焦作市南水北调工程受水区水资源优化配置研究

冯琳伟，高 亮，杜青辉

（1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016；2.河南省南水北调中线工程建设管理局，河南 郑州 450000）

0 引言

南水北调东中线一期工程通水五年来，规划目标已由原来的为受水区城市补充水源转变到为多个重要城市生活用水提供主力水源，这样，受水区城市水资源格局就发生了根本性变化。 所以，与此相应的针对受水区城市水资源配置的传统研究模式应转变为在南水北调水源状况下的水资源综合利用研究。

南水北调中线工程向焦作市分配水量为2.69亿m3/年， 而该受水区2015～2019 年分别完成分配水量的1.49%、4.21%、5.93%、28.28%、23.38%，南水北调水量消纳严重不足。 如何用足、用好南水北调分配的水量，是受水区城市要解决的最大问题。 笔者试以焦作市为例，针对如何充分利用南水北调供水量及提高供水效益的问题进行研究。

1 焦作市南水北调水资源开发利用现状

南水北调总干渠在焦作市设置了5 座分水口门， 其中的4 座（25 号温县马庄、26 号博爱县北石涧、27 号焦作府城、28 号焦作苏蔺）分别向焦作市区以及修武县、武陟县、温县、博爱县县城供水，每年向各地分配水量为：市区21 780 万m3、温县1 000 万m3、武陟县1 200 万m3、博爱县1 400 万m3、修武县1 520 万m3。 配套工程共布置输水线路6 条，线路总长60.593 km，具体情况如表1 所示。 已建成苏蔺水厂、温县第三水厂、武陟县三水厂、博爱县水厂、修武水厂、府城水厂等6 座配套水厂。河南省2015～2018年可调水量分 别为30.30 亿m3、23.31 亿m3、18.21亿m3、35.77 亿m3， 按比例折算到焦作市为2.27 亿m3、1.74 亿m3、1.36 亿m3、2.68 亿m3，约占全省可调水量的7%左右，具体情况见表2。

表1 焦作市南水北调配套水厂建设情况Tab.1 Supporting waterworks construction condition of South-to-North Water Transfer Project in Jiaozuo city

表2 焦作市南水北调供水情况Tab.2 Water supply condition of South-to-North Water Transfer Project in Jiaozuo city

2 焦作市南水北调受水区水资源供需分析

2.1 需水量预测

本次需水量预测分城市需水量预测和城乡一体化用水户需水量预测，具体方法为：分析受水区经济发展布局、发展总体目标、城乡一体化建设目标等，并结合其水资源综合规划和节水型社会建设规划等成果，确定各项指标的需水定额， 再预测需水量。 以焦作市2017 年城区供水人口为基准，结合供水人口发展布局情况， 预测不同水平年供水人口等指标。 根据预测指标， 计算不同水平年各用水户需水量， 得出基准年、2025 年、2035 年焦作市城市受水区总需水量分别为16 056 万m3、28 632 万m3、36 548 万m3， 总体需水量分别为16 056 万m3、32 869 万m3、40 785 万m3。将需水成果与全省水资源综合规划中的焦作市需水数据进行对比分析，结果如图1 所示。 由图1 可知，焦作市南水北调工程受水区前期增长趋势明显较快，发展到一定程度后，增长趋势将逐步减缓，符合该区经济社会发展的实际情况［1］。

图1 焦作市需水变化趋势对比Fig.1 Change trend of water demand in Jiaozuo city

2.2 可供水量预测

焦作市可供水量预测包括现有工程和规划水平年内新建工程的可供水量预测。 按照有利于当地水资源的可持续利用，保证生态环境良性循环的原则，确定各项工程的可供水量。 本次规划范围主要是焦作市2 市4 县4 区， 用水对象包括城市用水和县区城乡一体化用水。根据各水源供水特点，本次可供水量预测主要从南水北调工程供水、引黄河水、其他地表水、当地地下水、再生水这五种水源进行分析。

2.2.1 南水北调工程可供水量

通过对1956～1997 年来水条件下南水北调工程总干渠口门来水过程进行频率分析，结果如图2 所示。

由图2 可知，频率为50%时，南水北调工程对焦作市的供水量为29.72 亿m3； 频率为75%时，供水量为26.80 亿m3； 频率为95%时， 供水量为22.98亿m3。 南水北调工程对焦作市最大可供水量为31 260万m3（1994 年来水条件），最小可供水量为18 894 万m3（1978 年来水条件），多年平均可供水量为26 900 万m3，大于或接近多年平均可供水量26 900 万m3的有28 年，小于26 900 万m3的有14 年。 在75%来水条件下，可供水量将减少到25 450 万m3；在95%来水条件下，可供水量将减少到19 806 万m3，不均匀系数（多年平均／最小年）为1.42。

图2 1956～1997 来水条件下焦作市南水北调工程可供水量Fig.2 Available water supply of South-to-North Water Transfer Project in Jiaozuo city from 1956 to 1997

南水北调工程分水过程与城市均衡需水过程不完全匹配， 城市旬平均需南水北调水量747 万m3，以42 年1 512 个旬统计， 旬最大可调水量为1 525 万m3，旬最小调水量为0 万m3， 旬调水量大于747 万m3的旬数占总旬数的46%，枯水年连续2～3 个月不供水的年份有3 年，连续4 个月不供水的年份有2 年［2］。 南水北调中线工程供水量存在年际调水不均和年内分配不均的特点，与城市均衡的需水过程不完全匹配，须与当地供水工程联合调度， 规划必要的调蓄工程和应急供水工程，以提高供水保证率。

焦作市多年平均分配到的南水北调工程水量为26 900 万m3，扣除配套输水管道损失后，多年平均分配水量为25 555 万m3。 在实施南水北调工程供水量97%利用率方案时，调蓄工程库容为1 250 万m3，最大年调蓄供水量为3 497 万m3， 多年平均调蓄供水量为1 865 万m3， 长系列充满库时段数为221 个旬，占长系列1 512 个旬的14.6%，详细情况见图3。 在实施南水北调工程供水量99.5%利用率方案时，调蓄工程库容为4 600 万m3，最大年调蓄供水量为5 973 万m3，多年平均调蓄供水量为2 506 万m3，长系列充满库时段数为30 个旬，占长系列的2.0%，详细情况见图4。 焦作市现在无南水北调工程水源调蓄工程［3］，近期推荐南水北调工程供水量97%利用率方案，结合各县区南水北调工程配置水量，需新建调蓄工程的规模为1 250 万m3。 远期推荐南水北调工程供水量99.5%利用率方案， 结合各地市城乡总体规划布局， 需新建调蓄工程的规模达到4 600万m3。

图3 焦作市规划水平年南水北调供水量曲线（97%利用率）Fig.3 Water supply curves in planning target years of South-to-North Water Transfer Project in Jiaozuo city （97%use ratio）

图4 焦作市规划水平年南水北调供水量曲线（99.5%利用率）Fig.4 Water consumption curves in planning target years of South-to-North Water Transfer Project in Jiaozuo city （99.5%use ratio）

2.2.2 黄河水供水量

焦作市境内现在有引黄取水工程11 处，其中与城市供水有关的引黄取水工程有4 处， 分别是温县的供水一站黄河滩取水井群、 大玉兰引黄补源生态治理取水工程、武陟县的共产主义闸和张菜园闸。除温县供水一站黄河滩取水井群水源为滩区地下水之外，其余均为黄河干流地表水。全省规划建设的四大灌区工程中， 涉及焦作市的有西霞院灌区工程和小浪底北岸灌区工程。 西霞院灌区工程规划每年向焦作市引黄河水5 327 万m3，全部用于农业灌溉。小浪底北岸灌区工程多年平均引黄规模为14 869 万m3，其中灌区灌溉用水为10 881 万m3，沁阳城市用水为2 502 万m3，孟州城市用水为1 486 万m3。

2.2.3 其他地表水可供水量

焦作市蓄水工程主要为中小型水库， 分布于北部的太行山区，除群英水库有城市供水任务外，其余水库现状年以防洪和农田灌溉为主， 规划水平年不考虑作为城市用水水源。 受群英水库来水量不稳定的限制，群英水厂目前已停产，不再向城区供水。 规划建设的九渡水库设计年供水能力5 000 万m3，向沁北产业集聚区企业供水。 引水工程主要是引沁工程和引丹河工程。其余河流枯水期几乎断流，可利用水量少，且有不同程度的污染，无法满足城市供水的需要［4］。

2.2.4 地下水可供水量

焦作市浅层地下水可开采量为52 105 万m3/年。根据《河南省水利厅关于公布河南省地下水超采区范围的通知》（豫水政资〔2014〕76 号），焦作市修武、武陟、温县、沁阳和孟州均被列入了浅层水一般超采区，超采面积约1 000 km2。 规划水平年内，地下水作为补充水源， 主要供农业和城乡供水管网未覆盖区域的生活用水。对城乡供水管网覆盖区域，当南水北调水厂及管网配套建成后，地下水基本不开采，仅作为枯水年份的应急备用水源［5］。

2.2.5 再生水可供水量

现状年焦作市供水范围内污水处理能力为66万m3／d， 远期规划水平年全市污水处理能力达到148 万m3／d。按照“以需定供”原则考虑，城市绿化浇灌和环卫扫洒等河道外生态环境用水原则上全部使用污水处理厂的再生水。 污水处理厂经过提标改造后，再生水也可用于对水质要求不高的工业，作为工业用水的重要补充水源。 经统计分析， 焦作市2025年再生水可供水量为3 518 万m3，2035 年再生水可供水量为6 424 万m3。

3 水资源供需分析

供需方案设置主要是以需水方案、 供水方案为依据。 根据不同水平年的需水预测以及供水预测等成果，进行供需分析。本次供需分析包含南水北调工程单一水源分析和多水源联合供水分析。 单一水源分析主要分析不同来水条件下（多年平均，75%来水条件，95%来水条件）的缺水程度；多水源联合供水主要考虑多种水源的综合利用。 考虑到焦作市城市发展趋势及生态环境需求， 规划水平年供水范围内地下水仅作为枯水年份的应急备用水源。

3.1 南水北调工程单一水源分析

在南水北调工程作为单一水源的条件下， 焦作市规划范围内2025 年城乡需水量为32 493 万m3。结合全市水厂规划，近期（2025 年）焦作市南水北调工程多年平均供水量为24 752 万m3， 供需缺口为7 741 万m3，缺水率为24%；在保证率为75%时，南水北调工程供水量为23 418 万m3，供需缺口为9 075 万m3，缺水率为28%；在保证率为95%时，南水北调工程供水量为18224 万m3，供需缺口为14269万m3，缺水率为44%。 到2035 年，规划范围内城乡需水量为40 409 万m3，南水北调工程多年平均供水量为26 900 万m3，供需缺口为13 509 万m3，缺水率为33%；在保证率为75%时，南水北调工程供水量为25 450 万m3，供需缺口为14 959 万m3，缺水率为37%； 在保证率为95%时， 南水北调工程供水量为19 806 万m3， 供需缺口为20 603 万m3， 缺水率达51%。由此可见，仅南水北调工程单一水源供水不能满足焦作市的用水需求，且随着供水保证率的提高，供需缺口还会增大。

3.2 多水源联合供水分析

规划调蓄工程后，2025 年，焦作市规划范围内多年平均城乡需水量为32 493 万m3，其中生活需水量为20 873 万m3，工业需水量为8 674 万m3，生态环境需水量为2 946 万m3；规划范围内，除南水北调工程供水24 752 万m3，还需引黄河水3 250 万m3、引丹河水973 万m3、利用再生水3 518 万m3，总供水量为32 493 万m3。 2035 年，多年平均城乡需水量将增长至40 406 万m3，其中生活需水量为26 285 万m3，工业需水量为10 874 万m3， 生态环境需水量为3 250 万m3；南水北调工程全部供水量为26 900 万m3，还需引黄河水5 397 万m3、引丹河水1 825 万m3、利用再生水6 424 万m3，总供水量为40 409万m3。

4 水资源配置

4.1 配置成果

南水北调工程水源优先保证焦作市受水区居民生活用水和工业补充用水， 若规划水平年有结余水量，可适当考虑扩大供水目标。2025 年，全市城乡需水量为32 493 万m3，其中城市生活需水量为18 839万m3，城乡一体化供水范围内农村居民生活需水量为2 034 万m3，工业需水量为8 674 万m3，河道外生态环境需水量为2 946 万m3。 结合焦作市南水北调工程配套工程及水厂、管网建设运行情况，南水北调工程供水量为24 752 万m3， 占2025 年需水量的76.2%， 需要黄河水、 丹河水及再生水补充供水7 741万m3，补充水量占2025 年总需水量的23.8%。 2035年，全市城乡需水量为40 409 万m3，其中城市生活需水量为24 251 万m3，城乡一体化供水范围内农村居民生活需水量为2 034 万m3， 工业需水量为10 874万m3，河道外生态环境需水量为3 250 万m3。 南水北调工程最大可供水量为26 900 万m3，占2035 年需水量的66.6%，需要黄河水、丹河水及再生水补充供水13 509 万m3，占2035 年需水量的33.4%。

4.2 水量调配方案

2025 年全市未被消纳的南水北调工程供水量为2 148 万m3，到2035 年，26 900 万m3水量将全部消纳（见表3）。 在满足市区用水的前提下，结余水量可向其他县市调配。建议向修武县调配1 980 万m3，向武陟县调配1 200 万m3， 向温县调配200 万m3。调配后，市区南水北调工程的供水指标为13 500 万m3，修武县为3 500 万m3，武陟县为3 800 万m3，博爱县为1 400 万m3，温县为1 200 万m3，沁阳市为2 000 万m3，孟州市为1 500 万m3。

表3 焦作市规划水平年南水北调工程供水量消纳情况Tab.3 Water consumption condition in planning target years of South-to-North Water Transfer Project in Jiaozuo city

4.3 南水北调工程配套水厂规划

以远期规划水平年2035 年南水北调工程配置水量为依据，分析新建或扩建南水北调工程水厂规模是否可以消纳配置水量。 规划水平年，焦作市区配置南水北调工程水量为13 492 万m3。 考虑水厂不均匀系数，市区南水北调工程配套水厂供水规模需达到45 万m3／d，而目前市区南水北调工程配套水厂有府城水厂和苏蔺水厂， 供水规模为31 万m3／d，还需增加14 万m3／d 供水能力。 规划扩建府城水厂和苏蔺水厂规模，扩建后府城水厂供水规模为19 万m3／d，苏蔺水厂供水规模为26 万m3／d。

4.4 调蓄工程规划

拟将新建库容为8 060 万m3的灵泉湖调蓄工程和库容为11 000 万m3的马村调蓄工程作为南水北调干线调蓄工程， 将太极湖调蓄工程列入南水北调调蓄工程，以满足焦作市供水需求。根据南水北调工程可供水量预测，扣除配套输水管道损失后，焦作市南水北调工程多年平均供水量为25 555 万m3，其中直接供水量为22 920 万m3， 调蓄供水量为2 635万m3。 经调蓄库容计算，近期2025 年需新建调蓄工程规模为1 250 万m3， 远期2035 年调蓄工程规模需达到4 600 万m3。

4.5 生态补水规划

考虑丹江口汛期（4～10 月）和焦作市汛期（5～9月）的差别，在4 月、5 月、10 月期间，南水北调工程水资源丰沛时， 通过退水闸和分水口门补充生态用水。 鉴于南水北调工程汛期可供水量与南水北调工程总干渠过水能力富余情况的不确定性， 可利用洪水资源的时长取2 个月（错汛期），城市生态需水按照生态水系换水2 次计算， 蒸发渗漏等损失按照20%估算， 计算出退水闸和口门生态补水流量为21.2m3／s，总生态补水量为11 020 万m3。

5 结语

笔者对焦作市南水北调工程受水区的供水现状进行了分析， 提出了南水北调工程供水量消纳存在的问题。根据受水区社会经济发展状况，分析预测了受水区水资源供需情况。在科学配置、满足城市供水保证率、合理配置水资源的前提下，制订了焦作市南水北调工程水量调配方案。 根据焦作市南水北调工程受水区城市水资源及城乡一体化供水配置要求，规划了南水北调工程配套水厂及管网建设， 并提出了新增供水工程、调蓄工程、生态补水工程等配套设计构想，以期充分发挥南水北调工程的综合效益。