沂河流域需水量與水資源調度研究

趙麗萍

(山東省臨沂市蘭陵縣會寶嶺水庫管理處，山東 臨沂，277712)

隨著社會經濟的大力發展，城市對水資源的需求量越來越大。自然界中的水資源總量是一定的，受到時間和空間不均衡的影響，導致水資源分布不均。水資源是城市發展重要的基礎資源，需要得到合理的調配與利用。沂河流域水資源較為豐富，但隨著流域經濟的快速發展，水資源短缺的問題也日益凸顯出來。因此，了解沂河流域水資源供需狀況，解決水資源供需矛盾迫在眉睫[1]

1 流域概況

沂河是沂河流域沂沭水系的重要支流之一，又稱沂水。其中大部分位于山東省中部腹地，沂水河發源于沂源縣，向南流經山東省的8個縣區，最終流入徐州市，總長度約280km，其中山東240km，江蘇40km。在劉家道口，沂河有一個引水口，長約75km。沂河流域面積約12000km2，流域有許多復雜的支流，年徑流量約35億m3。

2 模型原理

2.1 流域概化及模型

通過對沂河流域的分析，將沂河流域概化為五個水庫、三個用水單元、三個水資源計算分區、五個匯水區，流域概化元素如圖1所示。

圖1 流域概化圖

構建概化數學模型目標函數及其約束條件時，水庫調配優先保障生活用水，其次滿足河道內生態用水，合理安排工業、農業用水。該水量配置模型中，水庫供給城鎮生活、工業生產用水的優先級要高于農業灌溉用水。以無定河年取水量的總和為目標函數；以各取水項目取用地表徑流后的河川徑流量必須保障河流生態需水量為約束條件；以優先保障生活用水，其次保障河道內的生態需水量，盡可能地供給工業需水和農業需水為配置原則。求解目標函數最大值，即流域內的年最大取水量。具體計算公式如下[2]:

目標函數：

maxZ=ΣXJ+ΣA+ΣDK+ΣCl

約束條件：

Wi-ΣXJ-ΣA-ΣDk-ΣCl-ΣX損失+ΣX上游下滲量≥Wi生態

0≤Xj≤Xmax

0≤A≤Amax

0≤C1≤Cmax

0≤DK≤Dmax

ΣXJ+ΣA+ΣDK+ΣCl≤W可利用

(i=1,2…,m;j=1,2,…,n;k=1,2,…p;l=1,2,…q)

式中：Z為目標函數，是流域年取水量的總和；Xj為各個水庫向用水戶的年供水量；A為沿河農業灌溉年取水量；DK為沿河生活用水年取水量，p為生活用水戶最大個數；C1為沿河工業用水年取水量，q為工業用水戶最大個數；Wi為控制斷面年徑流量，m為設立的控制斷面個數；X損失為控制斷面上游水庫因蒸發、滲漏造成的年損失水量；X上游下滲量為控制斷面上游水庫年下滲損失量；Wi生態為控制斷面上游的年生態需水量；Xmax為各水庫年最大供水量；Amax為流域農業灌溉用水沿河取水最大值；Cmax為流域工業需水沿河取水最大量；Dmax為流域生活用水沿河取水最大值；W可利用為流域地表水資源最大可利用量。

2.2 水量平衡模型

在滿足計算精度的前提下，在調度水資源時，通過定義節點間的來水節點、蓄水節點、取水節點、退水節點和水流路徑(河道或渠道)，將沂河流域水資源系統進行簡化，把復雜的水資源系統轉化為可以采用數學模型描述的簡化系統，實現整個系統的模型處理[3]。

通過定義節點間的來水節點、蓄水節點、取水節點、回水節點和水流路徑(河道等)，構建了沂河流域的總體網絡圖。在考慮水文演變因素的基礎上，采用線性規劃等優化方法對節點參數和水流路徑參數進行了標定，建立了沂河流域水資源與水平衡模型[4]。水量平衡模型主要用于水流演進過程中回水參數的標定。水量平衡模塊的總體框架如圖2所示。

圖2 水量平衡模塊總體框架

2.3 水庫聯合調度模型

水資源調度的復雜程度較高、綜合性強，屬于多種目標決策系統。需要從城鎮居民用水、工業生產、農業生產和生態環境等方面考慮，以防洪發電為目標，最大限度地發揮用水效益。在實際的調度過程中，很難把所有的目標都考慮進去。要根據目標的重要性，調整各需水單位的用水量，優化總體目標[5]。

圖3 用水單元劃分

3 水文條件及需水量

3.1 水文條件

沂河流域降雨豐沛，是該地區降雨較多的流域，通過對歷史降雨資料的搜集和整理，得到沂河流域1960-1980年的降雨資料。沂河流域的多年平均降雨量約為850mm，流域內多年平均徑流深約為327mm，年徑流量約為35億m3。根據臨沂水文站多年的監測資料顯示，年徑流量最大約為65.9億m3，年徑流量最小約為8.5億m3。且沂河流域的降雨主要集中在6-9月份，其中7、8月份的年徑流量占到年徑流量的65%以上。

3.2 河流水資源量與需水量

通過現有能夠收集到的資料選擇合適的算法模型，盡可能準確地計算出沂河流域的需水情況。對往年水資源公報和年鑒分析，臨沂市沂河流域用水單元、淄博市沂河流域用水單元的年人均用水定額取166.67m3/人。計算臨沂市用水單元、淄博市用水單元的生活用水量如表1。計算公式如下：

表1 生活用水預測

EW=PLwLr

式中：EW為用水單元計算分區中生活用水總量；P為人口數；LW為年人均用水量；Lr用水利用效率[6]。

通過對往年水資源公報和年鑒分析，臨沂市沂河流域用水單元、淄博市沂河流域用水單元的萬元工業生產值耗水量為9.48m3/萬元。預測2019年臨沂市用水單元、淄博市用水單元的工業用水量如表2。計算公式如下：

表2 工業用水預測

RW=Sevi·IQ/IR

式中：RW為用水單元計算分區中工業用水總量；Sevi為年工業生產總值；IQ為工業需水定額9.48m3/萬元；IR為工業用水利用效率0.79。

通過分析臨沂市沂河流域用水單元、淄博市沂河流域用水單元、徐州市沂河流域用水單元往年水資源公報和年鑒各種農作物的用水定額。預測2019年臨沂市沂河流域用水單元、淄博市沂河流域用水單元、徐州市沂河流域用水單元的農業需水量如表3，蓄業需水量如表4。

表3 農業需水量

表4 畜業需水量

通過對沂河流域水資源公報、年鑒等資料的收集，根據當地人口、工業、農業的增長率以及凈水定額預測沂河流域2019年的需水量。將流域內各用水單元的預測用水匯總，預計沂河流域 2019年的需水總額約89434.18萬m3。根據需水預測的結果發現臨沂市的工業用水占流域總工業用水的84.7%，區域工業用水量大，未來應進一步加大該地區工業用水的水資源利用效率。

為了保證流域的生態環境，防止由于用水過度造成的水資源的匱乏，保證沂河河道的生態、河道外的生態以及地下水水位的安全。生態用水也將采用用水定額的方式計算。即根據當地的生態防護林及生態綠化植株確定用水，城鎮生態用水定額為0.40 L/m3·d，農村生態用水定額為0.3-5 L/m3·d。

4 水量調度方案

根據中長期供水預測，2019年沂河流域最大供水量15.26億m3。根據《沂河流域水資源配置報告》，考慮到現有工程的供水能力，預測供水量的10%作為河基流量，90%作為地表可供水量。本研究未考慮水利工程供水能力減弱，可供水量13.734億m3。根據淮河流域和山東半島綜合規劃，沂河流域年平均供水量19.66億m3，50%供水頻率20.56億m3，95%供水頻率12.92億m3。

對于50%來水頻率和95%來水頻率的月可供水量的計算，首先需要根據歷史徑流數據，繪制出皮爾遜Ⅲ型頻率曲線；然后找出典型來水年，確定月徑流分配比例系數；最后將得到的50%、75%、95%三種來水頻率下的月徑流量作為輸入，進行水庫的調度計算，得到各水庫的水位變化曲線及各用水單元的用水保證率。

在對2019年來水量預測和需水量分析的基礎上，建立了新的月調水方案，并設置了初始水位為正常蓄水位的調水方案。不同保證率時的水量調度方案詳見表5、表6、表7。

表5 50%來水情況下的水量調度方案 單位：m3/s

表6 75%來水情況下的水量調度方案 單位：m3/s

表7 95%來水情況下的水量調度方案 單位：m3/s

沂河流域缺水主要發生在3月、4月和5月。對于不同來水頻率下，徐州市的用水保證率最高，這是由于徐州市在沂河流域內的面積小，取水主要是生活用水，在供水原則中優先保證生活用水。

5 結論

本文將需水預報劃分為生活用水預測、工業用水預測、農業用水預測以及生態用水預測4個模塊，采用用水定額的方式進行計算。水資源調度模塊在滿足計算精度的前提下在進行水資源調度時，通過定義沂河的來水節點、蓄水節點、取水節點、退水節點和節點間的流路(河道或渠道)，將沂河流域進行概化。通過需水模型計算得到沂河流域2019年預計需水89434.18萬m3。為了更真實全面地的模擬2019年來水情況下的水庫調度情況，本次采用50%、75%(2019年預報值)、95%三種來水頻率，進行水庫調度的模擬。本研究可為沂河流域水資源調度提供參考。