应急备用水源联合调度方案分析——以黄岩区应急备用水源联调为例

张辰旸，童 旭，李子远

（浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310017）

1 问题的提出

随着我国社会经济发展，水资源短缺问题越来越突出，水资源在时间和空间分布不均的情况严重制约其利用效率，一般解决降雨时空不均的手段是通过兴建水库等工程蓄水，进而开展科学调度。近年来，随着水资源日益短缺和突发性水污染事故频发，国内各城市都在抓紧寻找或建设应急备用水源[1]，如何合理利用应急备用水源以保障城市用水安全是城市稳定和发展面临的新课题。

配置城市应急备用水源是城市抵御突发性污染事件、应对干旱等极端天气最有效的措施，是城市供水保障体系降低供水风险、保障特殊时期供水安全的最主要手段，是城市水资源保障能力的韧性体现。目前我国对应急备用水源的研究尚处于起步阶段，如何利用现有水库进行科学联网调度以达到合理分配水资源，仍需要进一步探讨。分析现阶段我国城市应急备用水源，发现目前应急备用水分类以及水量计算分析的基本依据是传统用途，分为生活用水、工业用水、灌溉用水和生态环境用水。本文对应急备用水源提出新的用水分类方式，为应急备用水源方案的用水量计算以及后期的调度模式提供参考途径。

2 用水分类

应急备用水库用水可分为区内用水（现有供水区）和区外用水（向水厂供水）。其中，区内用水包括灌溉用水、生态环境用水、生活用水等；区外用水根据用水特征可分为应急用水、备用水和补充用水。

2.1 应急用水

通常在确定应急水源规模时，一方面要考虑到供水风险的持续时间。应根据不同城市的水源特点及面临的不同水质风险类型，选择持续时间最长的风险时段作为确定应急水量所需要的风险持续时间。另一方面需考虑日供水量。由于城市规模、性质不同造成用水特征不同，优先保证的供水区域及行业也会有所差别，供水量可压缩潜力的差距较大，这些都会影响城市供水应急水源规模的确定。当应急水源规模受客观条件所限时，应急供水应首先满足城市居民的基本生活用水需求，其次为重大生命线工程和重要基础设施的用水需求，包括医院、电力、通信、消防、供热供气、党政机关、公用公共服务等，以及其他特殊用水，如重点企业、科研机构用水。

对于单一供水水源城市，应急水量按下式确定[3]：

式（1）中：Q为应急水量，m3；q为城市平均日用水量，m3/d；k为风险期用水压缩比例，%；t为持续时间，d。

2.2 备用水

备用水是针对水厂供水出现阶段性、突发性的用水增加，常规水源供应紧张而需要提供的其他可用水源，以提高城市供水保证率。其特点为：一是阶段性或突发性，如每年7—8月份出现用水高峰，或由于某种原因导致短期用水突然增加；二是根据本地供水系统运行特点合理设定备用目标作为有限备用；三是在备用水源水量充足时，可反复使用备用功能。

2.3 补充用水

补充用水是水库在满足本区用水、确保应急备用水的前提下能向区外提供的水量。这部分水量不需要供水保证率，这样既能充分利用水库的水资源，又能在一定程度上改善水厂供水紧张的状况。

2.4 水库现有供水区用水

水库现有供水区用水主要包括生活用水、灌溉用水、生态环境用水、工业用水等，可运用传统需水量计算方法进行计算。

3 项目分析

为解决城市供水安全问题，台州市黄岩区决定设立黄岩区城市应急备用水源工程。佛岭水库、西溪水库作为黄岩区城市应急备用水源工程的水源后，现有调度运行方式将发生较大改变；因此，为使2个水库的调度运行符合现状，需重新思考合理、可行且较为科学的调度方式，既能满足水库用水各方的基本需求，确保应急备用水源满足黄岩区城市用水需求，又可充分利用水库水资源，实现水厂、水库效益最大化。

3.1 项目概况

3.1.1 水库概况

佛岭水库位于台州市黄岩区沙埠镇，地处西江水系南岙溪上游，坝址位于南朱村，距沙埠镇约3 km，距黄岩区政府所在地约17 km，是一座以防洪为主，结合灌溉发电的中型水库。西溪水库位于黄岩区院桥镇西溪村，距院桥集镇约6 km，是一座以防洪灌溉为主，结合发电、养鱼等综合利用的小（一）型水库。水库位置示意见图1，水库信息见表1。

图1 西溪水库与佛岭水库位置示意图

表1 西溪水库与佛岭水库信息表

3.1.2 黄岩区城市供水现状

黄岩区城市区域目前的供水设施有黄岩水厂、西城水厂、江口水厂、院桥水厂和台州市一、二期供水工程的输水设施，黄岩城区供水主要由黄岩水厂承担。

3.2 用水分类计算

3.2.1 应急用水

根据参考文献[5]，综合考虑多方因素，黄岩区城市应急备用水源工程按日用水20.0万m3取水规模设计。根据往年供水风险分析，黄岩区城市供水风险主要由供水管线损坏需要维修导致，参考近几年的实际维修天数并考虑计算富裕度，取维修日15 d，则应急水量为300.0万m3。

3.2.2 备用水

考虑佛岭、西溪两水库有一定的调节能力和水量，可设定一个合适的备用水量，主要针对突发性用水和调节高峰用水。分析黄岩水厂近3 a的运行记录，日用水最大值的日均偏离值为3.0万m3，小时供水强度偏离更大。本次拟按日用水规模20.0万m3的25%考虑为5.0万m3[6]，调节时间取2个月计60 d，参考应急用水计算公式，则备用水量为300.0万m3。

3.2.3 补充用水

参考补充用水定义，本项目的补充用水量不另行计算。

3.2.4 水库现有供水区用水

佛岭、西溪两水库主要提供灌溉和生态环境用水，其中佛岭水库还提供少量农村生活用水。目前两水库发电均结合灌溉用水、生态环境用水及弃水。

根据当地收集的资料，佛岭水库灌溉面积约366.7 hm2，西溪水库灌溉面积为106.0 hm2。灌溉用水采取定额法计算，为确保水库灌区的可能最大灌溉用水需求，本次水量平衡计算灌溉面积均以水田计，并按双季稻计算。灌溉保证率按90%考虑，并按用水定额进行节水控制。根据《台州市用水定额》（台水利 2017 74号），两水库灌区农业灌溉分区属III区，薄露灌溉方式下，90%保证率的早稻用水定额3 075.0 m3/ hm2，晚稻用水定额3 450.0 m3/ hm2，合计用水定额6 525.0 m3/ hm2，考虑到两水库下游灌区还有较大集雨面积的径流汇集，灌溉水利用系数取0.78。

生态环境用水采用Tennant法，又称蒙大拿（Montana）法，取多年平均流量10%计算生态环境流量，4—9月灌溉期的下泄流量控制在10%以上，这样在满足农田灌溉需求的同时可满足河道生态环境用水需求。经分析计算，佛岭水库的生态环境流量为0.07 m3/s，西溪水库的生态环境流量为0.02 m3/s。

佛岭水库提供少量农村生活用水。据本次调查，有2个村自行接入水库输水洞出口段钢管，总用水人数约1 400人，其中南胡村1 100人，南朱村300人。

根据《台州市用水定额》（台水利 2017 74号），农村生活用水定额按城市管网覆盖区确定，并考虑今后城市管网延伸，取较大值160.0 L/（d ·人），计算得农村生活用水224.0 m3/d，全年农村生活用水约8.2万m3。

根据径流长系列调节计算，佛岭水库年均灌溉需水量184.0万m3，生态需水量169.0万m3，生活需水量8.2万m3；西溪水库年均灌溉需水量53.0万m3，生态需水量51.0万m3。

3.3 调度方案

从前述资料来看，两水库的防洪调度从正常水位起调，均能达到规定的洪水标准。本次重点研究兴利调度方案，洪水调度从现状汛限控制水位和正常水位起调2种情况来考虑。

3.3.1 水库调节库容设置

水库径流资料分析结果表明，水库日引水量越大，年径流利用系数也越大，径流利用越充分。两水库日引水量与年径流利用系数关系见表2。

表2 水库日引水量与年径流利用系数关系表

分析表2可知，如果两水库仅靠用水户引水调节，其日引水量规模最大不超过30.0万m3，年径流利用系数在58%以下，年径流利用总量不超过1 600.0万m3。

设置水库调节库容可提高径流利用率，相当于增加引水流量。调节库容设置得越大，水库调节能力越强，径流利用越充分。两水库若按20 a一遇洪水总量设置调节库容，即佛岭水库设置741.0万m3、西溪水库设置216.0万m3，合计957.0万m3，则除极个别特大洪水外几乎都能拦截。考虑到调节库容的利用率和用水需求的实际情况，实际年径流利用系数可达80%以上，两水库年径流利用总量超过2 200.0万m3，每年可增加径流利用量600.0万m3。

3.3.2 水库库容安排

前述几种用水可根据用水特点安排兴利库容位置。应急水量在任何时候都必须保证，故应安排为垫底库容，非应急需求不得动用。备用水量可安排在垫底库容之上，补充水量可利用上部兴利库容调节。

佛岭水库正常库容1 332.5万m3，死库容9.4万m3，可安排应急库容250.0万m3，备用库容300.0万m3，尚有773.1万m3库容可容纳20 a一遇3 d洪水总量。佛岭水库备用库容按5.0万m3/d，备用60 d，总计300.0万m3考虑。

西溪水库正常库容311.6万m3，死库容5.6万m3，可安排应急库容50.0万m3，不考虑备用库容，则有256.0万m3库容可容纳20 a一遇3 d洪水总量。

3.3.3 计算方案

拟定计算方案共有8种，见表3。以下方案的区外用水，两水库按佛岭水库75%、西溪水库25%分配。

表3 水库调节计算方案表

3.3.4 计算结果

根据常规径流调节计算方法、水库控制运行水位以及水量平衡计算参数，通过编程进行计算，并统计各方案的计算成果（见表4~5）。

表4 佛岭水库各方案1963—2018年平均值汇总表

表5 西溪水库各方案1963—2018年平均值汇总表

3.3.5 结论及建议

通过对不同方案的计算结果进行比较分析，两水库应急库容、备用库容的设置及大小，控制运用方案以及对外供水规模等，都会影响两水库对区外的供水能力和供水量。

（1）应急库容、备用库容越小，区外供水量越大，径流利用越充分；但两水库作为黄岩水厂的应急备用水源后，应急必须保障，备用应该合理。尤其是设置备用库容后，对7—8月用水高峰期能保证5.0万m3/d的水量供应，解决城市高峰期用水需求非常有效。因此，建议两水库共设置300.0万m3应急库容，其中佛岭水库250.0万m3，西溪水库50.0万m3。考虑到两水库的库容系数、径流调节能力和控制运用的方便性，在佛岭水库设置300.0万m3备用库容。

（2）两水库区外供水规模越大，年径流利用系数越大，越能充分利用水库天然径流量，但供水规模取决于应急备用供水工程的输水能力及黄岩水厂的处理能力。建议调度方案在满足区内供水需求的情况下，尽量加大区外供水，以充分利用两水库的水资源。

（3）两水库的控制运用方式会影响径流调节及水资源的利用率，在满足水库防洪安全的前提下，尽量提高控制运用限制水位，增加径流调节库容，减小弃水。经前述分析，两水库的控制运用限制水位可定在正常水位。

（4）由前述计算结果可知，各方案两水库的运行水位都比较低，蓄洪能力基本能达20 a一遇不出库。因此，拟定方案在提高水库径流调节能力、防洪能力、天然径流利用量和水资源利用率的同时，也有利于提高西江水系的防洪排涝标准。

在水库实际控制运用过程中，应视天气变化情况，适时、适当提高水库运行的低水位，尽可能改善库区的生态景观。

（5）本次分析主要从宏观角度研究两水库的功能利用、不同库容的合理安排、控制运用的优化方案，最大程度满足各方用水需求，最大可能提高水资源利用率。具体水库年度控制运用，尚须结合年度汛前水雨情及中长期天气预报，制订年度控制运用计划，报主管部门批准后实施。

4 结 语

为保障城市的供水需求，设立相应的应急备用水源，对用水进行分类并分析相应用水量，以及提出科学合理的水源调度方案来提高水资源利用率，是值得探讨与研究的问题。本文对应急备用水源的总需水量进行细化分类，有助于当地后期调蓄方案中对用水需求的主次把控和水量把控。本次应急备用水源联合调度方案分析为其他应急备用水源联调方案提供一种新的用水分类模式示例和调度模式参考。