面向雙保證率的超采區(qū)供水水源水資源優(yōu)化配置運(yùn)用研究

閆 強(qiáng),王 燕

(太原理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 030024)

山西省地下水超采區(qū)分布范圍中劃定汾陽市郭莊泉域超采區(qū)面積93km2，其中嚴(yán)重超采區(qū)面積32km2[1]。以2001—2010年動態(tài)資料為依據(jù)劃分超采區(qū)范圍，超采區(qū)年均可開采量250萬m3，年均實際開采量約400萬m3；2011—2020年杏花村酒業(yè)集中發(fā)展區(qū)新增地下水開采量接近60萬m3，則目前地下水超采水量接近200萬m3，開采系數(shù)遠(yuǎn)大于1.2，超采嚴(yán)重。

根據(jù)《水利部關(guān)于黃河流域水資源超載地區(qū)暫停新增取水許可的通知》(水資管〔2020〕280號)[2]，為退出水資源超載地區(qū)，優(yōu)化超采區(qū)供水水源水資源配置，為超采區(qū)提供置換水源顯得尤為重要。本文分析范圍為汾陽市峪道河鎮(zhèn)、杏花村鎮(zhèn)及汾陽市城區(qū)。規(guī)劃基準(zhǔn)年為2020年，規(guī)劃水平年為2035年。

1 馬刨神泉概況

1.1 地理概況

馬刨神泉出露于汾陽市西北20km，海拔1150.88m，屬中山地貌類型，泉域面積約200km2。北部邊界：汾陽市與文水縣縣界(頭道川與二道川分水嶺)，海拔1969.0～1684.0m，西高東低；西部邊界：汾陽市與離石區(qū)區(qū)界(石崖南至頭道南川拐嶺底村西南)，海拔2043.8～1856.0m，北高南低；南部邊界：分為2段，西段為頭道南川與三十里桃花洞之間的分水嶺，海拔1851.0～1240.0m，西高東低，東段自馮家山底村以北1km沿神頭斷層至敖坡以北；東部邊界：自王虎莊村東至敖坡村以北(太古界片麻巖震旦系石英砂巖與寒武系接觸線)，海拔1683.0～1250.0m。

1.2 可供水量分析

1.2.1年徑流量插補(bǔ)延長

收集到馬刨神泉1955—2005年的實測年徑流量、相同地質(zhì)單元中的交口雨量站實測2005—2020年的降雨量，詳見表1。利用1956—2005年降雨量～徑流量建立相關(guān)關(guān)系，用降雨量插補(bǔ)2006—2020年泉水徑流量[3]。

表1 交口站降水量、馬刨神泉實測徑流量統(tǒng)計表

根據(jù)泉域水文地質(zhì)條件，降水入滲是泉水主要補(bǔ)給來源，當(dāng)年降水量可影響泉水流量。此外，經(jīng)過大氣降水、入滲，以及受復(fù)雜地下水動力條件影響，降水量對泉水流量的影響往往具有時滯性。對當(dāng)年降雨量、前期(前1年、2年)降水量與年泉水徑流量的多元線性回歸分析[4]，比選出當(dāng)年、前1年的降水量與年泉徑流量具有更好的相關(guān)關(guān)系[5]，回歸方程式為：

Yi=311.0572-0.1107Xi+1.4584Xi-1

(1)

式中，Yi—需要預(yù)測的第i年泉水年徑流量，萬m3；X—實測第i年交口站降水量，mm；Xi-1—實測第i-1年交口站降水量，mm。得馬刨神泉2006—2020年泉水徑流量預(yù)測值，見表2。

表2 馬刨神泉2006—2020年泉水徑流量預(yù)測值統(tǒng)計表

經(jīng)統(tǒng)計檢驗，r>4Er且r=0.8053>0.8，說明泉水年徑流量與當(dāng)年和前1年降雨量復(fù)相關(guān)關(guān)系成立[6]。

1.2.2雙保證率徑流量

分別對馬刨神泉1956—2005年實測系列和1956—2020年延長系列作頻率分析，計算其50%、95%保證率徑流量。50%保證率下，后者較前者增加6.68萬m3；95%保證率下，后者較前者增加51.65萬m3，詳見表3。

表3 馬刨神泉雙保證率年泉水徑流量統(tǒng)計表

1.3 水資源利用現(xiàn)狀

根據(jù)(晉呂)字[2017]第00007號取水許可證，農(nóng)業(yè)灌溉、鄉(xiāng)村生活水量760萬m3/年；近5年新增未批復(fù)的城鎮(zhèn)生活補(bǔ)充備用水量為200萬m3/年。P=50%保證率下暫不考慮生態(tài)，工業(yè)置換可引用水量1055.33-760-200=95.33萬m3，遠(yuǎn)小于超采區(qū)超采水量200萬m3/a。

經(jīng)調(diào)查，2016—2020年農(nóng)業(yè)灌溉平均用水量為386.44萬m3、鄉(xiāng)村生活平均用水量為18.19萬m3，合計404.62萬m3，遠(yuǎn)小于批復(fù)水量760萬m3，詳見表4。馬刨神泉用水對象及用水量變化為新增置換工業(yè)用水提供了可能。

表4 2016～2020年農(nóng)業(yè)、鄉(xiāng)村生活現(xiàn)狀用水統(tǒng)計表

1.4 水質(zhì)

經(jīng)檢測水質(zhì)各項指標(biāo)均符合GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，可作為各用水戶供水水源。

2 需水量合理性分析

用水戶主要為已批復(fù)的鄉(xiāng)村生活、農(nóng)業(yè)灌溉，未批復(fù)的城鎮(zhèn)生活補(bǔ)充備用，在保證生態(tài)用水前提下擬新增工業(yè)置換用水。供水優(yōu)先順序為鄉(xiāng)村生活、農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)生活補(bǔ)充備用、河道生態(tài)、工業(yè)置換。

2.1 鄉(xiāng)村生活需水

現(xiàn)狀受益村莊為18村，用水保證率為95%，規(guī)劃年限為15年、人口增長率按6‰確定農(nóng)村供水人口，則2035年規(guī)劃供水人口為1.16萬人。

鄉(xiāng)村生活用水量包括居民生活用水量和牲畜用水量，居民用水指標(biāo)按70L/p·d，牲畜用水指標(biāo)按50L/頭·d，則農(nóng)村生活用水量為Q1=812.85+40.55=853.40m3/d；按10%計算漏失率，漏損水量Q2為85.34m3/d；則農(nóng)村日用水量Q3=Q1+Q2=812.85+40.55+85.34=938.74m3/d、年用水量為26.36萬m3。

2.2 農(nóng)業(yè)灌溉需水

峪道河灌區(qū)是汾陽市最大的泉水自流灌區(qū)，設(shè)計灌溉面積5.07萬畝，現(xiàn)狀有效灌溉面積3.44萬畝(其中與文峪河灌區(qū)重復(fù)1.34萬畝)，分為單源片區(qū)1.5萬畝、二源片區(qū)0.6萬畝、三源片區(qū)1.34萬畝。單源指灌溉水源為馬刨神泉，二源指灌溉水源為馬刨神泉和機(jī)井，三源指灌溉水源為馬刨神泉、機(jī)井和永田渠。

灌區(qū)作物主要為玉米、高粱、谷子、經(jīng)濟(jì)作物、核桃、復(fù)播等，灌溉設(shè)計保證率取50%。作物灌溉水量采用水量平衡分析法初算灌溉定額計算值[7]，并參照《山西省用水定額(第1部分)》農(nóng)業(yè)灌溉定額值合理確定采用值，詳見表5。

表5 50%灌溉定額計算表

灌溉水利用系數(shù)根據(jù)灌區(qū)大小、水源情況、管渠系布置以及管渠長度、土質(zhì)、防滲措施和管理水平等因素綜合確定。田間水利用系數(shù)取0.9，管道水利用系數(shù)取0.95，則管灌灌溉水利用系數(shù)為0.855。

50%保證率下，灌區(qū)灌溉最大流量0.226m3/s、灌溉用水量386.47萬m3/a；95%保證率下，根據(jù)《山西省抗旱應(yīng)急水源工程實施方案》，一般最低控制在20～40m3/畝。按40m3/畝計算灌溉用水量3.44×40÷0.855=160.94萬m3/a。

2.3 城鎮(zhèn)生活補(bǔ)充備用需水

城鎮(zhèn)生活用水由汾陽市自來水公司供水，水廠始建于60年代，以機(jī)井取水為主，擔(dān)負(fù)著城區(qū)10萬人及市區(qū)周邊14個行政村的生產(chǎn)、生活用水。但水廠機(jī)井距離超采區(qū)約6km，可供水量受到影響。目前用水量增加，機(jī)井高峰期或干旱期供水不足，供水保證率降低。馬刨神泉作為自來水廠的補(bǔ)充水源將大大緩解該地區(qū)供水矛盾，補(bǔ)充備用水保證率不得低于95%。

2016—2020年汾陽市城鎮(zhèn)居民生活綜合用水指標(biāo)均值為129.32L/(p·d)，2016年最大為135.67L/(p·d)，2017年最小為113.90L/(p·d)，結(jié)合長遠(yuǎn)規(guī)劃并調(diào)查先進(jìn)值確定綜合用水指標(biāo)為150L/(p·d)，滿足山西用水定額要求。

根據(jù)《汾陽市城市總體規(guī)劃(2012—2030)》中城市人口增長率9.6‰，則2035年供水人口為10.94萬人；根據(jù)《山西省抗旱應(yīng)急水源工程實施方案》中補(bǔ)充備用水源不低于正常供水能力的20%～30%，按30%考慮得城鎮(zhèn)居民補(bǔ)充備用生活用水量Q1為179.67萬m3/a，漏損率按10%考慮Q2為17.97萬m3/a，則補(bǔ)充備用年用水量Q3=Q1+Q2=179.67+17.97=197.64m3/a。

2.4 河道生態(tài)需水

根據(jù)GBT 51051—2014《水資源規(guī)劃規(guī)范》[8]中6.8.3條款和SL/Z 479—2010《河湖生態(tài)需水評估導(dǎo)則》[9]中5.3條款計算基本生態(tài)環(huán)境需水流量，保證率為50%。因泉水流量全年較為平均，綜合Tennant法和90%保證率法考慮。

90%保證率法下最枯月平均流量為0.198m3/s，綜合Tennant法確定生態(tài)流量占比為22%，則生態(tài)基本流量為0.198×0.22=0.043m3/s，年用水量為137.05萬m3/a，在95%保證率時將不考慮生態(tài)用水，優(yōu)先供給其他用水戶。

2.5 工業(yè)置換需水

根據(jù)相關(guān)批復(fù)，工業(yè)置換水量200萬m3，保證率95%，考慮漏損后引水規(guī)模為226.28萬m3(漏損系數(shù)13%)，平均引水流量0.072m3/s。該工程實施后，可關(guān)閉和壓采水井9眼，其中封堵5眼、封存3眼、壓采1眼。對水源來水流量和各用水戶用水流量進(jìn)行日調(diào)節(jié)，經(jīng)統(tǒng)計分析灌溉高峰期工業(yè)用水需設(shè)置2萬m3蓄水池，調(diào)蓄過程匯總見表6。

表6 灌溉高峰期置換工業(yè)用水調(diào)蓄分析統(tǒng)計表

3 水資源優(yōu)化配置

鄉(xiāng)村生活、城鎮(zhèn)生活補(bǔ)充備用、工業(yè)置換用水保證率為95%；農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)用水保證率為50%，馬刨神泉作為峪道河灌區(qū)的主要水源，在95%保證率下還需保證作物播種期和生長關(guān)鍵期最基本用水。

在P=50%保證率下，馬刨神泉可供水量1055.33萬m3/a，各用水戶總需水量836.75萬m3/a，剩余水量218.58萬m3/a可滿足河道生態(tài)需水137.05萬m3/a；在P=95%保證率下，不考慮河道生態(tài)用水，馬刨神泉可供水量為625.43萬m3/a，各用水戶總需水量611.22萬m3/a，剩余水量14.21萬m3/a。綜上，面向雙保證率條件下通過優(yōu)化配置可滿足各用水戶的需水要求，詳見表7。

表7 雙保證率水資源優(yōu)化配置表 單位：萬m3·a-1

4 結(jié)語

可供水量分析中建立了1956—2005年的降雨量-徑流量多元線性回歸模型，使來水量系列延長為1956—2020年，延長系列來水量較原有系列50%、95%保證率分別增加6.68萬、51.65萬m3，增幅分別為6.4‰、9%，表明2006—2020年期間代表的偏枯年份來水量增加較大。經(jīng)檢驗，多元線性回歸模型雖滿足相關(guān)統(tǒng)計參數(shù)要求，但相關(guān)系數(shù)r=0.8053>0.8尚有較大提升空間，在后續(xù)相關(guān)研究中，應(yīng)改進(jìn)完善回歸模型，以獲取更好的插補(bǔ)延長效果與精度。

在保證生態(tài)用水基礎(chǔ)上，通過近5年橫向調(diào)查分析優(yōu)化了城鄉(xiāng)生活、農(nóng)業(yè)用水指標(biāo)，在灌溉高峰期利用2萬m3調(diào)蓄水池合理調(diào)用水量保證工業(yè)用水流量，面向雙保證率合理配置了超采區(qū)供水水源，提高了區(qū)域地表水利用系數(shù)，降低了水資源的浪費(fèi)；可明顯減緩超采區(qū)地下水過渡開采，有效緩解地下水水位下降造成的地質(zhì)災(zāi)害、水環(huán)境災(zāi)害，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為類似資源環(huán)境承載力地區(qū)提供了相對可行的借鑒經(jīng)驗。