謝新民，李麗琴，2，周翔南，王金娥，劉俊秋，魏傳江

(1.中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京 100038；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院水資源研究所，北京 100038；3.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003； 4.渭源縣水務(wù)局，甘肅 定西 748200；5.天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 300384)

聯(lián)合國發(fā)布的《2018年世界水資源開發(fā)報(bào)告》顯示，全球水資源的需求正在以每年1%的速度增長，而這一速度在未來20年還將大幅加快。由于全球人口、經(jīng)濟(jì)爆發(fā)式增長及水資源的不合理開發(fā)與利用(地下水無序開采、過度開發(fā)、管理粗放、保護(hù)滯后等)，導(dǎo)致大范圍地下水嚴(yán)重超采，繼而引發(fā)地下水位持續(xù)下降，導(dǎo)致地面沉降、海(咸)水入侵、地下水工建筑物受損等一系列生態(tài)、地質(zhì)、環(huán)境問題[1-4]，給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民生活造成嚴(yán)重影響。為防止地下水問題進(jìn)一步惡化，國務(wù)院2012年開始對(duì)地下水采取“雙控”(控制取水總量與水位)管理。隨后，水利部和各省市水行政主管部門組織開展了一系列地下水“雙控”方面的專項(xiàng)研究工作，取得了重要進(jìn)展[5-6]。眾所周知，流域/區(qū)域水資源開發(fā)利用格局不同，地下水補(bǔ)排關(guān)系也隨之發(fā)生變化，如水庫的修建、河道及渠道防滲功能的提升將大幅影響水庫、河湖、渠系對(duì)地下水的補(bǔ)給作用；新型節(jié)水灌區(qū)大面積提升以及農(nóng)業(yè)與工業(yè)之間的水權(quán)轉(zhuǎn)換，將影響地下水的田間入滲補(bǔ)給[7-9]。因此，未來不同水平年地下水可開采量也是變化的[10-11]。如何根據(jù)不同水平年地下水可開采量的變化和地下水“雙控”管理的需要[6]，科學(xué)規(guī)劃和調(diào)整水資源配置總體格局，顯得十分重要[12]。而傳統(tǒng)的水資源配置往往弱化或忽視了不同水平年不同水資源開發(fā)利用格局下地下水可開采量和地下水位的動(dòng)態(tài)約束作用[13-14]，鑒于此，筆者結(jié)合目前國家對(duì)地下水“雙控”管理的需求，提出了一種基于水資源“三次配置”的多重循環(huán)迭代算法，并以沈陽市地下水壓采和境外地表水置換境內(nèi)地下水為例開展應(yīng)用研究，為地下水壓采區(qū)進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整水資源配置總體格局、保障供水安全，形成面向“人與自然、人與水和諧”的水資源配置總體格局提供技術(shù)支撐[15]。

1 水資源配置模型系統(tǒng)及求解方法

1.1 模型系統(tǒng)

所構(gòu)建的基于地下水“雙控”的水資源配置模型，實(shí)際上是一個(gè)模型系統(tǒng)，由水資源優(yōu)化配置模塊、地下水可開采量動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊和地下水“雙控”計(jì)算模塊三部分組成，以優(yōu)化配置模塊為核心，牽引地下水可開采量動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊和地下水“雙控”計(jì)算模塊，采用基于水資源“三次配置”的多重循環(huán)迭代算法，實(shí)現(xiàn)水資源在不同時(shí)空尺度(流域/區(qū)域/計(jì)算單元，年/月)、不同水源、不同行業(yè)等多個(gè)維度、滿足地下水可開采量動(dòng)態(tài)變化約束和地下水“雙控”要求的協(xié)同配置多重循環(huán)迭代計(jì)算功能。

1.1.1 水資源優(yōu)化配置模塊

根據(jù)“自然-社會(huì)”二元水循環(huán)模式及其特點(diǎn)，在水利工程時(shí)空分布格局下，建立以“三生”用水需求與水資源供給之間平衡關(guān)系為基礎(chǔ)的優(yōu)化配置模塊，以長系列水文資料及不同水平年的國民經(jīng)濟(jì)與生態(tài)需水?dāng)?shù)據(jù)為輸入條件，以“自然-社會(huì)”二元水循環(huán)中各類水量平衡關(guān)系為約束條件，以供水凈效益最大及水量損失最小為目標(biāo)函數(shù)，利用世界銀行和美國通用公司研制的Windows GAMS2.5軟件進(jìn)行求解計(jì)算。

1.1.2 地下水可開采量動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊

地下水開采量一般是由地下水可開采量(或地下水取水總量控制指標(biāo))控制的，而地下水可開采量主要取決于地下水補(bǔ)給量和開采條件，當(dāng)?shù)叵滤a(bǔ)給量發(fā)生變化時(shí)，可開采量也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。在該模塊設(shè)計(jì)中，將水資源優(yōu)化配置模塊計(jì)算結(jié)果輸入地下水均衡模型，確定不同單元、不同水平年地下水渠系(管網(wǎng))滲漏補(bǔ)給量、河湖水庫滲漏補(bǔ)給量、田間滲漏補(bǔ)給量及井灌回歸量等，計(jì)算出不同水平年地下水可開采量；并將所確定的地下水動(dòng)態(tài)可開采量再反饋給水資源優(yōu)化配置模塊，作為地下水開采量上限約束參與計(jì)算；通過地下水均衡模塊與水資源優(yōu)化配置模塊實(shí)現(xiàn)傳輸與反饋交互迭代計(jì)算，確定地下水可開采量和地下水供水量。

1.1.3 地下水“雙控”計(jì)算模塊

在該模塊設(shè)計(jì)中，將水資源優(yōu)化配置模塊計(jì)算結(jié)果輸入地下水?dāng)?shù)值模型，按照降水豐、平、枯3種情景預(yù)測(cè)不同水平年不同水資源配置方案地下水位變化趨勢(shì)，并根據(jù)所確定的地下水控制性紅線水位(包括上限水位、下限水位)[6]，判定該水資源配置方案下地下水位是否滿足地下水位閾值(上限水位、下限水位)要求；通過地下水?dāng)?shù)值模型與水資源優(yōu)化配置模塊實(shí)現(xiàn)傳輸與反饋交互迭代計(jì)算，確定地下水“雙控”計(jì)算結(jié)果。

1.2 多重循環(huán)迭代算法

傳統(tǒng)的水資源配置往往弱化或忽視了不同水平年地下水可開采量和水位的動(dòng)態(tài)變化約束，本文提出的基于水資源“三次配置”的多重循環(huán)迭代算法，以水資源優(yōu)化配置模塊牽引地下水可開采量動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊和地下水“雙控”計(jì)算模塊，通過水資源“三次配置”實(shí)現(xiàn)傳輸與反饋交互迭代計(jì)算，最終獲得同時(shí)滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水、河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水、地下水動(dòng)態(tài)采補(bǔ)平衡及“雙控”管理要求的水資源配置方案(圖1)。其具體計(jì)算步驟如下：

步驟1：設(shè)置不同規(guī)劃水平年不同發(fā)展模式/節(jié)水情景下的供需水方案。其中，地下水初始可開采量采用水資源評(píng)價(jià)結(jié)果設(shè)為Wj，j=0。根據(jù)研究區(qū)水資源系統(tǒng)特點(diǎn)和現(xiàn)狀、規(guī)劃的水利工程情況以及水資源配置的要求等，將水資源系統(tǒng)中各類物理元素(重要水利工程、計(jì)算單元、河渠道交匯點(diǎn)等)作為節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)間通過水資源傳播系統(tǒng)的各類線段連接，形成研究區(qū)水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，構(gòu)建水資源優(yōu)化配置模塊。

步驟2：基于構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)、約束條件、平衡方程和模型初始參數(shù)，通過長系列逐月調(diào)節(jié)計(jì)算，得到不同規(guī)劃水平年水資源配置結(jié)果，即一次配置結(jié)果。

圖1 基于水資源“三次配置”的多重循環(huán)迭代算法流程

步驟3：將水資源一次配置結(jié)果輸入地下水可開采量動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊，計(jì)算地下水可開采量Wj(j為迭代次數(shù)，j=0，1，2，…，n)；如果|Wj+1-Wj|/Wj≤ε，則停止迭代計(jì)算，輸出計(jì)算結(jié)果；否則，轉(zhuǎn)向第二步對(duì)供水能力、需水量及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并設(shè)j=j+1，重復(fù)前一次迭代過程，直至滿足條件，輸出二次配置結(jié)果。

步驟4：將水資源二次配置結(jié)果輸入地下水“雙控”計(jì)算模塊，并按照豐、平、枯3種來水情景預(yù)測(cè)未來地下水位變化趨勢(shì)，即地下水位hj(j為迭代次數(shù)，j=1，2，…，n)；如果H下限≤hj≤H上限，則轉(zhuǎn)向第五步；否則，轉(zhuǎn)向第二步，并設(shè)j=j+1，合理調(diào)整地下水開采布局及開采量，直至滿足H下限≤hj≤H上限；同時(shí)，如果|Wj+1-Wj|/Wj≤ε，則轉(zhuǎn)向第五步；否則，轉(zhuǎn)向第二步，并置j=j+1，重復(fù)前一次運(yùn)算過程，直至滿足條件，輸出三次配置結(jié)果。

步驟5：停止迭代計(jì)算，輸出最終結(jié)果。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

沈陽市包括市內(nèi)5區(qū)(和平區(qū)、沈河區(qū)、大東區(qū)、皇姑區(qū)、鐵西區(qū))、市郊4區(qū)(沈北新區(qū)、蘇家屯區(qū)、渾南區(qū)和于洪區(qū))、1個(gè)縣級(jí)市(新民市)、3個(gè)縣(康平縣、法庫縣和遼中縣)，全市總面積為12 956 km2。沈陽市多年平均年降水量為598.9 mm，平均水面蒸發(fā)量為823.3 mm。現(xiàn)狀以地下水供水為主，地下水供水量占供水總量的66%，地下水超采降落漏斗主要集中在石佛寺、新民匯津、遼中茨榆坨和于洪水源區(qū)，漏斗區(qū)面積超過70 km2。根據(jù)沈陽市人民政府辦公廳下發(fā)的關(guān)于封閉地下水取水工程實(shí)施方案，2012—2015年沈陽市將封閉或關(guān)停地下水取水工程1 071處，取水井1 847眼，削減地下水開采量4.79億m3，削減的地下水開采量和沈陽市新增用水需求，未來將主要通過大伙房輸水和遼西北供水兩大外調(diào)水工程實(shí)現(xiàn)。隨著水資源開發(fā)利用條件改變，如何科學(xué)調(diào)整水資源配置總體布局，保障全市供水安全，是當(dāng)前關(guān)注熱點(diǎn)和研究重點(diǎn)之一。

根據(jù)水資源配置系統(tǒng)的概化方法[16]，結(jié)合沈陽市水資源系統(tǒng)特點(diǎn)和現(xiàn)狀、規(guī)劃的水利工程情況以及水資源配置的要求等，將沈陽市概化為7個(gè)流域分區(qū)，23個(gè)計(jì)算單元，13個(gè)水庫節(jié)點(diǎn)，18個(gè)市政(縣區(qū))水廠，43個(gè)水源地，8個(gè)外調(diào)水配水節(jié)點(diǎn)，7個(gè)流域控制斷面，16個(gè)引水、匯水節(jié)點(diǎn)，考慮篇幅所限，僅給出沈陽市市區(qū)所在的大伙房水庫以下流域水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，見圖2。

2.2 方案設(shè)置及優(yōu)選

結(jié)合沈陽市水資源現(xiàn)狀及規(guī)劃情況，通過對(duì)水文過程、需水過程、工程和非工程措施設(shè)置不同方案組合，得到配置方案的初始集，采用人機(jī)交互的方式排除初始方案中代表性不夠和明顯較差的方案，最終選取3套組合方案(表1)。

表1 沈陽市水資源配置組合方案

注：①為大伙房輸水工程；②為遼西北供水工程。

圖2 沈陽市(局部)水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

本次采用1956—2013年長系列逐月徑流資料，利用所構(gòu)建的基于地下水水量和水位動(dòng)態(tài)“雙控”的水資源優(yōu)化配置模型，在考慮河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)灌溉引水等最小流量約束條件下，對(duì)選取的3套組合方案進(jìn)行長系列逐月調(diào)節(jié)計(jì)算，得到不同水平年不同組合方案的水資源配置結(jié)果，見表2。

表2 沈陽市水資源供需平衡結(jié)果

方案Ⅰ基于“以產(chǎn)定水、走外延式發(fā)展”，在適度節(jié)水模式下通過加大再生水回用規(guī)模和新增外調(diào)水規(guī)模來支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，不符合國家“節(jié)水優(yōu)先”戰(zhàn)略，考慮到大量新增外調(diào)水規(guī)模的艱巨性和復(fù)雜性，該方案暫不作為優(yōu)先推薦方案。方案Ⅲ基于“以水定產(chǎn)、走內(nèi)涵式發(fā)展”，未來通過實(shí)施封井壓減開采規(guī)模，最終實(shí)現(xiàn)地下水采補(bǔ)平衡。該方案在既定的外調(diào)水規(guī)模下，雖然有利于實(shí)現(xiàn)綠色低碳平穩(wěn)發(fā)展與改善生態(tài)環(huán)境，但因過度抑制城市擴(kuò)張和工業(yè)發(fā)展，與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)跨越式發(fā)展要求和國家中心城市建設(shè)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展引擎等定位不太吻合，亦不符合國家的“節(jié)水優(yōu)先”戰(zhàn)略，因此，基于綠色低碳角度考慮，該方案可作為次優(yōu)推薦方案。方案Ⅱ基于“供需協(xié)調(diào)，走穩(wěn)健式發(fā)展”，在既定的大伙房輸水工程與遼西北供水工程分水協(xié)議框架下，適度重啟一部分封閉備用的地下水市政水源并利用已建供水管網(wǎng)給市區(qū)供水，既能滿足新增用水需求，又節(jié)約成本使各種資源得到合理利用，并可保持地下水位處于合理的變幅內(nèi)波動(dòng)，亦符合國家“節(jié)水優(yōu)先”戰(zhàn)略，故該方案作為優(yōu)先推薦方案。

2.3 推薦方案結(jié)果分析

2.3.1 地下水可開采量動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果

利用地下水可開采量動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊，將2002—2013多年平均地下水補(bǔ)給量作為初始輸入，經(jīng)過多次迭代計(jì)算最終滿足判斷條件，確定不同水平年地下水可開采量，由于篇幅有限，僅列出2030年具體迭代計(jì)算結(jié)果(表3)。

由表3可以看出，隨著規(guī)劃水平年水資源配置格局發(fā)生變化，地下水補(bǔ)給量也會(huì)有相應(yīng)改變，隨著渠系、灌區(qū)節(jié)水效率的提升，地表水入滲補(bǔ)給量逐漸減少，推薦方案水資源開發(fā)利用格局下，沈陽市2030年的地下水可開采量為20.82億m3，以各分區(qū)地下水動(dòng)態(tài)可開采量作為地下水開采量上限約束，調(diào)整2030年水資源配置方案。

2.3.2 地下水“雙控”計(jì)算結(jié)果

根據(jù)二次配置結(jié)果，采用地下水“雙控”計(jì)算模塊，考慮到地下水調(diào)蓄能力及降水的疊加累積效應(yīng)，從沈陽市58年長系列降水資料中選取連續(xù)6年(分豐、平、枯3種情景)作為2014—2019年降水輸入、連續(xù)10年(分豐、平、枯3種情景)作為2020—2029年降水輸入、連續(xù)6年(分豐、平、枯3種情景)作為2030—2035年降水輸入，將2014年1月1日地下水位作為初始水位，預(yù)測(cè)不同水平年(豐、平、枯3種情景)2014—2035年地下水位變化趨勢(shì)。具體計(jì)算結(jié)果見表4。

從表4可以看出，該水資源開發(fā)利用模式下，2020年以后沈陽市城區(qū)內(nèi)部分觀測(cè)井地下水位超出了控制性紅線上限水位，對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)和地下建筑工程等造成一定威脅或影響，尤其是靠近地鐵線附近，會(huì)對(duì)地鐵建設(shè)和安全運(yùn)行造成一定威脅。因此，在2020年以后適時(shí)重啟部分地下水市政水源地是十分必要的。

2.3.3 基于地下水“雙控”的配置結(jié)果

通過豐、平、枯3種情景下地下水位變化趨勢(shì)風(fēng)險(xiǎn)分析，最終確定2030年市內(nèi)五區(qū)重新開啟地下水市政水源供水量為0.22億m3。其中李官水源和河北水源需要重新開啟，供水量分別為0.1億m3、0.02億m3；新南塔水源需增加供水量0.1億m3。由于篇幅有限，僅列出沈陽市2030年多年平均配置結(jié)果。從推薦方案三次配置結(jié)果可知，到2030年全市基本實(shí)現(xiàn)水資源供需平衡。具體結(jié)果見表5。

3 結(jié)論與展望

a. 地下水位偏高或偏低都有可能引發(fā)土壤次生鹽漬化、道路翻漿和地面沉降、地裂縫等環(huán)境地質(zhì)問題，成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展所面臨的最突出、最尖銳、最難解決的復(fù)合型問題。針對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的需要與地下水資源保護(hù)的特殊性，提出的基于地下水“雙控”的水資源配置模型，改進(jìn)和突破了傳統(tǒng)配置中地下水可開采量作為非變化量處理的缺陷，通過地下水可開采量動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊與水資源優(yōu)化配置模塊的信息傳輸與反饋，給出不同水平年地下水可開采量動(dòng)態(tài)變化下的水資源配置方案，同時(shí)新增了地下水水位在水資源配置中的調(diào)控作用，通過地下水雙控計(jì)算模塊與水資源優(yōu)化配置模塊的交互迭代計(jì)算，給出同時(shí)滿足地下水位閾值(上限水位、下限水位)要求下的水資源配置方案，為面向人水和諧的水資源配置和地下水“雙控”管理提供了一種全新的模型工具。

表3 2030年推薦方案地下水可開采量迭代計(jì)算結(jié)果

表4 推薦方案超限監(jiān)測(cè)井地下水位預(yù)測(cè)結(jié)果 m

注：控制性紅線上下限水位主要結(jié)合沈陽市地下水可能產(chǎn)生的各類風(fēng)險(xiǎn)或?yàn)?zāi)害來綜合確定。

表5 2030年沈陽市多年平均水資源供需平衡結(jié)果

b. 以沈陽市封井壓采和水源置換為例，獲得基于地下水“雙控”的配置結(jié)果：到2030年，沈陽市多年平均供水總量為39.88億m3，其中地表水、地下水、再生水、外調(diào)水供水量分別為5.65億m3、18.35億m3、3.29億m3、12.57億m3，缺水量為0.02億m3，缺水率為0.05%。其中，市內(nèi)五區(qū)局部區(qū)域到2023年就需重新開啟部分地下水市政水源，到2030年地下水市政水源重啟開采總量為0.22億m3，包括李官水源重啟開采量為0.1億m3，河北水源重啟開采量為0.02億m3，新南塔水源重啟開采量為0.1億m3，最終形成基于地下水“雙控”的水資源配置總體格局。

c. 本次研究主要側(cè)重基于地下水“雙控”的水資源配置，對(duì)水功能區(qū)地表水水質(zhì)和地下水水質(zhì)未予足夠重視，下一步研究要對(duì)水量水質(zhì)問題給予足夠重視和綜合考慮。