楊文博

(遼寧省石佛寺水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110000)

1 大凌河流域概況

大凌河流域位于遼西地區(qū)，該河流有南、西、北3源，三源匯合后呈西南-東北流向，流經(jīng)朝陽(yáng)、北漂、義縣、凌海等市縣后注入渤海，大凌河流域水系圖，見(jiàn)圖1。

大凌河全長(zhǎng)453km，流域面積23235km2，其中89%屬于山地丘陵區(qū)，自凌海市石窗子以下進(jìn)入平原區(qū)，流域內(nèi)年降水量450-600mm，年徑流量16.67億m3，水資源補(bǔ)給以冰川融雪和降水為主。流域左側(cè)河網(wǎng)水系密布，主要有涼水河子河、細(xì)河、老虎山河、第二牤牛河等支流。大凌河干流建有宮山咀、閻王鼻子和白石三座控制性水庫(kù)，將大凌河依據(jù)各河段河流特征可以劃分成河源段、上游段、中游段和下游段。

2 水資源模擬研究

水資源模擬是指通過(guò)一些理論假設(shè)和已知的水力公式，在實(shí)現(xiàn)水力系統(tǒng)循環(huán)的情況下構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)化的水力結(jié)構(gòu)，然后對(duì)該結(jié)構(gòu)利用數(shù)學(xué)工具或計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行模擬分析，從而解釋和預(yù)測(cè)流域的具體現(xiàn)象及其未來(lái)發(fā)展?fàn)顩r，通過(guò)合理設(shè)置邊界條件尋求可行解或最優(yōu)解，以此實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置[1-2]。文章充分考慮流域系統(tǒng)的復(fù)雜性特征，將河流、水庫(kù)等簡(jiǎn)化成匯流點(diǎn)和水庫(kù)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)之間利用描述河段和引水渠道的線段相連接，從而構(gòu)成一個(gè)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)圖，并依據(jù)該物理拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將流域系統(tǒng)基本規(guī)律抽象呈數(shù)學(xué)模型。最后，通過(guò)模擬運(yùn)算分析能夠獲取河流徑流和水庫(kù)的變化過(guò)程以及各節(jié)點(diǎn)的物理指標(biāo)，在時(shí)間和空間上模擬流域水資源信息特征。

圖1 大凌河流域水系圖

2.1 地表水模擬

結(jié)合相關(guān)研究資料，文章基于水量平衡方程構(gòu)建流域地表水模型，即利用下式反映水量平衡關(guān)系：

(1)

W耗=W農(nóng)+W工+W生活+W生態(tài)

(2)

式中：∑W入為全流域的入境地表水；∑W耗為地表耗水總量；∑△S為蓄水總量變化；W耗為子區(qū)地表用水量；W農(nóng)為農(nóng)業(yè)；W工為工業(yè)；W生活為生活；W生態(tài)為生態(tài)地表用水量；i為用水單元i；i為供水單元j。

2.2 地下水模擬

對(duì)于流域地下水流模型考慮利用三維多邊形流差微分軟件PGMS計(jì)算，在平面上模擬范圍不涉及大凌河流域山區(qū)，而只是覆蓋自然范圍[3]。選擇模型底界和頂面為半膠結(jié)下的底面以及潛水面，最大厚度區(qū)間400-700m，大部分處于100-300m范圍。文章結(jié)合大凌河流域?qū)嶋H情況和三維多邊形流差微分軟件PGMS優(yōu)化改進(jìn)模型，主要流程為：

1)步驟1：地下水補(bǔ)排量-河流(渠系)模擬。對(duì)于計(jì)算方法的選擇、地下水與大凌河補(bǔ)排類(lèi)型及其關(guān)系的確定，可以依據(jù)河流弱透水層地下水位、底面高程及其河流水位自動(dòng)判斷完成。

2)步驟2：地下水入滲補(bǔ)給滯后性。模擬過(guò)程中，采用PGMS軟件中的滯后補(bǔ)給權(quán)系數(shù)法反映降雨、渠系、水庫(kù)和河流等入滲補(bǔ)給滯后性特征。

3)步驟3：水泉模擬。在泉未干枯的情況下，第一個(gè)邊界條件取泉口的標(biāo)高，泉流量可以直接運(yùn)行模型確定。模擬輸出的流量為正值時(shí)這不符合物理現(xiàn)象，即以泉口補(bǔ)給地下水，該條件下下應(yīng)減去該泉口第一類(lèi)邊界條件或設(shè)置流量為零，按以上流程重新求解[4]。

4)步驟4：合理確定初始水頭。以P-H0法(初始水頭-參數(shù)迭代法)確定初始水頭的分布。

2.3 水庫(kù)調(diào)度

調(diào)度過(guò)程中要充分考慮水庫(kù)的基本功能，當(dāng)來(lái)水量無(wú)法滿(mǎn)足或超過(guò)總需水量時(shí)水庫(kù)予以供水或蓄水。根據(jù)非汛期和汛期實(shí)際情況進(jìn)行蓄水，訊限水位<汛期水位時(shí)要實(shí)施棄水，興利庫(kù)容<非汛期水位時(shí)要實(shí)施棄水[5]。因此，利用數(shù)學(xué)模型反映以上調(diào)度過(guò)程，即：

Vt+1=Vt+Ot-Pt-Et

(3)

汛期滿(mǎn)足條件：Z死≤Z≤Z限；非汛期滿(mǎn)足條件：Z死≤Z≤Z興、Vt+1、Vt為水庫(kù)在t和t+1時(shí)段的蓄水量；Ot、It、Et為t時(shí)段水庫(kù)的出庫(kù)流量、入庫(kù)流量和蒸發(fā)滲漏損失水量；Z死為水庫(kù)死水位；Z限為汛期限制水位；Z興興利水位。

2.4 水資源配置

一般地，遵循按需供水的原則合理配置流域水資源[6]。文章考慮流域用水特點(diǎn)和需水優(yōu)先等級(jí)將流域水資源劃分成兩個(gè)配置級(jí)別，即優(yōu)先滿(mǎn)足基本生態(tài)用水、生活和工業(yè)用水，然后滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水需求。缺水條件下，考慮不同用水單元的權(quán)重形式首先滿(mǎn)足高權(quán)重水，即權(quán)重不同時(shí)構(gòu)建高、低權(quán)重兩種不同用水單元，而權(quán)重相同時(shí)應(yīng)按照不同用水單元的缺水程度合理控制缺水，余水條件下按照水利拓?fù)鋱D向下游適當(dāng)泄水。

2.5 模擬分析

文章利用適用于任意多邊形網(wǎng)格的有限差分法和PGMS軟件計(jì)算已構(gòu)建的概念模型，具體流程為：

2.5.1 模型耦合計(jì)算

大凌河流域的出山河水先經(jīng)朝陽(yáng)城區(qū)段滲漏轉(zhuǎn)化成地下水，然后由地下水排泄進(jìn)入凌海市石窗子平原，河水補(bǔ)給地下水從而形成含層統(tǒng)一的水資源系統(tǒng)和流域內(nèi)河流。在地下地表耦合模型中以線源匯概化渠系、河道，以面狀源匯概化地下水開(kāi)采井、生活工業(yè)污水和農(nóng)田灌溉匯水，地下水模擬時(shí)考慮泉因素作用。在地下地表耦合模型各計(jì)算時(shí)段的每個(gè)分區(qū)上，按面狀源將工業(yè)與生活污水入滲量、田間灌溉回歸水入滲量、渠道入滲量平均分配至各分區(qū)每個(gè)節(jié)點(diǎn)上。對(duì)于開(kāi)采區(qū)的每一節(jié)點(diǎn)按面狀匯分配地下水開(kāi)采量，通過(guò)運(yùn)行地下水模型按分區(qū)統(tǒng)計(jì)各時(shí)段的地下水、泉水向河水排泄量和平均地下水位等，地表水模型可以調(diào)用以上參數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)地下地表的系統(tǒng)耦合模擬。

2.5.2 運(yùn)行檢驗(yàn)

為進(jìn)一步揭示地下水與地表水模擬轉(zhuǎn)變機(jī)理，文章綜合考慮歷史數(shù)據(jù)和模型模擬數(shù)值，以地下水動(dòng)態(tài)水位和下游水庫(kù)水流作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，向用水模型輸入歷史水流序列，通過(guò)對(duì)地下水滲透參數(shù)的調(diào)整保證模型能夠準(zhǔn)確揭示地下水和地表水系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)變化特征。

以2010年大凌河流域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證地表水模擬模型，通過(guò)對(duì)比2010年各水庫(kù)實(shí)際調(diào)度方式及其出庫(kù)過(guò)程，水資源開(kāi)發(fā)利用模擬等驗(yàn)證模型可行性，實(shí)測(cè)與模擬水庫(kù)供水，見(jiàn)圖2。

(a)宮山嘴水庫(kù)

(b)閻王鼻子水庫(kù)

模型模擬過(guò)程中既要分析中上游水庫(kù)的供水過(guò)程，還要考慮上游分水、耗水以及用水等情況模擬下游水庫(kù)的來(lái)水，并且水資源循環(huán)利用系統(tǒng)與下游水庫(kù)來(lái)水直接相關(guān)，考慮到計(jì)算末端節(jié)點(diǎn)處會(huì)累積整個(gè)系統(tǒng)的模擬誤差，所以選用白石水庫(kù)來(lái)水反映模型模擬的最終精度和準(zhǔn)確度，白石水庫(kù)實(shí)測(cè)與模擬來(lái)水量，見(jiàn)圖3。

然后比較驗(yàn)證2010年白石水庫(kù)的旬來(lái)水模型計(jì)算值和實(shí)際月流量，結(jié)果顯示白石水庫(kù)2010年的實(shí)際入庫(kù)和模擬入庫(kù)水量分別為1.84億m3、1.78億m3，模型模擬誤差不超過(guò)5%，因此實(shí)際月流量與模型模擬值保持較好一致性。

圖3 白石水庫(kù)實(shí)測(cè)與模擬來(lái)水量

2.5.3 地下水位檢驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)狀實(shí)際情況，系統(tǒng)比較各觀測(cè)孔地下水位監(jiān)測(cè)值和計(jì)算值，采用2011年收集的各觀測(cè)孔水頭數(shù)據(jù)比較實(shí)測(cè)值和模擬值，水頭實(shí)測(cè)值與模擬值的絕對(duì)誤差，見(jiàn)表1。

表1 水頭實(shí)測(cè)值與模擬值的絕對(duì)誤差

結(jié)果表明，擬合絕對(duì)誤差△H≤1.0時(shí)發(fā)生頻次占比達(dá)到57.19%，△H≤1.2時(shí)發(fā)生頻次占比達(dá)到64.04%，因此該模型具有較好的擬合效果，可以保證模擬結(jié)果的精度和可靠度，水頭實(shí)測(cè)值與模擬值的關(guān)系，模擬與實(shí)測(cè)水頭關(guān)系圖，見(jiàn)圖4。

3 水資源優(yōu)化配置

3.1 水資源分配現(xiàn)狀

鑒于大凌河流域水資源多次自然轉(zhuǎn)化的特征，現(xiàn)階段尚未形成全面的水量分配方案，但水資源以多次開(kāi)發(fā)利用為主。具體而言，大凌河上游主要是通過(guò)修建水庫(kù)將地表水引致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，該過(guò)程中渠道系統(tǒng)回水和滲漏會(huì)補(bǔ)給地下含水層；大凌河中游利用井泉與井灌混灌、泉水灌溉等多種方式，上游余水與滲流匯合，并考慮朝陽(yáng)地下水開(kāi)采對(duì)地表水和地下水實(shí)行混灌。將現(xiàn)狀水資源開(kāi)采程度利用模型進(jìn)行模擬，各分區(qū)超采及缺水量模擬值，見(jiàn)表2。結(jié)果顯示大凌河上游經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源開(kāi)發(fā)利用水平較高，多年平均條件下中游地表水達(dá)到枯竭，流域特別是下游地下水超采問(wèn)題突出。在大凌河地下水過(guò)度開(kāi)采和上、下游地表水充分利用的條件下，才能滿(mǎn)足各區(qū)縣基本生態(tài)、生活和工業(yè)用水，但局部地區(qū)尚存在一定程度的缺水，這表明大凌河上下游依然存在供水不均衡現(xiàn)象。

圖4 模擬與實(shí)測(cè)水頭關(guān)系圖

表2 各分區(qū)超采及缺水量模擬值

由表2可知，遵循優(yōu)先供水原則能夠滿(mǎn)足流域內(nèi)基本生態(tài)、工業(yè)和生活用水需求。超采條件下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍然達(dá)到14.5%的缺水率，并且上游缺水率較高而下游較低；在空間分布上，流域內(nèi)西部缺水率較高而東部缺水率較低。扣除區(qū)域超采量時(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)達(dá)到35.0%缺水率，且與計(jì)入超采時(shí)的分布規(guī)律相反，即上游和西部的缺水率較低，而下游和東部較高。此外，扣除超采情況下白石-石窗子段的缺水率超過(guò)50%，總體處于較高水平，考慮可持續(xù)發(fā)展要求該區(qū)域是真實(shí)缺水率，這也體現(xiàn)了流域內(nèi)東、西部以及上、下游的水資源分配不均衡。高缺水率情況下，為彌補(bǔ)水資源的短缺人們必然會(huì)在地表水流量越來(lái)越少時(shí)采取抽地下水的方式，若這種不公平現(xiàn)象長(zhǎng)期無(wú)法得以糾正勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致生態(tài)的持續(xù)惡化[7-12]。

從生態(tài)學(xué)的層面上，除周邊灌區(qū)外大凌河流域地下水深度已難以維持生態(tài)植被生長(zhǎng)所需的水源，其水土保持能力大大下降。所以，為有效解決地下水的下降問(wèn)題以及遏制生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，必須通過(guò)水資源合理配置形成新的開(kāi)發(fā)利用模式。流域中上游經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展與現(xiàn)有的水資源利用模式協(xié)調(diào)匹配度較低，下游流量不斷減少引起生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，進(jìn)一步限制區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，必須有效控制這一趨勢(shì)的蔓延。

3.2 水資源配置原則

隨著生態(tài)環(huán)境的不斷惡化和水資源短缺問(wèn)題的日趨突出，由于水資源時(shí)空分布不均衡特征以及自然界可利用水資源的有限性大凌河流域水資源供需矛盾將日趨尖銳。因此，有必要采取各種非工程和工程措施，以可持續(xù)發(fā)展為原則科學(xué)合理地將不同形式的、有限的水資源配置給各用水戶(hù)，具體原則如下：

1)從水源條件上，應(yīng)充分考慮地下水與地表水的聯(lián)合使用及其轉(zhuǎn)化關(guān)系，要統(tǒng)籌考慮污水處理回用、跨流域調(diào)水的持續(xù)性、現(xiàn)實(shí)性以及水資源利用的各個(gè)環(huán)節(jié)(引、用、供、排、耗等)，加快形成尾水生態(tài)用、好水好用、高水高用配置格局。

2)從空間分布上，應(yīng)充分考慮各行政區(qū)域和流域上、中、下游的用水公平性，在保證生活用水、基本生態(tài)用水的情況下和區(qū)域間水資源短缺差異最小、效率最高的前提下，科學(xué)優(yōu)化區(qū)域水資源配置。

3)從供水順序上，要全面考慮生態(tài)環(huán)境、生產(chǎn)和生活用水，按照優(yōu)先配置原則和不同重要程度先保障基本生活和生態(tài)用水，在此基礎(chǔ)上盡量滿(mǎn)足其他生態(tài)、工業(yè)以及農(nóng)業(yè)用水，充分發(fā)揮水資源支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保護(hù)環(huán)境安全的重要作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

大凌河流域水資源利用格局、供需矛盾、自然水循環(huán)條件和時(shí)空分布不平衡性等使得水資源配置公平性發(fā)生嚴(yán)重扭曲，難以實(shí)現(xiàn)既支撐區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展又保障流域生態(tài)安全的目標(biāo)。因此，必須通過(guò)合理的人工配置優(yōu)化水資源自然分布格局，采取科學(xué)的管理手段和工程措施協(xié)調(diào)或緩解上下游用水矛盾。