欽州市水利工程可供水量分析與預測

陳立華，關昊鵬，吳麗軍，易 凱，王 焰

(1.廣西大學土木建筑工程學院，南寧 530004； 2.廣西防災減災與工程安全重點實驗室，南寧 530004；3.欽州市水利局，廣西 欽州 535000)

0 引 言

供水預測是城市水資源供需平衡分析與配置的重要依據(jù)[1]，指一定區(qū)域在規(guī)劃水平年屆時建成的水源工程供水能力的預先測定[2]，對現(xiàn)有供水設施的工程布局、供水能力、運行狀況，以及水資源開發(fā)程度與存在問題等綜合調(diào)查分析的基礎上，分析水資源開發(fā)利用前景和潛力，進行不同水平年、不同保證率的可供水量預測[3]。蓄水、引水、提水、調(diào)水、水井等供水基礎設施的可供水量分析主要影響因素包括來水情況、工程供水能力、需水要求和水質(zhì)條件[4]。

關于供水預測分析方法主要可以分為兩類：一類是通過構(gòu)建回歸模型、灰色模型、神經(jīng)網(wǎng)絡、季節(jié)性指數(shù)平滑模型等城市供水預測模型進行可供水量預測，如肖漢等人[5]采用主成分分析法(PCA)進行城市供水量主要影響因子分析，構(gòu)造BP神經(jīng)網(wǎng)絡供水預測模型，針對撫順市進行不同水平年的供水預測；孫波[6]、舒詩湖等人[7]均采用灰色理論模型對城市用水量預測。此類方法側(cè)重理論方法研究，普遍欠缺考慮來水情況和工程供水能力。另一類是根據(jù)全國水資源綜合規(guī)劃技術細則以現(xiàn)有供水設施和水利規(guī)劃為基礎的分析不同水平年、不同保證率的可供水量,此類方法得到了廣泛的應用和認可。該細則對蓄水工程、地下水供水、其他水源開發(fā)利用有指導性的可供水量預測方法，但對引水、提水工程缺乏具體指導性的可供水量分析方法，實際分析中大多數(shù)中小型蓄引提工程缺乏實測供水量數(shù)據(jù)，可供水量簡化計算還缺乏簡單、有效的理論。針對上述問題，結(jié)合《水資源供需預測分析技術規(guī)劃(SL 429-2008)》供水預測方法的基礎上，梳理并構(gòu)建一套考慮其主要影響因素的可供水量分析方法，以欽州市為實例開展可供水量計算與分析，為欽州市水資源配置提供參考依據(jù)。

1 可供水量分析計算方法

城市水資源供水預測由現(xiàn)狀年可供水量計算和規(guī)劃增加可供水量組成。如公式(1)所示，其中現(xiàn)狀年可供水量計算如公式(2)所示。

W=W現(xiàn)狀年可供水量+ΔW規(guī)劃增加可供水量

(1)

W現(xiàn)狀年可供水量=W蓄+W引+W提+W地下水+W非常規(guī)劃水

(2)

式中：W蓄、W引、W提、W地下水、W非常規(guī)水分別代表蓄水工程、引水工程、提水工程、地下水工程、非常規(guī)水源的可供水量?？晒┧糠治隹蚣苋鐖D1所示。

圖1 可供水量分析框架圖Fig.1 The calculation of available water supply frame diagram

1.1 蓄水工程可供水量計算

1.1.1 大型水庫可供水量計算

大型水庫多為年或多年調(diào)節(jié)水庫，其可供水量計算在遵循水量平衡原理的基礎上采用長系列月調(diào)節(jié)計算方法，如公式(3)、(4)所示[8,9]：

V(t+1)=V(t)+Q(t)-We(t)-Wi(t)-Ws(t)-q(t)

(3)

(4)

式中：V(t+1)為水庫t+1時段末調(diào)蓄庫容(不含死庫容)，萬m3；V(t)為水庫t時段初調(diào)蓄庫容，萬m3；Q(t)為水庫t時段來水量，m3/s；We(t)為水庫t時段水面蒸發(fā)量，萬m3；Wi(t)為水庫t時段滲漏量，萬m3；Ws(t)為水庫t時段供水量，萬m3，包括對生活、生產(chǎn)、生態(tài)的供水量；q(t)為水庫t時段棄水量，萬m3。

1.1.2 中型水庫可供水量計算

中型水庫原則上應對每一座水庫采用長系列計算方法，但城市中型水庫數(shù)量多，逐一調(diào)節(jié)計算不僅基礎資料不足且工作量大。通過數(shù)理統(tǒng)計方法分析其實際年供水量與設計年供水量的比值[10]，作為水庫可供水量利用系數(shù)k，采用公式(5)進行計算：

W中型=kW設計

(5)

式中：W中型為中型水庫可供水量；W設計為水庫設計供水量；k為設計供水量利用系數(shù)，不同來水頻率k取值不同。

1.1.3 小型水庫、塘壩可供水量計算

城市小型水庫、塘壩數(shù)量眾多，且缺乏相應工程運行資料，故采用復蓄次數(shù)法[11]估算其可供水量。根據(jù)公式(6)進行計算：

W小型水庫、塘壩=nV

(6)

式中：W小型、塘壩為小型水庫或塘壩的可供水量；n為水庫的復蓄次數(shù)；V為小型水庫興利庫容或塘壩有效庫容。

1.2 引、提水工程可供水量計算

引水工程根據(jù)其工程效益中的有效灌溉面積來推算其年可供水量[12]，故采用公式(7)進行計算；而提水工程可供水量與取水口徑流量、提水工程能力以及用戶需水量有關[13]，故采用公式(8)計算:

W引水=cAM/η

(7)

(8)

式中：W引水為某一水平年引水工程的可供水量；c為保灌系數(shù)；A為引水工程的有效灌溉面積；M為引水工程的毛灌溉定額；η為渠系利用系數(shù)；W提水為某一水平年提水工程的可供水量；Ti、Hi、Xi分別為i時段取水口可引流量、工程提水能力及用戶需水量；t為計算時段數(shù)。

1.3 地下水可供水量計算

地下水可供水量與當?shù)氐叵滤Y源可開采量、機井提水能力、開采范圍和用戶需水量等有關。采用公式(9)計算[1]：

(9)

式中：Hi，Wi，Xi分別為i時段機井提水能力、當?shù)氐叵滤Y源可開采量及用戶的需水量；t為計算時段數(shù)。

當一個地區(qū)具有多年地下水開采量實測值時，可采取簡化計算方法，依據(jù)水資源評價成果提供的多年平均綜合補給量來確定地下水可供水量。

1.4 非常規(guī)水源可供水量計算

雨水、微咸水、污水處理回用、海水等非常規(guī)水源，通過對非常規(guī)水源分布、可利用范圍及需求的調(diào)查分析、綜合評價來計算不同水平年非常規(guī)水源可供水量。

2 欽州市水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

欽州市水資源總量為104.4 億m3，水資源可利用量35.7 億m3[14]。根據(jù)欽州市水利工程普查數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)有蓄水工程388 座，總庫容80 002 萬m3，年設計供水能力80 829 萬m3。引水工程3 085 處，總設計引水流量68.38 m3/s，有效灌溉面積22 910 hm2。泵站253座，總設計引水流量16.57 m3/s，總裝機6 535 kW，其中供水泵站9座，總裝機流量7.09 m3/s。

3 欽州市供水預測分析

3.1 現(xiàn)狀年可供水量計算

3.1.1 大型水庫可供水量

靈東水庫是欽州市一座主要以農(nóng)業(yè)灌溉為主的大(Ⅱ)型水庫，也是欽州市唯一一座大型水庫。根據(jù)靈東水庫1981-2013年共33年的逐月徑流、蒸發(fā)資料，采用公式(3)對其可供水量進行長系列調(diào)節(jié)計算，并依據(jù)公式(4)計算得到各年份可供水量，如圖2所示。對所得結(jié)果進行P-Ⅲ型分布頻率曲線擬合，得到各來水頻率下靈東水庫的可供水量，見表1。

3.1.2 中型水庫可供水量

欽州市擁有9座中型水庫，僅石梯水庫擁有1981-2011年30年長系列資料，其設計年供水量為3 000 萬m3。故采用公式

圖2 靈東水庫歷年可供水量計算成果Fig.2 The calculation result of available water supply of Lingdong reservoir

統(tǒng)計參數(shù)均值/萬m3CVCV/CS不同來水頻率下的可供水量/萬m3P=50%P=75%P=90%P=95%1 0011.00.41.89 550.7 7 187.7 5 396.14 466.0

(3)、(4)計算石梯水庫可供水量并對計算結(jié)果進行P-Ⅲ型分布頻率曲線擬合，得到不同來水頻率下石梯水庫可供水量。據(jù)此推求石梯水庫不同來水頻率下設計供水量利用系數(shù)，計算結(jié)果見表2并根據(jù)公式(5)估算欽州市中型水庫可供水量。計算結(jié)果見表3。

表2 石梯水庫可供水量計算結(jié)果

表3 欽州市中型水庫可供水量計算結(jié)果 萬m3

3.1.3 小型水庫、塘壩可供水量

采用公式(6)對欽州市378座小型水庫和2072座塘壩進行計算。綜合國內(nèi)文獻與經(jīng)驗值[15]，選定欽州市各來水頻率下，塘壩復蓄次數(shù)n分別為1.30、1.07、0.66、0.45。各分區(qū)小型水庫和塘壩供水量計算結(jié)果如表4、5所示。

表4 欽州市小型水庫可供水量計算結(jié)果

表5 欽州市塘壩可供水量計算結(jié)果 萬m3

3.1.4 引水工程可供水量

欽州市引水工程可供水量采用公式(8)計算。設定平水年(P=50%)毛灌溉定額M為現(xiàn)狀年用水定額。欽州市各來水頻率下，保灌系數(shù)C分別為1.0、0.85、0.6、0.5[16],現(xiàn)狀年渠系利用系數(shù)為0.46。青年水閘供水任務除農(nóng)業(yè)灌溉外，還需向市轄區(qū)供水。將欽州市自來水公司水廠7.5 萬m3/d供水能力設定為青年水閘的生活用水可供水量，計算結(jié)果如表6所示。

表6 欽州市引水工程可供水量計算結(jié)果 萬m3

3.1.5 提水工程可供水量計算

欽州市供水泵站提水能力遠小于取水口徑流量，設定供水泵站供水能力為提水工程可供水量，抽水泵總效率為80%[17]。采用公式(7)計算計算結(jié)果見表7。

3.1.6 地下水工程

地下水年供水量參照《2014年欽州市水資源公報》現(xiàn)狀年實測值：欽州市現(xiàn)狀年地下水供水總量為6 530.6 萬m3。

表7 欽州市提水工程可供水量計算結(jié)果

3.2 規(guī)劃水平年可供水量預測值計算

3.2.1 地表水、調(diào)水工程及非常規(guī)水源可供水量預測值

根據(jù)《廣西欽州市水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃報告》、《廣西水資源綜合規(guī)劃》，統(tǒng)計出能增加欽州市可供水量的項目有蓄水工程(小型農(nóng)田水利工程、中小型水庫建設工程)、引水(包括河湖連通工程)與提水工程、調(diào)水工程和非常規(guī)水源工程共計42項，2020前擬建設完成17項，2030前擬建設完成25項。中型水庫建設工程在四種不同來水頻率下的可供水量增加值采用公式(5)進行計算；小型水庫、小型農(nóng)田水利工程在不同情境下的可供水量增加值采用公式(6)進行計算；引水工程、河湖連通工程在不同情境下的可供水量增加值采用公式(7)進行計算；提水工程的可供水量增加值采用公式(8)進行計算。欽州市在四種不同來水頻率下的地表水可供水量同比增加量計算成果如表8所示。

表8 欽州市地表水可供水量同比增加量 萬m3

欽州市調(diào)水工程及非常規(guī)水源可供水量預測值如表9所示。

3.2.2 地下水預測值

根據(jù)《廣西水資源保護規(guī)劃》，統(tǒng)計出欽州市地下水規(guī)劃到2020年和2030年開采控制總量分別為5 238和5 288 萬m3，各計算分區(qū)的地下水可供水量按總量的減少率同比減少。

3.3 供水分析計算結(jié)果

匯總欽州市各類工程的可供水量，以現(xiàn)狀年可供水量計算值為基數(shù)，累加各水平年可供水量預測值。2020年、2030年欽州市各行政分區(qū)、不同來水頻率供水量預測結(jié)果見表10。

表9 欽州市調(diào)水工程及非常規(guī)水源可供水量同比增加量

3.4 現(xiàn)狀年可供水量計算結(jié)果合理性分析

根據(jù)欽州市各年均降雨量，對比欽州市各頻率下降雨量，選出來水代表年份。其中，2011欽州市年降雨量1 772.9 mm接近P=50%頻率下降雨量1 769.03 mm，因此選擇2011年為(P=50%)代表年。將蓄水工程、引水工程、提水工程的可供水量計算結(jié)果與《欽州市水資源公報》中的供水量實測值進行對比分析，統(tǒng)計出以上3項工程的可供水量分析結(jié)果如表10所示。

由表11可知，蓄水工程、引、提水工程計算值均與實測值相近。因此P=50%可供水量計算值合理。

4 結(jié) 語

(1)本文構(gòu)建出一套城市水利工程可供水量的分析方法，重點分析了中、小型蓄水工程與引、提水工程的可供水量簡化計算方法，并依據(jù)該方法對欽州市現(xiàn)狀年與規(guī)劃水平年的地表水可供水量增加值分別進行計算。

表10 未來水平年欽州市可供水量分析結(jié)果 億m3

表11 計算值與實測值分析對比成果 萬m3

(2)以欽州市為例進行可供水量的計算，結(jié)果表明欽州市2014年、2020年、2030年3個水平年在P=50%來水頻率下的可供水量分別為12.64、18.66、21.63 億m3。其中，2020年、2030年除去跨流域調(diào)水后的可供水量分別為15.15、17.42 億m3，與欽州市地表水水資源可利用量有較大差距,工程性缺水較嚴重，應進一步規(guī)劃上游骨干水庫以及能夠增加可供水量的水利工程，跨流域調(diào)水工程將有效提高欽州市的供水能力。

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