盐碱环境下多水源联合调配研究

万新宇,汪曼琳,钟平安,马 彪

(河海大学水文水资源学院,江苏南京210098)

盐碱环境下多水源联合调配研究

万新宇,汪曼琳,钟平安,马 彪

(河海大学水文水资源学院,江苏南京210098)

沿海围垦区盐渍化程度高,淡水资源不足,阻碍围垦区经济发展。为保障围垦区水资源供给,进行盐碱环境下多水源联合调配研究。以江苏沿海滩涂开发为背景,在分析当地水源特征的基础上,结合研究区需水要求,提出雨水和微咸水等非常规水资源与传统水资源联合利用模式,将平原区河网概化为虚拟的河网水库,对多水源多用户供水关系进行分解,建立盐碱环境下多水源联合调配模拟模型,得到围垦区不同水平年不同保证率下的供水量及其组成。研究表明,充分利用雨水和微咸水等非常规水资源,可缓解沿海围垦区水资源紧张局势。

水资源调配；多水源；雨水；微咸水；盐碱环境

沿海滩涂盐碱环境下水资源高效利用技术研究,是保障沿海滩涂开发的关键问题之一。目前报道的技术方法可概括为三类：一是开源,因地制宜,多利用非常规水资源,如雨水利用[1-2]、微咸水利用[3- 4]、海水利用[5- 7]、污水回用[8- 9]等；二是节流,抑制需水,实施节水方案,如节水灌溉技术[10]等；三是水资源优化配置,如滨海地区地表水与地下水联合运用[11- 14]。然而,此类研究多数局限于某种单一非常规水资源利用模式的研究,且规模较小,鲜有大尺度的多种非常规水资源与传统水资源联合调配的研究。为此,本研究以江苏沿海滩涂围垦开发为背景,在分析研究区雨水、微咸水、当地水以及外调水等水源分布特征的基础上,根据研究区水源工程、供水河道与需水用户之间的拓扑关系,通过系统分解,构建盐碱环境下多水源联合调配模拟模型,计算不同水平年不同保证率下围垦区各类水源供水量,为决策者提供决策支持,以实现围垦区水资源高效利用。

1 研究区概况

江苏沿海滩涂面积广阔,是我国重大土地战略储备资源。据规划[15],到2020年,江苏沿海滩涂围垦总面积18万hm2,共建设21个围区,其中连云港市4个,面积9 666.67 hm2；盐城市9个,面积8.73万hm2；南通市8个,面积8.3万hm2。对围填形成的土地资源,将以综合开发为方向,优先用于发展现代农业、耕地占补平衡和生态保护与建设,适度用于临港产业发展。其中,农业用地、生态用地和建设用地分别占围填面积的60%、20%和20%左右。考虑到围垦区95%集中于盐城、南通两市沿海,为了方便研究,本研究重点进行盐城、南通两市沿海17个围垦区水资源联合调配研究,以县(市)为计算单元,将各围垦区作为所在单元独立需水部门,以2010年为现状水平年,2015年为近期水平年,2020年为远期水平年。通过需水预测,平水年围垦区近期和远期需水量分别增加7.2亿m3和5.7亿m3,枯水年分别增加8.0亿m3和6.2亿m3,特枯年分别增加9.6亿m3和7.2亿m3。

2 水资源系统概化

江苏沿海供水系统分为江水北调、江水东引以及沿江自引三部分,为保证沿海围垦区水资源供给,新辟临海引江供水线,通过输水支线工程向沿海滩涂围垦区供水,并规划建设5座平原水库。

2.1 供水水源

(2)过境水。江苏沿海地区地处江淮之间,过境水量(含引江水)较大。盐城市沿海各县响水、滨海、射阳、亭湖、大丰和东台多年平均过境水量分别为19.58亿、30.90亿、55.62亿、15.88亿、18.45亿m3和10.66亿m3。南通市沿海各县海安、如东、通州、海门和启东多年平均过境水量分别为3.96亿、8.44亿、8.95亿、3.40亿m3和3.38亿m3。

(3)非常规水。虽然研究区当地水资源及过境水较丰富,但由于处于流域末梢平原区,蓄水能力极差,调水成本较高。因此,本研究考虑因地制宜利用雨水和微咸水等非常规水资源。江苏沿海1956年～2010年平均年降水量为1 022.7 mm。其中,汛期为709.5 mm,占全年的69%；枯季为313.2 mm,占全年的31%。研究区可充分利用原有地形、沟道,建立雨水贮留集蓄场(池塘),通过“雨水/灌溉——湿地处理——水库(雨水集蓄池)——灌溉”的多次循环利用,提高雨水资源的使用效率,并在此过程中加速围垦区土壤脱盐。研究区地下水资源丰富,但矿化度较高,难以直接使用。考虑围垦区农业需水比重大,根据农业灌溉相关研究及生产实践经验[16],可与其他淡水资源配合使用,用于围垦区农业灌溉等。本研究选取矿化度为2～5 g/L地下水资源进行微咸水利用,盐城、南通沿海微咸水资源量分别为1.35亿、2.99亿m3。

2.2 系统概化

研究区地处江淮流域尾闾,平原河网纵横交错,供水系统非常复杂。根据水源工程、需水部门以及供水河道之间的拓扑关系,对研究区不同水平年的水资源系统进行概化(图略),具体到计算单元内部,概化水资源供需关系,绘制出单元内供水关系图,其中将计算单元内平原河网概化为虚拟的河网水库,以计算单元响水县为例概化其单元内水资源供需关系。

图1 响水县及其围垦区远期水平年水资源供需关系概化

3 水资源调配模拟

根据概化的研究区供水系统网络,将多水源多用户供需关系分解为单水源单用户、单水源多用户以及多水源单用户三类简单供需关系(见图2)；再依据水源类型、用户类别以及供需关系,确定供用水次序。

图2 多水源多用户供水关系分解

3.1 供水次序

遵循“优水优用,物尽其用”的原则,优先使用雨水、微咸水等非常规水源,然后充分拦蓄利用当地地表水、过境水,出现用水缺口时再从区域外调水,逐步满足研究区经济社会发展对水资源的需求。

3.2 用水次序

对于流场中球状的颗粒，其受到的阻力大小除了与自身大小和阻力系数相关外，还与所作用的气流速度和密度相关。本文基于Fluent对含有突出物的流场进行数值模拟，可获得不同气压下和不同突出物间距对应突出物受到的气流参数，阻力大小F可以表示为[5]：

在遵循各分区尽量公平的前提下,水量丰沛时,按定额满足各区域、各类经济活动用水；水量紧缺时,优先满足城乡居民生活用水,其次满足重要工业生产用水,然后合理安排其他生产用水,优先考虑国计民生、经济效益好的工业和农业用水,最后兼顾河道外生态环境等其他用水；各县市区的当地地表水优先供给当地非垦区用水,然后供给沿海围垦区用水。

3.3 计算方法

本研究可供水量计算分为蓄水工程(平原水库、概化河网水库)、调水工程(引江、引淮)、非常规水源工程(雨水、微咸水)分别计算。

3.3.1 蓄水工程可供水量

对于平原水库以及概化的河网水库等中小型蓄水工程,本研究采用宽浅型调度方式进行供水,即逐时段相对缺水量将尽可能均匀,其数学模型如下：

目标函数

(1)

约束条件

V(t)=V(t-1)+Y(t)-G(t)

X′(t)≤G(t)≤min[M,X(t)]

Vmin(t)≤V(t)≤Vmax(t)

式中,G(t)为t时刻蓄水工程供水流量；X(t)为t时刻用水户需水流量；V(t-1)和V(t)分别为t时段初和时段末蓄水量；Y(t)为t时刻蓄水工程入库流量；X′(t)为t时刻用水户最小需水流量；M为蓄水工程最大供水流量；Vmax(t)和Vmin(t)分别为t时刻蓄水工程允许蓄水上下限。

根据研究区域的遥感影像资料,结合当地的下垫面资料,绘制得到研究区域河流水位库容关系曲线和河流水位面积关系曲线,进而可得概化河网水库的有效库容。与大型蓄水工程不同,概化的河网水库往往缺乏系统的入库径流资料,本研究根据河网水库控制面积占分区面积比来分割区间水资源量,得河网水库入库水量

Y(t)=YT(t)·f/F

(2)

式中,Y(t)为t时刻蓄水工程入库流量；YT(t)为时刻进入计算单元的总流量；f为蓄水工程的控制面积；F为计算单元面积。

3.3.2 外调水可供水量

研究区外调水包括引淮水和引江水,当淮河水量不足,加大抽引长江水,以满足围垦区需水要求,其供水目标函数与式(1)相同,但供水流量G(t)受到口门引水能力Qgate、河道输水能力Qriver以及需水单元需水流量X(t)的约束,公式表示为

0≤G(t)≤min[Qgate,Qriver,X(t)]

(3)

3.3.3 非常规水可供水量

雨水资源利用量

Wrain(t)=α·P(t)

(4)

式中,Wrain(t)为t时段雨水利用量；α为雨水资源利用系数,根据研究区实验结果,取10%；P(t)为t时段降水量。

微咸水资源利用量

Wbrackish(t)=β·Wtotal(t)

(5)

式中,Wbrackish(t)为t时段微咸水利用量；β为微咸水利用系数,根据研究区实验结果,取12%；Wtotal(t)为t时段微咸水总量。

通过计算得到,至2020年随着盐城、南通两市沿海围垦区平原水库投入运行,围垦区供水能力显著增加,特枯年份总供水量比近期水平年增加了5.73亿m3；其次,供水以当地地表水为主,但在特枯年份外调水比重明显加大,接近当地地表水利用量；另外,非常规水资源得到有效利用,2020年平水年围垦区非常规水资源利用量占总供水量的7.79%,特枯年份亦能达到2.72%。

4 结 论

(1)沿海滩涂盐渍化程度高,淡水资源不足,开发中根据经济发展规划适度利用雨水和微咸水等非常规水资源,在一定程度上可缓解当地淡水资源短缺问题。充分利用沿海滩涂原有地形、沟道及池塘,建立雨水贮留集蓄场,与微咸水结合使用,可满足围垦区部分农业灌溉需水及土壤脱盐需水。

(2)平原区河网纵横交错,关系复杂,将其概化为虚拟的河网水库,通过遥感技术建立相应的水位库容关系,可方便水资源调节计算。

[1]MORALES-PINZON T, RIERADEVALL J, GASOL C M, et al. Potential of rainwater resources based on urban and social aspects in Colombia[J]. Water and Environment Journal, 2012, 26(4): 550- 559．

[2]王立存, 张文杰, 牛俊怡. 天津滨海新区某建筑区雨水利用实例[J]. 中国给水排水, 2013, 29(4): 43- 46．

[3]杨树青, 丁雪华, 贾锦风, 等. 盐渍化土壤环境下微咸水利用模式探讨[J]. 水利学报, 2011, 42(4): 490- 498．

[4]王相平, 杨劲松, 姚荣江, 等. 苏北滩涂水稻微咸水灌溉模式及土壤盐分动态变化[J]. 农业工程学报, 2014, 30(7): 54- 63．

[5]左潞, 郑源, 周建华, 等. 海水淡化太阳能蒸馏技术研究现状与展望[J]. 河海大学学报：自然科学版, 2008, 36(6)： 753- 757．

[6]李洪燕, 隆小华, 郑青松, 等. 苏北滩涂海水灌溉与施氮对籽粒苋生长的影响[J]. 生态学杂志, 2010, 29(4): 776- 782．

[7]刘冬林, 王海锋, 庞靖鹏, 等. 我国海水淡化利用模式分析[J]. 河海大学学报：哲学社会科学版, 2012, 14(3)： 62- 65．

[8]陈兰, 孔秋婵, 曲刚, 等. 新疆高盐农业污水回用研究[J]. 节水灌溉, 2012(03)： 44- 47．

[9]夏孟婧, 苗颖, 陆兆华, 等. 造纸废水灌溉对滨海退化盐碱湿地土壤酶活性的响应[J]. 生态学报, 2012, 32(21): 6599- 6608.

[10]袁宇明, 潘昌保. 江淮滨海重盐土地区水稻节水灌溉可行性试验初探[J]. 水利水电科技进展, 1999, 19(1)： 60- 62．

[11]CHEN C W, WEI C C, LIU H J, et al. Application of Neural Networks and Optimization Model in Conjunctive Use of Surface Water and Groundwater[J]. Water Resources Management, 2014, 28(10)： 2813- 2832．

[12]SINGH A. Simulation-optimization modeling for conjunctive water use management[J]. Agricultural Water Management, 2014, 141: 23- 29．

[13]张展羽, 高玉芳, 李龙昌, 等. 沿海缺水灌区水资源优化调配耦合模型[J]. 水利学报, 2006, 37(10): 1246- 1252, 1258．

[14]RAO S V N, BHALLAMUDI S M, THANDAVESWARA B S, et al. Conjunctive use of surface and groundwater for coastal and deltaic systems[J]. Journal of Water Resources Planning and Management-Asce, 2004, 130(3)： 255- 267．

[15]省发展改革委, 省沿海办. 江苏沿海滩涂围垦开发利用规划纲要[R]. 南京: 江苏省人民政府, 2010．

[16]邢文刚, 俞双恩, 安文钰, 等. 鲁北盐渍土区棉花微咸水滴灌技术研究[J]. 河海大学学报： 自然科学版, 2003, 31(02)： 140- 143．

(责任编辑 陈 萍)

Multi-water Conjunction Allocation in Saline-alkaline Environment

WAN Xinyu, WANG Manlin, ZHONG Ping’an, MA Biao
(College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China)

In coastal reclamation area, high degree of salinity and the shortage of fresh water resources become critical constraints for local economic development of Jiangsu Province. Multi-water resources allocation in saline-alkaline environment is researched for improving local water use efficiency. Based on water resources features and water demands, the conjunctive utilization mode of unconventional water and conventional water is presented, including rainwater and brackish water. The river network of plain areas is generalized as a virtual reservoir and the water supply systems of multi-water and multi-user are decomposed into three simple systems, then the simulation model of multi-water conjunctive allocation is developed to calculate water supply volume and its compositions of coastal reclamation area under different scenarios. The results demonstrate that the water scarcity of coastal reclamation area can be relieved to some degree by fully using unconventional water resources, such as rainwater and brackish water．

water allocation; multi-water; rainwater; brackish water; saline-alkaline environment

2015- 12- 10

国家自然科学基金资助项目(51379055)；国家重点研发计划项目(2016YFC0400909)

万新宇(1976—),男,江苏东台人,副教授,博士,从事水资源规划与管理研究；钟平安(通信作者)．

TV211.1

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