焦作市水资源的优化配置研究

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(河南省水利科学研究院 a.河南省水利工程安全技术重点实验室；b.河南省节水灌溉工程技术研究中心，郑州 450003)

1 研究背景

焦作市水资源总量为10.045亿m3，地表水资源量为4.179亿m3，浅层地下水资源量为5.481亿m3，中深层地下水可开采总量为0.385亿m3；而现状年水资源开采量为11.612亿m3，地表水供水量为3.635亿m3，浅层地下水资源量为5.157亿m3，中深层地下水可开采总量为2.820亿m3。可见焦作市的水资源问题是很突出的，尤其是通过超采深层地下水满足对水资源的需求，更是饮鸩止渴。

随着“十二五”计划的经济社会发展速度加快,总量增加,人民生活水平增高,水资源供求矛盾日益加剧[1]，对水资源承载能力的过度透支，使地下水超采问题异常严重，产生了大片的漏斗区，并且漏斗区日益扩大[2]。经济的快速发展使污水排放量持续快速增加，加之对农药喷洒和灌溉施肥等缺乏有效的管理，造成生态水环境的不断恶化。区域内6条主要河流监测断面均在5类水质以下，已完全丧失水体的功能。地表水质的现状基本是有水皆污，也对地下水造成了严重的污染。为了解决水资源供需矛盾，促进社会经济的可持续性发展，必须遵循公平、高效和可持续利用的原则，对区域内的水资源进行优化配置[3]。

2 水资源配置的方法原则

2.1 计算节点与水资源配置网络

水资源配置系统内的各类物理元素(计算单元、水利工程、河道渠道交汇点)间通过线段(河道、渠道)的相互联结形成水资源配置系统网络[4-5]。将区域内的河流或渠道上具有汇流、供水的物理元素概化为12个计算节点。以计算节点为纽带，以河道、渠道作为主线，按照水资源的供、用、耗、排水关系，把供水水源、水利工程、计算单元相互连接在一起，形成一个完整的水资源配置网络，见图1。

图1 焦作市水资源配置系统网络图

2.2 计算单元分区

水资源配置系统是个复杂的巨系统，为实现对系统配置模型的分析计算，需要对水资源的整体供需系统进行概化，将水资源配置区域划分成计算分区。

2.2.1 焦作市行政区划

焦作市辖解放区、山阳区、中站区、马村区4个市辖区与一个省级高新技术产业开发区，和修武县、武陟县、温县、博爱县4个县，代管沁阳市、孟州市2个县级市。全市共有45个街道、36个镇、22个乡。总面积4 001 km2，焦作市行政分区见表1。

表1 焦作市行政分区

2.2.2 焦作市四级流域分区

焦作市位于河南省西北部，地表形态复杂，从北部向南依次分布有山地、丘陵、山前倾斜平原和冲积平原。依据《全国水资源综合规划》，按照四级分区进行焦作市的水资源分区，焦作市流域分区见表2。

表2 焦作市流域分区

2.2.3 计算单元划分

计算单元是水资源配置分析计算的基础，为了水资源配置的可靠性和准确性，需要划分更多的计算单元，但相应的工作量也越大，因此需要合理均衡考虑。

首先按四级流域分区将整个区域划分为12个计算分区，将焦作市区划分为岗区和平原区2个计算分区，6个县市的城区划分为6个计算分区，共计20个计算分区。见计算单元划分表3。

2.3 水资源配置原则

焦作市水资源配置遵循高效性、公平性、可持续性的原则[6-7]，确定水资源评价指标的原则及核心指标选择运用经济手段与行政措施[8]，实行优水优用，对可利用水源在区域间和各用水部门间进行优化调配。

2.3.1 供水优先规则

根据水资源的形式、性质将其划分为不同的水源工程类型，为每种工程类型分配不同的供水优先序，按照供水优先顺序进行水资源的配置。

表3 计算单元划分

按照“先节水后开源”，“先治污后调水”，“充分利用中水等非常规水资源，建设节水型社会”原则和要求，设定焦作市水资源配置的供水优先序，焦作市水资源配置供水优先规则见表4。

表4 焦作市水资源配置供水优先规则

2.3.2 用水优先规则

用水优先规则是按照水资源配置的原则制定出来的，水资源分配是按照用水优先级进行的。用水优先规则的制定是各个用水行业、群体利益的平衡点，是体现政府对各个生产行业的态度，政策性较强。在不同的时空背景条件下，各种用水类型的项目紧迫性、重要性可能会有不同，因此制定出来的用水优先规则也可能会不同，水资源配置的结果也可能会不一样，这也是政府参与、引导产业结构调整的有效手段。焦作市水资源配置用水优先规则见表5。

表5 焦作市水资源配置用水优先规则

2.3.3 水源与用户对应规则

水资源配置中，由于水源的性质、水源供水范围与用户对水源的要求，每种水源只能供给指定类型的用户使用，根据水源性质、用户类型，在体现“优水优用”的原则下制定水源与用户的对应规则，水源与用户对应规则见表6。

表6 水源与用户对应规则

2.3.4 水源工程与用水单元对应规则

由于水源工程只能对供水范围内的用水单元供水，水源工程与用水单元之间存在一对多、多对多、多对一的关系，比较复杂，并且不同地区的对应关系是不一样的，需要进行详细调查分析才能得到，水源工程与用水单元之间具有特定的关系，是不可复制的。

3 构建数学模型

3.1 目标函数

数学模型最终体现为目标函数，焦作市水资源配置以供水满足程度最大化，也就是用户缺水程度最小为目标[9]构建目标函数模型，即

(1)

3.2 约束条件

3.2.1 水量平衡约束

水量平衡约束包括计算节点水量平衡约束、水库水量平衡约束，地下水平衡约束等。

3.2.1.1 计算节点水量平衡约束

计算节点是实际工程概化的不具有蓄水能力的一个虚拟节点，节点任何时刻的来水量等于退水量。计算节点来水量包括河道来水量、渠道来水量、上游计算节点的退水量；退水量包括灌溉渠道退水、污水处理回用的剩余退水。

3.2.1.2 计算单元水量平衡约束

D(i,t)=N(i,t)+P(i,t)+H(i,t)-

Q(i,t) -W(i,t) 。

式中：D(i,t)，N(i,t)，P(i,t)，H(i,t)，Q(i,t)，W(i,t)分别表示第i计算单元第t时段的退水量、供水量、降雨量、水库蓄水量、水量渗漏损失、蒸发消耗损失。

供水量包括从河道、水库、地下水等提取的水量，退水量同上；水量渗漏损失根据供水渠道按照供水量的比例计算，蒸发消耗损失按照不同月份的水面面积蒸发系数计算。

3.2.1.3 水库水量平衡约束

V′(i,t+1)=V(i,t)+Nr(i,t)+Hr(i,t)-

Qr(i,t)-Lr(i,t) 。

式中：V′(i,t+1)，V(i,t)分别表示第i个水库在第t时段末库容和时段初的库容；Nr(i,t),Hr(i,t),Qr(i,t),Lr(i,t)分别表示第i个水库第t时段水库的天然来水量、人工补水量、下泄水量、水库蒸发及渗漏损失水量。

3.2.1.4 地下水平衡约束

地下水的平衡比较复杂，影响因素较多，不易分析计算。焦作市水资源配置中的地下水采用年允许开采量作为地下水平衡约束的综合数据使用。

3.2.2 供水能力约束

共用水源

(2)

独占水源

(3)

地下水源

(4)

3.2.3 输水能力约束

任何一个水源在单位时间内为用户提供的水量不能超过该水源的工程输水能力。

3.2.4 河道最小流量约束

河道最小流量包括河道最小下泄流量、生态流量和纳污流量，最小下泄流量是扣除焦作市河道用水指标后的下泄水量；生态流量是维持河流基本生态需求的最小流量，可按河道多年平均径流量的15%估算；纳污流量是维持稀释净化污水能力的最小流量，按水功能区规划的水质要求决定；这三者之间的最大值即为河道最小流量约束值。

3.2.5 用户需水约束

对于有需水下限要求的用户(如农作物的凋萎系数等)，如果不能保证该用户的需水下限要求，则该用户在本周期内将面临消亡(农作物绝收)，不再有需水量要求。

3.2.6 其他约束

计算过程中的用水量不能大于供水量；污水回用量不能大于污水处理量；变量的非负约束等。

4 焦作市水资源配置

4.1 各水平年需水预测

按水资源综合规划细则，工业需水量的预测采用定额法。以基准年的定额和增加值及火电装机为基础，分别预测不同水平年的定额和增加值及火电装机，最后得出相应的需水量；建筑业需水可采用万元增加值定额法和单位建筑竣工面积取水定额法预测，第三产业需水采用第三产业从业人员生活用水定额预测；城镇用水定额的标准和建设社会主义新农村的要求，参照焦作市城镇及农村生活用水基准定额适当提高；农业用水参考河南省于2004年颁布实施《用水定额》(DB41/T385—2004))地方标准，对主要农作物灌溉定额和综合灌溉定额进行预测，并重视林牧渔畜业节水，提高其用水效率，降低用水定额。焦作市各水平年需水预测成果详见表7。

表7 焦作市需水预测成果

注：表中50%、75%、95%列的数值分别为对应保证率下的需水量预测值。

4.2 供水工程规划

焦作市水资源配置首先立足当地水资源条件，在需求侧通过各种节水措施进一步压缩用水需求，进行水价调整和增强管理来抑制需水的过快增长；在供水侧进一步挖掘区域内供水潜力，加大工程投资，通过改造和新建蓄、引、提水工程，提高当地水资源的开发利用量；通过提高污水处理率和处理质量，提高污水回用率，提高水资源的利用率，增加水资源的有效供给量；在抑制需求、增加有效供给量、提高水资源利用率等方面共同努力。

焦作市为适应经济发展需要，结合河南省水利工程规划，到2030年计划建设4座水库，新建或改建4个灌区，包括南水北调工程在内的3个外调水工程，详见表8、表9和表10。

表8 焦作市水库工程发展规划

表9 焦作市规划灌区改造

表10 焦作市规划外调水工程

4.3 地下水开采规划

焦作市浅层地下水开采量5.16亿m3，可开采总量为5.21亿m3,整体上焦作市现状年浅层地下水不超采，但是从焦作市各个行政分区进行分析，存在现状浅层地下水的超采，且超采量合计达7 428万m3，地下水超采区主要分布于温县和孟州市2县市，超采率分别为155.0%和29.9%。形成了沁丹河漏斗区、卫河漏斗区、小花干漏斗区，小花干山区也存在浅层地下水超采。详见表11。

表11 焦作市四级流域分区地下水统计表

考虑到焦作市水资源分布的严重不平衡，部分地区地下水利用量大，地下水超采严重的现状，而地表水、外调水工程尚不能满足焦作市社会经济发展的需要，地下水开采量应采用逐步限制的方案进行。水资源配置的地下水合理利用遵循如下原则：①保持社会经济发展的连续性，使地下水超采只减不增的原则；②统一调配地表水和地下水，优先使用地表水及优水优用的原则；③压采岩溶水，用好孔隙水和充分发挥地下水调蓄功能的原则；④全面规划、逐步推进、直至采补平衡的原则。详见表12。

表12 焦作市地下水压采方案设计

4.4 焦作市水资源配置结果

采用3次供需平衡的方法对焦作市水资源进行配置分析，首先立足当地水资源条件，在需求侧通过各种节水措施进一步压缩用水需求，进行水价调整和增强管理来抑制需水的过快增长；在供水侧进一步挖掘区域内供水潜力，加大工程投资，通过改造和新建蓄、引、提水工程，提高当地水资源的开发利用量；通过提高污水处理率和处理质量，提高污水回用率，提高水资源的利用率，增加水资源的有效供给量；在抑制需求、增加有效供给量、提高水资源利用率等方面共同努力。

在此基础上，考虑国家南水北调中线工程水源以及国家对引黄工程用水指标的综合分配，对包括外调水源在内的水资源总量进行全局考虑，同时将浅层地下水利用限制在可开采量限额内。深层地下水原则上不考虑开采的情况下，按照焦作市经济发展规划的用水需求，对水资源工程在其供水范围内，进行合理调配，使各行政区域的水资源配置尽可能满足高效性、公平性、可持续性的要求。焦作市推荐方案的多年平均配置结果见表13。

表13 焦作市水资源配置多年平均的推荐方案

4.5 存在问题

根据表13所示的焦作市水资源配置多年平均的推荐方案的结果分析，2030水平年在中远期规划的水利工程竣工投入使用，并引入外调水源参与水资源分配后，在对地下水资源严格限制超采的情况下，博爱、修武等县市水资源仍不能完全承受其经济发展规划指标的要求。博爱县的缺水率高达10%，而由于自然水资源环境条件所限，当地水资源不足，又没有更多的外部水源可供利用，因此应调整产业结构，大力发展高效节水技术，限制、关停高耗水企业，打造具有博爱县特色的经济社会发展模式；修武县也需要对产业结构和相关经济指标进行调整，使焦作市的整体社会经济发展规划具有更好的可持续性。

5 结 论

焦作市水资源配置面对缺水较为严重的现状，规划大力进行开源节流，提高水资源承载能力，实行节水、污水并重，减少地下水的开发量，使地下水资源得到涵养，使焦作市水资源利用进入良性循环的可持续性利用远期目标。

(1) 焦作市水资源总体上虽说不是缺水很严重，但因水资源分布的严重不均，地表水、地下水污染严重，致使焦作市成为一个水资源问题严重的地区。

(2) 焦作市的社会经济发展对地下水的依赖很严重，造成地下水超采严重，形成了多个地下水漏斗区。

(3) 焦作市虽然地质条件特殊，具有深层地下水的补给条件，但其深层地下水的开采量远大于补给量，而且深层地下水补给困难，作为备用和应急水源使用更为合理。

(4) 博爱县由于自然条件所限，在采取各种工程和非工程措施的条件下，缺水率仍高达10%，需要从调整产业结构或降低经济发展规划指标入手，实现人水和谐的社会经济良性循环。

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