陳立華,黃舒萍,關(guān)昊鵬,嚴(yán) 誠(chéng)
(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西 南寧 530004;2. 廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530004;3. 廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530004)
水資源供需分析是水資源優(yōu)化配置的重要內(nèi)容,對(duì)實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用具有重要意義[1]。關(guān)于水資源供需分析的方法主要分為兩大類,一類主要是從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度[2]、系統(tǒng)評(píng)價(jià)角度[3]和水資源系統(tǒng)分析角度[4]等解決水資源供需平衡,或是在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ)上建立水資源SD模型,模擬研究區(qū)水資源不同方案下的供需變化趨勢(shì)[5]。此類方法側(cè)重于量化區(qū)域供需形勢(shì),不能較好的識(shí)別非常規(guī)水源、跨流域調(diào)水等工程在緩解區(qū)域缺水情勢(shì)中所起的作用與程度。另一類是根據(jù)《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃技術(shù)細(xì)則》以水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題分析為基礎(chǔ),依據(jù)各水平年供需水預(yù)測(cè)的成果擬訂方案,進(jìn)行兩到三次供需水量平衡分析,提出推薦方案。三次供需平衡是現(xiàn)代水資源配置理論的核心,是全口徑、全流域?qū)用嫔系钠胶庥?jì)算,被廣泛應(yīng)用于水資源供需平衡分析[6,7]和水資源配置研究中[8,9]。
欽州市位于北部灣經(jīng)濟(jì)圈核心地帶及沿海城市群中心位置,雖然水資源量豐富,但區(qū)域內(nèi)河流主要為源短流急中小入海河流,控制性水利工程不足,實(shí)際可利用量有限;在跨越式經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件下各縣區(qū)水利工程可供水量不均衡,水資源供需矛盾日益突出。隨著“三條紅線”的實(shí)施,為揭示2020年、2030年欽州市水資源供需態(tài)勢(shì),在用水效率紅線約束下進(jìn)行需水預(yù)測(cè),供水預(yù)測(cè)在水利工程可供水量的基礎(chǔ)上計(jì)入人工載水量,采用基于三次供需平衡方法,分析欽州市2020年、2030年來(lái)水頻率為50%、75%、95%的水資源供需形勢(shì),以期為欽州市水資源配置和工程布局提供決策依據(jù)。
水資源供需平衡分析應(yīng)遵循“先節(jié)水后調(diào)水、先治污后通水、先生態(tài)后用水”的原則[10],堅(jiān)持開(kāi)源與節(jié)流并重,節(jié)流優(yōu)先、治污為本、多渠道科學(xué)開(kāi)源、綜合利用。在跨越式經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件下,欽州市應(yīng)提高非常規(guī)水源的利用程度,當(dāng)?shù)厮Y源不足以承載經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求時(shí),亟須實(shí)施外流域引水。欽州市水資源三次供需平衡計(jì)算原理如下:
(1)水資源一次供需平衡分析是在現(xiàn)狀條件下,不考慮“開(kāi)源節(jié)流”,定量分析發(fā)展進(jìn)程中的水資源供需矛盾。保持現(xiàn)狀節(jié)水力度,對(duì)廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)正常發(fā)展情景的基本方案進(jìn)行需水預(yù)測(cè)。供水量以現(xiàn)有水利設(shè)施,通過(guò)完成對(duì)那冰水庫(kù)、青年水閘等共62座水庫(kù)水閘的除險(xiǎn)加固,以及對(duì)靈山縣44座小(1)型水庫(kù)閘門改造以挖潛其供水潛力。
(2)在一次平衡的基礎(chǔ)上,通過(guò)節(jié)水和利用非常規(guī)水源來(lái)緩解缺水情勢(shì)。需求側(cè)通過(guò)調(diào)整不同水平年產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和進(jìn)行節(jié)水措施壓縮用水需求,供給側(cè)通過(guò)加快推進(jìn)中水回用工程等措施提高非常規(guī)水資源利用程度,加大水資源可供給量。
(3)三次平衡是面向二次平衡的供需缺口上,進(jìn)一步考慮跨流域調(diào)水,將當(dāng)?shù)厮屯庹{(diào)水作為一個(gè)整體進(jìn)行分析。根據(jù)《廣西欽州市水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃報(bào)告》,欽州市可利用郁江調(diào)水工程自郁江引水入欽江,通過(guò)修建輸水明渠引水至大風(fēng)江,結(jié)合已建成的大風(fēng)江調(diào)水工程抽水入金窩水庫(kù),調(diào)節(jié)后向港區(qū)和工業(yè)園區(qū)水廠供水120 m3/d。
圖1 欽州市2014年各行業(yè)用水比重圖Fig.1 The proportion of water use in various industries of Qinzhou in 2014
圖2 欽州市2014年各縣區(qū)用水比重圖Fig.2 The proportion of water use in counties and districts of Qinzhou in 2014
由圖1、2可知,農(nóng)業(yè)用水比重最大占全市用水總量的72.6%,其次為工業(yè)、生活、第三產(chǎn)業(yè);各縣區(qū)中以農(nóng)業(yè)發(fā)展為主的靈山縣用水比重最大,占全市用水總量的40.7%,欽港區(qū)作為快速崛起的臨海工業(yè)園區(qū),工業(yè)用水量占全市工業(yè)用水總量的34.1%。雖然2014年欽州市供水總量與用水總量持平,但工程性缺水、農(nóng)業(yè)用水粗放等問(wèn)題依舊是制約欽州市快速發(fā)展的瓶頸。
2020年、2030年用水效率控制目標(biāo)中萬(wàn)元工業(yè)產(chǎn)值增加值用水量分別為49和40 m3/萬(wàn)元,農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)分別為0.53和0.60。各縣區(qū)用水總量控制目標(biāo)(億m3)見(jiàn)圖3。
圖3 2020、2030年欽州市各縣區(qū)用水總量控制目標(biāo)Fig.3 Targets for total water use in counties and district s of Qinzhou in 2020 and 2030
按照生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和生態(tài)需水量等五項(xiàng)采用定額法[11]進(jìn)行基本方案與節(jié)水方案的需水量預(yù)測(cè),其中農(nóng)業(yè)、工業(yè)需水在用水效率約束下進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《欽州市城市總體規(guī)劃(2012-2030)》規(guī)劃2020年、2030年常住人口總數(shù)分別為352.10、450.0萬(wàn);2014-2020年、2020-2030年GDP增長(zhǎng)率分別為16.60%、12.30%;產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整為2020年的17∶48∶35和2030年的8∶58∶34。
生活需水量結(jié)合人口預(yù)測(cè)成果,分別采用城鎮(zhèn)綜合生活人均用水指標(biāo)、農(nóng)業(yè)人口人均日用水定額進(jìn)行預(yù)測(cè)。2020年、2030年欽州市城鎮(zhèn)化率分別為47.52%、63.32%。2020年、2030年各區(qū)計(jì)算城鎮(zhèn)用水定額欽南區(qū)和欽港區(qū)分別為186、190 L/(人·d),欽北區(qū)為185、189 L/(人·d),靈山縣和浦北縣分別為181、186 L/(人·d)。2020年、2030年各區(qū)農(nóng)村用水定額欽南區(qū)和欽北區(qū)及欽港區(qū)分別為138、142 L/(人·d),靈山縣和浦北縣分別為137、141 L/(人·d)。
農(nóng)業(yè)需水量包括農(nóng)田灌溉需水量和林牧漁畜需水兩部分,農(nóng)田灌溉需水量預(yù)測(cè)在農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)約束下采用畝均定額法進(jìn)行。欽州市農(nóng)業(yè)發(fā)展與土地利用指標(biāo)根據(jù)分析歷年《欽州市水資源公報(bào)》并結(jié)合《欽州市土地利用總體規(guī)(2006-2020)》進(jìn)行預(yù)測(cè)。依據(jù)《農(nóng)林牧漁業(yè)及農(nóng)村生活用水定額》(DB 45/T 804-2012)及《廣西壯族自治區(qū)水資源綜合規(guī)劃》預(yù)測(cè)2020年和2030年各縣區(qū)P=50%、P=75%、P=95%下水田灌溉用水定額分別為6 375、6 750、7 785 m3/hm2和6 075、6 510、7 680 m3/hm2;水澆地灌溉用水定額分別為2 625、3 000、3 900 m3/hm2和2 325、2 730、3 750 m3/hm2;菜田灌溉用水定額分別為1 425、1 725、2 325 m3/hm2和1 260、1 500、2 100 m3/hm2。林牧漁畜需水根據(jù)《廣西壯族自治區(qū)水資源綜合規(guī)劃》、《農(nóng)林牧漁業(yè)及農(nóng)村生活用水定額》確定各縣區(qū)2020年和2030年林果灌溉、魚塘補(bǔ)水、草場(chǎng)補(bǔ)水用水定額分別為3 270、10 440、1 020 m3/hm2和3 105、9 915、1 545 m3/hm2,大牲畜2020年和2030年均采用定額為150 L/(頭·d),小牲畜均為30 L/(頭·d)。
一般工業(yè)需水量預(yù)測(cè)采用萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量法進(jìn)行預(yù)測(cè),火(核)電需水預(yù)測(cè)采用單位千瓦裝機(jī)用水量法。按照2020、2030年欽州市用水效率控制目標(biāo)中萬(wàn)元工業(yè)增加值分別為49和40 m3,火電工業(yè)需水量預(yù)測(cè)用水定額分別為0.66、0.48 m3/MWh。
建筑業(yè)及第三產(chǎn)業(yè)需水量預(yù)測(cè)采用欽州市《廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)水資源綜合開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃》預(yù)測(cè)2020年、2030年建筑業(yè)用水定額為5.44和3.81 m3/萬(wàn)元,第三產(chǎn)業(yè)用水定額為7.44、5.21 m3/萬(wàn)元。
河道外生態(tài)需水量預(yù)測(cè)采用定額法計(jì)算。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50015-2009),小區(qū)綠化澆灌用水定額可按澆灌面積1.0~3.0 L/(m2·d)計(jì)算,小區(qū)道路、廣場(chǎng)的澆灑用水定額可按澆灑面積2.0~3.0 L/(m2·d)計(jì)算。
科研人員為了順利通過(guò)考核,往往忽略科研的實(shí)際需要和發(fā)展規(guī)劃,根據(jù)容易達(dá)到的研究成果設(shè)定項(xiàng)目績(jī)效目標(biāo),使得目標(biāo)與結(jié)果倒掛。此外績(jī)效目標(biāo)的設(shè)定往往不夠細(xì)化,僅作簡(jiǎn)單陳述,績(jī)效目標(biāo)設(shè)定相關(guān)性的論證也不夠充分,績(jī)效目標(biāo)的合理性難以得到保證。
需水量預(yù)測(cè)基本方案結(jié)果見(jiàn)表1。其中,除2020年P(guān)=50%下需水量在用水總量紅線范圍內(nèi),其余來(lái)水頻率及2030年各來(lái)水頻率的需水量都超出紅線控制值。
表1 欽州市需水量預(yù)測(cè)基本方案 億m3Tab.1 Basic plan for water demand forecasting in Qinzhou
采用欽州市主要水利工程可供水量預(yù)測(cè)方法[12],將全市人工載水量1.34 億m3納入可供水量計(jì)算中,預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)近年《欽州市水資源公報(bào)》中人工載水量變化較小,2020年和2030年欽南區(qū)、欽港區(qū)、欽北區(qū)、靈山縣和浦北縣各區(qū)縣人工載水量分別取0、0.24、0、0.45、0.65 億m3。
一次供需平衡的需水量為基本方案需水量,可供水量為表2中地表水和地下水可供水量之和,計(jì)算成果見(jiàn)表3。
表2 欽州市未來(lái)水平年可供水量分析結(jié)果 億m3Tab.2 Analysis results of annual water supply of future level in Qinzhou
表3 不同水平年一次供需平衡成果 億m3Tab.3 First supply and demand balance results at different levels of annual
從表3可知,2020年P(guān)=50%至P=95%全市缺水總量從0.85 億m3增加至9.10 億m3,2030年缺水量從4.37 億m3增加至13.39 億m3。欽南區(qū)位于欽州市主要獨(dú)流入海河流下游,地表水資源可利用量相對(duì)豐富, 2020年、2030年P(guān)=50%和P=75%下都有余水。靈山縣可供水量雖達(dá)到4.96、5.20 億m3,但其農(nóng)業(yè)和生活需水約占全市需水總量的33%,P=50%下缺水率約20%,P=95%下高達(dá)60%。欽北區(qū)位于茅嶺江干流中下游處,可供水量超出控制值,但其生活和農(nóng)業(yè)需水量?jī)H次于靈山縣,2020年P(guān)=50%到P=95%缺水率從13.3%增加至58.8%,2030年從21.1%增加至65.1%。浦北縣以小河流為水源,2020年P(guān)=50%到P=95%缺水率從5.8%增加至46.7%,2030年則從16.8%增加至49.6%。欽港區(qū)兩個(gè)規(guī)劃水平年內(nèi)缺水率分別在60%和80%以上。
二次供需平衡的需水側(cè)在基本方案的基礎(chǔ)上降低用水定額得到節(jié)水方案??晒┧吭诘乇硭暗叵滤幕A(chǔ)上增加非常規(guī)水源的利用,平衡結(jié)果如表4所示。
進(jìn)行開(kāi)源節(jié)流后欽州市2020、2030年對(duì)應(yīng)的各保證率下的缺水程度有所緩解,2020年50%、75%、95%保證率下全市缺水率較一次平衡缺水率分別從5.3%、20.3%、50.2%下降至0.4%、16.2%、46.9%,2030年各保證率下全市缺水率分別從20.5%、32.7%、57.1%降為12.0%、25.2%、51.7%。
三次平衡是在二次平衡基礎(chǔ)上,將境外調(diào)水量計(jì)入可供水量中。2030年建成的欽州市郁江調(diào)水工程以向欽州沿海工業(yè)園遠(yuǎn)期供水為主,兼顧改善欽州市區(qū)供水和沿途農(nóng)村人畜飲水、農(nóng)田灌溉用水及環(huán)境用水。依托該項(xiàng)工程,2030年可向欽南區(qū)、欽港區(qū)增加可供水量1.31、4.16 億m3。三次供需平衡分析成果如表5所示。
表4 不同水平年二次供需平衡成果 億m3Tab.4 Scondary supply and demand balance results at different levels of annual
表5 不同水平年三次供需平衡成果 億m3Tab.5 Third supply and demand balance results at different levels of annual
通過(guò)郁江調(diào)水工程的建設(shè),欽州市基本可實(shí)現(xiàn)供需平衡。2030年欽南區(qū)、欽港區(qū)獲得調(diào)入水量1.31、4.16 億m3,兩區(qū)在各來(lái)水頻率下都將有剩余水量,其他縣區(qū)缺水狀況與二次平衡分析結(jié)果相當(dāng),說(shuō)明境外調(diào)水工程能解決欽州市局部缺水問(wèn)題,同時(shí),欽北區(qū)、浦北縣還面臨著如何滿足用水總量約束下抑制農(nóng)業(yè)用水需求的挑戰(zhàn)。
(1)在用水效率約束下進(jìn)行需水預(yù)測(cè)和供水預(yù)測(cè)載水量的基礎(chǔ)上,采用三次供需平衡方法綜合分析欽州市2020年、2030年水資源供需情勢(shì)。一次供需平衡得到欽州市2020年50%、75%、95%保證率下將缺水0.85、3.35、9.10 億m3,2030年達(dá)到4.37、7.16、13.39 億m3。二次平衡得到欽州市2020年各保證率下較一次平衡缺水量分別減少0.79、0.74、0.80 億m3,2030年分別減少2.00、2.02、2.00 億m3。三次平衡得到2030年建成調(diào)水工程后,P=50%和P=75%下欽州市分別有余水3.10、0.33 億m3,但P=95%下缺水達(dá)5.93 億m3。
(2)針對(duì)欽州市水資源供需現(xiàn)狀,應(yīng)改善產(chǎn)業(yè)布局、水資源量及可供水量不匹配的問(wèn)題,加大挖潛各行業(yè)尤其農(nóng)業(yè)的節(jié)水潛力。在節(jié)水前提下,建設(shè)控制性攔洪蓄水工程,加強(qiáng)各縣區(qū)水源工程之間的聯(lián)合調(diào)度,增加城區(qū)備用供水水源,提高城區(qū)供水保障安全性。