钦州市水利工程可供水量分析与预测

陈立华，关昊鹏，吴丽军，易 凯，王 焰

(1.广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004； 2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，南宁 530004；3.钦州市水利局，广西 钦州 535000)

0 引 言

供水预测是城市水资源供需平衡分析与配置的重要依据[1]，指一定区域在规划水平年届时建成的水源工程供水能力的预先测定[2]，对现有供水设施的工程布局、供水能力、运行状况，以及水资源开发程度与存在问题等综合调查分析的基础上，分析水资源开发利用前景和潜力，进行不同水平年、不同保证率的可供水量预测[3]。蓄水、引水、提水、调水、水井等供水基础设施的可供水量分析主要影响因素包括来水情况、工程供水能力、需水要求和水质条件[4]。

关于供水预测分析方法主要可以分为两类：一类是通过构建回归模型、灰色模型、神经网络、季节性指数平滑模型等城市供水预测模型进行可供水量预测，如肖汉等人[5]采用主成分分析法(PCA)进行城市供水量主要影响因子分析，构造BP神经网络供水预测模型，针对抚顺市进行不同水平年的供水预测；孙波[6]、舒诗湖等人[7]均采用灰色理论模型对城市用水量预测。此类方法侧重理论方法研究，普遍欠缺考虑来水情况和工程供水能力。另一类是根据全国水资源综合规划技术细则以现有供水设施和水利规划为基础的分析不同水平年、不同保证率的可供水量,此类方法得到了广泛的应用和认可。该细则对蓄水工程、地下水供水、其他水源开发利用有指导性的可供水量预测方法，但对引水、提水工程缺乏具体指导性的可供水量分析方法，实际分析中大多数中小型蓄引提工程缺乏实测供水量数据，可供水量简化计算还缺乏简单、有效的理论。针对上述问题，结合《水资源供需预测分析技术规划(SL 429-2008)》供水预测方法的基础上，梳理并构建一套考虑其主要影响因素的可供水量分析方法，以钦州市为实例开展可供水量计算与分析，为钦州市水资源配置提供参考依据。

1 可供水量分析计算方法

城市水资源供水预测由现状年可供水量计算和规划增加可供水量组成。如公式(1)所示，其中现状年可供水量计算如公式(2)所示。

W=W现状年可供水量+ΔW规划增加可供水量

(1)

W现状年可供水量=W蓄+W引+W提+W地下水+W非常规划水

(2)

式中：W蓄、W引、W提、W地下水、W非常规水分别代表蓄水工程、引水工程、提水工程、地下水工程、非常规水源的可供水量。可供水量分析框架如图1所示。

图1 可供水量分析框架图Fig.1 The calculation of available water supply frame diagram

1.1 蓄水工程可供水量计算

1.1.1 大型水库可供水量计算

大型水库多为年或多年调节水库，其可供水量计算在遵循水量平衡原理的基础上采用长系列月调节计算方法，如公式(3)、(4)所示[8,9]：

V(t+1)=V(t)+Q(t)-We(t)-Wi(t)-Ws(t)-q(t)

(3)

(4)

式中：V(t+1)为水库t+1时段末调蓄库容(不含死库容)，万m3；V(t)为水库t时段初调蓄库容，万m3；Q(t)为水库t时段来水量，m3/s；We(t)为水库t时段水面蒸发量，万m3；Wi(t)为水库t时段渗漏量，万m3；Ws(t)为水库t时段供水量，万m3，包括对生活、生产、生态的供水量；q(t)为水库t时段弃水量，万m3。

1.1.2 中型水库可供水量计算

中型水库原则上应对每一座水库采用长系列计算方法，但城市中型水库数量多，逐一调节计算不仅基础资料不足且工作量大。通过数理统计方法分析其实际年供水量与设计年供水量的比值[10]，作为水库可供水量利用系数k，采用公式(5)进行计算：

W中型=kW设计

(5)

式中：W中型为中型水库可供水量；W设计为水库设计供水量；k为设计供水量利用系数，不同来水频率k取值不同。

1.1.3 小型水库、塘坝可供水量计算

城市小型水库、塘坝数量众多，且缺乏相应工程运行资料，故采用复蓄次数法[11]估算其可供水量。根据公式(6)进行计算：

W小型水库、塘坝=nV

(6)

式中：W小型、塘坝为小型水库或塘坝的可供水量；n为水库的复蓄次数；V为小型水库兴利库容或塘坝有效库容。

1.2 引、提水工程可供水量计算

引水工程根据其工程效益中的有效灌溉面积来推算其年可供水量[12]，故采用公式(7)进行计算；而提水工程可供水量与取水口径流量、提水工程能力以及用户需水量有关[13]，故采用公式(8)计算:

W引水=cAM/η

(7)

(8)

式中：W引水为某一水平年引水工程的可供水量；c为保灌系数；A为引水工程的有效灌溉面积；M为引水工程的毛灌溉定额；η为渠系利用系数；W提水为某一水平年提水工程的可供水量；Ti、Hi、Xi分别为i时段取水口可引流量、工程提水能力及用户需水量；t为计算时段数。

1.3 地下水可供水量计算

地下水可供水量与当地地下水资源可开采量、机井提水能力、开采范围和用户需水量等有关。采用公式(9)计算[1]：

(9)

式中：Hi，Wi，Xi分别为i时段机井提水能力、当地地下水资源可开采量及用户的需水量；t为计算时段数。

当一个地区具有多年地下水开采量实测值时，可采取简化计算方法，依据水资源评价成果提供的多年平均综合补给量来确定地下水可供水量。

1.4 非常规水源可供水量计算

雨水、微咸水、污水处理回用、海水等非常规水源，通过对非常规水源分布、可利用范围及需求的调查分析、综合评价来计算不同水平年非常规水源可供水量。

2 钦州市水资源开发利用现状

钦州市水资源总量为104.4 亿m3，水资源可利用量35.7 亿m3[14]。根据钦州市水利工程普查数据可知，现有蓄水工程388 座，总库容80 002 万m3，年设计供水能力80 829 万m3。引水工程3 085 处，总设计引水流量68.38 m3/s，有效灌溉面积22 910 hm2。泵站253座，总设计引水流量16.57 m3/s，总装机6 535 kW，其中供水泵站9座，总装机流量7.09 m3/s。

3 钦州市供水预测分析

3.1 现状年可供水量计算

3.1.1 大型水库可供水量

灵东水库是钦州市一座主要以农业灌溉为主的大(Ⅱ)型水库，也是钦州市唯一一座大型水库。根据灵东水库1981-2013年共33年的逐月径流、蒸发资料，采用公式(3)对其可供水量进行长系列调节计算，并依据公式(4)计算得到各年份可供水量，如图2所示。对所得结果进行P-Ⅲ型分布频率曲线拟合，得到各来水频率下灵东水库的可供水量，见表1。

3.1.2 中型水库可供水量

钦州市拥有9座中型水库，仅石梯水库拥有1981-2011年30年长系列资料，其设计年供水量为3 000 万m3。故采用公式

图2 灵东水库历年可供水量计算成果Fig.2 The calculation result of available water supply of Lingdong reservoir

统计参数均值/万m3CVCV/CS不同来水频率下的可供水量/万m3P=50%P=75%P=90%P=95%1 0011.00.41.89 550.7 7 187.7 5 396.14 466.0

(3)、(4)计算石梯水库可供水量并对计算结果进行P-Ⅲ型分布频率曲线拟合，得到不同来水频率下石梯水库可供水量。据此推求石梯水库不同来水频率下设计供水量利用系数，计算结果见表2并根据公式(5)估算钦州市中型水库可供水量。计算结果见表3。

表2 石梯水库可供水量计算结果

表3 钦州市中型水库可供水量计算结果 万m3

3.1.3 小型水库、塘坝可供水量

采用公式(6)对钦州市378座小型水库和2072座塘坝进行计算。综合国内文献与经验值[15]，选定钦州市各来水频率下，塘坝复蓄次数n分别为1.30、1.07、0.66、0.45。各分区小型水库和塘坝供水量计算结果如表4、5所示。

表4 钦州市小型水库可供水量计算结果

表5 钦州市塘坝可供水量计算结果 万m3

3.1.4 引水工程可供水量

钦州市引水工程可供水量采用公式(8)计算。设定平水年(P=50%)毛灌溉定额M为现状年用水定额。钦州市各来水频率下，保灌系数C分别为1.0、0.85、0.6、0.5[16],现状年渠系利用系数为0.46。青年水闸供水任务除农业灌溉外，还需向市辖区供水。将钦州市自来水公司水厂7.5 万m3/d供水能力设定为青年水闸的生活用水可供水量，计算结果如表6所示。

表6 钦州市引水工程可供水量计算结果 万m3

3.1.5 提水工程可供水量计算

钦州市供水泵站提水能力远小于取水口径流量，设定供水泵站供水能力为提水工程可供水量，抽水泵总效率为80%[17]。采用公式(7)计算计算结果见表7。

3.1.6 地下水工程

地下水年供水量参照《2014年钦州市水资源公报》现状年实测值：钦州市现状年地下水供水总量为6 530.6 万m3。

表7 钦州市提水工程可供水量计算结果

3.2 规划水平年可供水量预测值计算

3.2.1 地表水、调水工程及非常规水源可供水量预测值

根据《广西钦州市水利发展“十三五”规划报告》、《广西水资源综合规划》，统计出能增加钦州市可供水量的项目有蓄水工程(小型农田水利工程、中小型水库建设工程)、引水(包括河湖连通工程)与提水工程、调水工程和非常规水源工程共计42项，2020前拟建设完成17项，2030前拟建设完成25项。中型水库建设工程在四种不同来水频率下的可供水量增加值采用公式(5)进行计算；小型水库、小型农田水利工程在不同情境下的可供水量增加值采用公式(6)进行计算；引水工程、河湖连通工程在不同情境下的可供水量增加值采用公式(7)进行计算；提水工程的可供水量增加值采用公式(8)进行计算。钦州市在四种不同来水频率下的地表水可供水量同比增加量计算成果如表8所示。

表8 钦州市地表水可供水量同比增加量 万m3

钦州市调水工程及非常规水源可供水量预测值如表9所示。

3.2.2 地下水预测值

根据《广西水资源保护规划》，统计出钦州市地下水规划到2020年和2030年开采控制总量分别为5 238和5 288 万m3，各计算分区的地下水可供水量按总量的减少率同比减少。

3.3 供水分析计算结果

汇总钦州市各类工程的可供水量，以现状年可供水量计算值为基数，累加各水平年可供水量预测值。2020年、2030年钦州市各行政分区、不同来水频率供水量预测结果见表10。

表9 钦州市调水工程及非常规水源可供水量同比增加量

3.4 现状年可供水量计算结果合理性分析

根据钦州市各年均降雨量，对比钦州市各频率下降雨量，选出来水代表年份。其中，2011钦州市年降雨量1 772.9 mm接近P=50%频率下降雨量1 769.03 mm，因此选择2011年为(P=50%)代表年。将蓄水工程、引水工程、提水工程的可供水量计算结果与《钦州市水资源公报》中的供水量实测值进行对比分析，统计出以上3项工程的可供水量分析结果如表10所示。

由表11可知，蓄水工程、引、提水工程计算值均与实测值相近。因此P=50%可供水量计算值合理。

4 结 语

(1)本文构建出一套城市水利工程可供水量的分析方法，重点分析了中、小型蓄水工程与引、提水工程的可供水量简化计算方法，并依据该方法对钦州市现状年与规划水平年的地表水可供水量增加值分别进行计算。

表10 未来水平年钦州市可供水量分析结果 亿m3

表11 计算值与实测值分析对比成果 万m3

(2)以钦州市为例进行可供水量的计算，结果表明钦州市2014年、2020年、2030年3个水平年在P=50%来水频率下的可供水量分别为12.64、18.66、21.63 亿m3。其中，2020年、2030年除去跨流域调水后的可供水量分别为15.15、17.42 亿m3，与钦州市地表水水资源可利用量有较大差距,工程性缺水较严重，应进一步规划上游骨干水库以及能够增加可供水量的水利工程，跨流域调水工程将有效提高钦州市的供水能力。

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