基于概化水库模型的地表水资源可利用量研究——以里下河平原河网区为例

陈 茉 彤，董 增 川，邵 逸 卿，韩 亚 雷，马 嘉 忆，杨 光

(河海大学 水文水资源学院，江苏 南京 210098)

0 引 言

水资源可利用量是综合规划区域水资源节约、保护、配置、开发、利用和治理措施的必要条件，也是开展水资源承载能力分析的基础[1]。中国部分地区的过度开发导致水资源严重不足，甚至无法保障基本的生活与生态环境用水的需求，水资源短缺已成为约束城市发展的主要问题之一[2]。合理的开发利用可以有效缓解供需矛盾，促进水资源的可持续发展[3]。因此，寻找适合地区地理特性和河流水系特征而且又便于计算的地表水资源可利用量的计算方法，就显得尤为重要[4]。

对于单一河道区的水资源可利用量的计算，中国的通常做法是采用扣损法，即以地表水资源总量为基础，扣除不可利用的地表水资源量。比如，河道内生态需水量和汛期难以控制利用的水量等，该方法原理清晰、计算便捷，而且在中国的西北[5]、华东[6]等地区已得到了实际应用。但对于水网密集的平原区，水系交互错杂，入境水资源与本地水资源共同参与河网调蓄作用，二者难以区分[7]，因此，无法直接使用传统的扣损法进行水资源可利用量计算。本文基于扣损法，以协调生态用水与生活用水为基础，采取高效利用本地水、充分截留过境水的原则，通过搭建入流模块、动态调蓄模块以及出流模块构建平原区概化水库调蓄模型，并将模型运算结果用于对里下河区的水资源可利用量进行评价分析，以期为与此类似的平原河网地区的水资源规划管理工作提供技术支撑。

1 平原河网区地表水资源可利用量计算方法

1.1 地表水资源可利用量概念

地表水水资源可利用量是指在可预见时期内，统筹考虑河道内外的生态环境用水以及其他用水的基础上，通过经济合理、技术可行的措施，区域水资源总量中可供河道外生产、生活一次性用水的最大水量[8]，其中不包括回归水的重复利用。地表水资源可利用量由上游区域流入河网的过境水资源可利用量、本地地表水资源可利用量以及外调水资源可利用量3个方面构成[9]。保障生态环境用水是水资源可利用量计算的基础，除此之外，由于洪水水量的年际变化幅度大，为能最大限度地利用洪水资源[10]，应以实际工程的取水能力作为控制条件来计算汛期难以利用的下泄水量。

1.2 概化水库模型的构建

本文中概化水库模型由入流模块、动态调蓄模块以及出流模块构成。入流模块由不同来水频率(50%，75%，90%，95%)下研究区的逐日本地地表水资源量及其上游地区来水量构成；出流模块采用3种不同的工程取水能力(现状工程取水能力、规划工程取水能力、远景工程取水能力)控制水库出流；动态调蓄模块以河流的最小生态水位作为概化水库的死水位、以河流的警戒水位作为概化水库的正常高水位，计算得出参与调蓄的有效库容。在此基础上，再综合另2个模块的输出结果进行动态调蓄计算，即可得出各情景下的水资源可利用量及汛期的弃水量，如图1所示。

图1 概化水库构成模块Fig.1 Schematic reservoir composition module

本次研究基于4种来水频率、3种工程引提水能力以及2种生态水位取用值(最小、适宜)，设置了24种情景进行动态调蓄计算。概化水库模型计算情况如表1所列。

表1 概化水库模型计算情景

1.3 水位库容关系的搭建

借助于ENVI软件，对遥感影像资料进行解译，提取河流各水位对应的水面面积，并得到水位Z与水面面积S的对应关系。在本次研究中，每隔0.01 m水位设置一个计算刻度[11]，利用公式(1)～(2)计算各概化水库不同水位下的对应库容，拟合得到水位库容Z～V的曲线(见图2)。根据下垫面条件和水流特征将研究区进行分区，并将每个分区都视为一个小型概化水库，再结合生态水位与警戒水位得到各小型概化水库的生态库容、警戒库容以及参与调节的有效库容，将所有小型概化水库的有效库容之和作为研究区参与调蓄计算的总有效库容。

图2 库容计算示意Fig.2 Storage capacity calculation diagram

(1)

(2)

V有效=V警戒-V生态

(3)

(4)

式中：Vn为第n个计算水位对应的库容，亿m3；V0为初始库容，亿m3；ΔVi为相邻2个计算水位间的库容差，亿m3；Δh取0.01 m；Si，Si-1为相邻2个计算水位对应的水面面积，m2；V有效为各小型概化水库的有效库容，亿m3；V警戒为警戒水位(正常高水位)的对应库容，亿m3；V生态为生态水位(死水位)的对应库容，亿m3；V总为研究区的总有效库容，亿m3；Vj，有效为第j个概化水库的有效库容，亿m3，m为概化水库的个数，个。

1.4 生态水位的设定

为了满足不同程度生态需水下的水资源可利用量，除了计算最小生态需水量之外，同时还考虑到了适宜的生态需水量，并将二者对应的水资源可利用量计算结果进行分析对比。采用最小生态径流法，在超过20 a的天然月径流系列中取生态径流量的最小值作为最小生态流量[12]；采取逐月频率计算法，基于丰、平、枯3个时期的流量资料，对不同时期不同保证率下的径流量进行计算，即可得到该年的适宜的生态径流过程，并将其作为适宜的生态流量。

根据式(1)和式(2)拟合得出的水位库容曲线，读取最小生态需水量对应的库容数值，并将其转换为概化水库的最小生态水位取用值。对于适宜生态需水量的时间序列，读取每日需水量对应的日库容数值，并通过水位库容曲线转化为对应的日水位，取年水位均值作为其适宜的生态水位取用值。

1.5 概化水库水量调蓄计算研究

假设可取出工程取水能力对应的全部水量，对于任一平原河网水库，运用水量平衡方程可计算出该水库在一定时段内的蓄水量变化情况。以此为原则，建立日尺度概化水库模型如下：

V2=V1+(I-Q下泄-Q取水)Δt

(5)

式中：V2为时段末库容，亿m3；V1为时段初库容，亿m3；I为概化水库入流，亿m3；Q下泄为难以利用的下泄水量，亿m3；Q取水为工程取水能力；Δt为时段长，本文中取为1 d。

在本次研究中，将研究区内本地的地表水资源量及其上游地区的来水量输入入流模块，将3种情况下的工程取水能力(现状能力、规划能力、远景能力)输入出流模块，通过动态调蓄模块进行水库水量调蓄计算。在具体计算过程中，采取优先满足生态需水的原则，其中，研究区的本地生态需水的优先级最高，其次为下游地区的生态需水。根据时段末库容V2与生态水位、警戒水位对应库容(图中以V生态，V警戒表示)的关系，动态调蓄模块在具体计算时可分为如图3所示的3种情况。

图3 动态调蓄模块计算流程Fig.3 Calculation process of dynamic storage module

1.5.1情况1

当V2>V警戒时，此时超出的部分水为水库的弃水，工程取水能力下的可取水量即为该时段的水资源可利用量：

V下泄=max{Q工程不可取×Δt+Q汛期弃水×Δt，

Q下游生态×Δt}

(6)

V时段可利用量=Q工程取水×Δt

(7)

式中：Q工程不可取为现状工程能力、规划工程能力、远景工程能力下不可取的水量，亿m3；Q汛期弃水为高于警戒水位的水库弃水量，亿m3；Q下游生态为研究区的下游区域生态需水量，亿m3。

1.5.2情况2

当V2

V补=V生态-V2

(8)

(1) 当Q工程取水×Δt-V补≥0时，表明削减工程取水量已满足以下条件：

V2=V生态

(9)

V下泄=Q下游生态×Δt

(10)

V时段可利用量=Q工程取水×Δt-V补

(11)

(2) 当Q工程取水×Δt-V补<0时，表明即使削减了工程取水量也无法满足需水缺口，此时按照优先级，通过削减下游生态需水量来优先满足本地的生态需水：

V下泄=Q下游生态×Δt-V补2

(12)

当下泄水量V下泄≥0时，V时段可利用量=0。

当下泄水量V下泄<0时，本地生态需水量也不能满足：

V2=max(0，V生态-|V下泄|×Δt)

(13)

此时，V时段可利用量=0。

1.5.3情况3

当V生态≤V2≤V警戒时，工程可取水量为该时段的水资源可利用量，计算公式如下：

V时段可利用量=Q工程取水×Δt

(14)

V下泄=max{Q工程不可取×Δt，Q下游生态×Δt}

(15)

各时段初相继以上一时段末的库容状态为起始库容状态，所有时段的水量调蓄计算结果累加数即为水资源可利用总量，即：

(16)

2 实例分析

2.1 研究区域概况

2.1.1研究区自然地理概况及分区

里下河区是江苏省3级水资源分区，区内圩网密布、河湖纵横，形成了“两纵九横”的水系格局[13]；里下河区东抵里运河，南达苏北灌溉总渠，扬州至南通328国道以及如泰运河以北、通榆河以西区域，总面积约为11 722 km2[14]。里下河区多年平均降水量为1 025 mm，汛期降水量占比高达全年降水量的2/3，降水年际、年内分布极为不均。随着近年来里下河区城市化进程的推进，人类活动对河网水文条件及生态水文过程的影响愈发剧烈，水资源开发难度日渐上升；而多年粗放型经济发展引发的水资源短缺现状，已成为里下河区面临的新问题。

本次研究以下垫面条件相似、河流水位相近为依据，将里下河区划分为斗龙港-大团、西塘河-黄土沟、苏北灌溉总渠-阜宁腰闸、栟茶运河-小洋口闸共计4个片区(见图4)。

图4 里下河区分区概况Fig.4 Overview of the Lixiahe district

2.1.2数据来源

本次研究涉及的地表水资源量、入境水资源量1/2及径流、降水、蒸发等数据，均来自江苏省水文水资源勘测局的统计数据以及各地市水资源公报；水面面积数据来自ENVI 5.3及GIS对遥感影像的提取；现状工程、规划工程及远景工程的取水能力数据来自《江苏省水中长期供求规划(2015～2030)》。

2.2. 计算结果

2.2.1里下河区生态需水量计算

里下河区最小生态水位及适宜的生态水位最终取值如表2所列。里下河区下游沿海，其下游地区的生态需水量以20世纪50～60年代多年平均年入海径流量的80%来估算。计算得出的里下河区境内入海河流的河口冲淤保港基本生态需水量为34.17亿m3。

表2 里下河地区各分区生态水位取用值

2.2.2结果分析

里下河区现状工程、规划工程、远景工程的引调水能力分别为143.61亿，178.21亿，217.59亿m3。按照式(1)～(4)，对里下河各片区的有效库容进行计算；按照式(5)～(16)，对里下河区进行了概化平原河网水库调节计算。满足最小生态需水的地表水资源可利用量及满足适宜生态需水的地表水资源可利用量分别如表3～4所列。

表3 地表水资源可利用量(满足最小生态需水)

从可利用水资源数量来看(见图5(a)和图5(b))：里下河区的水资源可利用量结果总体呈现为随工程取水能力提升、水资源量增长而增加的规律，即呈正相关关系。但随着概化水库生态水位的调高(即水库死水位提高)，在动态调蓄模块计算时，参与调蓄的水量减少，时段末库容达到“情况2(V2

表4 地表水资源可利用量(满足适宜生态需水)

图5 各工程能力下可利用量变化趋势Fig.5 Variation trend of available amount under each engineering capacity

图6 最小与适宜生态水位下水资源可利用量变化(现状工程能力)Fig.6 Variation trend of available water resources under minimum and suitable ecological water level in current water projects

从可利用量计算结果与实际用水量比对来看(见表3)，现状工程能力下，在95%来水频率(1967年)时，由于水资源的开发利用程度较低，采用现状工程取水能力进行取水计算，得出的水资源可利用量结果为当年实际用水量的3倍；随着经济社会的快速发展，产业用水量的急剧增加导致水资源短缺问题日益严重，故50%来水频率(2010年)时的水资源可利用量仅能勉强满足当地用水。目前，主要是通过江水北调工程和东引工程对里下河区的水资源提供供给；南水北调东线工程建成后，在保证完成供水目标的同时，还需兼顾到里下河东引灌区的水资源需求，因此，里下河区可考虑采用远距离调水、完善工程体系、优化用水结构等方法，最大限度地提高水资源可利用量，解决用水短缺问题。

从水资源可利用率及开发利用情况来看(见图7)，平水年的水资源可利用率反而较枯水年的水资源可利用率小，主要是平水年来水多、基数大导致的。由图7可以看出：在远景工程能力下，里下河区地表水水资源可利用率(情景12)最高可达到62.07%，比同样的来水频率下的现状工程能力(情景4)下的地表水水资源可利用率提高了约10.48%，表明该区仍有较高的水资源开发利用潜力。里下河区洪水资源丰富，但由于其特殊的地势条件，极易因洪致涝，造成洪水资源浪费等现象。为此，可通过增加投资，兴建里下河区各引提水骨干工程的方式，在防洪排涝的同时提高水资源的可利用率。

图7 各工程能力下水资源可利用率变化趋势(满足最小生态需水)Fig.7 Variation trend of water resources availability under each engineering capacity meeting the minimum ecological water demand

里下河区地表水可利用率最低为39.00%(情景1)，高于全国地表水可利用率平均水平约28.1%[15]。然而，就淮河流域而言，其地表水可利用率达到了51.50%，里下河区在现状取水能力下仅在情景4条件下的可利用率略高于淮河流域0.09%，其余情景下的水的可利用率都未能达到淮河流域可利用率水平。随着后续引提水工程的实施，调控水资源的能力将得到进一步加强，里下河区的水资源可利用率也将得到进一步提升；同时，为了缓解用水紧张问题，增加水资源的开发利用效率，里下河区还应继续优化供水管网，提升供水效率。除此之外，推进区域生态环境效益项目的建设，也可以在一定程度上提高生态补水能力[16]，减轻水资源供需矛盾。

3 结 论

(1) 本次研究通过概化平原河网水库的方法，统筹考虑到现状工程能力及规划工程能力下水资源不同的开发利用状况，对里下河区的水资源可利用量进行了计算分析。结果表明：在现状工程能力下，里下河区的地表水资源可利用量介于81.01亿～97.99亿m3之间；在规划工程能力下，地表水资源可利用量介于95.73亿～104.90亿m3之间；在远景工程能力下，地表水资源可利用量介于93.80亿～114.41亿m3之间。

(2) 里下河区的地表水资源可利用量计算结果与地区的工程取水能力以及水资源总量呈正相关关系，但随着生态用水需求的提高呈下降的趋势；各种情景下计算得出的水资源可利用率均高于全国水资源可利用率的平均水平，但大多数情况下尚未能达到淮河流域的水资源可利用率水平。

(3) 里下河区城市化进展迅速，人类活动对河网水文条件及生态水文过程的影响愈发剧烈，水资源开发难度日渐上升，导致缺水问题日益严重。随着里下河区各引提水骨干工程的兴建，水资源可利用量将得到进一步提升；同时，为了增加水资源开发利用效率，缓解用水紧张问题，导致里下河区还应采取增加远距离调水的措施、继续优化供水管网以及完善工程体系，以提升里下河区的供水效率。

综上所述，本次研究提出的方法可以较好地适应平原河网区交互错杂的河流水系特征，可为其他同类地区的水资源可利用量计算提供参考。同时，对于本文考虑不周的部分还需进行继续深化探讨。比如，本文模型动态调蓄模块中有关每年的生态水位、警戒水位为定值，后续应将其细化为逐日的水位进行更为精准的计算。另外，本文仅对地表水的水资源可利用量进行了计算分析，尚未考虑到地下水的水资源可利用量，因此，还需进一步开展深入研究。