平原河网地区地表水资源可利用量计算方法研究

马嘉忆; 董增川; 邵逸卿; 杨光; 陈茉彤; 张璐; Jia-yi MA; Zeng-chuan DONG; Yi-qing SHAO; Guang YANG; Mo-tong CHEN; Lu ZHANG

中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (10) : 50-54.

水文水资源

平原河网地区地表水资源可利用量计算方法研究

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A Study of the Calculation Method of Available Surface Water Resources of Plain River Network Area

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摘要

水资源可利用量是指导区域水资源合理开发利用的重要指标，平原河网地区河网稠密、水系罗布且调蓄水源复杂，提供针对该地区特点的水资源可利用量计算方法非常必要。以盐城市为例，建立了平原河网概化水库计算模型，并设立12种情景（不同工程取水能力；不同保证率）分析水资源可利用量变化规律。结果表明：①盐城市现状工程能力下，50%、75%、90%、95%保证率下地表水资源可利用量分别为60.6、55.1、53.0、52.1 亿m³。②盐城市地表水资源可利用量呈现随来水减少而减少的特点，并一定程度上受制于工程的调控能力。计算结果表明盐城市可通过完善供水网络等措施缓解缺水问题。

Abstract

The available water resource is an important index to guide the utilization of water resources. Plain river network area is characterized by its dense river network and complicated regulation and storage mechanism， thus it is necessary to provide a calculation method of available water resources according to its characteristics. Taking Yancheng City as an example， this paper expounds the calculation method of available surface water resources in plain river network areas. Based on the regional features， the generalized reservoir model is put forward， and 12 computing scenarios （different water intake capacity； different guaranteed frequency） are established. The results show that：① Under the current water intake capacity of Yancheng， the available surface water resources under 50%， 75%， 90% and 95% guaranteed frequency are 6.06， 5.51， 5.03 and 5.21 billion m³ respectively.② The available surface water resources in Yancheng City diminishes with the decrease in inflow， and is limited by the regulatory capacity of water supply engineering. The calculation results indicate that the water shortage in Yancheng City can be alleviated by improving the water supply network.

关键词

平原河网地区 / 水资源可利用量 / 工程取水能力 / 保证率 / 盐城

Key words

plain river network area / available surface water resources / water intake capacity / guaranteed frequency / Yancheng City

基金

江苏省水利科技重点项目(2016003)

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马嘉忆 , 董增川 , 邵逸卿 , 杨光 , 陈茉彤 , 张璐. 平原河网地区地表水资源可利用量计算方法研究[J].中国农村水利水电, 2021(10): 50-54

Jia-yi MA , Zeng-chuan DONG , Yi-qing SHAO , Guang YANG , Mo-tong CHEN , Lu ZHANG. A Study of the Calculation Method of Available Surface Water Resources of Plain River Network Area[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(10): 50-54

随着人口快速增长、区域经济稳步发展，水资源成为越来越重要的战略性经济资源。水资源可利用量是从资源角度分析可以被消耗利用的水量，是人口和经济的直接载体，是水资源合理利用与配置的依据，有利于区域社会经济活动的长远规划^{［1， 2］}。因此，从人类对水资源的开发利用角度考虑，评估一个地区的水资源可利用量比计算水资源总量更有实际意义^［3］。

对于处于一个或多个流域中的某一区域，区域地表水资源可利用量包括本地地表水资源可利用量和来自区外的过境水资源可利用量两部分。过境水资源可利用量的计算是区域水资源可利用量计算的难点^［4］。由于单一河道区内过境水直接过境，计算其地表水资源可利用量通常采用扣损法^［5］，其原理清晰、操作简便，在我国西北^［6］等区域得到了较好应用。而平原河网区内河网复杂、水系纵横，且具有相当规模的控制闸坝，使得河网具有一定调蓄能力，加之平原河网区本地水、过境水共同参与河道内水资源调蓄，导致计算水资源可利用量时无法简单采用扣损法^［7，8］。因此，本研究提出平原河网概化水库模型，遵循充分利用当地水、尽量截留过境水的原则计算平原河网区水资源可利用量。该方法适用于水系复杂的平原河网区，考虑了河网的调蓄作用，可以有效解决进行平原河网地区水资源可利用量计算时难以区分水源的问题，有利于总体控制区域水资源开发利用程度，揭示水资源可开发利用潜力，实现区域水资源与环境、社会经济的协调发展。

1 水资源可利用量概念

水资源可利用量是指在预见期内，统筹考虑生活、生产和生态环境用水，在协调河道内外用水的基础上，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（不包括回归水的重复利用）^［9］。由此可见水资源可利用量不仅与可消耗的水资源量有关，还与区域生态保护要求、水资源开发利用水平等有密切关系。

其中，界定生态需水量、弃水量是评估区域水资源可利用量的关键。即首先需保障本地河道内生态需水、下游生态需水等基础生态需水。其次，由于洪水具有突发性且变化幅度大，洪水资源无法也没有必要全部利用，因此对于某一地区，根据区域未来需求、经济技术条件，确定洪水可被利用的程度，对区域水资源合理利用与配置更具意义^{［10，11］}。基于此，进行区域水资源可利用量计算时应在满足生态需水基础上，统筹考虑工程能力发展等因素进行研究^［12］。

2 研究方法

2.1 建立平原河网概化水库模型

针对平原河网区特点，建立平原河网概化水库模型（图1）。以本地地表水和过境水作为概化水库入流，以生态库容（生态水位对应）作为概化水库死库容，超出概化水库警戒库容（警戒水位对应）的水量作为弃水。生态库容、警戒库容差值为概化水库参与调蓄的有效库容，以工程取水能力、下游生态流量控制概化水库出流。

图1 概化水库模型示意图

Fig.1 Schematic diagram of generalized reservoir model

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2.2 构建水位-库容曲线

根据研究区遥感影像资料，绘制河流水位-水面面积曲线，再根据水位-水面面积曲线每隔1 cm计算某水位下的库容^{［13，14］}，得到水位-库容曲线。通过曲线读取各概化水库生态库容、警戒库容，其差值为参与调蓄的有效库容，求和得到总生态库容、警戒库容、有效库容。

V_{i} = \frac{1}{2} △ h (S_{i - 1} + S_{i})

（1）

V_{l} = V_{0} + \sum_{i = 1}^{n} V_{i}

（2）

V_{总} = \sum_{j = 1}^{m} V_{l}

（3）

式中：V_i 为相邻水位库容差；Δh为相邻水位差，取1 cm；S_i 、S_i-1 为相邻水位对应水面面积；n为计算次数；V ₀为初始库容；V_l 为单个概化水库有效库容；m为概化水库个数；V _总为总有效库容。

2.3 概化水库调节计算

假设取出全部工程能力对应水量且满足下游生态需水，遵循水量平衡原理可得概化水库时段末库容：

V_{2} = V_{1} + (I - Q_{弃} - Q_{下 游 生 态} - Q_{取 水}) Δ t

（4）

式中：V ₁为时段初库容；V ₂为时段末库容；I×Δt为时段内概化入流；Q _弃×Δt为时段内弃水量；Q _下游生态×Δt为时段内下游生态水量；Q _取水×Δt为时段内工程能力对应取水量；Δt为调蓄时段，计算步长为1 d。

采用倒算法推求概化水库水资源可利用量，根据时段末库容与生态库容关系，调节计算时可能出现以下情况：

（1）V ₂≥V _生态，时段内水资源可利用量为工程取水能力对应取水量。

V_{弃} = m a x (V_{2} - V_{警 戒}, 0)

（5）

V_{时 段 可 利 用} = Q_{取 水} Δ t

（6）

式中：V _生态为生态库容；V _警戒为警戒库容；V _{时段可利用}为时段内水资源可利用量。

（2）V ₂<V _生态，需进行生态补水，优先退回假设中已取出的水量：

V_{弃} = 0

（7）

V_{补} = V_{生 态} - V_{2}

（8）

①Q _取水 Δt- V _补≥0，削减取水量：

V_{时 段 可 利 用} = Q_{取 水} Δ t - V_{补}

（9）

②Q _取水 Δt- V _补<0，适量削减下游生态需水：

V_{下 泄} = Q_{下 游 生 态} Δ t + Q_{取 水} Δ t - V_{补}

（10）

V_{时 段 可 利 用} = 0

（11）

式中：V _补为时段内生态补水量；V _下泄为实际下泄水量。

下一时段相继由上一时段末库容状态进行调蓄计算，将各时段累加得到水资源可利用总量。

V_{总 可 利 用} = \sum_{t = 1}^{t} V_{时 段 可 利 用}

（12）

式中：V _总可利用为水资源可利用总量。

图2 调节计算流程图

Fig.2 Flow chart of regulating calculation

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2.4 计算情景

本研究考虑了不同工程取水能力（现状工程能力；规划工程能力；远景工程能力）；不同保证率（50%；75%；90%；95%），共设立12种情景进行计算（表1）。

表1 平原河网地区地表水资源可利用量计算情景

Tab.1 Computing scenarios of available surface water resources in plain river network area

情景	工程能力	保证率/%	情景	工程能力	保证率/%	情景	工程能力	保证率/%
情景1	现状工程能力下	50	情景5	规划工程能力下	50	情景9	远景工程能力下	50
情景2	现状工程能力下	75	情景6	规划工程能力下	75	情景10	远景工程能力下	75
情景3	现状工程能力下	90	情景7	规划工程能力下	90	情景11	远景工程能力下	90
情景4	现状工程能力下	95	情景8	规划工程能力下	95	情景12	远景工程能力下	95

其中，现状工程能力是指在现状供水工程体系下的工程取水能力；规划工程能力、远景工程能力考虑未来新增工程，分别指考虑规划年、远景年经济和技术发展情况下的工程取水能力。同时由于枯水年水资源可利用量往往制约着城市的发展规模、灌溉面积、通航的容量和面积等，因此本文在设立情景时设置平水年（50%）、枯水年（75%；90%；95%）四种不同保证率进行情景分析计算。

3 实例应用

3.1 研究区概况与基础数据

盐城市地处江苏沿海中部，全境为平原地貌，大部分地区海拔不足5 m。当地水资源时空分布不均，年际变化较大，过境水丰富；境内河网密布，主要河流有通榆河、串场河、灌河、苏北灌溉总渠、射阳河等，形成了“两横九纵”的复杂水系格局，属于典型的平原河网地区。

本研究所涉及的蒸发、径流、出入境水资源总量、本地地表水资源总量等资料来自盐城市水资源公报及统计年鉴；主要河湖警戒水位来自盐城市相关防洪规划；工程取水能力相关资料来自《江苏省水中长期供求规划（2015-2030）》；水面面积及河道相关数据来自ENVI 5.3对遥感影像进行解译、提取获得。

图3 盐城市行政区划及水系图

Fig.3 Administrative divisions and water system of Yancheng city

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3.2 计算结果

3.2.1 盐城市生态需水

选择90%频率最枯月平均水位法^{［15，16］}、最低生存水深水位法^［17］进行生态需水计算。对盐城市主要河湖近30年最枯月平均水位进行排频统计，选择90%频率下近30年最枯月平均水位作为生态水位，并考虑河流维持水生物生态的功能，综合最低生存水深水位法修正计算结果。根据《盐城市水资源保护规划（2015）》，盐城市境内骨干河道主要以鱼类作为关键保护目标，研究表明适应鱼类生存水深的下限约为鱼类平均体长的2~3倍^［18］，盐城市境内河流成年鱼体长在0.3 m左右，因此最低生存水深确定为0.9 m，得到盐城市主要河湖生态水位（表2）。

表2 盐城市主要河湖生态水位 (m)

Tab.2 Ecological water level of the main rivers and lakes in Yancheng city

水利分区	河流（湖泊）	90%最枯月平均水位	最低生存水深水位	生态水位取用值	水利分区	河流（湖泊）	90% 最枯月平均水位	最低生存水深水位	生态水位取用值
沂南地区	南潮河	1.40	1.20	1.40	里下河腹部及射阳河沿岸地区	泰东河	0.64	-3.16	0.14
沂南地区	黄响河	1.40	1.20	1.40		通榆河	0.2	-3.22
废黄河地区	废黄河	0.80	-1.14	0.80		射阳湖	-0.11	-3.78
翻身河地区	翻身河	-0.90	0.63	0.63		射阳河	-0.35	-4.84
淤黄河地区	淤黄河	0.90	0.90	0.90		沙黄河	0.31	-2.70
渠北地区	张家河	0.41	0.26	-0.34		西塘河	-0.09	-3.13
渠北地区	北八滩	-1.10	-1.82	-0.34		黄沙港	-0.17	-2.62
苏北灌溉总渠	苏北灌溉总渠	0.66	-3.66	0.66		兴盐界河	0.42	-2.15
运棉河地区	运棉河	-0.86	-1.18	-0.86		大纵湖	0.37	-2.02
东台堤东垦区	三仓河	1.53	0.60	0.94		蟒蛇河	0.18	-3.11
东台堤东垦区	梁垛河	0.36	0.20	0.94		串场河	0.02	-4.12
大丰斗南垦区	四卯酉河	-0.08	-3.40	-0.13		斗龙港	0.25	-3.03
大丰斗南垦区	王港河	-0.17	-2.97	-0.13	夸套地区	夸套河	-0.10	-0.20	-0.10
利民河地区	利民河	-0.59	-1.93	-0.59	西潮河地区	西潮河	-0.67	-1.20	-0.67

注：水位基面为废黄河基面。

盐城市有20多条流域及区域骨干河流排水入海，其下游基本生态需水主要为冲淤保港需水量，采用历史流量法，以80%多年平均年入海径流量估算出盐城境内入海河流冲淤保港生态需水量为40.5 亿m³。

3.2.2 盐城市水资源可利用量

根据公式（1）~（3）计算出盐城市概化水库总有效库容为6.2 亿m³。

根据公式（4）~（12）计算得到盐城市水资源可利用量（表3）。

表3 盐城市水资源可利用量计算结果 (亿m³)

Tab.3 Calculation results of available surface water resources in Yancheng city

情景	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
水资源总量	165.6	126.7	111.8	104.6	165.6	126.7	111.8	104.6	165.6	126.7	111.8	104.6
下游生态需水量	40.5	40.5	40.5	40.5	40.5	40.5	40.5	40.5	40.5	40.5	40.5	40.5
弃水量	64.5	31.1	18.4	12.1	59.5	26.0	11.3	6.4	52.7	19.2	10.5	4.5
水资源可利用量	60.6	55.1	53.0	52.1	65.6	60.2	60.1	57.8	72.4	67.0	60.9	59.7
水资源可利用率/%	36.6	43.5	47.4	49.8	40.0	47.5	53.7	55.2	43.7	52.9	54.5	57.1

注：①水资源可利用率为地表水资源可利用量占水资源总量（本地水资源量与过境水资源量之和）的百分率。②根据《江苏省水中长期供求规划（2015~2030）》，盐城市现状工程取水能力57.7亿m³，规划工程取水能力63.5亿m³，远景工程取水能力75.2亿m³。

3.3 结果分析

3.3.1 盐城市地表水资源可利用量分析

根据概化水库调节计算得到盐城市地表水资源可利用量（图4）。

图4 不同情景下盐城市地表水资源可利用量

Fig.4 The available surface water resources of each scenario in Yancheng city

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图4（a）表明盐城市地表水资源可利用量在不同工程能力下均随来水减少而减少。在现状工程能力下，盐城市50%、75%、90%、95%保证率下地表水资源可利用量为：60.6、55.1、53.0、52.1 亿m³，而盐城市近10 a年平均用水量达到55.3 亿m³，同时由于盐城市灌溉高峰期缺水严重、沿海滩涂围垦开发区新增用水量大，可以看出现状工程能力下盐城市在枯水年仅凭借当地地表水资源和过境水资源很难完全满足其用水量。

图4（b）表明盐城市地表水资源可利用量一定程度上受制于工程的调控能力，在不同保证率下，现状工程能力水资源可利用量均低于规划及远景工程能力。表明盐城市地表水资源可利用量呈现随着工程能力增加而增大的趋势，但随着来水减少，增加趋势有所放缓。

缓解区域缺水问题的方式主要有远距离调水、提高当地工程能力等方法。目前盐城市由于引水能力和长距离输水能力的限制，采取江水东引等工程措施后淮北地区、沿海垦区仍存在缺水情况。因此，可以考虑通过远距离引调水结合当地工程能力提升等举措并行，增大水资源可利用量，进一步改善区域缺水问题。

3.3.2 水资源可利用率分析

根据调节计算结果，计算不同情景盐城市地表水资源可利用率（图5）。

图5 不同情景下盐城市水资源可利用率

Fig.5 The utilization rate of available surface water resources of each scenario in Yancheng city

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由图4可知，盐城市地表水资源可利用率最低为36.6%（情景1），但仍高于全国地表水资源可利用率28.1%^［19］。而由于盐城市目前部分提水泵站老化失修；用水高峰期区域供水能力不足，水资源调配能力不够，部分情景下（情景1、2、5、9）地表水资源可利用率低于淮河流域平均水平47%^［19］。

随着工程能力提升，盐城市水资源可利用率随之增加。规划工程能力下水资源可利用率最高达到了55.2%（情景8），远景工程能力下水资源可利用率最高达到了57.1%（情景12），比现状工程能力下的水资源可利用率最高值分别提升了10.8%、14.7%。然而，与水资源可利用量规律不同，随着来水减少，可利用水资源率反而增加，这主要是由于偏枯年份来水基数小导致的。

3.3.3 提升建议

针对盐城市现状供水工程老化、部分河道淤积等问题，可以通过加强输配水河道、泵站的翻新及建设，保证各地区及时供水，完善盐城市供水网络；畅通河网，疏浚整治区内骨干引排水河道；实施湖泊湖荡退田退圩（渔）还湖工程及沿海平原水库建设，运用水库、河网拦蓄本地径流，增加调蓄量；增加回归水的利用，加强重要水源地的保护，推进盐城市节水型社会建设等方法提升盐城市供水能力，增加盐城市水资源可利用量，解决盐城市用水紧张问题。

4 结论

（1）本文以盐城市为例，提出平原河网概化水库模型，得到现状工程能力下盐城市50%、75%、90%、95%保证率下地表水资源可利用量分别为：60.6、55.1、53.0、52.1 亿m³。

（2）通过分析12种情景，发现盐城市地表水资源可利用量总体随来水减少而减少，并一定程度上受制于工程的调控能力。此外，盐城市不同情景地表水资源可利用率均高于全国水平，但部分情景（情景1、2、5、9）低于淮河流域平均水平47%。

（3）由于在枯水年份，仅靠当地地表水和过境水难以完全满足盐城市用水量，因此可以通过改善供水工程布设、配套和运行状况等措施提高水资源可利用量。

本方法的提出对于完善水资源可利用量计算方法具有一定实际意义。未来可以针对水质型缺水问题进一步结合水质约束完善平原河网地区水资源可利用量计算方法。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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收稿日期	出版日期
2021-02-17	2021-10-15
发布日期
2021-11-09

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