基于概化水庫(kù)模型的地表水資源可利用量研究
——以里下河平原河網(wǎng)區(qū)為例

陳 茉 彤，董 增 川，邵 逸 卿，韓 亞 雷，馬 嘉 憶，楊 光

(河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

水資源可利用量是綜合規(guī)劃區(qū)域水資源節(jié)約、保護(hù)、配置、開發(fā)、利用和治理措施的必要條件，也是開展水資源承載能力分析的基礎(chǔ)[1]。中國(guó)部分地區(qū)的過(guò)度開發(fā)導(dǎo)致水資源嚴(yán)重不足，甚至無(wú)法保障基本的生活與生態(tài)環(huán)境用水的需求，水資源短缺已成為約束城市發(fā)展的主要問(wèn)題之一[2]。合理的開發(fā)利用可以有效緩解供需矛盾，促進(jìn)水資源的可持續(xù)發(fā)展[3]。因此，尋找適合地區(qū)地理特性和河流水系特征而且又便于計(jì)算的地表水資源可利用量的計(jì)算方法，就顯得尤為重要[4]。

對(duì)于單一河道區(qū)的水資源可利用量的計(jì)算，中國(guó)的通常做法是采用扣損法，即以地表水資源總量為基礎(chǔ)，扣除不可利用的地表水資源量。比如，河道內(nèi)生態(tài)需水量和汛期難以控制利用的水量等，該方法原理清晰、計(jì)算便捷，而且在中國(guó)的西北[5]、華東[6]等地區(qū)已得到了實(shí)際應(yīng)用。但對(duì)于水網(wǎng)密集的平原區(qū)，水系交互錯(cuò)雜，入境水資源與本地水資源共同參與河網(wǎng)調(diào)蓄作用，二者難以區(qū)分[7]，因此，無(wú)法直接使用傳統(tǒng)的扣損法進(jìn)行水資源可利用量計(jì)算。本文基于扣損法，以協(xié)調(diào)生態(tài)用水與生活用水為基礎(chǔ)，采取高效利用本地水、充分截留過(guò)境水的原則，通過(guò)搭建入流模塊、動(dòng)態(tài)調(diào)蓄模塊以及出流模塊構(gòu)建平原區(qū)概化水庫(kù)調(diào)蓄模型，并將模型運(yùn)算結(jié)果用于對(duì)里下河區(qū)的水資源可利用量進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，以期為與此類似的平原河網(wǎng)地區(qū)的水資源規(guī)劃管理工作提供技術(shù)支撐。

1 平原河網(wǎng)區(qū)地表水資源可利用量計(jì)算方法

1.1 地表水資源可利用量概念

地表水水資源可利用量是指在可預(yù)見時(shí)期內(nèi)，統(tǒng)籌考慮河道內(nèi)外的生態(tài)環(huán)境用水以及其他用水的基礎(chǔ)上，通過(guò)經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的措施，區(qū)域水資源總量中可供河道外生產(chǎn)、生活一次性用水的最大水量[8]，其中不包括回歸水的重復(fù)利用。地表水資源可利用量由上游區(qū)域流入河網(wǎng)的過(guò)境水資源可利用量、本地地表水資源可利用量以及外調(diào)水資源可利用量3個(gè)方面構(gòu)成[9]。保障生態(tài)環(huán)境用水是水資源可利用量計(jì)算的基礎(chǔ)，除此之外，由于洪水水量的年際變化幅度大，為能最大限度地利用洪水資源[10]，應(yīng)以實(shí)際工程的取水能力作為控制條件來(lái)計(jì)算汛期難以利用的下泄水量。

1.2 概化水庫(kù)模型的構(gòu)建

本文中概化水庫(kù)模型由入流模塊、動(dòng)態(tài)調(diào)蓄模塊以及出流模塊構(gòu)成。入流模塊由不同來(lái)水頻率(50%，75%，90%，95%)下研究區(qū)的逐日本地地表水資源量及其上游地區(qū)來(lái)水量構(gòu)成；出流模塊采用3種不同的工程取水能力(現(xiàn)狀工程取水能力、規(guī)劃工程取水能力、遠(yuǎn)景工程取水能力)控制水庫(kù)出流；動(dòng)態(tài)調(diào)蓄模塊以河流的最小生態(tài)水位作為概化水庫(kù)的死水位、以河流的警戒水位作為概化水庫(kù)的正常高水位，計(jì)算得出參與調(diào)蓄的有效庫(kù)容。在此基礎(chǔ)上，再綜合另2個(gè)模塊的輸出結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)蓄計(jì)算，即可得出各情景下的水資源可利用量及汛期的棄水量，如圖1所示。

圖1 概化水庫(kù)構(gòu)成模塊Fig.1 Schematic reservoir composition module

本次研究基于4種來(lái)水頻率、3種工程引提水能力以及2種生態(tài)水位取用值(最小、適宜)，設(shè)置了24種情景進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)蓄計(jì)算。概化水庫(kù)模型計(jì)算情況如表1所列。

表1 概化水庫(kù)模型計(jì)算情景

1.3 水位庫(kù)容關(guān)系的搭建

借助于ENVI軟件，對(duì)遙感影像資料進(jìn)行解譯，提取河流各水位對(duì)應(yīng)的水面面積，并得到水位Z與水面面積S的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在本次研究中，每隔0.01 m水位設(shè)置一個(gè)計(jì)算刻度[11]，利用公式(1)～(2)計(jì)算各概化水庫(kù)不同水位下的對(duì)應(yīng)庫(kù)容，擬合得到水位庫(kù)容Z～V的曲線(見圖2)。根據(jù)下墊面條件和水流特征將研究區(qū)進(jìn)行分區(qū)，并將每個(gè)分區(qū)都視為一個(gè)小型概化水庫(kù)，再結(jié)合生態(tài)水位與警戒水位得到各小型概化水庫(kù)的生態(tài)庫(kù)容、警戒庫(kù)容以及參與調(diào)節(jié)的有效庫(kù)容，將所有小型概化水庫(kù)的有效庫(kù)容之和作為研究區(qū)參與調(diào)蓄計(jì)算的總有效庫(kù)容。

圖2 庫(kù)容計(jì)算示意Fig.2 Storage capacity calculation diagram

(1)

(2)

V有效=V警戒-V生態(tài)

(3)

(4)

式中：Vn為第n個(gè)計(jì)算水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)容，億m3；V0為初始庫(kù)容，億m3；ΔVi為相鄰2個(gè)計(jì)算水位間的庫(kù)容差，億m3；Δh取0.01 m；Si，Si-1為相鄰2個(gè)計(jì)算水位對(duì)應(yīng)的水面面積，m2；V有效為各小型概化水庫(kù)的有效庫(kù)容，億m3；V警戒為警戒水位(正常高水位)的對(duì)應(yīng)庫(kù)容，億m3；V生態(tài)為生態(tài)水位(死水位)的對(duì)應(yīng)庫(kù)容，億m3；V總為研究區(qū)的總有效庫(kù)容，億m3；Vj，有效為第j個(gè)概化水庫(kù)的有效庫(kù)容，億m3，m為概化水庫(kù)的個(gè)數(shù)，個(gè)。

1.4 生態(tài)水位的設(shè)定

為了滿足不同程度生態(tài)需水下的水資源可利用量，除了計(jì)算最小生態(tài)需水量之外，同時(shí)還考慮到了適宜的生態(tài)需水量，并將二者對(duì)應(yīng)的水資源可利用量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比。采用最小生態(tài)徑流法，在超過(guò)20 a的天然月徑流系列中取生態(tài)徑流量的最小值作為最小生態(tài)流量[12]；采取逐月頻率計(jì)算法，基于豐、平、枯3個(gè)時(shí)期的流量資料，對(duì)不同時(shí)期不同保證率下的徑流量進(jìn)行計(jì)算，即可得到該年的適宜的生態(tài)徑流過(guò)程，并將其作為適宜的生態(tài)流量。

根據(jù)式(1)和式(2)擬合得出的水位庫(kù)容曲線，讀取最小生態(tài)需水量對(duì)應(yīng)的庫(kù)容數(shù)值，并將其轉(zhuǎn)換為概化水庫(kù)的最小生態(tài)水位取用值。對(duì)于適宜生態(tài)需水量的時(shí)間序列，讀取每日需水量對(duì)應(yīng)的日庫(kù)容數(shù)值，并通過(guò)水位庫(kù)容曲線轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的日水位，取年水位均值作為其適宜的生態(tài)水位取用值。

1.5 概化水庫(kù)水量調(diào)蓄計(jì)算研究

假設(shè)可取出工程取水能力對(duì)應(yīng)的全部水量，對(duì)于任一平原河網(wǎng)水庫(kù)，運(yùn)用水量平衡方程可計(jì)算出該水庫(kù)在一定時(shí)段內(nèi)的蓄水量變化情況。以此為原則，建立日尺度概化水庫(kù)模型如下：

V2=V1+(I-Q下泄-Q取水)Δt

(5)

式中：V2為時(shí)段末庫(kù)容，億m3；V1為時(shí)段初庫(kù)容，億m3；I為概化水庫(kù)入流，億m3；Q下泄為難以利用的下泄水量，億m3；Q取水為工程取水能力；Δt為時(shí)段長(zhǎng)，本文中取為1 d。

在本次研究中，將研究區(qū)內(nèi)本地的地表水資源量及其上游地區(qū)的來(lái)水量輸入入流模塊，將3種情況下的工程取水能力(現(xiàn)狀能力、規(guī)劃能力、遠(yuǎn)景能力)輸入出流模塊，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)蓄模塊進(jìn)行水庫(kù)水量調(diào)蓄計(jì)算。在具體計(jì)算過(guò)程中，采取優(yōu)先滿足生態(tài)需水的原則，其中，研究區(qū)的本地生態(tài)需水的優(yōu)先級(jí)最高，其次為下游地區(qū)的生態(tài)需水。根據(jù)時(shí)段末庫(kù)容V2與生態(tài)水位、警戒水位對(duì)應(yīng)庫(kù)容(圖中以V生態(tài)，V警戒表示)的關(guān)系，動(dòng)態(tài)調(diào)蓄模塊在具體計(jì)算時(shí)可分為如圖3所示的3種情況。

圖3 動(dòng)態(tài)調(diào)蓄模塊計(jì)算流程Fig.3 Calculation process of dynamic storage module

1.5.1情況1

當(dāng)V2>V警戒時(shí)，此時(shí)超出的部分水為水庫(kù)的棄水，工程取水能力下的可取水量即為該時(shí)段的水資源可利用量：

V下泄=max{Q工程不可取×Δt+Q汛期棄水×Δt，

Q下游生態(tài)×Δt}

(6)

V時(shí)段可利用量=Q工程取水×Δt

(7)

式中：Q工程不可取為現(xiàn)狀工程能力、規(guī)劃工程能力、遠(yuǎn)景工程能力下不可取的水量，億m3；Q汛期棄水為高于警戒水位的水庫(kù)棄水量，億m3；Q下游生態(tài)為研究區(qū)的下游區(qū)域生態(tài)需水量，億m3。

1.5.2情況2

當(dāng)V2

V補(bǔ)=V生態(tài)-V2

(8)

(1) 當(dāng)Q工程取水×Δt-V補(bǔ)≥0時(shí)，表明削減工程取水量已滿足以下條件：

V2=V生態(tài)

(9)

V下泄=Q下游生態(tài)×Δt

(10)

V時(shí)段可利用量=Q工程取水×Δt-V補(bǔ)

(11)

(2) 當(dāng)Q工程取水×Δt-V補(bǔ)<0時(shí)，表明即使削減了工程取水量也無(wú)法滿足需水缺口，此時(shí)按照優(yōu)先級(jí)，通過(guò)削減下游生態(tài)需水量來(lái)優(yōu)先滿足本地的生態(tài)需水：

V下泄=Q下游生態(tài)×Δt-V補(bǔ)2

(12)

當(dāng)下泄水量V下泄≥0時(shí)，V時(shí)段可利用量=0。

當(dāng)下泄水量V下泄<0時(shí)，本地生態(tài)需水量也不能滿足：

V2=max(0，V生態(tài)-|V下泄|×Δt)

(13)

此時(shí)，V時(shí)段可利用量=0。

1.5.3情況3

當(dāng)V生態(tài)≤V2≤V警戒時(shí)，工程可取水量為該時(shí)段的水資源可利用量，計(jì)算公式如下：

V時(shí)段可利用量=Q工程取水×Δt

(14)

V下泄=max{Q工程不可取×Δt，Q下游生態(tài)×Δt}

(15)

各時(shí)段初相繼以上一時(shí)段末的庫(kù)容狀態(tài)為起始庫(kù)容狀態(tài)，所有時(shí)段的水量調(diào)蓄計(jì)算結(jié)果累加數(shù)即為水資源可利用總量，即：

(16)

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)域概況

2.1.1研究區(qū)自然地理概況及分區(qū)

里下河區(qū)是江蘇省3級(jí)水資源分區(qū)，區(qū)內(nèi)圩網(wǎng)密布、河湖縱橫，形成了“兩縱九橫”的水系格局[13]；里下河區(qū)東抵里運(yùn)河，南達(dá)蘇北灌溉總渠，揚(yáng)州至南通328國(guó)道以及如泰運(yùn)河以北、通榆河以西區(qū)域，總面積約為11 722 km2[14]。里下河區(qū)多年平均降水量為1 025 mm，汛期降水量占比高達(dá)全年降水量的2/3，降水年際、年內(nèi)分布極為不均。隨著近年來(lái)里下河區(qū)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，人類活動(dòng)對(duì)河網(wǎng)水文條件及生態(tài)水文過(guò)程的影響愈發(fā)劇烈，水資源開發(fā)難度日漸上升；而多年粗放型經(jīng)濟(jì)發(fā)展引發(fā)的水資源短缺現(xiàn)狀，已成為里下河區(qū)面臨的新問(wèn)題。

本次研究以下墊面條件相似、河流水位相近為依據(jù)，將里下河區(qū)劃分為斗龍港-大團(tuán)、西塘河-黃土溝、蘇北灌溉總渠-阜寧腰閘、栟茶運(yùn)河-小洋口閘共計(jì)4個(gè)片區(qū)(見圖4)。

圖4 里下河區(qū)分區(qū)概況Fig.4 Overview of the Lixiahe district

2.1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

本次研究涉及的地表水資源量、入境水資源量1/2及徑流、降水、蒸發(fā)等數(shù)據(jù)，均來(lái)自江蘇省水文水資源勘測(cè)局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及各地市水資源公報(bào)；水面面積數(shù)據(jù)來(lái)自ENVI 5.3及GIS對(duì)遙感影像的提??；現(xiàn)狀工程、規(guī)劃工程及遠(yuǎn)景工程的取水能力數(shù)據(jù)來(lái)自《江蘇省水中長(zhǎng)期供求規(guī)劃(2015～2030)》。

2.2. 計(jì)算結(jié)果

2.2.1里下河區(qū)生態(tài)需水量計(jì)算

里下河區(qū)最小生態(tài)水位及適宜的生態(tài)水位最終取值如表2所列。里下河區(qū)下游沿海，其下游地區(qū)的生態(tài)需水量以20世紀(jì)50～60年代多年平均年入海徑流量的80%來(lái)估算。計(jì)算得出的里下河區(qū)境內(nèi)入海河流的河口沖淤保港基本生態(tài)需水量為34.17億m3。

表2 里下河地區(qū)各分區(qū)生態(tài)水位取用值

2.2.2結(jié)果分析

里下河區(qū)現(xiàn)狀工程、規(guī)劃工程、遠(yuǎn)景工程的引調(diào)水能力分別為143.61億，178.21億，217.59億m3。按照式(1)～(4)，對(duì)里下河各片區(qū)的有效庫(kù)容進(jìn)行計(jì)算；按照式(5)～(16)，對(duì)里下河區(qū)進(jìn)行了概化平原河網(wǎng)水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算。滿足最小生態(tài)需水的地表水資源可利用量及滿足適宜生態(tài)需水的地表水資源可利用量分別如表3～4所列。

表3 地表水資源可利用量(滿足最小生態(tài)需水)

從可利用水資源數(shù)量來(lái)看(見圖5(a)和圖5(b))：里下河區(qū)的水資源可利用量結(jié)果總體呈現(xiàn)為隨工程取水能力提升、水資源量增長(zhǎng)而增加的規(guī)律，即呈正相關(guān)關(guān)系。但隨著概化水庫(kù)生態(tài)水位的調(diào)高(即水庫(kù)死水位提高)，在動(dòng)態(tài)調(diào)蓄模塊計(jì)算時(shí)，參與調(diào)蓄的水量減少，時(shí)段末庫(kù)容達(dá)到“情況2(V2

表4 地表水資源可利用量(滿足適宜生態(tài)需水)

圖5 各工程能力下可利用量變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trend of available amount under each engineering capacity

圖6 最小與適宜生態(tài)水位下水資源可利用量變化(現(xiàn)狀工程能力)Fig.6 Variation trend of available water resources under minimum and suitable ecological water level in current water projects

從可利用量計(jì)算結(jié)果與實(shí)際用水量比對(duì)來(lái)看(見表3)，現(xiàn)狀工程能力下，在95%來(lái)水頻率(1967年)時(shí)，由于水資源的開發(fā)利用程度較低，采用現(xiàn)狀工程取水能力進(jìn)行取水計(jì)算，得出的水資源可利用量結(jié)果為當(dāng)年實(shí)際用水量的3倍；隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)用水量的急劇增加導(dǎo)致水資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，故50%來(lái)水頻率(2010年)時(shí)的水資源可利用量?jī)H能勉強(qiáng)滿足當(dāng)?shù)赜盟?。目前，主要是通過(guò)江水北調(diào)工程和東引工程對(duì)里下河區(qū)的水資源提供供給；南水北調(diào)東線工程建成后，在保證完成供水目標(biāo)的同時(shí)，還需兼顧到里下河?xùn)|引灌區(qū)的水資源需求，因此，里下河區(qū)可考慮采用遠(yuǎn)距離調(diào)水、完善工程體系、優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)等方法，最大限度地提高水資源可利用量，解決用水短缺問(wèn)題。

從水資源可利用率及開發(fā)利用情況來(lái)看(見圖7)，平水年的水資源可利用率反而較枯水年的水資源可利用率小，主要是平水年來(lái)水多、基數(shù)大導(dǎo)致的。由圖7可以看出：在遠(yuǎn)景工程能力下，里下河區(qū)地表水水資源可利用率(情景12)最高可達(dá)到62.07%，比同樣的來(lái)水頻率下的現(xiàn)狀工程能力(情景4)下的地表水水資源可利用率提高了約10.48%，表明該區(qū)仍有較高的水資源開發(fā)利用潛力。里下河區(qū)洪水資源豐富，但由于其特殊的地勢(shì)條件，極易因洪致澇，造成洪水資源浪費(fèi)等現(xiàn)象。為此，可通過(guò)增加投資，興建里下河區(qū)各引提水骨干工程的方式，在防洪排澇的同時(shí)提高水資源的可利用率。

圖7 各工程能力下水資源可利用率變化趨勢(shì)(滿足最小生態(tài)需水)Fig.7 Variation trend of water resources availability under each engineering capacity meeting the minimum ecological water demand

里下河區(qū)地表水可利用率最低為39.00%(情景1)，高于全國(guó)地表水可利用率平均水平約28.1%[15]。然而，就淮河流域而言，其地表水可利用率達(dá)到了51.50%，里下河區(qū)在現(xiàn)狀取水能力下僅在情景4條件下的可利用率略高于淮河流域0.09%，其余情景下的水的可利用率都未能達(dá)到淮河流域可利用率水平。隨著后續(xù)引提水工程的實(shí)施，調(diào)控水資源的能力將得到進(jìn)一步加強(qiáng)，里下河區(qū)的水資源可利用率也將得到進(jìn)一步提升；同時(shí)，為了緩解用水緊張問(wèn)題，增加水資源的開發(fā)利用效率，里下河區(qū)還應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化供水管網(wǎng)，提升供水效率。除此之外，推進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境效益項(xiàng)目的建設(shè)，也可以在一定程度上提高生態(tài)補(bǔ)水能力[16]，減輕水資源供需矛盾。

3 結(jié) 論

(1) 本次研究通過(guò)概化平原河網(wǎng)水庫(kù)的方法，統(tǒng)籌考慮到現(xiàn)狀工程能力及規(guī)劃工程能力下水資源不同的開發(fā)利用狀況，對(duì)里下河區(qū)的水資源可利用量進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明：在現(xiàn)狀工程能力下，里下河區(qū)的地表水資源可利用量介于81.01億～97.99億m3之間；在規(guī)劃工程能力下，地表水資源可利用量介于95.73億～104.90億m3之間；在遠(yuǎn)景工程能力下，地表水資源可利用量介于93.80億～114.41億m3之間。

(2) 里下河區(qū)的地表水資源可利用量計(jì)算結(jié)果與地區(qū)的工程取水能力以及水資源總量呈正相關(guān)關(guān)系，但隨著生態(tài)用水需求的提高呈下降的趨勢(shì)；各種情景下計(jì)算得出的水資源可利用率均高于全國(guó)水資源可利用率的平均水平，但大多數(shù)情況下尚未能達(dá)到淮河流域的水資源可利用率水平。

(3) 里下河區(qū)城市化進(jìn)展迅速，人類活動(dòng)對(duì)河網(wǎng)水文條件及生態(tài)水文過(guò)程的影響愈發(fā)劇烈，水資源開發(fā)難度日漸上升，導(dǎo)致缺水問(wèn)題日益嚴(yán)重。隨著里下河區(qū)各引提水骨干工程的興建，水資源可利用量將得到進(jìn)一步提升；同時(shí)，為了增加水資源開發(fā)利用效率，緩解用水緊張問(wèn)題，導(dǎo)致里下河區(qū)還應(yīng)采取增加遠(yuǎn)距離調(diào)水的措施、繼續(xù)優(yōu)化供水管網(wǎng)以及完善工程體系，以提升里下河區(qū)的供水效率。

綜上所述，本次研究提出的方法可以較好地適應(yīng)平原河網(wǎng)區(qū)交互錯(cuò)雜的河流水系特征，可為其他同類地區(qū)的水資源可利用量計(jì)算提供參考。同時(shí)，對(duì)于本文考慮不周的部分還需進(jìn)行繼續(xù)深化探討。比如，本文模型動(dòng)態(tài)調(diào)蓄模塊中有關(guān)每年的生態(tài)水位、警戒水位為定值，后續(xù)應(yīng)將其細(xì)化為逐日的水位進(jìn)行更為精準(zhǔn)的計(jì)算。另外，本文僅對(duì)地表水的水資源可利用量進(jìn)行了計(jì)算分析，尚未考慮到地下水的水資源可利用量，因此，還需進(jìn)一步開展深入研究。