基于三次平衡原理的水资源优化配置研究

潘淑慧

(菏泽市河湖流域工程管理服务中心，山东 菏泽 274000)

1 三次平衡原理

三次平衡原理是一种较为先进的供需分析理念，不同于传统的供需一次分析法，三次平衡原理包括供需一次平衡分析、二次平衡分析、三次平衡分析。其中，一次平衡分析是现状供水能力与外延式需水增长的平衡，可以作为水资源调控措施统一权衡的决策依据，未来可能最大缺水量可以通过对不同水平年的一次平衡来反映；二次平衡以一次平衡为基础，对充分开源、非常规水资源利用和全面节水的水资源进行供需平衡，可以反映能实现的最小缺水量；三次平衡是在二次平衡的基础之上，将能外调进来的水与区内的水资源统一配置后进行供需平衡，反映了在外调水影响下的供需平衡[1-3]。

2 实例分析

2.1 研究区概况

某市地处华北平原，境内分布多条河流水系，中心城区年降雨量615.2～968.3 mm，根据该市2020年水资源公报成果，该市中心城区地表水资源量为5153万m3，地下水资源量为9321万m3，水资源总量为13 224万m3(扣除与地表水重复的地下水资源量1250万m3)。为保障该市中心城区内的正常供用水，目前，该市范围内已建有蓄水工程2560余座，总库容16 460万m3。2020年该市中心城区总供水量10 665万m3，其中，地表水供水量1185万m3，地下水供水量8120万m3，其他水源供水量为1350万m3。用水方面，2020年中心城区总用水量10 665万m3，其中，生活及城市公共用水4555 m3，工业用水量4616万m3，农业用水量1244万m3，城乡环境用水量为250万m3。从工程供水能力来看，现状年基本能实现供需平衡，但近年来由于下垫面条件改变，流域范围内天然径流量呈现明显衰减趋势，未来随着经济社会的发展水资源供需矛盾可能进一步加剧，因此，有必要对中心城区水资源进行供需分析，作为中心城区水资源优化配置的依据[4-5]。

2.2 需水量预测

本次分析以2020年为现状年，2025年为近期规划年，2035年为远期规划年。从用水区域上划分，需水量分为城镇需水和农村需水两大类；从用水行业方面，又可分为生活、工业、农业和生态环境四大类。本次需水量按用水行业预测[6]。

(1)生活需水量。生活需水包括城镇生活需水和农村生活需水，生活需水量按定额法预测，根据相关定额规范，取水定额分为通用值和先进值，通用值通常反映了该区域内平均节水水平下的取水定额，先进值则反映了行业较高节水水平下的取水定额，据此预测平均节水水平下2025年、2035年中心城区生活需水量为5320万m3、7835万m3，较高节水水平下的生活需水量为4611万m3、6810万m3。

(2)农业需水量。农业需水包括农田灌溉和林牧渔需水，其中，林牧渔所占比例较小，农田灌溉水量主要受有效灌溉面积、种植结构和节水灌溉水平等因素的影响。近几年来，中心城区的农业用水量趋于稳定，预计未来农田灌溉面积无较大变化，本次结合该市农田水利规划中确定的规划年的灌溉定额指标及相关定额规范预测平均节水水平下2025年、2035年中心城区农业需水量为1321万m3、1427万m3，较高节水水平下的农业需水量为1201万m3、1297万m3。

(3)工业需水量。工业需水主要考虑中心城区内企业生产用水，采用相关定额规范中规定的工业产品取水定额，按照城市发展规划中给定的工业增长率预测平均节水水平下2025年、2035年中心城区工业需水量为5680万m3、7870万m3，较高节水水平下的工业需水量为5410万m3、7495万m3。

(4)生态环境需水量。按照该市城市总体规划中的绿地系统规划，到2030年中心城区森林覆盖率达到45%以上。绿地与广场用地面积1482 hm2，人均12.55 m2。在考虑节水型社会建设、环境景观需水的前提下，本次河道外生态环境用水需求以人均城镇绿化面积、人均道路面积与相关定额标准进行预测，中心城区平均节水水平下2025年、2035年河道外生态环境需水量分别为511万m3、845万m3，较高节水水平下的河道外生态环境需水为402万m3、665万m3。

2.3 可供水量预测

根据该市水资源开发利用的实际情况，该市开发利用水资源的方式主要有三种，一是采用引水方式直接取用河道地表水，二是水库供水取用地表水，三是采用傍河取用地下水。该市通过建设不同类型取水工程，分别取用地表水和地下水。可供水量为供水工程供水能力和可利用的水资源量两者之间取小值，由此得到不同水平年常规水源可供水量。通过比较，不同水平年不同来水条件下，该市可利用的水资源大于工程供水能力，再生水以需水预测结合再生水利用率的方法确定。经计算，现状及规划水平年中心城区可供水量计算结果如表1所示。

表1 现状及规划水平年中心城区可供水量计算结果 万m3

2.4 三次平衡分析

2.4.1 供需一次平衡分析

根据表2需水量预测结果，在现状节水水平和水利工程现状供水能力条件下，2025年中心城区总需水量为12 832万m3，可供水量按中心城水利工程现状供水能力10 655万m3计，则2025年缺水量2177万m3，缺水率17%；到2035年中心城区需水量为17 977万m3，可供水量仍按现状供水能力10 655万m3计，缺水量为7332万m3，缺水率41%。从2025年到2035年这10年间需水量增加主要是由于城镇生活需水量和工业需水量的大幅提升，根据三次平衡分析原理，通过供需一次分析可获得现状供水能力下的最大供水缺口。从预测来看，如果不新增供水能力，水资源供需不平衡势必会制约中心城区经济社会发展，因此，必须强化节约用水，逐步减小用水需求，以缓解当地水资源供给压力。

表2 规划水平年中心城区水资源供需一次平衡分析 万m3

2.4.2 供需二次平衡分析

根据表3在充分挖掘未来节水水平和工程供水能力条件下，2025年中心城区总需水量为11 624万m3，可供水量按该市规划的工程最大供水能力，预计可供水量达到12 635万m3，满足2025年需水要求；到2035年中心城区总需水量为16 268万m3，可供水量为15 210万m3，缺水量1058万m3。与供需一次分析相比，通过提高中心城区节水水平并发掘工程最大供水能力，供水缺口得到大幅缩减。为此，应进行供需三次分析。

表3 规划水平年中心城区水资源供需二次平衡分析 万m3

2.4.3 供需三次平衡分析

在供需一次和二次分析的基础上，2025年中心城区最大缺水量为2177万m3，最小缺水量为0万m3，2035年中心城区最大缺水量为7322万m3，最小缺水量为1058万m3，为保证中心城区有序发展，2035年该市将实施引调水工程，每年调入外来水1058万m3，从而解决中心城区缺水问题，见表4。

表4 规划水平年中心城区水资源供需三次平衡分析 万m3

2.5 水资源优化配置

在配置水资源时生产生活用水应尽可能将地下水置换成当地地表水，非常规水主要用于工业企业生产和生态环境建设，地下水主要用于城乡生活、农业灌溉和少量工业生产。到2025年预计非常规水量为1840万m3，可优先作为工业用水，不足水量由地下水补充；地表水量1345万m3，可配置给城镇生活用水，不足水量由地下水补充，其余行业用水均取地下水。根据配置结果，预计2025年中心城区将有1011万m3富余水量。到2035年预计非常规水量将达到3560万m3，可优先供给工业用水，由于工业用水量较大，不足水量取地下水，外调水由于供水成本较高，如用于农业、生态等用水行业将大幅提高供水价格，不利于行业发展，本次配置考虑将外调水配置于城镇生活用水，并将地表水1450万m3用于城镇生活，不足部分由地下水补充，其余行业用水均取地下水。本次配置完成后，供需达到平衡，规划年水资源优化配置如表5所示。

表5 规划水平年水资源优化配置 万m3

3 结 语

通过三次平衡分析，预测到2025年中心城区缺水量为0～2177万m3，2035年中心城区缺水量为1058～7322万m3。在充分挖掘未来节水水平和工程供水能力条件下，到2025年可实现水量供需平衡，但2035年仍会有1058万m3的缺口，需调入外来水才能解决。考虑华北地区地下水压采要求，进行水资源配置时，应优先配置非常规水，主要用于工业用水，其次是地表水，主要用于生产生活用水，最后分配地下水。在城镇化进程中，应不断开发利用非常规水源，提高水资源重复利用率，逐步压减地下水开采量。