固原市水资源优化配置研究

张会平

(宁夏河海水利建筑勘测设计有限公司，宁夏 银川 750001)

固原市位于宁夏南部六盘山地区，辖原州、隆德、西吉、彭阳和泾源5个区县，年均降水量为477mm，年水面蒸发量高达946mm，多年平均径流量5.666亿m3，多年平均径流深53.5mm，人均水资源量378m3，远低于重度缺水地区人均1000m3的标准，水资源严重短缺；水资源量少质差，供需矛盾日益突出，全市地表径流深仅为全国平均水平的1/6，苦咸水量占天然地表水资源的30%，且分布面积较广；全市跨流域调水骨干工程网络比较薄弱，城乡一体化的水资源调度管理体系还未形成，供水保障率不高，属于典型的资源型、水质型和工程型缺水地区。水资源作为地球演变发展过程中极为重要的一种自然资源，它对于人类社会发展至关重要。由于降水分布时空不均、水资源浪费和水体污染严重、水资源利用水平低下、地下水不合理开采等问题突出，区域可供水资源布局与工农业生产的需求极不协调，水资源利用的前景甚为严峻。本文通过深入查究固原这种干旱地区的水资源特性，分析水资源支撑经济和人口发展规模，探索水资源开发新模式，建立水资源区域优化配置方案，统筹协调全市各县区城镇生活、农村生活、工业、农业各用水户的用水需求，对区域内的有限水资源进行合理配置，缓解各用水户的水资源供需矛盾，提高水资源的承载能力，以期为同类干旱地区的水源优化配置提供经验借鉴。

随着经济社会发展，城乡结构、经济模式、生态环境等发生了深刻变化，水资源供给工程网络的形式和供水管理的手段千差万别，现有的水资源优化配合理论在实践中还存在一些不足。一是水资源优化配置目标多以经济效益为主，对社会和生态效益重视不够，不利于经济、社会、生态协调发展；二是研究重点倾向于水资源丰富的地区，对各类资源型、工程型、水质型缺水地区的水资源优化配置研究尚有不足；三是水资源优化配置研究与研究区当地水资源的调度能力、工程布局及用水户特点结合不够紧密，优化配置方法不够灵活多样。

1 固原水资源及其开发利用现状

1.1 基本概况

固原市境内以六盘山为分水岭，可分为东部和西部两部分，地形分布山多川少，塬、梁、峁、壕交错，丘陵起伏，沟壑纵横；属于典型的大陆性气候，根据热量和干湿情况差异，分为北部干旱区、中部半干旱区和南部半湿润区三类气候类型。

市境内主要河流水系有清水河、葫芦河、祖历河、泾河水系，固原市地表水资源量为5.666亿m3，其中清水河流域0.875亿m3，葫芦河流域1.531亿m3，泾河流域3.180亿m3，祖历河流域0.080亿m3。全市农业有效灌溉面积为65.54亩。2015年全市完成工业增加值30.57亿元，剔除物价因素，实际比上年增长9.3%。

1.2 水资源量

1.2.1 地表水资源量

本研究地表水资源以区域水文站实测资料为基础，勾绘年径流深等值线，再根据年径流深等值线法进行推算[1]。多年平均径流量按照径流深等值线图量算，具体计算公式如下：

(1)

式中，W—多年平均径流量，万m3；fi—相邻两径流深等值线间的面积，km2；Pi—各相邻两径流深等值线的平均值，mm。

根据推算结果，各县区不同频率地表水资源量统计成果见表1。

表1 固原市各县区不同频率地表水资源统计成果 单位：万m3

1.2.2 水资源总量

水资源总量是指地表径流量与降水入渗补给量之和，不包括外来水量，即境内当地由降水形成的地表和地下产水量[2]。水资源总量计算公式如下。

W=Rs+Pr=R+Pr-Rg

(2)

式中，W—水资源总量；Pr—降水入渗补给量(山丘区用地下水总排泄量代替)；Rs—地表径流量(即河川径流量与河川基流量之差值)；Rg—河川基流；R—河川径流量(即地表水资源量)。

固原市属于黄土丘陵地区，地下水资源量与地表水资源量重复计算，由此计算得到固原市各县区多年平均水资源量成果。各县区多年平均水资源量成果见表2。

表2 固原市各县区多年平均水资源量成果单位：万m3

1.3 水资源开发利用现状

1.3.1 水利工程现状

固原市建成中小型水库163座、骨干淤地坝237座，中型淤地坝365座，机井5.18万眼、集中式农村安全饮水工程189处，与建成的中南部城乡饮水工程，固海扬黄工程、固原市东山坡引水工程、彭阳县长城塬引水工程和隆德县桃山引水工程联合运行，全市生产、生活、生态供水网络体系初步形成。

1.3.2 现状供水及用水

经统计，2011—2015年，固原市年平均总用水量1.299亿m3，其中，农业0.972亿m3，占74.8%；工业0.069亿m3，占5.3%；生活0.258亿m3，占19.9%。生态与环境补水含在农业用水中。固原市2011—2015年各类工程年平均总供水量1.299亿m3。其中，地下水供水量0.415亿m3，占总供水量的32%；当地地表水供水量0.773亿m3，占60%；引扬黄河水0.111亿m3，占8%。

固原市2015年农业亩均用水量142m3/亩，城镇综合生活定额96L/人.d；工业万元增加值取水量31m3/万元，低于全区平均44m3/万元；农村生活综合定额35L/人.d，低于全区平均47L/人.d。

2 固原发展预测

2.1 经济社会发展预测

2.1.1 人口与城镇化

据2015年统计，各县区人口自然增长率为7～12‰，全市平均10.35‰，城镇化率为22%～45%，全市平均32.35%。固原市2011—2015年人口自然增长率如图1所示。从图1看出，2011—2013年实行计划生育政策，人口呈下降趋势，随着国家和自治区放开单独二胎生育政策的实施，2014—2015年人口自然增长率呈增加趋势。全市现状2015年总人口考虑扣除生态移民后为149.77万人，预测2020年、2025年、2030年总人口分别达到158.08万人、167.24万人、177.31万人。

图1 固原市“十二五”人口自然增长率图

2.1.2 工业增加值预测

固原市工业包括非火电工业和火电工业。非火电工业增加值预测采用增长趋势方法，参考2015年以前的增长率拟定2020、2025、2030年的增长率，另外再加上相应水平年清水河产业长廊组团的增加值规划值；火电工业现状年2015年只有固原六盘山电厂2×330MW热电联产项目。全市2015年工业增加值为30.5亿元，预计2020、2025、2030年规划工业增加值分别为80亿元、160亿元、230亿元。

2.1.3 农业灌溉面积预测

固原市农业灌溉面积大、用水效率低，水资源浪费严重，是节约水资源，提高水利用效率的重点和难点。对于干旱缺水的宁夏中南部地区，要通过严格控制新增灌溉面积，调整种植结构来实现农业增效增收。本研究农业灌溉面积预测现状年灌溉面积采用水利普查成果，规划水平年中南部地区的库井灌区以续建配套结合高效节水灌溉改造为主，在保障生态移民用地的灌溉用水条件下，根据节水量确定恢复的灌溉面积，原则上不新增灌溉面积；中部干旱带以扬黄灌区的续建配套结合高效节水灌溉改造为主，在保障生态移民用地条件下，新增灌溉面积与《宁夏水中长期供求规划》、《宁夏灌溉发展总体规划》拟定的灌溉面积协调一致。全市2015年农业灌溉面积为60.98万亩，预计2020、2025、2030年农业灌溉面积分别为70.91万亩、93.3万亩、101.12万亩。

2.2 需水预测

结合固原实际情况，将建筑业用水、第三产业用水统一纳入城市生活用水之中。考虑到固原市属于半干旱地区，其生态环境用水主要靠河道内生态用水及骨干坝、淤地坝、小流域治理等水土保持工程措施保障，本次预测不考虑生态环境需水，需水预测主要为城镇生活、农村生活、工业及农业需水。

2.2.1 生活需水预测

生活需水分城镇生活和农村生活需水，本研究需水预测采用人均日用水量方法进行预测，全年用水时间为365d，计算公式如下：

W=P×q×365/1000

(3)

式中，W—年生活净需水量，万m3/a；P—用水人口，万人；q—日均用水定额，L/人·d。

各县区用水定额根据生活用水现状及城乡用水标准确定。城镇生活用水包括城镇居民生活用水和公共建筑用水；农村生活用水包括农村居民生活用水和公共建筑如学校、寺庙等用水。生活需水定额具体见表3。

表3 生活需水定额

管网损失、不可预见水量及水厂自用水量分别按10%、5%考虑。经计算，全市规划水平年生活需水预测结果2020年为3962万m3、2025年为4874万m3、2030年为5927万m3。

2.2.2 工业需水

工业需水分为非火电工业和火电工业两大类，非火电工业需水依据各规划水平年工业增加值和工业需水定额进行预测，火电工业采用规划水平年装机容量和单位装机容量需水定额进行预测[3]。固原非火电工业主要包括盐化工循环经济扶贫示范区等在内的清水河产业长廊工业组团及各县区一般工业园区，火电工业主要是六盘山热电厂。火电工业根据六盘山热电厂设计规模和调查统计资料，现状总用水量211万m3，由于目前热电厂没有新的发展规划，全市非火电工业规划年需水量维持现状用水量不变。经计算，全市工业规划水平年需水量预测2020年为3585万m3、2025年为5784万m3、2030年为7073万m3。

2.2.3 农业需水

结合固原市农业灌溉供水条件及种植业结构特点，本次农业灌溉定额参考定额取值为：渠畦灌溉亩均综合定额取160m3/亩、高效节水灌溉及低压管灌田间亩均综合定额取120m3/亩。灌溉水利用系数根据《宁夏山区库井灌区节水改造工程规划报告》取值，目前宁夏全区2015年灌溉利用系数为0.51，现状机井灌区渠系水利用系数平均0.60左右[4]。参考以上数据及固原各县区现状灌溉利用系数，各县区渠畦灌溉利用系数取值为2020年0.65、2025年0.7、2030年0.75；考虑到高效节水中全部采用管道输水、滴管、喷灌方式，各规划水平年灌溉水利用系数均可提高至0.85。根据农业灌溉预测面积、灌溉定额和灌溉水利用系数计算得到，全市规划水平年农业蓄水量预测结果2020年为11787万m3、2025年为12544万m3、2030年为12521万m3。

表4 固原市规各划水平年总需水量 单位：万m3

2.2.4 总需水量

综上所述，全市总需水量为城镇生活、农村生活、工业、农业需水量之和，全市规划水平年总需水量2020年为19334万m3，2025年为23202万m3，2030年为25522万m3。各规划水平年总需水量见表4。

2.3 供水预测

在可供水量计算中，对县区内供水工程中水源取自库坝工程或者水源已经被中南部城乡饮水工程替代的，这次供水预测不再计入。2020年原州区、西吉县、彭阳县农村及城镇水量均被中南部可供水量全部替换，隆德县、泾源县两县仍以现状及规划水源水量统计，城镇生活及工业采用水库水量的，在不同频率水库可供水量中予以扣除，其余的为农业用水量。

根据现状库坝工程、调水工程及规划新建工程的设计用途、供水对象、工程布局和调度方案等实际情况，本次研究选用75%来水同时考虑汛期弃水条件下，对全市可供水量按城镇生活、农村生活、工业和农业等4个供水对象进行统计。各规划水平年可供水量见表5。

3 水资源优化配置

3.1 平衡分析

考虑弃水情况下，2020年，固原市需水量19334万m3，可供水量26910万m3，总量能满足要求，富余水量7576万m3。2030年，固原市需水量25522万m3，可供水量27811万m3，总量能满足要求，富余水量2289万m3。

表5 固原市75%条件下各规划水平年可供水量表 单位：万m3

3.2 配置原则

3.2.1 坚持统筹兼顾原则

针对枯水年份出现频率较高的不利情况，坚持以供定需，合理配置，统筹兼顾，重点处理好以下四个关系：一是处理好生态与生活用水关系，始终坚持以解决人民生活用水为重点；二是处理好生活用水与农业用水关系，实行生活用水优先的原则，农业用水不能挤占生活用水[6]；三是处理好工业与农业用水关系，实行水权转换制度，优先保证各工业园区及重点工业的用水安全；四是处理好节水同效率的关系，加大结构调整力度，实现节水高效，围绕农民增收提高用水效率。

3.2.2 坚持因地制宜原则

按照当地社会、经济、生态实际特点，结合当地水资源开发利用现状、工程水量调配范围和能力、供水工程网络布局、工程保障对象等因素合理确定调度方案。从固原市水资源开发利用现状来看，调水骨干工程中南部城乡饮水工程重点保障全市城乡人饮问题，引黄入固工程重点保障黄灌区大型节水园区农业灌溉及固原组团工业用水，同时骨干调水工程分配各县区用水户的可供水量基本稳定；当地水源水库工程、节水灌溉工程及部分机井工程重点保障当地农业灌溉、工业及个别地方人饮用水，由于当地水资源不具备跨县区调配的条件，用于保障当地各用水户的可供水量也基本稳定，因此考虑以县区为单位，在县区区域内独立进行水资源优化配置，将用水指标量化分配到到县(区)，按照水量平衡分析结果，总量控制、优化调配、提高用水效益。

3.2.3 坚持开源节流并举原则

一是挖掘当地水资源潜力，固原市当地地表水和地下水都有开发利用潜力，泾河还有水富余水量引、黄河水还没有突破水权分配指标，随城市发展用水量增加再生水逐渐增加。要坚持黄河水、当地地表水、地下水及再生水联合统一调配，实现生活优先、注重应急、保障有序、突出效益的目标。二是节约保护水资源，根据各地水资源承载能力和经济社会发展的用水需求，在保障水资源可持续利用和保护生态环境的前提下，统筹安排生活、生产和生态用水，促进经济社会和资源环境的协调发展[7]。三是调整用水结构，要坚持按照水资源实际情况，确定发展方向、发展规模和经济结构，对产业结构空间布局调整要坚持水资源同步配套规划，体现以水定产、配置合理、科学高效的原则，真正实现水资源优化配置。

3.2.4 坚持节水防污结合原则

全市污水处理尚处于起步阶段，工业、生活废水的处理能力低，加之运行成本高，不少企业的废水不能达标排放[8]。而排水沟天然河道的水环境容量小，天然降解能力低，工业废水、生活废水、农用化肥、农药的大量进入水体造成严重污染。水体污染不仅丧失其使用价值，加剧水资源短缺局面，危及农田土壤、农产品安全，严重危害人体健康及生命安全。要以节水型社会建设中为抓手，通过严格执行节水政策倒逼治污措施落实，树立治污就是节水的理念，推动污染防治取得实效。

3.2.5 坚持多工程联合调配原则

多工程联合调配是提高供水管理水平的重要举措，在水资源调配工作中，要制定科学的水资源调度流程和管理机制，坚持黄河水、泾河水及当地水联合统一调度，充分发挥骨干调水工程的调节作用和当地供水工程的基础作用。一要加强库、坝、塘、池、井、窖联合运用，提高水资源综合利用效率，实现供水工程用途多元化和联合运用；二要注重水资源时空优化调配，围绕用水需求，探索完善调蓄工程和骨干调水工程联合调度运行模式，增强水资源调配效果，提高工程运行的经济效益和社会效益。

3.3 优化配置

根据固原市经济社会发展预测及供水、需水预测结果，按照75%来水条件并考虑汛期弃水情况下，通过水资源平衡分析，按照统筹兼顾、因地制宜、开源节流并举、节水防污结合和多工程联合调度的原则进行优化配置，得到固原市水资源优化配置方案。2020年全市配置水量17487万m3，城镇生活2314万m3、农村生活1648万m3、工业2585万m3、农业9940万m3；水量优化调配：隆德县将城镇生活余水量配给工业51万m3，彭阳县将城镇生活余水量配给工业122万m3；全市共计缺水1847万m3，其中农业缺水1847万m3。2030年全市配置水量21631万m3，城镇生活3608万m3、农村生活1819万m3、工业4794万m3、农业11410万m3；水量优化调配：原州区将中南部农村余水量配给城镇29万m3，彭阳县将城镇生活余水量配给农村27万m3、工业74万m3；全市共计缺水3891万m3，其中城镇生活381万m3、农村生活120万m3、工业缺水2279万m3，农业缺水1111万m3。对于2025—2030年固原组团工业均缺水，考虑通过将支流用水的水权调整为黄河干流的水权，通过外调黄河水方式加以解决；各县区农业灌溉需水要在各流域内部节水改造的基础上，坚持以供定需原则，最大限度地提高农业效率和效益；对于各县区的工业缺水，应考虑将用城乡饮水安全工程富余水量加以解决。各规划水平年水资源优化配置成果见表6。

表6 固原市75%条件下各规划水平年水资源优化配置成果表 单位：万m3

4 结论

本次研究结合固原这类干旱地区水资源短缺、供水调配手段不多等实际特点，以县区为单位进行水资源优化配置研究与探索。研究成果还有很多需要进一步探讨和提高之处。一是考虑固原市水土保持生态建设效果较好，生态需水主要由河道内生态水量和水土保持工程蓄水量来保障，在水资源优化配置中未能反映生态用水。二是考虑到当地各用水户的可供水量及其来源基本稳定的实际，按照城镇生活、农村生活、工业、农业的优先次序进行配置，没有建立专门水资源优化配置模型。将来研究要结合干旱缺水地区供水和需水结构，深入研究兼顾工程成本、经济效益、社会效益和生态效益等逐因素的目标函数和相应约束条件，因地制宜建立具有地方特点的水资源优化配置模型[9]。