范 磊， 趙振宏, 王旭升， 錢 會

(1.長安大學 環(huán)境科學與工程學院， 陜西 西安 710054； 2.西安市城市規(guī)劃設(shè)計研究院， 陜西 西安 710082；3.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心， 陜西 西安 710054； 4.中國地質(zhì)大學(北京)， 北京 100083)

1 研究背景

寧東能源化工基地是國務(wù)院批準的國家重點開發(fā)區(qū)、國家重要的大型煤炭生產(chǎn)基地、“西電東送”火電基地、煤化工產(chǎn)業(yè)基地和循環(huán)經(jīng)濟示范區(qū)?；匚挥诙鯛柖嗨古璧匚骶夓`鹽臺地之上，水資源極為貧乏，供水來源單一，絕大部分供水來源于黃河，少量來源于吳忠平原地下水。黃河引水不但用水成本很高，而且地表水易受污染，輸水又具有季節(jié)性，保障程度低。因此，如何高效利用水資源是寧東能源化工基地建設(shè)面臨的重要問題，受到社會各界的廣泛關(guān)注。本研究提出了基地地表水和地下水聯(lián)合配置供水方案，并對方案進行了優(yōu)化研究。

水資源優(yōu)化配置是在流域或特定的區(qū)域范圍內(nèi)，根據(jù)相關(guān)原則，通過合理抑制需求，保障有效供給等手段，對多種可利用水源在區(qū)域間和各用水部門間進行調(diào)配[1]。1960年，Colorado大學對各部門需水計劃和未來水資源可供給量進行的合作研究，是水資源優(yōu)化配置思想的雛形。此后，水資源優(yōu)化配置模型的研究快速發(fā)展，近年來興起的遺傳算法(GA)、模擬退火算法(SA)等新的優(yōu)化算法，使水資源優(yōu)化配置研究有效性顯著提高。我國的水資源優(yōu)化配置研究起步較晚，但進展迅速。20世紀80-90年代，賀北方[2]對區(qū)域水資源優(yōu)化配置模型及實際應(yīng)用問題進行了探索；2000年以來，水資源優(yōu)化配置研究發(fā)展較快，在優(yōu)化理論、優(yōu)化方法和實際應(yīng)用等方面的研究都取得了較大發(fā)展[3-7]。近年來，水資源優(yōu)化配置問題的研究主要集中于對優(yōu)化方法的探索及實際應(yīng)用問題的解決[8-12]，尤其對礦區(qū)水資源綜合利用和優(yōu)化配置進行了有益的探索[13-16]，對寧夏等干旱半干旱地區(qū)依據(jù)不同目的和需求的水資源優(yōu)化配置研究也取得了可喜的進展[17-20]。對于寧東能源化工基地的水資源優(yōu)化配置問題，目前只是給出了基地各類水(黃河水、礦井疏干水、處理污水)配置數(shù)量，提出了礦井水、各類廢水處理利用及節(jié)約用水解決基地供水的措施[13-14]，尚未涉及基地地表水與地下水的聯(lián)合運用以及水資源優(yōu)化配置問題。因而前人的研究對基地合理高效開發(fā)利用水資源的實際指導作用尚有欠缺，有必要進行深入研究。本研究依據(jù)“鄂爾多斯盆地(寧夏)能源基地地下水勘查”項目的地下水資源評價資料，結(jié)合寧東能源化工基地建設(shè)規(guī)劃對水資源需求，提出了地表水和地下水聯(lián)合配置供水方案，并采用線性規(guī)劃模型對供水方案進行了優(yōu)化研究，為基地水資源高效利用提供基礎(chǔ)依據(jù)，也為干旱區(qū)工業(yè)基地經(jīng)濟合理利用水資源提供參考。

2 研究資料和研究方法

本研究根據(jù)寧東能源化工基地產(chǎn)業(yè)規(guī)劃對水資源的需求及供水現(xiàn)狀，依據(jù)“鄂爾多斯盆地(寧夏)能源基地地下水勘查”項目的地下水資源評價資料(2014年)，利用拓撲圖方式表達地表水與地下水聯(lián)合供水方案的基本內(nèi)容，采用線性規(guī)劃模型對聯(lián)合供水方案進行優(yōu)化研究，確定供水方案中地下水和地表水的實際配額及地下水供水路線。

2.1 寧東能源化工基地產(chǎn)業(yè)規(guī)劃對水資源的需求及供水現(xiàn)狀

2.1.1 寧東能源化工基地產(chǎn)業(yè)規(guī)劃 按照寧東能源化工基地總體規(guī)劃，基地以煤炭、電力和煤化工為3大主導產(chǎn)業(yè)，輔助發(fā)展石油天然氣化工、精細化工、材料工業(yè)和其他服務(wù)業(yè)。煤礦區(qū)包括靈武、鴛鴦湖、橫城、馬家灘、積家井等礦區(qū)和井田，電廠包括馬連臺電廠、靈州煤矸石綜合電廠、靈武電廠、鴛鴦湖電廠、水洞溝電廠、方家莊電廠和棗泉電廠等。3個工業(yè)園區(qū)包括煤化工園區(qū)、臨河綜合項目區(qū)和靈州綜合項目區(qū)。在寧夏東北部與內(nèi)蒙古交界地帶建設(shè)了平羅精細化工基地。寧東能源化工基地地理位置及主要廠礦的分布見圖1所示。

圖1 寧東能源化工基地廠礦分布圖

2.1.2 寧東基地對水資源的需求 根據(jù)《寧東基地總體規(guī)劃與建設(shè)綱要》，2020年總需水量達到3.43×108m3/a，其中煤礦生產(chǎn)生活用水0.16×108m3/a，電廠生產(chǎn)生活用水0.29×108m3/a，煤化工生產(chǎn)用水2.98×108m3/a ，以煤化工用水量最大。環(huán)保綠化需水可通過礦坑廢水和工業(yè)廢水的處理或再循環(huán)利用解決。

2.1.3 寧東基地引黃供水工程和應(yīng)急水源需求

(1)引黃供水工程。鴨子蕩水庫位于基地北部，2020年供水量可以達到3.0×108m3/a；太陽山供水工程(劉家溝水庫)位于基地南部，供水量為0.36×108m3/a。這兩座水庫的水源均來自黃河，水量的配額來自水權(quán)置換，即把農(nóng)業(yè)節(jié)約用水所產(chǎn)生的余額分配給工業(yè)用水。

(2)應(yīng)急水源需求。應(yīng)急水源首先保障煤礦生產(chǎn)生活、電廠生產(chǎn)生活用水的需求，即2020年煤礦生產(chǎn)生活用水0.16×108m3/a，電廠生產(chǎn)生活用水0.29×108m3/a，合計0.45×108m3/a。煤化工項目的用水需求暫且不納入應(yīng)急供水保障范圍。

2.2 地下水源地及其供水潛力

目前，已經(jīng)探明可以向?qū)帠|能源化工基地供水的地下水水源地有5處。通過對“鄂爾多斯盆地(寧夏)能源基地地下水勘查”項目地下水資源評價資料的歸納整理，可向?qū)帠|能源化工基地提供淡水的地下水水源地的現(xiàn)狀開采量、工程可開采量及開采潛力(供水能力)統(tǒng)計見表1。

表1 寧東能源化工基地水源地地下水開采量及開采潛力統(tǒng)計表 108(m3·a-1)

(1)駱駝井水源地: 處于基地西部，屬于北大池閉流區(qū)?，F(xiàn)狀開采量0.018×108m3/a，工程可開采量 0.064×108m3/a，尚有0.046×108m3/a開采潛力(供水能力)。

(2)靈武大泉水源地：包括北部大泉鄉(xiāng)現(xiàn)有水源地和大泉1號備選水源地。北部大泉鄉(xiāng)現(xiàn)有水源地(直接供給神華基地)，現(xiàn)狀開采量0.090×108m3/a，工程可開采量0.109×108m3/a；大泉1號備選水源地，現(xiàn)狀無開采，工程可開采量0.170×108m3/a。該水源地尚有0.189×108m3/a開采潛力 。

(3)靈武崇興水源地：現(xiàn)狀開采量0.040×108m3/a，工程可開采量0.070×108m3/a ，該水源地尚有0.030×108m3/a開采潛力。該水源地已經(jīng)是靈武市區(qū)的供水水源地。

(4)陶樂平原水源地：處于基地北部。高仁鎮(zhèn)水源地已開采0.010×108m3/a，傍河水源地工程可開采量0.113×108m3/a，該水源地尚有0.113×108m3/a開采潛力。

(5)吳忠平原傍河水源地：包括吳忠2號應(yīng)急備選水源地和靈武西側(cè)的梧桐樹3號備選傍河水源地。吳忠2號應(yīng)急備選水源地位于黃河東岸，可開采量0.153×108m3/a；靈武西側(cè)的梧桐樹3號備選傍河水源地可開采量0.093×108m3/a。兩水源地現(xiàn)狀無開采，該水源地開采潛力0.246×108m3/a。

歸納得出：寧東能源化工基地西部的鹽池駱駝井地區(qū)水源地可供水0.046×108m3/a，東部的靈武地區(qū)水源地可供水0.465×108m3/a，而北部的陶樂地區(qū)水源地可供水0.113×108m3/a?？上?qū)帠|能源化工基地供水的地下水水源地合計供水能力為0.624×108m3/a。

3 結(jié)果與討論

3.1 地表水與地下水聯(lián)合配置供水方案

按照寧東能源基地的總體規(guī)劃，能源化工企業(yè)的用水主要由鴨子蕩水庫和劉家溝水庫提供。引黃供水維護運營的成本很高，蒸發(fā)滲漏造成的水資源浪費較大，而且地表水易受污染，保障程度低。在探明了地下水水源地之后，通過適當引入地下水的供水工程，可以減少蒸發(fā)損失，降低運營成本，并起到應(yīng)急供水的作用, 提高用水保障程度。但是，僅由現(xiàn)有的地下水水源地，還不能滿足能源化工基地的全部新鮮淡水需求。因此，采用地表水與地下水聯(lián)合配置供水方案，將更有利于區(qū)域水資源的高效開發(fā)利用。經(jīng)分析研究，提出了如圖2所示的寧東能源化工基地地表水與地下水聯(lián)合配置供水方案。

方案的要點如下：

(1)陶樂水源地向平羅精細化工基地單獨供水。平羅精細化工基地在陶樂地區(qū)的北端，目前的供水措施是引黃河水。該基地規(guī)劃供水為2.0×104m3/d(0.073×108m3/a)，而陶樂傍河水源地的可開采量達到0.113×108m3/a，能夠滿足平羅精細化工基地的需求。

(2)修建輸水管道和配水站聯(lián)合基地西部駱駝井水源地，向橫城工礦區(qū)和鴛鴦湖礦區(qū)供水。駱駝井水源地的供水能力為0.046×108m3/a。

(3)在靈武地區(qū)，修建配水站和輸水管道聯(lián)合傍河3號水源地和鴨子蕩水庫的供水管道，向橫城工礦區(qū)供水。另外修建配水站聯(lián)合現(xiàn)有的崇興水源地和2號備選水源地聯(lián)合鴨子蕩水庫的供水管道，向靈武工礦區(qū)提供煤礦和電廠的生產(chǎn)生活用水。這種與鴨子蕩水庫聯(lián)合調(diào)度的方案中，地下水的可供水量達到0.276×108m3/a。鴨子蕩水庫則向煤化工基地提供煤化工項目的新鮮淡水需求，2020年設(shè)計供水能力為2.98×108m3/a，地下水可供水量占比很小。

(4)在靈武南部地區(qū)，將大泉水源地與1號備選水源地與劉家溝水庫的地表水進行聯(lián)合調(diào)度，向積家井和馬家灘工礦區(qū)供水。馬家灘和積家井礦區(qū)2020年規(guī)劃需要0.054×108m3/a的新鮮淡水, 低于劉家溝水庫的供水能力。大泉水源地和1號水源地的可供水總量為0.189×108m3/a，比馬家灘和積家井礦區(qū)需求量還大，因此剩余的水量可以向北分配到靈武工礦區(qū)。

圖2 寧東能源化工基地地表水與地下水聯(lián)合配置供水方案拓撲圖

3.2 寧東能源化工基地地表水和地下水聯(lián)合配置供水方案的優(yōu)化

以上的討論提出了寧東能源化工基地地表水與地下水聯(lián)合配置供水方案，確定了周邊地下水水源地的供水線路和最大可能供水規(guī)模，但還存在很大的不確定性，即地表水和地下水的實際配額達到多大才是經(jīng)濟合理的方案。為了定量的確定方案中的供水配額，本文依據(jù)線性規(guī)劃理論，通過建模和模型求解對聯(lián)合供水方案進行優(yōu)化，即在最低的經(jīng)濟成本達到供水目標前提下對地表水和地下水資源進行優(yōu)化配置。

線性規(guī)劃法是數(shù)學規(guī)劃的一個重要分支，是研究在現(xiàn)有人力、物力等資源條件下，合理調(diào)配和有效使用資源，以達到最優(yōu)目標(產(chǎn)量最高、利潤最大、成本最小、資源消耗最少等)的一種數(shù)學方法。線性規(guī)劃法是水資源優(yōu)化配置方法中最基本的方法，建模簡單，并可通過計算機軟件進行計算[10]。

3.2.1 模型方程的建立 寧東能源化工基地地表水與地下水聯(lián)合配置供水方案優(yōu)化的基本思路是用最低的經(jīng)濟成本達到供水目標。因為引用黃河水的供水方案是已經(jīng)有規(guī)劃的，工程建設(shè)已經(jīng)部分完成。因此，在本模型中不再考慮地表供水工程的基礎(chǔ)設(shè)施投資，而主要考慮地下水供水工程的基礎(chǔ)設(shè)施投資和運營成本。

供水總量取決于需求，應(yīng)滿足以下關(guān)系式

Q1+Q2=Qx

(1)

式中：Q1為地表水的有效供水量，108m3/a；Q2為地下水的供水量，108m3/a；Qx為需要達到的總供水量，108m3/a。設(shè)地表水引水量為Qs(108m3/a)，考慮到蒸發(fā)和滲漏損失量，地表水有效供水量與引水量關(guān)系為：

Q1=(1-η)Qs

(2)

式中：η為損失系數(shù)(無量綱)，按照鴨子蕩水庫的有關(guān)資料，η可取3.3%(源自“寧東能源化工基地一期供水工程水資源論證報告書”)。

對于損失的水量，屬于水資源的浪費，引入以下罰函數(shù)：

(3)

式中：Jw為模型中引入的處罰成本；qs為為單方水的水權(quán)置換成本；es為處罰的倍增函數(shù)(即每多浪費1 m3水需要增加的單方成本)。根據(jù)寧夏地區(qū)水權(quán)置換的經(jīng)驗，qs=2.0元/m3。es可取0.01元/104m3，表示每浪費1×104m3水單價上漲0.01元。

對于任一地下水水源地，開采量會引起當?shù)毓┧蜕鷳B(tài)環(huán)境壓力，其水權(quán)置換的單方成本隨著實際開采量與可開采量的比例(環(huán)境壓力增大)增加，計算公式為：

(4)

式中：qg為地下水的基礎(chǔ)水權(quán)置換單方成本，取值為2.0元/m3。

總的經(jīng)濟成本按下式計算：

(5)

式中：Δt為模型考慮的投資回收周期，a，取Δt=20a；qsQ1為地表水的水權(quán)置換成本；qe為地下水供水工程的基礎(chǔ)設(shè)施投資單方成本，0.04元/m3·km；Lg為輸水距離，km；ms為地表水供水工程的運營配水成本，1.5元/m3；mg為地下水供水工程的配水運營成本，1.0元/m3。

規(guī)劃模型的目標函數(shù)為：

Jx=minJx(Qs,Qg)

(6)

即聯(lián)合供水方案在20 a內(nèi)的總成本達到最低的情況下，確定地表水的供水量Qs及地下水的供水量Qg。

地表水和地下水供水均需滿足以下約束條件：

Qs≤QR；Qg≤QP

(7)

式中：QR為地表水庫的供水能力，108m3/a；QP為地下水的可開采量，108m3/a。

3.2.2 模型求解 模型求解通過計算機軟件進行。對圖2中的供水方案可以分解為陶樂地區(qū)、中部工礦區(qū)和南部工礦區(qū)幾個組成部分，分別求解各自的優(yōu)化模型，遵循用最低的經(jīng)濟成本達到供水目標的原則，對各區(qū)地表水和地下水資源進行優(yōu)化配置。

(1)陶樂地區(qū)水資源優(yōu)化配置方案。陶樂地區(qū)平羅精細化工基地的需水量為Qx=0.073×108m3/a，而陶樂水源地地下水可開采量QP=0.113×108m3/a，目前黃河三棵柳引水工程供水能力為QR=0.055×108m3/a，輸水距離是Lg=40 km。模型求解得到的結(jié)果如圖3所示。

圖3可以看出：隨著地下水的供水量增加，供水經(jīng)濟成本總體呈現(xiàn)下降趨勢。當?shù)叵滤墓┧窟_到0.065×108m3/a時，供水成本降低到最低。陶樂傍河水源地的可開采量達到0.113×108m3/a，但只需開采0.065×108m3/a就可以滿足經(jīng)濟成本最優(yōu)的供水目標，這樣地表水需要調(diào)度配置0.008×108m3/a。

(2)中部工礦區(qū)水資源優(yōu)化配置方案。中部工礦區(qū)包括橫城工礦區(qū)、靈武工礦區(qū)和鴛鴦湖工礦區(qū)，聯(lián)合供水的總需水量為Qx=0.396×108m3/a，地表供水工程為鴨子蕩水庫，除去向煤化工的供水外，剩余供水能力為0.256×108m3/a?？晒┧牡叵滤吹赜?個：駱駝井水源地、現(xiàn)有的靈武崇興水源地、3號備選水源地和2號備選水源地，地下水總計可供水量0.352×108m3/a。首先進行總量的優(yōu)化選擇，然后按照各個水源地的供水能力分配供水量，平均輸水距離按照60 km計，模型求解得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4可以看出：隨著地下水的供水量增加，供水經(jīng)濟成本總體呈現(xiàn)上升趨勢，但當?shù)叵滤墓┧窟_到0.175×108m3/a時，供水成本降低到最低。因中部礦區(qū)聯(lián)合供水的總需水量為Qx=0.396×108m3/a，故中部工礦區(qū)水資源最優(yōu)配置方案應(yīng)為：地下水的供水總量采用0.175×108m3/a；地表水的供水量為0.245×108m3/a。在周邊水源地中，崇興水源地已是靈武市供水水源地，可不作為寧東基地供水水源地考慮；2號水源地與3號水源地按照供水能力和輸水距離進行比例劃分，建議開采方案為：駱駝井水源地0.019×108m3/a(駱駝井水源地可開采量0.046×108m3/a，占可開采量41%)；靈武平原2號備選水源地0.089×108m3/a(占可開采量58%)；靈武平原3號備選水源地0.067×108m3/a(占可開采量72%)。

(3)南部工礦區(qū)水資源優(yōu)化配置方案。南部工礦區(qū)包括馬家灘工礦區(qū)和積家井工礦區(qū)，聯(lián)合供水的總需水量為Qx=0.054×108m3/a，地表供水工程為劉家溝水庫，供水能力為0.061×108m3/a。地下水水源地為大泉鄉(xiāng)水源地和1號備選水源地，可開采量為0.189×108m3/a，輸水距離為50 km。模型求解得到的結(jié)果如圖5所示。

圖3 陶樂地區(qū)供水方案經(jīng)濟成本隨地下水供水量的變化曲線 圖4 中部工礦區(qū)供水方案經(jīng)濟成本隨地下水供水量的變化曲線 圖5 南部工礦區(qū)供水方案經(jīng)濟成本隨地下水供水量的變化曲線

圖5可以看出：采用地下水可以降低供水成本，且全部采用地下水時成本最低。靈武1號備選水源地的可開采量為0.170×108m3/a，超過了南部工礦區(qū)的需水量，因此南部工礦區(qū)可以考慮全部由1號備選水源地供水。

3.2.3 聯(lián)合供水方案地下水的實際供水路線和供水配額 為實現(xiàn)用最低的經(jīng)濟成本達到供水目標，通過對地表水與地下水聯(lián)合配置供水方案優(yōu)化，地下水的實際供水路線和供水配額歸納見表2。

表2 聯(lián)合供水方案地下水的實際供水路線和供水配額

由表2可知，按總供水量0.294×108m3/a和最佳供水路線聯(lián)合配置地下水，地表水配額只需3.136×108m3/a，既能滿足寧東能源化工基地2020年規(guī)劃對水資源需求，又能提高用水保障程度，實現(xiàn)社會經(jīng)濟和環(huán)境效益的最大化。

4 結(jié) 論

(1)研究了寧東能源化工基地地表水和地下水聯(lián)合配置供水的方案，并采用線性規(guī)劃模型對聯(lián)合配置供水方案進行優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化方案確定了地下水的實際供水路線和供水配額。陶樂傍河水源地可向平羅精細化工基地供水0.065×108m3/a；駱駝井應(yīng)急水源地向橫城和鴛鴦湖工礦區(qū)供水 0.019×108m3/a；吳忠平原2號和3號備選水源地向靈武工礦區(qū)供水0.089×108m3/a和0.067×108m3/a；大泉地區(qū)的1號水源地向南部的馬家灘和積家井工礦區(qū)供水0.054×108m3/a。

(2)根據(jù)優(yōu)化方案確定的地下水實際供水路線及配額聯(lián)合地表水供水，既可實現(xiàn)用最低的經(jīng)濟成本達到寧東能源化工基地2020年規(guī)劃的供水目標，又能提高基地供水保障程度，減少地表水蒸發(fā)等造成的水資源損失，從而實現(xiàn)區(qū)域水資源的高效開發(fā)利用。