济宁市南水北调受水区地下水压采替代水源方案优选研究

2015-12-16刘志峰王琳琳林洪孝

水利规划与设计 2015年2期

刘志峰，王琳琳，林洪孝

(1．山东省水利工程管理局，山东济南 250014;2．山东省环境监测中心站，山东济南 250013;3．山东农业大学，山东泰安 271018)

1 前言

济宁市位于鲁西南腹地，地处黄淮海平原与鲁中南山丘区交接地带，地理坐标为北纬34°26'～35°57'，东经 115°52' ～ 117°36'，总面积10684．9km2，该市矿产资源丰富，工农业发达，是国家重点粮棉基地和能源基地，亦是鲁西南工业重镇。

然而，随着经济的发展和人口的增长，济宁市水资源利用的供需矛盾日益尖锐，地下水超采严重，造成大面积降落漏斗和部分地区的地面沉降。本着可持续发展的思想，2005年9月，济宁市通过了《济宁市南水北调受水区地下水压采方案研究》，确定了在济宁市南水北调受水区到2013年压采3782万m3地下水(平水年)和到2018年压采7583万m3地下水(平水年)的目标。因此，在全市需水量不断增加的现实情况下，只有开源、节流，而且要充分利用南水北调水源，即找到替代水源才能解决水资源供需矛盾，促进济宁市经济社会的和谐发展，故济宁市南水北调受水区地下水压采替代水源方案的研究则尤为重要，对当前工作具有现实的指导意义。

2 替代水源分析

替代水源是指替代地下水压采的水源，是超采区地下水压采的基本水资源条件。

2.1 南水北调分配水量

南水北调水量是压采的首要替代水源。根据南水北调规划成果，2013年和2018年分配给济宁市受水区的水量分别为4500万m3、8000万m3。

2.2 节水潜力

根据济宁市节水规划，分析受水区内未来的节水水平。由《济宁市水资源综合规划—节水规划专题报告》得平水年2013年和2018年各行业节水规划量及污水处理回用量。见表1所示。

表1 济宁市2013年和2018年各行业节水潜力及污水处理回用量(P=50%)

2.3 当地水资源开发潜力

当地水资源开发潜力分析，主要是分析当地水资源可能增加的供水量，包括地下水新增供水量、地表水新增供水量。

2.3.1 地下水新增供水量

地下水新增供水量包括地下水回灌水量、兖西奥灰水源的开发量、滨湖地区因潜水蒸发的减少而新增的开采量等。由《济宁市南水北调受水区地下水压采方案研究》可得平水年2013年和2018年地下水新增供水量分别为1500万m3和2200万m3。

2.3.2 地表水新增供水量

新增地表水水源主要是充分利用当地地表径流获得，其主要工程措施是拦蓄工程。

蓄水工程主要指湖东山溪性河道，在上游修建尽可能大的集水池，中游修建小水库和塘坝工程或兴建层层截潜工程，下游沿河布大口井和地道井等截潜工程。此工程措施在曲阜北部山丘区已有实践，并获得了成功。拦水工程主要指平原坡水河道，河道径流量年内相差悬殊，汛期河水暴涨，枯季水量陡减，因此在河道适当位置兴建拦河闸坝，对河道上游来水进行跨季节、跨年度调蓄，可增加地表水的可供水量。

由《济宁市南水北调受水区地下水压采方案研究》可得平水年2013年和2018年地表水新增供水量分别为3000万m3和4000万m3。

3 替代水源方案优选模型的建立

建立替代水源优选模型，进行替代水源方案优选，解决该市地下水压采和需水量增加而造成的水资源供需矛盾。

3.1 建模思想

拟算出采取的各项减少地下水开采措施的节水量、新增开发当地水源量与南水北调调水量的优化分配方案，即在满足减少开采地下水量和增加新需水量的同时，得出较优的节流开源布局方案。

3.2 建立模型

以供水经济效益最大为目标，建立目标函数，创建替代水源优选模型。

式中:Wc—水费总收入，万元;

Wj1—工业节水量，万m3;

Wj2—农业节水量，万m3;

Wj3—公共设施节水量，万m3;

Pj1—工业节水商品水价，元/m3;

Pj2—农业节水商品水价，元/m3;

Pj3—公共设施节水商品水价，元/m3;

Wh—污水处理回用量，万m3;

Ph—污水处理回用水商品水价，元/m3;

Ws—新增地表水供水量，万m3;

Ps—地表水商品水价，元/m3;

Wg—新增地下水供水量，万m3;

Pg—地下水商品水价，元/m3;

Wd—南水北调调水量，万m3;

Pd—南水北调供水商品水价，元/m3;

T—规划期。

mi—各项权重

3.3 所建模型分析

(1)节水按工业、农业和公共设施节水考虑，其中重点在工业、依次为农业和公共设施节水，农业节水主要转供城市，所以，在计算农业节水时不能用农业用水价格，而用城市用水平均价格测算;因受原用水统计影响，经营性用水统计在公共设施用水中，而其用水是公共设施用水的主要部分，所以，分析中的公共设施节水主要指经营性用水;新增开发地表水用于工业;(2)新增开发地下水用于生活;(3)污水处理回用水是减少地下水开采和满足新增用水量的重要措施，主要用于工业用水;(4)南水北调调水用于城市;(5)各项节流开源水量应等于压采措施减采量与新增需水量之和。

4 2013年替代水源方案优选

4.1 水资源费及水费分析

根据目前水资源费及水费价格以及相关政策，得到2013年济宁市水资源费及水费价格。

(1)水资源费(元/m3)，地下水:0．65;地表水:0．30

(2)水费(元/m3)，工业:3．09(地下水源);工业:2．74(地表水源);生活:2．69(该区无地表水源);行政事业单位:2．99;经营服务业:4．10

(3)污水处理回用:1．0元/m3

4.2 方案优选

根据《济宁市水资源综合规划》得2013年平水年济宁市新增需水量5595万m3，故2013年平水年济宁市压采措施减采量与新增需水量之和为9377万m3。根据建立的模型和对模型的分析得。

各符号含义同上。

设立七种方案，利用Matlab软件的linprog命令分别计算其优化结果，如表2所示。

分析方案一，其最优结果是当Wj1=Wj2=Wj3=0时得到的，可见该方案没有利用节约用水量，不利于各行业的节水管理;且污废水回用量取上限值，利用率过高。固权重的选取不合理，此方案不可取。

分析方案二，其最优结果是当Wh=0时得到的，可见该方案没有充分利用污废水的回用量，不利于污废水的回用工作;且节水利用率和地表水开采率过高。固权重的选取不合理，此方案不可取。

表2 2013年替代水源方案优选表

分析方案三，其最优结果是当Wj1、Wj3、Wh取其上限值得到的，工业、公共设施节水利用率和污废水回用利用率过高。固权重的选取不合理，此方案不可取。

分析方案四，其最优结果是当Wj1、Wj2、Wj3、Wd取其上限值得到的，节水利用率和南水北调水利用率过高。固权重的选取不合理，此方案不可取。

分析方案五，其最优结果是当Wj2、Wj3、Wd取其上限值得到的，农业、公共设施节水利用率和南水北调水利用率过高。固权重的选取不合理，此方案不可取。

分析方案六与方案七，此两方案注重可持续发展思想，由其计算结果可见，权重的确定符合了以下四方面:①充分挖掘各行业的节水潜力，利用各行业节水水源，促进各行业节水;②充分利用污废水处理回用水源，减少污废水的排放量。③尽量少开源，尤其是地下水资源，走可持续发展道路;④充分利用南水北调水源，符合经济合理性原则。此两方案权重选择合理，为优选方案。