水资源优化配置城市供水体系建设探析——以四川省邛崃市为例

姜 影，薛祥山，周影烈，王建富，杨 钢，张中元

(1.北京清控人居环境研究院有限公司，北京 100083；2.常州智建工程管理有限公司，江苏 常州 213000)

城市水资源是城市发展的命脉，供水系统是城市基础设施的重要组成部分。近年来各大城市对水源、水量分配及供水设施的保障要求越来越高，同时也越发重视水资源规划和供水保障体系规划的编制，以期科学指导和推动供水事业。因此，实现水资源优化配置，完善供水体系，确保供水安全是亟待解决的重要问题。邛崃市水资源量相对较丰富，但区域分配不均，对其进行水资源优化配置，合理分配水量，可有效提高水资源利用率，实现优水优用。此外，对供水体系进行系统分析，充分论证水源和供水设施建设，优化供水格局，可有效保障供水安全并提高供水系统运行可靠性[1- 7]。

1 水资源量及供用水现状

邛崃市位于成都市西南部，隶属成都市“西控”、“南拓”范畴，境内共有9条河流，河网密布，年径流总量为9.91亿m3，可利用量为5.328亿m3。邛崃市多年平均水资源总量为10.7亿m3，可利用量约为7.36亿m3。人均水资源量为5353m3，单位国土面积水资源量为77.4万m3/km2，水资源总量相对较丰富。

邛崃市主要以地表水供水为主，采用蓄、引、提相结合，大、中、小型工程兼备的水资源供水体系。共有19个供水厂，总供水能力约为17万m3/d，其中城区供水来自城市自来水厂，农村供水以卧龙水厂为主，主要供给平原集中发展乡镇，山区则为一乡镇一水厂。用水主要集中在生产、生活和生态环境几个方面，总体符合三条红线4.4亿m3的总量控制指标。但随着邛崃市招商引资的进行、开发区和工业园区的兴建，工业用水增加迅速，供用水矛盾逐渐凸显。

2 问题分析

邛崃市水资源总体较丰富，但存在时空分布不均、供需分配不均衡，供水体系不完善等问题。主要体现在三方面。

(1)总体降雨量丰沛，但时空分布不均，年内季节性差异大邛崃市多年平均降水量约为1040.5mm，降雨量自西向东逐渐递减。最大年降雨量1378.2mm，最小838.3mm。年内降雨主要集中在6—9月，丰水期约占全年降雨量的70%，枯水期仅占全年7.3%。

(2)水源单一

市域内供水厂都是单一水源，缺乏第二水源。出现紧急情况时，无法保障正常供水，存在供水风险。其中，城市自来水厂水源为南河石河堰地表水，为单水源且上游存在沿途污染风险。卧龙水厂水源为境外的百丈水库，水源保护管理困难，水质无法得到有效保障，存在安全隐患。

(3)供水保障率差

近几年邛崃市为落实成都“西控”“南拓”要求，全力融入天府新区建设国家中心城市卫星城目标，城镇和产业园区迅速发展，需水量大幅增加，部分水厂已超负荷运行，卧龙水厂最为突出。卧龙水厂供市域东部13个乡镇和2个产业园区，供水主干管已接近饱和，水厂实际供水已超负荷，但仍无法满足用水需求。随着工业园区逐渐建成，服务人口及范围随之扩增，供水压力持续增加，供水安全保障威胁也愈发突显。城区水厂虽满足供区用水总量需求，但由于部分管网管材不达标，出现漏损、爆管现象。同时，随着城市的快速发展，部分管道管径不足，水量分配不均衡，供水保证率低，亟需改造。因此，邛崃市需统筹并优化配置水资源，合理提升、改造供水设施，按“合理开发，优水优用”的原则，提高供水保障率，确保供水安全，整体提高水资源利用率[8- 10]。

3 水资源配置目标函数及约束条件

3.1 目标函数

(1)经济效益目标：供水产生的经济效益最大，即国内生产总值(GDP)最大

Max(GDP)=A1·X1+A2·X2+A3·X3

(1)

式中，X1—第一产业用水量；X2—第二产业用水量；X3—第三产业用水量。A1—单位水资源第一产业产值；A2—单位水资源第二产业产值；A3—单位水资源第三产业产值。

(2)缺水量目标：缺水量最小

Min(V)=X1+X2+X3+LSH+LST-TZ

(2)

式中，LSH—生活用水量；LST—生态用水量；TZ—总可用水量；其余符号意义同上。

3.2 约束条件

(1)可用水量约束：

TZ=T地表+T地下+T其他

(3)

式中，TZ—总可用水量；T地表—地表水可用水量；T地下—地下水可用水量；T其他—其他水源可用水量(如污水回用量、海水利用量等)。

(2)各部门用水量约束：

bi(i=1，2，3)

(4)

式中，Xi—第i用水部门的用水总量；i—第i产业；bi—第i用水部门的最低用水总量；di—第i用水部门的最大用水总量；其余符号意义同上。

4 水量优化配置结果

以2022年和2035年2个规划水平年作为研究的时间尺度，对邛崃市的水资源进行配置计算。基于上述目标函数及约束条件，参考三条红线控制指标进行反复调算，得出不同水平年的水资源优化配置结果见表1。

表1 水资源配置结果表 单位：108m3

参考各用水部门用水配置比例，计算出规划水平年2022年可供综合生活用水量为0.63亿m3，可供工业用水量为1.34亿m3。各用水部门水量配置结果见表2，总体满足用水需求。

5 供水体系分析

5.1 水源保障系统分析

鉴于邛崃市供水厂水源单一、供水保障率差等问题，提出城区和乡镇主水厂第二水源方案，建立双水源供水模式。根据邛崃市实际情况进行多个水源方案比选及可行性分析论证，经论证后确定最优方案，形成现有供水体系的第二水源系统，在遇特枯年或连续枯水年水量不足或突发供水事件时，可满足各用水户的基本用水需求。最优方案如下：

(1)城区水厂——由玉溪河引水枢纽通过沙石支渠输水至邛崃市北部陈祠堂水库，将陈祠堂水库与红旗水库进行连通，通过输水管道输送至城市自来水厂，作为城区水厂第二水源，以此双重保障城区的供水安全及供水保障率。

(2)卧龙水厂——利用水厂上游五绵山支渠从玉溪河引水至大山岗，将大山岗作为水源地，从大山岗接输水管道至卧龙水厂，作为卧龙水厂第二水源。

5.2 供水片区划分

综合考虑邛崃市地形、流域、行政区划、灌区等各方面因素，以地形、流域的影响因素为主导，结合邛崃市用水情况及行政区域统分性、组合性与完整性，将市域划分为3个供水片区，如图1所示。

图1 邛崃市供水片区划分及水厂建设布局图

5.3 水厂建设布局

根据前述各部门水量配置结果、结合城市用水需求，卧龙水厂规模应增加至25万t/d；西南山丘区建设3万t/d的天台山水厂，供给西南地区用水。最终实现以卧龙水厂、城市自来水厂、天台山水厂等三大水厂为主的“大水厂供水、大管网输水、小水厂应急备用”的城乡一体、全域覆盖供水格局。同时对部分年代久远、老化的设备进行改造，以便在集中水厂紧急关停时起到应急保障作用，确保供水安全。

5.4 供水管网分析

5.4.1 管网分区

供水管网分区计量是将复杂的系统划分为若干相对独立的子系统。实现分区供水，是进行管网漏损分析和产销差控制比较通用的做法，根据邛崃市地形及区域特征，以原有的城市供水自然经营区域为基础，将城区管网划分为9个分区，如图2所示。

5.4.2 模型构建及模拟计算

根据现状CAD图形文件进行供水管网拓扑信息录入，再对管网拓扑结构正确性进行检验，得到完整的现状管网拓扑信息，进而结合管网建模需求，进行管网简化计算。本研究经简化后的管网节点数为191，管段数为315。最后，输入水厂、泵站、阀门、摩阻系数等管网属性信息，进行水量分配，实现管网模拟计算。

在水力模拟计算过程中，一般采用新管的海曾-威廉C值，即130。但由于供水管网建设年限和管径都对C值有不同程度影响，本次采用理论与实践相结合的方法，结合相关管段阻力系数实测结果，确定现状管网C值为110。节点高程数据参考邛崃地形及相关竖向规划确定。根据以上分析，本模型共包含管道858个，节点542个，管道总长度333.5km，如图3所示。

图2 中心城区供水管网分区图

图3 模型拓扑结构图

5.4.3 模拟结果及管网优化调整

经模型模拟计算后，主城区部分管段流速为0.6～1.0m/s，局部管段流速超过1.0m/s，整体流速偏大，管道负荷过高。因此，需通过调整局部管网布局、管径等方式进行优化布置，主要方案如下：

(1)沿西郊路(西河大桥以北)新建DN1000输水管道，新增水量通过北部君平大道输送至规划新建地区，降低新增流量对老城区管网系统的冲击。

(2)对滨河路(现状水厂出厂管网过河处至西河大桥段)进行改造，改造后管径为DN600；沿黄坝东路新建DN600供水管线。(3)结合综合管廊建设，对君平大道、西环路、凤凰大道管网进行更新改造。

通过改造后流速工况模拟分析，相较于改造前流速分布更加合理，管道负荷进一步降低。

5.4.4 最高日最高时工况分析

水量计算中，时变化系数采用1.4，则最高日最高时设计流量为2385L/s。各分区流量见表3。

表3 各分区流量计算一览表

根据模拟计算结果，最不利点ID编号为294，自由水头为28m，满足服务压力需求。城市水厂出流量为2130.9L/s，出厂压力水头为42.9m。由模型计算出的管网流速分布得出，大部分管道流速介于0.3～0.6m/s，部分管道流速为0.6～1.0m/s。同时，从模型中可分析出，城市水厂至规划最远点总水头线坡度平缓，自由水头满足水压设定目标。

5.4.5 消防与事故校核

研究区人口按32万人计，同一时间内火灾2起，一起火灾设计流量按60L/s计算。最不利点水压为27.2m，最大流速1.28m/s，满足消防要求。

供水干管发生事故时，设计流量按城区远期(含发展备用地)最大时的70%考虑，即1669.6L/s，最大流速1.29m/s。满足要求。

6 结论

本文针对邛崃市多水源多水厂的现状，提出水资源优化配置方案。经配置后的各部门水量满足用水需求，单位水资源发挥了更大效益，可为今后类似水资源分配决策提供参考依据。

在供水体系研究中，提出了双水源供水模式及以三大水厂为核心的城乡一体、全域覆盖的供水格局。结合管网水力模拟分析，提出相应改造方案，调整管网格局，优化现状管网，提高供水效率和供水保障率，保障城市供水系统的安全可靠运行。

供水体系建设综合性较强、涉及面广，仍需进一步深入研究，将理论与实践相结合，全面实现水资源高效利用和城市供水体系的可持续发展。