辽阳县地下水双控的水资源配置研究

查曼丽

(沈阳市水利规划院规划室，沈阳 110015)

调查显示，全球用水需求每年正以1%的速度不断增长，在未来20a该速度还将大幅上升[1-3]。由于地下水保护滞后、管理粗放、过渡开发、无序开采等不合理利用，以及全球经济、人口的爆发式增长，致使地下水大范围超采以及地下水位持续下降，并引起地下水工建筑物受损、海水入侵、地面沉降等一起列水文地质、生态环境问题，严重影响着当地人民生活和经济发展，逐渐成为制约区域可持续发展最难解决、最尖锐、最突出的复合型问题[4]。2012年，国务院开始提出“双控”管理以防地下水问题的持续恶化，随后各地水管部门和水利部组织实施了一系列专项研究，并取得显著成效[5-6]。流域/区域地下水补排关系随水资源开发利用格局的变化而发生改变，如渠道及河道防渗功能的提升、水库的修建将显著影响渠系、河湖、水库对地下水的补给；工业与农业之间的水权转换以及新型节水灌区大范围提升将对地下水田间入渗补给带来较大影响[7]。因此，地下水可开采量在未来不同水平年属于动态变化的，结合地下水“双控”管理需要和不同水平年地下水可开采量变化特征，如何科学调整和规划水资源配置格局非常重要。然而，对于不同水资源开发利用格局不同水平年下的地下水位、地下水可开采量动态约束作用传统的水资源配置考虑较少或给予弱化[8-12]。

因此，文章结合地下水资源保护的特殊性和水生态文明建设的实际要求，通过改进与突破传统的非变化量处理地下水可开采量的缺陷构建水资源配置模型，并利用水资源配置与地下水可开采量动态计算模块的信息反馈及传输给出不同水平年配置方案，新增水资源配置中地下水水位的调控作用，通过交互迭代计算水资源优化配置模块与地下水双控计算模块给出满足地下水位阈值要求的配置方案，为地下水压采区水资源格局优化调整、地下水“双控”管理和人水和谐的水资源配置提供一种全新的模型方法。

1 水资源配置模型与求解

1.1 模型系统

实际上，水资源配置模型就是由地下水“双控”、可开采量动态计算和水资源优化三部分组成的模型系统，以优化配置模块为核心牵引地下水“双控”计算模块和可开采量动态计算模型，利用“三次配置”的多重循环迭代算法实现不同行业、不同水源、不同时空尺度等多个维度的水资源分配，以满足地下水“双控”要求的多重循环协同配置和地下水可开采量动态变化约束功能。

1)优化配置模块。根据水利工程时空分布格局和“社会-自然”二元水循环模式，构建以水资源供给与“三生”用水需求平衡为基础、以各类水量平衡关系为约束条件的配置模型，目标函数为水量损失最小及供水净效益最大，输入条件为不同水平年的生态蓄水与国民经济数据及长系列水文资料，并利用GAMS2.5软件求解水资源优化配置模型。

2)可开采量动态计算模块。地下水取水总量控制指标或地下水可开采量一般决定着地下水开采量，而地下水开采条件与补给量直接决定了可开采量，补给量发生变化可开采量也随之改变。向地下水均衡模型输入水资源配置模块计算结果，以此确定不同水平年不同单元井灌回归量、田间渗漏补给量、河湖水库和地下水渠系管网渗漏补给量，并在此基础上确定可开采量；水资源优化配置模块接受地下水动态开采量反馈数据，并将其作为约束条件上限参与运算，通过水资源优化配置模型与地下水均衡模块实现反馈与传输的迭代交互计算，科学计算地下水供水量和可开采量。

3)模块“双控”计算模块。向地下水数值模型输入水资源配置模块计算结果，对不同水资源配置方案不同水平年的地下水位变化趋势按照降水丰、平、枯3种情景进行预测，并结合地下水控制性红线水位判定该水资源配置方案是否满足地下水阈值要求，通过水资源配置模块与地下水数值模型实现反馈与传输的迭代交互计算，精准计算出“双控”结果。

1.2 多重循环迭代运算

对于不同水平年地下水水位和可开采量的动态变化约束传统的水资源配置一般忽视或给予弱化，文章利用水资源优化配置模块牵引地下水“双控”和可开采量动态计算，通过“三次配置”多重循环迭代算法实现反馈与传输的迭代交互运算，从而获取满足满足“双控”管理要求、地下水动态采补平衡、河道内生态环境和经济社会需水的水资源配置方案，主要流程如下：

步骤一：设置不同节水情景/发展模式下不同规划水平年的供需水方案，其中初始地下水可采量评价为Wj，j=0。根据研究区水资源配置要求、水利工程规划情况、水资源系统现状和特点等，将河渠道交汇点、计算单元、重要水利工程等各类物理元素设为水资源系统节点，并采用各类线段连接水资源传播系统的各节点，以此生成系统网络图和优化配置模块。

步骤二：依据模型初始参数、平衡方程、约束条件和目标函数，经调节计算确定不同规划水平年一次配置结果。

步骤三：向可开采量动态计算模块输入水资源一次配置结果，经迭代运算确定可开采量Wj(j=0，1，…，n，即迭代次数)。若符合条件|Wj+1-Wj|/Wj≤ε，则迭代运算终止，输出运算结果；否则，返回第二步并适当调整相关参数、需水量及供水能力，以j=j+1重复前一次迭代过程直至满足要求，输出水资源二次配置结果。

步骤四：向地下水“双控”计算模块输入二次配置结果，并对未来地下水变化趋势按照丰、平、枯3种来水情景进行预测，计算确定地下水位hj。若H下限≤hj≤H上限，则进入下一步运算；否则，返回第二步并对地下水开采量及开采布局进行合理调整，以j=j+1重复运算直至符合H下限≤hj≤H上限；此外，若|Wj+1-Wj|/Wj≤ε则进入下一步运算，否则返回第二步重复前一次运算，直至满足要求输出水资源三次配置结果。

步骤五：迭代运算终止，输出水资源多重循环迭代运算结果。

2 实例应用

2.1 研究概况

辽阳县地处辽东半岛中部，被辽阳市市区一分为二，总面积2828.2km2，地理位置如图1所示。东部为丘陵山区，西部为沿河平原，地势平坦，其中平原地区占全县总面积34%，山丘区占66%。该区域属温带大陆性季风气候，年均气温8.4℃，年降水量735.3mm，平均蒸发量508mm。目前，已建蓄水工程14座，现状供水量0.81亿m3，引水工程89处，提水工程27处，水井工程76143眼，中水回用供水量0.12亿m3[13-16]。

图1 辽阳县地理位置图

辽阳县地区受历史原因影响，承担向鞍山生活及鞍钢用水供给。由于该区集中了辽阳、鞍山、鞍钢供水水源地，地下水资源开采历史达90余年，长期大规模集中开采地下水导致地下水位下降，形成了降落漏斗。近年来，漏斗区的问题得到有关部门的高度重视，通过关停或封闭取水井、地下水取水工程等，严格控制地下水开采，使漏斗区得到了很好的控制与改善，漏斗区2005年面积缩小至220km2，2010年缩小至175km2，到2014年缩小至147.3km2。随着经济的快速发展和水资源条件的改变，如何优化配置区域水资源布局已成为当前研究的热点之一。

文章结合辽阳县水资源配置要求、水利工程规划情况、水资源系统现状和特点等，利用水资源配置系统的概化方法将研究区概化成2个流域分区，2个控制断面，3个外调水配水节点，4个计算单元，8个汇水与引水节点，5个水库节点，6个水源地，2个市政水厂，模拟站点分区如图2所示。

2.2 方案设置

根据辽阳县水资源规划及开发利用现状，通过组合非工程与工程措施、需水过程、水文过程设置不同配置方案及其初始集，对初始房中中明显较差或代表性不够的方案利用人机交互的方式排出，最终方案如表1所示。其中，①、②代表大伙房水库输水工程和辽西北供水工程。

表1 辽阳县水资源配置方案

文章利用地下水双控水资源优化配置模型和1966-2020年长系列逐径流资料，在考虑农业灌溉引水和河道内生态环境等最小流量约束条件下计算3套不同组合方案的长系列逐月调节量，并获取相应的配置结果如表2所示。

表2 水资源供需平衡量计算

方案Ⅰ是在适度节水模式下，通过新增外调水规模和加大再生水回用规模来支撑经济的发展，这种“以产定水、走外延式发展”模式不符合国家“节水优先战略”，加之新增外调水的复杂性与艰巨性，不推荐使用该方案。方案Ⅲ主要是通过封井压减开采规模实现地下水采补平衡，这种“以水定产、走内涵式发展”模式虽有利于改善生态环境和实现绿色低碳平稳发展，但在既定外调水规模下过渡抑制工业发展和城市扩张，与区域经济发展引擎、省市城市建设定位、当地经济可持续跨越式发展要求和国家“节水优先战略”不太相符，因此从绿色低碳的角度可作为次优推荐方案。方案Ⅱ实在既定的辽西北供水工程与大伙房输水工程分水协议的情况下，适度利用已建供水管网并重启部分封闭备用的地下水水源给市区供水，这种“供需协调、走稳健式发展”模式既能满足新增用水需求，又能合理利用各种资源降低成本，符合国家“节水优先”战略并保持地下水位合理波动，可作为最优方案。

2.3 结果分析

2.3.1 地下水可开采量动态计算

将2009-2020年多年平均地下水补给量作为地下水可开采量动态计算模块的初始条件，依据判别条件经多次迭代运算输出不同水平年地下水可开采量，2030年的迭代运算输出如表3所示。

表3 地下水可开采量迭代计算

续表3 地下水可开采量迭代计算

由表3可知，地下水补给量随规划水平年水资源配置格局的改变发生相应的变化，地表水入渗补给量随灌区和渠系节水效率的提升逐渐减少，在方案Ⅱ水资源开发利用格局下2030年辽阳县地下水可开采量为1.58亿m3，以地下水动态可开采量为上限约束调整2030年水资源配置方案。

2.3.2 地下水“双控”计算

根据地下水“双控”计算模块和水资源二次配置结果，基于降水与地下水调蓄能力的叠加积累效应，从长系列降水资料中选取连续5年作为2015-2020年、2020-2025年、2025-2030年降水输入，初始水位取2015年1月1日地下水位，预测2015-2030年地下水位变化，如表4所示。

表4 超限监测井地下水预测值

由表4可知，在方案Ⅱ水资源开发利用模式下辽阳县大部分观测井地下水位自2025年以后开始超出控制性红线上限水位，对地下建筑工程、环境地质和水文地质等产生一定影响或威胁，所以有必要在2025年后将部分地下水市政水源地适时重启。

2.3.3 优化配置结果

通过分析丰水年、枯水年、平水年3种情境下地下水位变化风险，最终确定2030年地下水市政水源重新开启供水量为0.12亿m3。依据方案Ⅱ水资源开发利用模式下的三次配置结果，2030年辽阳县水资源供需平衡目标基本能够实现，如表5所示。

表5 2030年多年平均水资源供需平衡

3 结 论

1)在水源置换和封井压采情境下获取地下水“双控”配置结果，2030年辽阳县年均供水量达到5.70亿m3，其中外调水、再生水、地下水、地表水分别为1.80、0.47、2.62、0.81亿m3，缺水率0%。鉴于丰水年、枯水年、平水年3种情境下地下水位变化风险，确定2030年地下水市政水源重新开启供水量为0.12亿m3，从而形成地下水“双控”的配置格局。

2)该水资源配置比较侧重于地下水“双控”，而较少考虑水功能区地下水和地表水水质，未来仍需综合考虑和高度重视水量水质问题。