衡目标的模型配置结果可知，各用水项目基本实现供需平衡，规划年2025年保证率50%下可供水量、需水总量配置结果分别为1 416.4万m3、1 380万m3，具有富裕供水量；而保证率90%下供、 需水总量具有差额15.2万m3，缺水率为0.99%，而该缺水项目即为农业项目。规划年2030年中缺水率有所增大，在保证率90%中缺水额达3.1%，仍为农业用水项目，该保证率下供、需水总量分别为1 578.13万m3、1 629.2万m3；而在保证率50%下水资源供需仍为平衡状态，供需量均为1 488.83万m3。水资源配置优化结果表明，在考虑水资源时空供需均衡性后，项目区水资源配置结果显著优于规划年预测结果，两规划年中最大缺水率低于5%，用水安全性较高[16-17]。

5 结语

1) 预测规划年2025年在两保证率下需水总量分别为1 355.1万m3、1 505.96万m3，2030年需水总量分别为1 460.11万m3、1 603.1万m3；各分区中农业需水量较均匀，最差幅较小；规划年2025年中工业用水与生态补水需量分别为71.5万m3、287.6万m3。

2) 预测规划年2025年保证率50%、90%下供水总量分别为1 245.3万m3、1 152.85万m3，规划年2030年相比之增长了13.1%、6.9%；地表供水占比最大，保证率50%下2025年、2030年地表供水量分别为1 066.9万m3、1 216.32万m3，循环水供水量占比最低，在两规划年中均为25.6万m3。

3) 经水资源配置模型计算规划年2025年保证率50%下可供水量、需水总量配置结果分别为1 416.4万m3、1 380万m3，保证率90%下农业用水具有缺水额，缺水率为0.99%；规划年2030年保证率50%下水资源供需平衡，水资源量均为1 488.83万m3，保证率90%下农业用水缺水率增大至3.1%。

4) 耦合水资源供需时空分布均衡目标建立的水资源配置模型适配结果可靠性高，模型配置水资源供需较合理，规划年高保证率下缺水率较低。