大武水源地水资源优化配置模型研究
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大武水源地为一独立的水文地质单元 。地下水位动态主 要受大气降水 、地下水开采强度 、太河水库放水补源量的叠加 影响 。在丰水期 ,两岸雨水通过径流汇集于淄河 ,并由淄河垂
直渗漏补给地下水 。一般情况下 ,降雨量与水位成正比例关 系 ,且水位变化滞后降雨一定的时间 。不过 ,与地下水开采量 和太河水库放水量相比 ,由于水源地汇水面积较小 ,因此降水 量的影响不是十分显著 。太河水库水量调度对大武水源地的 地下水位恢复有举足轻重的影响 ,多年来太河水库向水源地放 水补源已成为水源地能够正常运行的关键 。
【水资源 】
大武水源地水资源优化配置模型研究
窦 明 1 ,李重荣 2 ,马军霞 1 ,侯丙亮 3
(1. 郑州大学 环境与水利学院 ,河南 郑州 450002; 2. 华北水利水电学院 水利工程系 ,河南 郑州 450011; 3. 山东省水利厅 小清河管理局 ,山东 济南 250013)
摘 要 :大武水源地自投入使用以来 ,因缺乏系统规划和科学管理 ,出现了地下水超采 、水环境污染等一系列问题 。在对 大武水源地开发利用现状 、地下水污染特征及所面临的水资源问题分析的基础上 ,以区域社会经济发展 、水环境保护和 水资源可持续利用为目标 ,利用系统分析原理 ,建立了大武水源地水资源优化配置模型 。该模型考虑了水源地复杂的水 循环机理 、水资源供需关系 、地下水超采问题 、石油类污染物运移规律等各方面限制因素 ,可为淄博市实现水资源的可持 续利用与社会 、经济和环境的协调发展提供技术支撑 。 关 键 词 : 地下水 ; 水资源 ; 优化配置 ; 大武水源地 中图分类号 : TV213. 4 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 1379 (2006) 08 0028 03
第 28卷第 8期 人 民 黄 河 Vol. 28 , No. 8 2006年 8月 YELLOW R IVER Aug. , 2006
2. 2 地下水污染状况分析
1970年以来 ,以提炼和加工石油化工产品为主的齐鲁石化 公司的兴建与发展 ,特别是 30万 t乙烯工程的建成与投产 ,使 淄博市成为我国重要的化工基地之一 。遗憾的是 ,由于齐鲁石 化公司的一系列生产装置直接坐落在水源地上 ,在其生产及含 油污废水排放过程中的跑 、冒 、滴 、漏情况使得水源地内部分地 区的地下水受到不同程度的石油类污染 ,水源地东部地区地下 水中的污染较轻 ,西部地区尤其是工程北部的堠皋 —金岭 —西 夏地区 ,地下水中的石油化工污染物含量明显增加 。经调查分 析 ,该区域地下水石油类污染的主要原因为 :乙烯厂分布区的包 气带土层受到石油类严重污染 ,降水的淋滤及地下水位抬升作用 使土层中石油类污染物释放出来并渗透到地下含水层 。
淄博市大武水源地是我国北方罕见的特大型地下水源地 , 它担负着 30多家大中型企业的工业用水 、全市 20%的城市生 活用水和水源地内 4个乡镇的工农业生产及生活用水 ,对该市 经济发展和社会稳定起到决定性的作用 。然而自水源地投入 使用以来 ,由于当地工农业生产的迅速发展和居民生活水平的 不断提高 ,使得地下水开采量不断增加 ;同时 ,坐落于水源地地 表的齐鲁石化公司及周边诸多化工企业排放的废水对水源地 造成污染 ,致使局部地区水质严重恶化 ,直接威胁着水源地的 进一步开发利用 。为了缓解经济发展与环境保护之间的矛盾 , 更大程度地发挥水源地的综合效益 ,笔者建立了大武水源地水 资源优化配置模型 ,为实现水资源可持续开发利用与社会 、经 济和环境的协调发展提供技术支撑 。
(1)
i =1
4. 3 约束条件
4. 3. 1 供水约束
( 1) 引黄工程可供水量约束 。对于引黄调水工程 , 要求供
水量不能超过工程的最大供水能力 W h ,即
n
∑( xhti + xhii ) ≤W h
(2)
i =1
( 2) 地下水约束 。对于水源地内的地下水开采 , 要求开采
总量不能超过水源地的地下水可开采量 W g,即
异 ,故分开计算 。
对于城镇生活用水有下列约束条件 :
xhti + xgti ≥ N Ti SLTi
(6)
Hale Waihona Puke Baidu
式中 : N Ti为第 i单元在规划水平年预测的城镇人口总数 ; SLTi为
该单元城镇人均生活用水标准 。
对于农村生活用水有下列约束条件 :
xgci ≥ N Ci SLCi
(7)
式中
:
N
C
为第
i
近年来 ,为了控制石油类污染的扩散 ,在堠皋 —西夏一带 布设了 W - 2、W - 3、W - 4、W - 5、W - 6 五口水力截获井 ,配 合原有的抽水井金 24、金 25和堠 1、堠 2构成了水力截获工程 。 该项工程能在东起西夏 、西至金岭断层 、南抵乙烯厂区这一石 油类污染最严重的范围内 ,沿金 24—金 25—W - 6—W - 4—W
的不同又分为引黄供水和地下取水两种 , 分别在相应决策变量
上标注上标“h”和“g”以示区别 。此外 ,在城镇生活用水中考虑
了由自来水厂向张店 、临淄两区城镇居民生活供水的调度计
划 。环境用水则主要是指在堠皋 —西夏一带通过水力截获井
以强排的方式来控制地下石油类污染扩散的排水量 。在对地下
水流场和污染物运移数值模拟时 ,在 n个一级单元的基础上又 划分了 ng个二级单元 ,以便能更详尽地模拟出流场和污染物的 变化过程 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 8期 窦明等 :大武水源地水资源优化配置模型研究
·29·
收稿日期 : 2006 05 12 基金项目 :水资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金 资助项 目 ( 2005B016 ) ; 河 南 省 杰 出 青 年 科 学 基 金 资 助 项 目 (0512002500) 。 作者简介 :窦明 (1975 ) ,男 ,山东淄博人 ,副教授 ,工学博士 , 主要从事水文水资源及水环境研究 。
2 水资源特征分析
2. 1 地下水开发利用现状分析
大武水源地自 20世纪 60年代中期投入使用以来 ,地下水 的开发利用程度一直较高 。90年代是地下水开采的高峰期 ,到 1996年地下水年开采量达到历年最大值 ,为 1. 75亿 m3。随着 开采量的迅速增长 ,以及供水环境的不断恶化 ,在 1983 ～1990 年 、1991～1994年 、1996～2000年期间出现了地下水位持续下 降和水源地严重超采的情况 ,区域内地下水位大幅度下降 ,最 大年降幅达 19 m ,在主要开采区形成多个地下水位降落漏斗 。 为了遏制地下水位的持续下降 ,在 1990年 、1994年 、1995年和 1996年汛期 ,淄博市水利局曾通过太河水库放水补源 ,使地下 水位持续下降的局面得以缓解 。自 2000 年以来 ,区域内各用 水企业的节水工作逐步完善 , 2001年引黄工程的竣工 ,也缓解 了水资源供需矛盾 ,近年来水源地的地下水位变动幅度已明显 减小 。到 2003 年 ,大武水源地地下水开采量下降为 0. 96 亿 m3 ,引黄供水量为 0. 28亿 m3。
(4)安全原则 。优化模型应考虑环境用水的开采条件和地 下水位控制区间 ,最终实现防止油类污染扩散 、保证供水安全 的目的 。
(5)节约原则 。在水资源配置时 ,要充分考虑科技进步 ,各 部门通过用水技术 、用水工艺 、用水设备的更新以提高水的有 效利用率和重复利用率等节水措施的影响 。这可通过调整不 同规划水平年各行业的用水定额来体现 。
1 基本情况
大武水源地位于淄博市临淄区境内 ,面积约 110 km2 ,包括 大武 、辛店 、南仇 3个富水段 。该区域地势南高北低 ,南部为低 山丘陵河谷地形 ,由奥陶系 、寒武系碳酸岩石组成 ,地表和地下 岩溶发育 ,北部为山前倾斜平原 ,地势平坦 ,为淄河早期形成的 隐伏状冲洪积扇 ,透水性 、含水性较好 [1 ] 。
i单元在规划水平年预测的农村人口总数
;
SLC
为
i
该单元农村人均生活用水标准 。
( 2) 工业用水 。工业用水有下列约束条件 :
- 3—堠 1井一线形成如箕状汇水凹地的水力截获带 ,截获并 阻止地下水中的石油类污染物向东侧的东风水厂迁移 [2 ] 。
3 水资源优化配置的总体思路
3. 1 优化目的
要求在满足当地社会经济良性发展对水资源需求的前提 下 ,实现以下目标 : ①控制地下水超采 ,逐步恢复地下水位到 20 世纪 80年代中期的水平 ; ②通过堠皋 —西夏一带的水力截获 工程 ,控制石油类污染的扩散和传播 ,确保东风水厂的水质符 合饮用水标准 ; ③提高水资源利用效率 ,减少不必要的浪费 。 通过对黄河水和地下水的联合调度 ,来实现对生活用水 、工农 业用水和环境用水的合理配置 ,从而达到既满足当地经济发展 的要求 ,又不损坏水环境质量的目的 。
3. 2 优化原则
(1)效率原则 。通过优化模型合理配置水资源 ,提高用水 效率 。
(2)公平原则 。在进行水资源分配时要遵守公平原则 ,确 保水资源在城镇与乡村之间 、工业与农业之间 、经济发展与环 境保护之间公平合理的分配 。
(3)协调原则 。要突出黄河水与地下水联合调度的重要 性 ,这是维护大武水资源地水资源可持续利用的一个重要方 面 。出于收回投资成本和控制地下水超采的需要 ,目前淄博市 在城镇生活用水和工业用水上鼓励优先使用黄河水 ,因此优化 模型在水源调配时需要优先考虑使用黄河水 ,并能给出黄河水 和地下水之间合理的配水比例 。
区域内发育的地表水系主要有淄河和乌河 。淄河发源于 鲁山 ,流入小清河 ,全长 178 km ,流域面积 1 590 km2。淄河流 经裂隙岩溶发育的灰岩地区 ,河床主要为砂卵砾石 ,透水性能 极强 ,垂直渗透严重 。在淄河上游建有库容量为 1. 82亿 m3 的 太河水库 , 平时水库以下都已断流 , 仅在雨季水库排洪时河 道才有水 。乌河发源于临淄区大武镇 , 原是由泉水补给的河 流 , 由于地下水水位下降 , 河流早已断流 , 现已成为排污和 排洪河道 。
3. 3 优化配置步骤
大武水源地水资源优化配置的步骤如图 1所示 。
图 1 水资源调度流程
4 水资源优化配置模型的建立
4. 1 决策变量
研究区内共划分为 n个一级单元 ,每个一级单元中参与优
化计算的决策变量有城镇生活用水
xti、农村生活用水
xc
、工业
i
用水 xii、农业用水 xai 和环境用水 xei ( i = 1, 2, …, n) 。根据水源
人 民 黄 河 2006年
( 3) 供水优先分配约束 。前面曾提到在供水时要求优先考
虑供应黄河水 ,因此有下面的约束 [3 ] :
xhti : xgti
(4)
xhii : xgii
(5)
式中 :符号“: ”表示优先 。
4. 3. 2 需求约束
(1)生活用水 。考虑城镇与农村的生活用水标准存在着差
4. 2 目标函数
优化模型建立的目的是通过黄河水与地下水的联合调配 , 使之既能满足水源地内各行业对水资源的需求 ,又不造成水资 源的浪费 。因此 ,目标函数确定为在满足相应约束条件下 ,使 黄河水与地下水的消耗量最小 。目标函数可表达为
n
∑ m in Q =
( xhti + xgti + xgci + xhii + xgii + xgai + xgei )
n
∑( xgti + xgci + xgii + xgai ) ≤W g
(3)
i =1
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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直渗漏补给地下水 。一般情况下 ,降雨量与水位成正比例关 系 ,且水位变化滞后降雨一定的时间 。不过 ,与地下水开采量 和太河水库放水量相比 ,由于水源地汇水面积较小 ,因此降水 量的影响不是十分显著 。太河水库水量调度对大武水源地的 地下水位恢复有举足轻重的影响 ,多年来太河水库向水源地放 水补源已成为水源地能够正常运行的关键 。
【水资源 】
大武水源地水资源优化配置模型研究
窦 明 1 ,李重荣 2 ,马军霞 1 ,侯丙亮 3
(1. 郑州大学 环境与水利学院 ,河南 郑州 450002; 2. 华北水利水电学院 水利工程系 ,河南 郑州 450011; 3. 山东省水利厅 小清河管理局 ,山东 济南 250013)
摘 要 :大武水源地自投入使用以来 ,因缺乏系统规划和科学管理 ,出现了地下水超采 、水环境污染等一系列问题 。在对 大武水源地开发利用现状 、地下水污染特征及所面临的水资源问题分析的基础上 ,以区域社会经济发展 、水环境保护和 水资源可持续利用为目标 ,利用系统分析原理 ,建立了大武水源地水资源优化配置模型 。该模型考虑了水源地复杂的水 循环机理 、水资源供需关系 、地下水超采问题 、石油类污染物运移规律等各方面限制因素 ,可为淄博市实现水资源的可持 续利用与社会 、经济和环境的协调发展提供技术支撑 。 关 键 词 : 地下水 ; 水资源 ; 优化配置 ; 大武水源地 中图分类号 : TV213. 4 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 1379 (2006) 08 0028 03
第 28卷第 8期 人 民 黄 河 Vol. 28 , No. 8 2006年 8月 YELLOW R IVER Aug. , 2006
2. 2 地下水污染状况分析
1970年以来 ,以提炼和加工石油化工产品为主的齐鲁石化 公司的兴建与发展 ,特别是 30万 t乙烯工程的建成与投产 ,使 淄博市成为我国重要的化工基地之一 。遗憾的是 ,由于齐鲁石 化公司的一系列生产装置直接坐落在水源地上 ,在其生产及含 油污废水排放过程中的跑 、冒 、滴 、漏情况使得水源地内部分地 区的地下水受到不同程度的石油类污染 ,水源地东部地区地下 水中的污染较轻 ,西部地区尤其是工程北部的堠皋 —金岭 —西 夏地区 ,地下水中的石油化工污染物含量明显增加 。经调查分 析 ,该区域地下水石油类污染的主要原因为 :乙烯厂分布区的包 气带土层受到石油类严重污染 ,降水的淋滤及地下水位抬升作用 使土层中石油类污染物释放出来并渗透到地下含水层 。
淄博市大武水源地是我国北方罕见的特大型地下水源地 , 它担负着 30多家大中型企业的工业用水 、全市 20%的城市生 活用水和水源地内 4个乡镇的工农业生产及生活用水 ,对该市 经济发展和社会稳定起到决定性的作用 。然而自水源地投入 使用以来 ,由于当地工农业生产的迅速发展和居民生活水平的 不断提高 ,使得地下水开采量不断增加 ;同时 ,坐落于水源地地 表的齐鲁石化公司及周边诸多化工企业排放的废水对水源地 造成污染 ,致使局部地区水质严重恶化 ,直接威胁着水源地的 进一步开发利用 。为了缓解经济发展与环境保护之间的矛盾 , 更大程度地发挥水源地的综合效益 ,笔者建立了大武水源地水 资源优化配置模型 ,为实现水资源可持续开发利用与社会 、经 济和环境的协调发展提供技术支撑 。
(1)
i =1
4. 3 约束条件
4. 3. 1 供水约束
( 1) 引黄工程可供水量约束 。对于引黄调水工程 , 要求供
水量不能超过工程的最大供水能力 W h ,即
n
∑( xhti + xhii ) ≤W h
(2)
i =1
( 2) 地下水约束 。对于水源地内的地下水开采 , 要求开采
总量不能超过水源地的地下水可开采量 W g,即
异 ,故分开计算 。
对于城镇生活用水有下列约束条件 :
xhti + xgti ≥ N Ti SLTi
(6)
Hale Waihona Puke Baidu
式中 : N Ti为第 i单元在规划水平年预测的城镇人口总数 ; SLTi为
该单元城镇人均生活用水标准 。
对于农村生活用水有下列约束条件 :
xgci ≥ N Ci SLCi
(7)
式中
:
N
C
为第
i
近年来 ,为了控制石油类污染的扩散 ,在堠皋 —西夏一带 布设了 W - 2、W - 3、W - 4、W - 5、W - 6 五口水力截获井 ,配 合原有的抽水井金 24、金 25和堠 1、堠 2构成了水力截获工程 。 该项工程能在东起西夏 、西至金岭断层 、南抵乙烯厂区这一石 油类污染最严重的范围内 ,沿金 24—金 25—W - 6—W - 4—W
的不同又分为引黄供水和地下取水两种 , 分别在相应决策变量
上标注上标“h”和“g”以示区别 。此外 ,在城镇生活用水中考虑
了由自来水厂向张店 、临淄两区城镇居民生活供水的调度计
划 。环境用水则主要是指在堠皋 —西夏一带通过水力截获井
以强排的方式来控制地下石油类污染扩散的排水量 。在对地下
水流场和污染物运移数值模拟时 ,在 n个一级单元的基础上又 划分了 ng个二级单元 ,以便能更详尽地模拟出流场和污染物的 变化过程 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 8期 窦明等 :大武水源地水资源优化配置模型研究
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收稿日期 : 2006 05 12 基金项目 :水资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金 资助项 目 ( 2005B016 ) ; 河 南 省 杰 出 青 年 科 学 基 金 资 助 项 目 (0512002500) 。 作者简介 :窦明 (1975 ) ,男 ,山东淄博人 ,副教授 ,工学博士 , 主要从事水文水资源及水环境研究 。
2 水资源特征分析
2. 1 地下水开发利用现状分析
大武水源地自 20世纪 60年代中期投入使用以来 ,地下水 的开发利用程度一直较高 。90年代是地下水开采的高峰期 ,到 1996年地下水年开采量达到历年最大值 ,为 1. 75亿 m3。随着 开采量的迅速增长 ,以及供水环境的不断恶化 ,在 1983 ～1990 年 、1991～1994年 、1996～2000年期间出现了地下水位持续下 降和水源地严重超采的情况 ,区域内地下水位大幅度下降 ,最 大年降幅达 19 m ,在主要开采区形成多个地下水位降落漏斗 。 为了遏制地下水位的持续下降 ,在 1990年 、1994年 、1995年和 1996年汛期 ,淄博市水利局曾通过太河水库放水补源 ,使地下 水位持续下降的局面得以缓解 。自 2000 年以来 ,区域内各用 水企业的节水工作逐步完善 , 2001年引黄工程的竣工 ,也缓解 了水资源供需矛盾 ,近年来水源地的地下水位变动幅度已明显 减小 。到 2003 年 ,大武水源地地下水开采量下降为 0. 96 亿 m3 ,引黄供水量为 0. 28亿 m3。
(4)安全原则 。优化模型应考虑环境用水的开采条件和地 下水位控制区间 ,最终实现防止油类污染扩散 、保证供水安全 的目的 。
(5)节约原则 。在水资源配置时 ,要充分考虑科技进步 ,各 部门通过用水技术 、用水工艺 、用水设备的更新以提高水的有 效利用率和重复利用率等节水措施的影响 。这可通过调整不 同规划水平年各行业的用水定额来体现 。
1 基本情况
大武水源地位于淄博市临淄区境内 ,面积约 110 km2 ,包括 大武 、辛店 、南仇 3个富水段 。该区域地势南高北低 ,南部为低 山丘陵河谷地形 ,由奥陶系 、寒武系碳酸岩石组成 ,地表和地下 岩溶发育 ,北部为山前倾斜平原 ,地势平坦 ,为淄河早期形成的 隐伏状冲洪积扇 ,透水性 、含水性较好 [1 ] 。
i单元在规划水平年预测的农村人口总数
;
SLC
为
i
该单元农村人均生活用水标准 。
( 2) 工业用水 。工业用水有下列约束条件 :
- 3—堠 1井一线形成如箕状汇水凹地的水力截获带 ,截获并 阻止地下水中的石油类污染物向东侧的东风水厂迁移 [2 ] 。
3 水资源优化配置的总体思路
3. 1 优化目的
要求在满足当地社会经济良性发展对水资源需求的前提 下 ,实现以下目标 : ①控制地下水超采 ,逐步恢复地下水位到 20 世纪 80年代中期的水平 ; ②通过堠皋 —西夏一带的水力截获 工程 ,控制石油类污染的扩散和传播 ,确保东风水厂的水质符 合饮用水标准 ; ③提高水资源利用效率 ,减少不必要的浪费 。 通过对黄河水和地下水的联合调度 ,来实现对生活用水 、工农 业用水和环境用水的合理配置 ,从而达到既满足当地经济发展 的要求 ,又不损坏水环境质量的目的 。
3. 2 优化原则
(1)效率原则 。通过优化模型合理配置水资源 ,提高用水 效率 。
(2)公平原则 。在进行水资源分配时要遵守公平原则 ,确 保水资源在城镇与乡村之间 、工业与农业之间 、经济发展与环 境保护之间公平合理的分配 。
(3)协调原则 。要突出黄河水与地下水联合调度的重要 性 ,这是维护大武水资源地水资源可持续利用的一个重要方 面 。出于收回投资成本和控制地下水超采的需要 ,目前淄博市 在城镇生活用水和工业用水上鼓励优先使用黄河水 ,因此优化 模型在水源调配时需要优先考虑使用黄河水 ,并能给出黄河水 和地下水之间合理的配水比例 。
区域内发育的地表水系主要有淄河和乌河 。淄河发源于 鲁山 ,流入小清河 ,全长 178 km ,流域面积 1 590 km2。淄河流 经裂隙岩溶发育的灰岩地区 ,河床主要为砂卵砾石 ,透水性能 极强 ,垂直渗透严重 。在淄河上游建有库容量为 1. 82亿 m3 的 太河水库 , 平时水库以下都已断流 , 仅在雨季水库排洪时河 道才有水 。乌河发源于临淄区大武镇 , 原是由泉水补给的河 流 , 由于地下水水位下降 , 河流早已断流 , 现已成为排污和 排洪河道 。
3. 3 优化配置步骤
大武水源地水资源优化配置的步骤如图 1所示 。
图 1 水资源调度流程
4 水资源优化配置模型的建立
4. 1 决策变量
研究区内共划分为 n个一级单元 ,每个一级单元中参与优
化计算的决策变量有城镇生活用水
xti、农村生活用水
xc
、工业
i
用水 xii、农业用水 xai 和环境用水 xei ( i = 1, 2, …, n) 。根据水源
人 民 黄 河 2006年
( 3) 供水优先分配约束 。前面曾提到在供水时要求优先考
虑供应黄河水 ,因此有下面的约束 [3 ] :
xhti : xgti
(4)
xhii : xgii
(5)
式中 :符号“: ”表示优先 。
4. 3. 2 需求约束
(1)生活用水 。考虑城镇与农村的生活用水标准存在着差
4. 2 目标函数
优化模型建立的目的是通过黄河水与地下水的联合调配 , 使之既能满足水源地内各行业对水资源的需求 ,又不造成水资 源的浪费 。因此 ,目标函数确定为在满足相应约束条件下 ,使 黄河水与地下水的消耗量最小 。目标函数可表达为
n
∑ m in Q =
( xhti + xgti + xgci + xhii + xgii + xgai + xgei )
n
∑( xgti + xgci + xgii + xgai ) ≤W g
(3)
i =1
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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