沙颍河流域水资源配置思路与计算模型

田进宽，郭佳航，左其亭,3，魏钰洁，雪 刚

(1.河南省沙颍河流域管理局，河南 漯河 462000； 2.郑州大学水利科学与工程学院，河南 郑州 450001；3.河南省水循环模拟与水环境保护国际联合实验室，河南 郑州 450001)

我国水资源时空分布极不均衡，部分地区存在水资源短缺现象，严重制约了社会发展规模[1]。合理配置水资源，实施水资源调度可以有效促进水资源可持续利用，对于缺水地区，进行流域水资源配置，制定水资源配置方案，可以提高水资源利用效率，有效缓解地区缺水状态，提高地区发展水平[2]。

关于水资源优化配置研究，都金康等[3]提出了水库群洪水调度模型，分析下泄流量与控制断面洪量关系，采用逐次优化算法研究洪水调度问题；Read等[4]提出了基于经济学的权力指数分配法，对里海地区的水资源优化调配问题进行分析，得出不同的分配方案；郭玉雪等[5]基于多种算法求解典型来水条件下的多目标优化模型，并提出湖泊群联合优化进行水量分配；姬志军等[6]提出了基于动态互馈模拟的半分布式水资源综合模型，对水资源系统单元进行动态互馈分析，并对水资源进行配置；马立亚等[7]针对汉江流域调度对象多、调度规则复杂的问题，建立了汉江流域引调水工程及水库统一调度模型，将汉江流域概化为多个模块组成的水资源系统，实现水资源调度配置目标；吴云等[8]针对供水区发电、灌溉等问题，建立了水资源优化配置模型，利用多目标猫群算法研究供水区水资源分配的问题。虽然上述研究均对流域或水库水资源进行配置，但关于水资源配置的理论研究还不够深入，相关研究较少。沙颍河是河南省粮食主产区重要的灌溉用水来源，同时兼顾几个地市的生活用水[9]，但是沙颍河流域处于北温带向亚热带过渡区，属大陆性气候，流域内降水时空差异性显著，流域内部分河道水库存在水量盈余，而郑州等地市存在用水量短缺问题。因此，亟须制定并实施水资源配置方案，以系统协调各地区之间的用水需求。

1 研究区概况

沙颍河流域位于北纬32°29′～34°57′、东经111°56′～116°31′之间，流域面积39 075.3 km2[10]，流域近90%位于河南省，沙颍河流域河南段范围包括郑州市、开封市等9个省辖市和河南省直管县级市汝州市，如图1所示。沙颍河流域多年平均降雨量760 mm，年内分配很不均匀，呈明显的季节性，丰枯变化显著[11]，汛期降水量约占全年的60%，旱涝灾害时有发生，对农业生产和社会经济的发展产生负面影响[12]。沙颍河流域内有北汝河、贾鲁河、颍河、汾泉河等支流，多年平均地表水资源量为101.59亿m3，多年平均用水量74.09亿m3。沙颍河流域人类活动强烈，干流存在严重的水质污染，造成水质性缺水等问题[13]。

图1 沙颍河流域概况

2 沙颍河流域水资源配置原则和流程

2.1 水资源配置原则

a.流域水资源配置要明确水资源总量不变，为流域水资源配置确定总体水量约束。沙颍河流域人类活动强度大，对水环境影响显著，进行水资源配置时要充分考虑流域和区域水资源承载能力，严格控制取用水总量，实现水资源的可持续利用。

b.沙颍河流域水量受到气候影响，每年流量大小不同，需根据来水丰枯调节水量。根据预报来水，按照同比例丰增枯减原则，制定水资源配置方案。在实时分配中，应优先考虑城乡居民生活用水，其他用水应根据沙颍河实际来水量按比例进行调整。

c.水资源配置应保证沙颍河流域生态安全，服从防洪原则。沙颍河流域降水年内、年际变化大，出现季节性干旱和洪水，水资源配置要保障防洪安全，确保分配的水资源控制在水利设施的承受范围之内，严禁洪水破坏当地生态条件；水库汛期水位不得高于防洪限制水位，汛期过后，逐步抬高蓄水水位，用于农田灌溉等。

d.水资源分配以不损害河流生态环境为前提。在保障生态安全的前提下，进行沙颍河流域水资源调度配置，缓解沙颍河流域水质问题，努力提高水资源利用效率，实现水资源合理调配。

e.水资源配置要保障流域社会经济发展，促进全流域均衡发展。水资源配置要公平合理，兼顾上下游、左右岸的实际情况，充分考虑各行政区域工业和农业发展状况、水资源条件和供用水现状、发展水平等，从实际用水需求出发，最终实现水资源的合理配置。

2.2 水资源配置流程

a.基本资料收集整理。收集沙颍河流域社会经济、水文气象、水资源开发利用、用水量控制目标、主要水库调度运行方式、来水预报、大型水库调蓄情况、各地市用水量等基础资料，进行准确性、合理性分析。

b.主要控制断面及水库来水分析。为实现水资源合理配置，保证生态安全，统筹兼顾控制断面上下游用水需求，根据水利工程及水文站分布情况，合理确定流域内控制断面，根据收集到的流域来水预报信息和控制断面多年平均天然月径流量过程，考虑上下游断面关系，分析计算时段内各区间月径流过程。

c.各控制断面缺水量计算。根据各地市沙颍河流域用水量，各用水行业用水消耗率，计算各地市用水消耗量，将其分解到相应控制断面区间。

d.水量分配模拟。根据时段内来水量过程、用水量计划等数据，遵循水库调度和沙颍河流域水资源配置原则，利用软件模拟水量调度配置过程。

e.水量配置方案制定。根据模拟水量配置结果，为各用水对象制定水量调度配置方案，分析水资源配置方案的有效性、合理性。

3 沙颍河流域水资源配置计算方法

本文利用MIKE BASIN软件，依据沙颍河流域水资源配置原则，建立水资源配置模型，考虑取水优先顺序及河道生态流量等因素，对流域内各种可利用水源按照取水优先顺序进行用水户水量分配研究，实现水资源合理分配。

MIKE BASIN软件是对流域或区域不同时间尺度和空间尺度水资源进行综合分析与管理的工具，主要通过构建数学模型解决产汇流计算、水资源供需分析、污染物评价分析等具体问题[14-15]。MIKE BASIN软件包含对水库优化调度，以及对农业灌溉、城市工业和生活用水进行计划调配等功能模块，可以解决流域缺水地区以优化方式在不同用水者之间进行水资源配置等问题[16-17]。

水资源配置模型主要包括河网、集水区域、供水户、用水户和水库等要素，通过MIKE BASIN软件的内置操作将各个要素联系起来[18]。构建水资源配置模型包括数字流域处理、计算区域划分、水库模拟、用水户计算和供水计算[16，19]等步骤，各计算分区间的水资源量按河段进行上下游传递，在模型中通过河道将各分区进行连接。具体步骤如下：

步骤1数字流域构建。根据数字高程模型、河流要素、水文气象观测资料以及土地利用分类等数据建立沙颍河流域河网模型。

步骤2划分计算区域。利用MIKE BASIN软件的两个功能——“河流追踪”与“流域描述”进行分区计算，将沙颍河流域河南段划分成9个计算分区，计算区域共构建10个用水户、5个水库。

步骤3水库模拟。对水库属性参数资料进行统计，对各个水库进行运行规则的模拟分析，模拟水库运行。

步骤4设立水资源配置模型运行规则。沙颍河流域内农业用水量大，因此，本文所构建的模型用水户分为农业用水类型和其他用水类型。模型基于月尺度划分计算时段，遵循“就近配置”的原则，优先配置给居民生活用水，其次配置给煤电等重要工业，最后配置给农业。

步骤5设置用水户的需水量。直接从河道取水以及由水库供水是沙颍河流域的主要供水方式，因此，在建立的水资源配置模型中把河道设定为直接取水点，在取水点和用水户之间建立供需水关系时间序列。用水时间序列即为单位时间段内用水户的需水量，供水时间序列即为单位时间段内水库及河道内可供给用水户的水量。

步骤6水资源配置模型构建。根据供水节点和用水节点之间的供需关系，构建适用于水资源配置的网络图，并构建沙颍河流域河南段的水资源配置模型，见图2。

图2 沙颍河流域河南段水资源配置概化图

4 结果与分析

根据沙颍河流域水资源配置流程，本文以2015—2016年为例对水资源配置模型进行验证，2015—2016年流域相关数据齐全，且流域降水量为743 mm，与多年平均降水量相近，具有良好的代表性。主要数据涉及沙颍河流域各地市供水量、用水量、降水量、水库库容等。供水量、用水量数据来源于《河南省水资源公报》。流域降水量、各水库库容等数据来自政府网站和沙颍河流域管理局资料。

4.1 来水量分析

本文使用单因素法[20]预报沙颍河流域的来水过程。收集2015年11月至2016年10月沙颍河各水文站、降雨站观测资料，根据沙颍河实际降雨和径流过程分析其变化趋势，推算2015年11月至2016年10月各控制断面的来水趋势，预测沙颍河流域的来水过程。2015年11月至2016年10月逐月天然径流量过程见表1，其中，白龟山水库—周口断面的径流量为白龟山水库到周口断面、孤石滩水库到周口断面和燕山水库到周口断面的径流量之和；燕山水库—何口断面的径流量为孤石滩水库到何口断面和燕山水库到何口断面的径流量之和。可见，各区间在汛期7—10月径流量较多，占比达到全年的60%以上，其中，白沙水库—周口断面年径流量最大，燕山水库—何口断面来水最少。

表1 2015年11月至2016年10月各区间天然径流量 单位:万m3

4.2 用水量统计

水资源配置方案考虑的水库一般有供水对象和可进行调度的大中型水库。沙颍河流域现有大型调蓄水库5座，分别为白沙水库、昭平台水库、白龟山水库、孤石滩水库和燕山水库，供水行政区为郑州市等9个地市及省直管市汝州市。5座大型水库中，孤石滩水库由于来水量偏少，2015年11月至2016年5月基本没有放水灌溉，2016年6—10月计划用水量也为0；燕山水库由于运行时间较短、供水配套工程设施不到位，且近几年来水偏少，暂时没有供水用户；白龟山、白沙及昭平台水库有供水用户，因此，本文仅考虑这3座水库参与水资源调度。根据水库多年平均兴利调度计划得到的2015年11月至2016年5月各水库调度水量及流域内各地市的计划用水量详见表2。

表2 2015年11月至2016年10月各地市计划用水量和各水库调度水量 单位：万m3

4.3 各控制断面缺水量计算

按照《水资源规划规范》，综合考虑干支流、上下游控制断面之间的平衡关系，贾鲁河、颍河上游的控制断面最小生态下泄水量按多年平均天然径流量的6%计算，北汝河、沙河、澧河的控制断面最小生态下泄水量按多年平均天然径流量的5.5%计算，将各地市计划用水量分配到断面区间上，得出各控制断面区间缺水情况。在保证河道生态流量的前提下，模拟各断面可供水量，发现旱季11月至次年5月部分断面区间出现缺水情况；在满足各城市用水和河道生态流量要求下，汛期会有大量的水量盈余。各断面区间全年情况见表3，中牟断面以上区域对应的供水区域为郑州市部分地区，2015年11月至2016年10月中牟断面以上河段下泄水量大于最小生态下泄水量，在控制断面最小生态流量保证率为100%时，其对应的供水区域不存在缺水情况。其余断面区间在控制断面最小生态流量保证率为100%时，供水能力有限，其对应的供水地区存在缺水情况。

4.4 配置方案计算

根据控制断面来水量过程、下泄水量、水库调蓄情况和各用水对象用水量，利用水资源配置模型制定水量分配计划。2015年11月至2016年5月在保证河道生态流量的同时，可以从颍河向郑州市调水，从贾鲁河向开封、许昌市区调水；2015年11月至2016年5月平顶山市从昭平台水库引水进行农业灌溉，2016年2—4月从白龟山水库调水；2015年11月至2016年4月驻马店市从汾泉河引水、周口市从沙颍河引水。从颍河、贾鲁河、昭平台水库、白龟山水库、汾泉河、沙颍河等河道和水库的引水量分别为3 544万m3、3 544万m3、201万m3、106万m3、3 576万m3和3 576万m3。进行水资源配置后区间缺水情况见表3，各区间缺水情况反映至各地市后，缺水量见表4。

表3 水资源配置前后各区间缺水量和下泄水量 单位:万m3

表4 水资源配置后各城市缺水量 单位:万m3

4.5 合理性分析

本文依据沙颍河流域水资源配置原则和流程进行水资源配置，实现优水优用，以有限的水资源来保证居民生活和生产用水。沙颍河流域进行水资源配置后，流域整体缺水量减少，缺水量由34 306万m3减少为19 759万m3，水资源短缺情况得到有效缓解；部分控制断面缺水情况得到控制，其中，中牟断面—周口断面缺水量减小至0，白沙水库—周口断面、大陈断面以上、漯河断面—槐店断面、沈丘断面以上等4个断面区间缺水量减少。反映到各个地市中，开封市由缺水状态改善为正常用水状态，漯河、南阳等城市生活用水得到保证，但是沙颍河流域水资源整体仍处于缺乏状态，水资源配置后，只能够保证开封和洛阳市日常用水，其余地市仍存在少量缺水情况。未来需要采取因地制宜的节水策略，提高农业节水灌溉比例，加强工业和生活节水，促进产业升级，从根本上减少水量消耗。

5 结 语

通过分析沙颍河流域实际情况，提出了沙颍河流域水资源配置原则和流程，并以此为依据，利用MIKE BASIN软件设立分水规则，建立水资源配置模型。选取2015年11月至2016年10月数据进行水资源配置研究，得出的水资源配置方案，可使大部分地市日常生活用水得到保证，表明本文提出的水资源配置思路可以指导沙颍河流域水资源配置，未来可以通过实地调研等方式获取供水线路等详细资料，同时考虑枯水年份等情况，对沙颍河流域水资源配置过程进行更好地模拟。