基于工程供水能力的地表水资源可利用量研究----以荣昌为例

魏 佳，张守平，杨清伟，王国泰，张 润

(重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074)

0 引 言

水资源是人类生存和社会发展的重要基础，与人类的生活息息相关。随着环境污染问题的加剧，水资源短缺问题的突出，我国的水资源情势正在发生新的变化，因此全国水资源综合规划要求进行水资源可利用量的分析估算[1]。水资源可利用量既是综合规划区域水资源的节约、配置、开发、利用和治理措施的条件，又是进行水资源承载力分析的基础[2]。学者们对于水资源可利用量的概念有着不同的理解[3-5]。关于地表水资源可利用量的计算，国内外学者进行了不同的研究。其中包括提出评估方法[6]，引进向量建立模型的方法[7]，扣损法[8]，倒算法[9]以及考虑水量、水权、水质的计算方法等[10]。分析可知地表水资源可利用量与当年降水情况和水利工程建设有关，对于南方降水丰沛地区，地表水资源可利用量与取水设施有着直接关系。

以上研究均基于现状条件下计算某区域多年平均水资源可利用量。随着经济的发展，对产业结构进行调整，人民生活所需水量和耗水系数发生变化，单纯考虑自然来水条件下水资源可利用量已不能满足实际发展需要。一个地区的水资源可利用量是变化的，若每个水平年都按照多年平均水资源可利用量去规划人类用水和当地经济发展，将会造成水资源的枯竭或浪费，这就需要计算各水平年水资源可利用量。沈大军等[11]对以供定需的水资源配置方案进行了研究并阐述其优点，文中指出水资源量以供定需可促进人水和谐发展，但并未指出其中的供水工程具体可供水量。人类生产生活所需水量都需要借助一定的工程措施来满足，若某地区存在丰沛的水资源量，但工程措施不足，这部分水资源量便不能被人类利用。基于此，水资源可利用量需要在工程供水能力的因素下进行研究。人类取用水过程中，会有管道漏损、人类利用消耗等不能回归地表或地下含水层的水量，即耗水量。耗水量与用水量之比即为整个社会经济系统中的耗水系数。本文通过建立水资源优化配置模拟模型计算荣昌区现状年及规划年耗水系数，利用正算法计算荣昌区现状年及规划年地表水资源可利用量，避免超量使用水资源量，为荣昌区经济发展和战略决策提供技术支持和理论支撑。

1 水资源可利用量计算

1.1 水资源可利用量概念

水资源可利用量是指可预见的时期内，统筹考虑生活、生产和生态环境用水，协调河道内与河道外用水的基础上，通过经济合理，技术可行的措施可供河道外一次性利用的最大水量(不包括回归水重复利用量)[12]。其中经济合理技术可行的措施即代表水利工程等取水设施，水资源可利用量即为天然水资源量中能够通过水利工程措施最大可能地提供给工农业生产、城乡居民生活、生态环境等部门符合水质要求的水量[13]。由于人类科技水平有限和生态环境保护的需求，尚有人类目前不能利用的水量。因此，本文根据工程的供水能力计算地表水资源可利用量，并与生态需水量进行比较，得出在不破坏环境的前提下，以荣昌为例，能够被人类利用的水资源可利用量，为荣昌区经济发展提供理论支撑。

1.2 水资源可利用量计算方法

水资源可利用量有扣损法和正算法两种计算方法[1]，扣损法是区域多年平均水资源总量减去人类不能利用和难以控制利用的水量得多年平均水资源可利用量。北方地区水资源短缺，汛期与非汛期界限明显，为避免出现河流断流等生态问题，适宜用扣损法计算北方地区水资源可利用量。

人类通过工程措施取水，因此水资源的利用需要在供水工程的建设和供水能力的基础上进行分析计算；在人类取用水过程中，存在着不能回归水循环的水量消耗。因此，水资源可利用量的计算要考虑以上两种因素。

南方地区降水丰沛，水资源可利用量一般采用正算法计算[1]，即工程最大供水能力与耗水系数乘积折算出相应的可供河道外一次性利用的水量，计算公式如下：

Wc=KiWd

(1)

式中：Wc为地表水资源可利用量；Ki为用水消耗系数；Wd为工程最大供水能力。

本文通过分析统计荣昌区工程供水能力，建立水资源优化配置模拟模型计算荣昌区现状年及规划年耗水系数的方法计算荣昌区现状年及规划年地表水资源可利用量。

1.2.1 水资源优化配置模拟模型

根据水量平衡原理建立系统网络图中各个控制节点、水库、计算单元等的平衡方程和约束方程，以供水净效益最大、损失水量最小以及生态保护目标期望值为目标函数构成数学规划模型[14]，对该模型进行求解计算，得各项耗水量和用水量。

1.2.2 模型计算耗水系数

耗水量是指在输用过程中，通过各种途径被消耗而不能回归到水循环中的水量。耗水系数为耗水量与用水量之比，是反映一个国家或地区用水水平的重要特征指标[15]。

耗水系数可通过模型计算求得。计算耗水系数前要进行模型参数率定，综合确定模型的各类参数[14]，进而计算区域各项耗水量。

社会经济耗水量为城镇生活、农村生活、工业、农业各项耗水量之和，城镇生活Da、农村生活Db、工业耗水量Dc可用下列公式计算:

Di=(1-Ki)Qi+Eii=a、b、c

(1)

式中：D为各项目耗水量；K为各项目污水排放率；Q为各项目用水量；E为各项目供水渠系蒸发量。其中，农村生活用水比较分散，根据现状统计数据，用水与耗水比较接近，故Eb为零。

农业耗水量Dd由地表水渠系蒸发、田间耗水、地下水耗水构成。计算公式如下：

Dd=(1-r)QdKd+Qdr-Gd+Qe-Gr

(2)

式中：r为灌溉水利用系数；Qd为农业地表水毛供水量；Kd为渠系损失水量蒸发比例系数；Gd为田间净用水量补给地下水量；Qe为农业地下水毛供水量；Gr为井灌回归量。

2 荣昌区地表水资源可利用量计算

2.1 荣昌区基本概况及水资源条件

荣昌区位于重庆市西部，地理位置为东经105°17′～105°44′，北纬29°15′～29°41′，面积1 076.71 km2。随着社会经济的进步和人民生活水平的提高，荣昌区水资源的供、用、耗、排结构发生了很大的变化，人均占有水资源量为全国的1/4，重庆市的1/3。荣昌区多年平均降水量1 048.48 mm，平均蒸发量758.30 mm，平均径流量4.12 亿m3。荣昌区水资源情况见表1。

表1 荣昌区多年水资源量情况

2.2 荣昌区河道内生态环境需水量的估算

河道内生态环境需水量包含维持河道基本功能的需水量、通河湖泊湿地需水量及河口生态环境需水量[16]。关于生态需水，粟晓玲等[17]提出了其概念和计算方法，魏彦昌等[18]对海河流域进行了生态需水核算，王伟等[19]估算滦河下游河道生态需水量，乔云峰等[20]提出了基于生态经济理论的生态需水计算方法，一般河道基流量常用的估算方法可以多年平均径流量的百分数 (一般取10%～20% )作为河流最小生态环境需水量[10]。荣昌区境内有两大河流，清流河和濑溪河。根据计算，两大河流在荣昌区的多年平均径流量为4.12 亿m3，取10%计算其河道内生态环境需水量为0.41 亿m3，不使荣昌区生态环境遭到破坏的最大水资源量为3.71 亿m3。

2.3 荣昌区地表水资源可利用量估算

2.3.1 荣昌区工程供水能力

荣昌区现有各类水利工程共118 456 处，蓄引提水能力20 586.20 万m3，其中：蓄水工程3 519处，年设计供水能力9 519.22 万m3；河湖引水闸工程3处，设计供水能力233.64 万m3；河湖取水泵站工程405处，设计供水能力9 017.16 万m3；机电井工程114 480 处，设计供水能力1 002.08 万m3；其他工程设计供水能力814.10 m3。

为了满足不同阶段人们的用水需求，促进经济发展，荣昌区拟在2020-2030年各阶段新建水库，规划水库各参数见表2。

2.3.2 荣昌区现状年及规划年耗水系数

荣昌区分为清流河流域、濑溪河流域2个流域分区；荣昌区包括6个街道办事处和15个镇。荣昌区仁义镇、河包镇以及盘龙镇分属于清流河流域和濑溪河流域两个流域，将荣昌区乡镇划分成24个计算单元，其中每个计算单元包含该乡镇的生产、生活以及农业灌溉等基本情况。

将荣昌区内大中小型水库均作为独立水库节点，包括现有水库和规划水库，共计104座。为了便于在水资源分区进行耗水平衡分析，各水资源分区出口断面均设置水资源分区断面控制节点。根据实际供水和受水单元状况，确定供水节点。根据水库节点、断面控制节点和供水节点等，共确定控制节点29个。

表2 规划水库工程参数 万m3

根据以上分析和概化，确定系统网络图，见图1。包括2个流域分区、21个行政分区、24个计算单元、29个控制节点、104座水库等。

图1 荣昌区水资源系统网络图

根据建立的水资源优化配置模拟模型计算的荣昌区未来水平年各项耗水量、用水量及耗水系数见图2-图6。

随着人类进步和社会发展，生活用水量逐年增加，耗水量随着节水水平的加强在逐年降低，如图2所示；为满足《重庆市水资源承载能力预警评价报告》(2016年)中关于荣昌区2020年用水总量控制2.01亿m3的目标，需对2020年荣昌区工业需水定额进行调整，导致2020年相比其他水平年工业用水量偏少，随着工艺改进和节水措施的实施等导致工业耗水量逐年增加，用水量也呈增加趋势，见图3；随着节水力度的加强和农业种植结构的调整，农业需水量应是逐年降低，但由于各水平年工程供水能力不同，造成各水平年农业不同的缺水率，致各水平年农业用水量不一致，农业耗水量随时间变化呈增加趋势，见图4；随着社会进步和科学技术的发展，用水量和耗水量随着时间均呈增加趋势，如图5所示。

图2 荣昌区不同水平年生活用水量、耗水量

图3 荣昌区不同水平年工业用水量、耗水量

图4 荣昌区不同水平年农业用水量、耗水量

图5 荣昌区社会经济系统不同水平年综合用水量、耗水量

如图6所示，生活耗水系数因管网漏损率降低和生活用水量增加等逐年降低；工业耗水系数随着工业节水技艺的改进等逐年增加；农业耗水系数因其灌溉方式和种植结构调整等逐年增加；为了满足可持续发展的理念，进行产业结构调整，第二产业和第三产业占比逐渐增大，导致社会经济系统综合耗水系数增加。

图6 荣昌区社会经济系统不同水平年各项耗水系数

2.3.3 荣昌区地表水资源可利用量

根据荣昌区工程供水能力和各水平年社会经济系统耗水系数，计算求得荣昌区各水平年地表水资源可利用量，结果见表3。各水平年地表水资源可利用量和用水量进行对比，可见，按照荣昌区当地水资源状况很难满足其用水量。2030年荣昌区可利用水量为1.70 亿m3，2030年松溉引水济荣工程建设完成，可引水0.95 亿m3，2030年可用水量2.65 亿m3。荣昌区缺水情况得到很大改善，可满足未来经济发展需要。

表3荣昌区现状年及规划年水资源可利用量万m3

年份工程供水能力综合耗水系数水资源可利用量201520 586.200.5811 940.00202021 139.810.6513 740.88202522 039.830.6614 546.29203025 444.420.6717 047.76

3 结 语

水资源可利用量对于区域经济发展起着至关重要的作用，本文通过建立模型计算荣昌区各水平年耗水系数进而计算水资源可利用量，计算结果表明多年地表水资源可利用量均小于3.71亿m3，不会造成生态环境破坏，单靠荣昌区当地水资源可利用量是不能满足其经济发展需要的，可考虑利用客水及跨流域调水满足荣昌区未来人民生产生活用水需要。但本次计算仅考虑未来规划水库建设，未考虑塘坝、窖池、引水、提水及机电井工程建设问题，计算结果可能偏小，需收集更加详细的数据，计算出更加精确的水资源可利用量，更好的促进荣昌区的经济发展。