，，，，

(河南省水利科學(xué)研究院 a.河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.河南省節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心，鄭州 450003)

1 研究背景

焦作市水資源總量為10.045億m3，地表水資源量為4.179億m3，淺層地下水資源量為5.481億m3，中深層地下水可開采總量為0.385億m3；而現(xiàn)狀年水資源開采量為11.612億m3，地表水供水量為3.635億m3，淺層地下水資源量為5.157億m3，中深層地下水可開采總量為2.820億m3?？梢娊棺魇械乃Y源問題是很突出的，尤其是通過超采深層地下水滿足對水資源的需求，更是飲鴆止渴。

隨著“十二五”計(jì)劃的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展速度加快,總量增加,人民生活水平增高,水資源供求矛盾日益加劇[1]，對水資源承載能力的過度透支，使地下水超采問題異常嚴(yán)重，產(chǎn)生了大片的漏斗區(qū)，并且漏斗區(qū)日益擴(kuò)大[2]。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使污水排放量持續(xù)快速增加，加之對農(nóng)藥噴灑和灌溉施肥等缺乏有效的管理，造成生態(tài)水環(huán)境的不斷惡化。區(qū)域內(nèi)6條主要河流監(jiān)測斷面均在5類水質(zhì)以下，已完全喪失水體的功能。地表水質(zhì)的現(xiàn)狀基本是有水皆污，也對地下水造成了嚴(yán)重的污染。為了解決水資源供需矛盾，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展，必須遵循公平、高效和可持續(xù)利用的原則，對區(qū)域內(nèi)的水資源進(jìn)行優(yōu)化配置[3]。

2 水資源配置的方法原則

2.1 計(jì)算節(jié)點(diǎn)與水資源配置網(wǎng)絡(luò)

水資源配置系統(tǒng)內(nèi)的各類物理元素(計(jì)算單元、水利工程、河道渠道交匯點(diǎn))間通過線段(河道、渠道)的相互聯(lián)結(jié)形成水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)[4-5]。將區(qū)域內(nèi)的河流或渠道上具有匯流、供水的物理元素概化為12個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。以計(jì)算節(jié)點(diǎn)為紐帶，以河道、渠道作為主線，按照水資源的供、用、耗、排水關(guān)系，把供水水源、水利工程、計(jì)算單元相互連接在一起，形成一個(gè)完整的水資源配置網(wǎng)絡(luò)，見圖1。

圖1 焦作市水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 計(jì)算單元分區(qū)

水資源配置系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)配置模型的分析計(jì)算，需要對水資源的整體供需系統(tǒng)進(jìn)行概化，將水資源配置區(qū)域劃分成計(jì)算分區(qū)。

2.2.1 焦作市行政區(qū)劃

焦作市轄解放區(qū)、山陽區(qū)、中站區(qū)、馬村區(qū)4個(gè)市轄區(qū)與一個(gè)省級高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，和修武縣、武陟縣、溫縣、博愛縣4個(gè)縣，代管沁陽市、孟州市2個(gè)縣級市。全市共有45個(gè)街道、36個(gè)鎮(zhèn)、22個(gè)鄉(xiāng)。總面積4 001 km2，焦作市行政分區(qū)見表1。

表1 焦作市行政分區(qū)

2.2.2 焦作市四級流域分區(qū)

焦作市位于河南省西北部，地表形態(tài)復(fù)雜，從北部向南依次分布有山地、丘陵、山前傾斜平原和沖積平原。依據(jù)《全國水資源綜合規(guī)劃》，按照四級分區(qū)進(jìn)行焦作市的水資源分區(qū)，焦作市流域分區(qū)見表2。

表2 焦作市流域分區(qū)

2.2.3 計(jì)算單元?jiǎng)澐?/p>

計(jì)算單元是水資源配置分析計(jì)算的基礎(chǔ)，為了水資源配置的可靠性和準(zhǔn)確性，需要?jiǎng)澐指嗟挠?jì)算單元，但相應(yīng)的工作量也越大，因此需要合理均衡考慮。

首先按四級流域分區(qū)將整個(gè)區(qū)域劃分為12個(gè)計(jì)算分區(qū)，將焦作市區(qū)劃分為崗區(qū)和平原區(qū)2個(gè)計(jì)算分區(qū)，6個(gè)縣市的城區(qū)劃分為6個(gè)計(jì)算分區(qū)，共計(jì)20個(gè)計(jì)算分區(qū)。見計(jì)算單元?jiǎng)澐直?。

2.3 水資源配置原則

焦作市水資源配置遵循高效性、公平性、可持續(xù)性的原則[6-7]，確定水資源評價(jià)指標(biāo)的原則及核心指標(biāo)選擇運(yùn)用經(jīng)濟(jì)手段與行政措施[8]，實(shí)行優(yōu)水優(yōu)用，對可利用水源在區(qū)域間和各用水部門間進(jìn)行優(yōu)化調(diào)配。

2.3.1 供水優(yōu)先規(guī)則

根據(jù)水資源的形式、性質(zhì)將其劃分為不同的水源工程類型，為每種工程類型分配不同的供水優(yōu)先序，按照供水優(yōu)先順序進(jìn)行水資源的配置。

表3 計(jì)算單元?jiǎng)澐?/p>

按照“先節(jié)水后開源”，“先治污后調(diào)水”，“充分利用中水等非常規(guī)水資源，建設(shè)節(jié)水型社會”原則和要求，設(shè)定焦作市水資源配置的供水優(yōu)先序，焦作市水資源配置供水優(yōu)先規(guī)則見表4。

表4 焦作市水資源配置供水優(yōu)先規(guī)則

2.3.2 用水優(yōu)先規(guī)則

用水優(yōu)先規(guī)則是按照水資源配置的原則制定出來的，水資源分配是按照用水優(yōu)先級進(jìn)行的。用水優(yōu)先規(guī)則的制定是各個(gè)用水行業(yè)、群體利益的平衡點(diǎn)，是體現(xiàn)政府對各個(gè)生產(chǎn)行業(yè)的態(tài)度，政策性較強(qiáng)。在不同的時(shí)空背景條件下，各種用水類型的項(xiàng)目緊迫性、重要性可能會有不同，因此制定出來的用水優(yōu)先規(guī)則也可能會不同，水資源配置的結(jié)果也可能會不一樣，這也是政府參與、引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的有效手段。焦作市水資源配置用水優(yōu)先規(guī)則見表5。

表5 焦作市水資源配置用水優(yōu)先規(guī)則

2.3.3 水源與用戶對應(yīng)規(guī)則

水資源配置中，由于水源的性質(zhì)、水源供水范圍與用戶對水源的要求，每種水源只能供給指定類型的用戶使用，根據(jù)水源性質(zhì)、用戶類型，在體現(xiàn)“優(yōu)水優(yōu)用”的原則下制定水源與用戶的對應(yīng)規(guī)則，水源與用戶對應(yīng)規(guī)則見表6。

表6 水源與用戶對應(yīng)規(guī)則

2.3.4 水源工程與用水單元對應(yīng)規(guī)則

由于水源工程只能對供水范圍內(nèi)的用水單元供水，水源工程與用水單元之間存在一對多、多對多、多對一的關(guān)系，比較復(fù)雜，并且不同地區(qū)的對應(yīng)關(guān)系是不一樣的，需要進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查分析才能得到，水源工程與用水單元之間具有特定的關(guān)系，是不可復(fù)制的。

3 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

數(shù)學(xué)模型最終體現(xiàn)為目標(biāo)函數(shù)，焦作市水資源配置以供水滿足程度最大化，也就是用戶缺水程度最小為目標(biāo)[9]構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)模型，即

(1)

3.2 約束條件

3.2.1 水量平衡約束

水量平衡約束包括計(jì)算節(jié)點(diǎn)水量平衡約束、水庫水量平衡約束，地下水平衡約束等。

3.2.1.1 計(jì)算節(jié)點(diǎn)水量平衡約束

計(jì)算節(jié)點(diǎn)是實(shí)際工程概化的不具有蓄水能力的一個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)任何時(shí)刻的來水量等于退水量。計(jì)算節(jié)點(diǎn)來水量包括河道來水量、渠道來水量、上游計(jì)算節(jié)點(diǎn)的退水量；退水量包括灌溉渠道退水、污水處理回用的剩余退水。

3.2.1.2 計(jì)算單元水量平衡約束

D(i,t)=N(i,t)+P(i,t)+H(i,t)-

Q(i,t) -W(i,t) 。

式中：D(i,t)，N(i,t)，P(i,t)，H(i,t)，Q(i,t)，W(i,t)分別表示第i計(jì)算單元第t時(shí)段的退水量、供水量、降雨量、水庫蓄水量、水量滲漏損失、蒸發(fā)消耗損失。

供水量包括從河道、水庫、地下水等提取的水量，退水量同上；水量滲漏損失根據(jù)供水渠道按照供水量的比例計(jì)算，蒸發(fā)消耗損失按照不同月份的水面面積蒸發(fā)系數(shù)計(jì)算。

3.2.1.3 水庫水量平衡約束

V′(i,t+1)=V(i,t)+Nr(i,t)+Hr(i,t)-

Qr(i,t)-Lr(i,t) 。

式中：V′(i,t+1)，V(i,t)分別表示第i個(gè)水庫在第t時(shí)段末庫容和時(shí)段初的庫容；Nr(i,t),Hr(i,t),Qr(i,t),Lr(i,t)分別表示第i個(gè)水庫第t時(shí)段水庫的天然來水量、人工補(bǔ)水量、下泄水量、水庫蒸發(fā)及滲漏損失水量。

3.2.1.4 地下水平衡約束

地下水的平衡比較復(fù)雜，影響因素較多，不易分析計(jì)算。焦作市水資源配置中的地下水采用年允許開采量作為地下水平衡約束的綜合數(shù)據(jù)使用。

3.2.2 供水能力約束

共用水源

(2)

獨(dú)占水源

(3)

地下水源

(4)

3.2.3 輸水能力約束

任何一個(gè)水源在單位時(shí)間內(nèi)為用戶提供的水量不能超過該水源的工程輸水能力。

3.2.4 河道最小流量約束

河道最小流量包括河道最小下泄流量、生態(tài)流量和納污流量，最小下泄流量是扣除焦作市河道用水指標(biāo)后的下泄水量；生態(tài)流量是維持河流基本生態(tài)需求的最小流量，可按河道多年平均徑流量的15%估算；納污流量是維持稀釋凈化污水能力的最小流量，按水功能區(qū)規(guī)劃的水質(zhì)要求決定；這三者之間的最大值即為河道最小流量約束值。

3.2.5 用戶需水約束

對于有需水下限要求的用戶(如農(nóng)作物的凋萎系數(shù)等)，如果不能保證該用戶的需水下限要求，則該用戶在本周期內(nèi)將面臨消亡(農(nóng)作物絕收)，不再有需水量要求。

3.2.6 其他約束

計(jì)算過程中的用水量不能大于供水量；污水回用量不能大于污水處理量；變量的非負(fù)約束等。

4 焦作市水資源配置

4.1 各水平年需水預(yù)測

按水資源綜合規(guī)劃細(xì)則，工業(yè)需水量的預(yù)測采用定額法。以基準(zhǔn)年的定額和增加值及火電裝機(jī)為基礎(chǔ)，分別預(yù)測不同水平年的定額和增加值及火電裝機(jī)，最后得出相應(yīng)的需水量；建筑業(yè)需水可采用萬元增加值定額法和單位建筑竣工面積取水定額法預(yù)測，第三產(chǎn)業(yè)需水采用第三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員生活用水定額預(yù)測；城鎮(zhèn)用水定額的標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)社會主義新農(nóng)村的要求，參照焦作市城鎮(zhèn)及農(nóng)村生活用水基準(zhǔn)定額適當(dāng)提高；農(nóng)業(yè)用水參考河南省于2004年頒布實(shí)施《用水定額》(DB41/T385—2004))地方標(biāo)準(zhǔn)，對主要農(nóng)作物灌溉定額和綜合灌溉定額進(jìn)行預(yù)測，并重視林牧漁畜業(yè)節(jié)水，提高其用水效率，降低用水定額。焦作市各水平年需水預(yù)測成果詳見表7。

表7 焦作市需水預(yù)測成果

注：表中50%、75%、95%列的數(shù)值分別為對應(yīng)保證率下的需水量預(yù)測值。

4.2 供水工程規(guī)劃

焦作市水資源配置首先立足當(dāng)?shù)厮Y源條件，在需求側(cè)通過各種節(jié)水措施進(jìn)一步壓縮用水需求，進(jìn)行水價(jià)調(diào)整和增強(qiáng)管理來抑制需水的過快增長；在供水側(cè)進(jìn)一步挖掘區(qū)域內(nèi)供水潛力，加大工程投資，通過改造和新建蓄、引、提水工程，提高當(dāng)?shù)厮Y源的開發(fā)利用量；通過提高污水處理率和處理質(zhì)量，提高污水回用率，提高水資源的利用率，增加水資源的有效供給量；在抑制需求、增加有效供給量、提高水資源利用率等方面共同努力。

焦作市為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，結(jié)合河南省水利工程規(guī)劃，到2030年計(jì)劃建設(shè)4座水庫，新建或改建4個(gè)灌區(qū)，包括南水北調(diào)工程在內(nèi)的3個(gè)外調(diào)水工程，詳見表8、表9和表10。

表8 焦作市水庫工程發(fā)展規(guī)劃

表9 焦作市規(guī)劃灌區(qū)改造

表10 焦作市規(guī)劃外調(diào)水工程

4.3 地下水開采規(guī)劃

焦作市淺層地下水開采量5.16億m3，可開采總量為5.21億m3,整體上焦作市現(xiàn)狀年淺層地下水不超采，但是從焦作市各個(gè)行政分區(qū)進(jìn)行分析，存在現(xiàn)狀淺層地下水的超采，且超采量合計(jì)達(dá)7 428萬m3，地下水超采區(qū)主要分布于溫縣和孟州市2縣市，超采率分別為155.0%和29.9%。形成了沁丹河漏斗區(qū)、衛(wèi)河漏斗區(qū)、小花干漏斗區(qū)，小花干山區(qū)也存在淺層地下水超采。詳見表11。

表11 焦作市四級流域分區(qū)地下水統(tǒng)計(jì)表

考慮到焦作市水資源分布的嚴(yán)重不平衡，部分地區(qū)地下水利用量大，地下水超采嚴(yán)重的現(xiàn)狀，而地表水、外調(diào)水工程尚不能滿足焦作市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，地下水開采量應(yīng)采用逐步限制的方案進(jìn)行。水資源配置的地下水合理利用遵循如下原則：①保持社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的連續(xù)性，使地下水超采只減不增的原則；②統(tǒng)一調(diào)配地表水和地下水，優(yōu)先使用地表水及優(yōu)水優(yōu)用的原則；③壓采巖溶水，用好孔隙水和充分發(fā)揮地下水調(diào)蓄功能的原則；④全面規(guī)劃、逐步推進(jìn)、直至采補(bǔ)平衡的原則。詳見表12。

表12 焦作市地下水壓采方案設(shè)計(jì)

4.4 焦作市水資源配置結(jié)果

采用3次供需平衡的方法對焦作市水資源進(jìn)行配置分析，首先立足當(dāng)?shù)厮Y源條件，在需求側(cè)通過各種節(jié)水措施進(jìn)一步壓縮用水需求，進(jìn)行水價(jià)調(diào)整和增強(qiáng)管理來抑制需水的過快增長；在供水側(cè)進(jìn)一步挖掘區(qū)域內(nèi)供水潛力，加大工程投資，通過改造和新建蓄、引、提水工程，提高當(dāng)?shù)厮Y源的開發(fā)利用量；通過提高污水處理率和處理質(zhì)量，提高污水回用率，提高水資源的利用率，增加水資源的有效供給量；在抑制需求、增加有效供給量、提高水資源利用率等方面共同努力。

在此基礎(chǔ)上，考慮國家南水北調(diào)中線工程水源以及國家對引黃工程用水指標(biāo)的綜合分配，對包括外調(diào)水源在內(nèi)的水資源總量進(jìn)行全局考慮，同時(shí)將淺層地下水利用限制在可開采量限額內(nèi)。深層地下水原則上不考慮開采的情況下，按照焦作市經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的用水需求，對水資源工程在其供水范圍內(nèi)，進(jìn)行合理調(diào)配，使各行政區(qū)域的水資源配置盡可能滿足高效性、公平性、可持續(xù)性的要求。焦作市推薦方案的多年平均配置結(jié)果見表13。

表13 焦作市水資源配置多年平均的推薦方案

4.5 存在問題

根據(jù)表13所示的焦作市水資源配置多年平均的推薦方案的結(jié)果分析，2030水平年在中遠(yuǎn)期規(guī)劃的水利工程竣工投入使用，并引入外調(diào)水源參與水資源分配后，在對地下水資源嚴(yán)格限制超采的情況下，博愛、修武等縣市水資源仍不能完全承受其經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃指標(biāo)的要求。博愛縣的缺水率高達(dá)10%，而由于自然水資源環(huán)境條件所限，當(dāng)?shù)厮Y源不足，又沒有更多的外部水源可供利用，因此應(yīng)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展高效節(jié)水技術(shù)，限制、關(guān)停高耗水企業(yè)，打造具有博愛縣特色的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展模式；修武縣也需要對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和相關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，使焦作市的整體社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃具有更好的可持續(xù)性。

5 結(jié) 論

焦作市水資源配置面對缺水較為嚴(yán)重的現(xiàn)狀，規(guī)劃大力進(jìn)行開源節(jié)流，提高水資源承載能力，實(shí)行節(jié)水、污水并重，減少地下水的開發(fā)量，使地下水資源得到涵養(yǎng)，使焦作市水資源利用進(jìn)入良性循環(huán)的可持續(xù)性利用遠(yuǎn)期目標(biāo)。

(1) 焦作市水資源總體上雖說不是缺水很嚴(yán)重，但因水資源分布的嚴(yán)重不均，地表水、地下水污染嚴(yán)重，致使焦作市成為一個(gè)水資源問題嚴(yán)重的地區(qū)。

(2) 焦作市的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對地下水的依賴很嚴(yán)重，造成地下水超采嚴(yán)重，形成了多個(gè)地下水漏斗區(qū)。

(3) 焦作市雖然地質(zhì)條件特殊，具有深層地下水的補(bǔ)給條件，但其深層地下水的開采量遠(yuǎn)大于補(bǔ)給量，而且深層地下水補(bǔ)給困難，作為備用和應(yīng)急水源使用更為合理。

(4) 博愛縣由于自然條件所限，在采取各種工程和非工程措施的條件下，缺水率仍高達(dá)10%，需要從調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)或降低經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃指標(biāo)入手，實(shí)現(xiàn)人水和諧的社會經(jīng)濟(jì)良性循環(huán)。

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