天津市水资源综合配置规划浅议

摘要根据天津市水资源开发利用现状，对目前存在的问题进行了分析。通过多种方法综合比较，确定2020年天津市用水指标，并对需水量进行预测。采用以区域供水为主的供水模式，建立基于可持续发展理论的水资源多目标优化配置模型，根据不同水资源的水量、水质、水价以及分布特点，对多种水资源进行综合配置。
关键词水量预测区域供水水资源配置

《天津市城市总体规划》（2005-2020年）中明确了天津市作为国际港口城市、北方经济中心和生态城市的城市定位，十六届五中全会将滨海新区纳入国家总体发展战略。社会经济持续高速的发展以及城市化进程的不断加快，均对水资源提出了更高的要求。加之南水北调工程实施后，天津市水资源结构势必发生重大调整。因此，科学预测需水量，合理配置水资源，加强水资源管理，对于保证天津市可持续发展具有重大意义。
1水资源现状分析
1.1水资源利用现状
2007年天津市总用水量为23.71亿立方米。如图1所示，天津市主要水源为地表水，其次为地下水，再生水、海水等非传统水源利用量十分有限。如图2所示，天津市水资源主要用于生产和生活，生态用水量所占比例很小。

图1 2007年天津市供水结构

图2 2007年天津市用水结构

1.2现状水资源利用存在的问题
（1）水资源严重短缺
天津市属于典型的重度资源型缺水地区，人均水资源量仅为160立方米，远低于全国平均水平。为满足日益增长的用水需求，当地水和过境水的开发利用程度已超出水资源承载能力。
（2）非传统水源开发力度不够
天津市非传统水源利用尚处于起步阶段。再生水回用工程建设滞后于污水处理工程建设，并且缺乏统一、完善的管理机制。海水淡化工程尚未形成规模，淡化水利用途径有限。
（3）节水水平不均衡
天津市水资源利用效率总体较高，但各地区、各行业的用水效率与节水情况存在很大差异，具体表现在工业用水效率较高，农业相对较低；中心城区用水效率较高，区县、乡镇相对较低。
（4）水资源配置体系不完善
水资源宏观配置和多水源统一调配方面仍然存在一些不完善的地方，如水利工程布局不尽合理；水资源配置与空间分布不协调；利用市场调节和经济手段进行水资源配置尚处于探索阶段。
（5）缺乏高效统一的管理
长期以来，天津市水资源和节水一直由多部门分头、分段、分块管理，未从根本上理顺和建立统一高效的水资源管理体制。这不但不利于按照水资源供需要求统筹调配区内各种水资源，而且容易造成管理职能分散、权责不清等问题，大大降低了管理效率。
2需水量预测
2.1预测方法
需水量受人口发展状况、经济发展水平、人均水资源占有量、水资源开发利用程度、节水水平等因素影响，是一个随时间变化的复杂系统。常用的需水量预测方法包括时间序列法、结构分析法和系统分析法三类[1]。
时间序列法和系统分析法要求具备长期连续的历史数据，因此，可以应用于建成时间较长、拥有多年历史数据的中心城区的需水量预测。具体应用的方法包括：改进季节指数平滑法、PSO-BP模型、统计资料法、工业生产函数模型法、参比系数法等。其他地区采用指标法进行预测，指标的选取参考了中心城区通过多种方法综合确定的用水指标。
2.2预测指标
城市生活用水指综合生活用水，包括居民日常用水和公共建筑用水，主要受当地水资源条件、居民生活水平、地区繁荣程度等因素的影响。根据《城市给水工程规划规范》（GB50282-98），天津市属于“二区”、“特大城市”，城市综合生活用水指标为230-400L/（cap•d）。考虑到天津市人均水资源占有量低，用水效率高，城市综合生活用水量普遍低于全国平均水平，故2020年天津市城市综合生活用水指标取200～275L/（cap•d）。
城市工业用水量不仅与城市性质、产业结构、经济发展程度密切相关，而且随工业主体、生产规模、技术先进程度的变化而变化。由表1可见，以高新技术产业为主的工业区用水指标较低，钢铁、石油、化工类企业为用水大户[2]。考虑到未来天津市将进一步深化节水型产业体系建设，大力发展以高新技术产业为主导的工业，2020年天津市工业用水指标取0.3-1.3万m3/（km2•d）。
表1 2001年天津市工业用水指标单位：万m3/（km2•d）
名称性质工业用水指标
经济技术开发区高新技术产业区 0.26
汉沽工业区以化工为主的海洋化工业区 0.90
东丽开发区高新技术产业区 0.34
石化公司综合性石油化工企业 1.13
钢管公司现代大型钢管企业 0.77

市政杂用水包括绿化用水、道路浇洒用水以及城市景观水体补水。市政杂用水指标的选取与当地气候、水资源条件、城市环境建设水平等因素有关，近年来天津市为建成生态城市，加大了环境改善力度，尽可能地满足生态用水需求。根据《城市给水工程规划规范》，绿化用水指标为0.15～0.2万m3/（km2•d），道路浇洒用水指标为0.2万m3/（km2•d）。考虑到天津市水资源短缺的现实情况，景观水体补水仅考虑补充蒸发、渗漏损失的水量。
其他需水量包括消防用水以及未预见水量（含管网漏损）。综合考虑各地区管网漏损现状以及规划管网改造情况，其他用水量所占比例为13～15%。
根据各地区用水量和用水特点的不同，日变化系数取1.2～1.3。
2.3预测结果
经计算，2020年天津市需水总量为53.73亿m3。如图3所示，生产需水量占总需水量的一半以上，生活需水量占将近1/4，生态需水量所占比重较现状大幅度提高。

图3 2020年天津市用水结构

3可用水资源量预测
（1）地表水
地表水包括当地地表水、入境水和外调地表水。通过兴建水利工程解决南北调蓄能力不均衡等问题，以实现对当地地表水的有效挖潜。同时积极开展南水北调工程，实现引滦入津与南水北调双水源联合调度的格局。
（2）地下水
地下水资源丰富的地区可根据实际需要，适当开采地下水；地下水已处于超采状态的地区，应严格控制地下水开采量，除部分农村生活尚需取用深层承压淡水外，对其他深层承压淡水规划全部予以压采。
（3）再生水回用
大力发展污水再生回用，提高污水再生回用率，规划2020年天津市再生水回用率达40%以上。
（4）海水利用
鉴于天津市水资源的紧缺状况和滨海新区临海的地理优势，天津市将通过海水淡化和海水直接利用两种方式大力发展海水利用。
（5）可供水资源总量
2020年天津市规划可供水资源总量为48.57亿立方米。如图4所示，地下水所占比重与现状相比有所下降，再生水和海水的利用量明显增加。

图4 2020年天津市水资源结构

4水资源综合配置
天津市属于严重的资源型缺水地区，其快速发展要求综合利用地表水、地下水、再生水及海水等多种水资源，为社会经济快速发展提供保障。加之，不同地区自然条件、城市性质和功能定位不同，从而导致有不同的用水需求。因此，需要建立以区域供水模式为主的区域供水系统，从区域的角度统筹配置各种水资源，提高其利用效率，以满足区域内整体水资源需求[3，4]。
4.1基本原则
（1）按各地区的地理位置和用水特点配置水资源。中心城区、滨海新区以及各新城发展速度快，用水量大，对水源要求高，规划主要由外调水提供水源。靠近以上地区的中心镇和建制镇，尽可能纳入城市供水系统，形成城镇一体化的区域供水格局；远离城区、地下水资源较为丰富且用水量较小的中心镇和建制镇可由地下水提供水源。
（2）按用水途径的水质需求配置水资源。外调水优先保证城镇生活及工业用水；地下水主要用于农村生活、农业及生态，同时为部分镇区提供生活及工业用水；地表水主要用于农业及生态；再生水用于生活杂用、工业及市政杂用水；海水直接利用主要用于工业，海水淡化水主要用于工业高品质用水及生活用水。
（3）保证用水价格与当地人均可支配收入相近。在满足水质要求的前提下，使外调水、地表水、地下水、再生水、海水的成本价格与中心城区、滨海新区、新城、中心镇、建制镇及其他城镇以外用水区域的人均可支配收入差异最小化，体现以人为本的原则。
（4）使供水综合效益最大化。维持经济、环境、社会大系统的协调发展，从多水源开发利用、生态保护及优先满足人民生活用水等角度综合配置全市水资源，从而获得经济、环境、社会协调发展的最佳综合效益[5]。
4.2优化模型
4.2.1目标函数
水资源优化配置是多目标优化问题，其目标是追求经济、社会、环境的综合效益最大，并力图保持系统的良性发展。即水资源优化配置不仅要适应经济发展和人民生活的需要，还应尽可能地满足生态环境及社会对水资源的需求。水资源可持续优化配置的目标分为经济目标、社会目标和生态环境目标3部分，具体可分解为以下6个目标函数：
目标函数1 经济效益：全市用水费用最小。
目标函数2 经济效益：全市水设施建设费用最小。
目标函数3 社会效益：全市加权总缺水量最小。
目标函数4 社会效益：全市新鲜水供给量最小。
目标函数5 社会效益：各类水源水价与各区域人均可支配收入差值之和最小。
目标函数6 环境效益：供水水源水质与用途配置水质差值之和最小。
4.2.2约束条件
模型的约束条件，一方面，可以从水资源配置系统的各个环节进行分析，另一方面，可以从水资源、社会、经济、生态环境协调的角度进行分析，具体包括以下5个约束条件：
约束条件1：供水系统的供水能力（水源的可供水量）约束。
约束条件2：再生水用于生活的用量约束。
约束条件3：再生水用于工业的用量约束。
约束条件4：区域协调发展约束。根据可持续发展原则，区域内的社会、经济、资源、环境之间应是可持续的协调性发展，因此区域水资源优化配置应是可持续的协调型配置，区域协调发展程度应有最低要求。
约束条件5：自变量非负约束。
4.3配置方案
应用结合遗传算法的基于容忍偏离水平的方法对基于可持续发展理论的水资源优化配置模型进行求解，配置方案详见表2。在南水北调工程按期实现的前提下，天津市城镇范围内需水基本能够满足，且外调水有一定余量。缺水主要存在于农业灌溉及河湖湿地生态补水，考虑到随着污水处理厂出水水质标准提高到一级标准，可以直接用于农业灌溉以及河湖湿地生态补水，基本能够弥补这部分缺水量。
表2 天津市2020年水资源配置方案
需水区域需水类别配置方案
外调水当地地表水地下水再生水海水
城镇区域综合生活 ● ● ● ●
工业建筑仓储 ● ● ● ●
市政 ●
其他 ● ● ● ●
城镇以外区域农村 ●
农业 ● ●
河湖湿地 ●

参考文献
1 李琳，左其亭.城市用水量预测方法及应用比较研究[J].水资源与水工程学报，2005，16（3）：6～10.
2李田，张建频，张泽宇.工业区用水量指标研究[J].给水排水，2001，27（5）：19～22.
3罗固源，谭倩，许晓毅等.小城镇给水系统模式及水源的几点看法[J].重庆大学学报，2005，28（10）：124～127.
4何维华，钟泽斌.区域性供水模式的研究[J].给水排水，1998，24（4）：11～14.
5方红远.区域水资源合理配置中的水量调控理论[M].郑州：黄河水利出版社，2004.