不同干旱等級(jí)下的葉兒羌河流域水資源優(yōu)化配置

薛聯(lián)青，楊明智，孫 超，楊曉軍，王金山，楊 廣

（1.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098；2.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，

新疆 石河子832000；3.河海大學(xué) 文天學(xué)院，安徽 馬鞍山243000；4.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒841000）

隨著我國(guó)西部干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的快速增長(zhǎng)，水資源的消耗越來越多，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)所依賴的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在不斷遭到嚴(yán)重破壞，生產(chǎn)、生活、生態(tài)供用水矛盾尖銳［1］。與此同時(shí)，旱災(zāi)頻次明顯提高，河道斷流天數(shù)也有所增加，已直接威脅工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對(duì)流域生態(tài)造成較大破壞。為了解決不同干旱年下的葉爾羌河流域的水資源短缺問題，本文結(jié)合我國(guó)內(nèi)陸干旱區(qū)水資源極端匱乏、干旱頻繁發(fā)生的實(shí)際情況，從研究區(qū)的供需現(xiàn)狀和缺水形勢(shì)著手，分析研究干旱等級(jí)與流域來水頻率的關(guān)聯(lián)及對(duì)區(qū)域社會(huì)發(fā)展的影響。

基于多項(xiàng)開源節(jié)流措施，構(gòu)建不同工程措施實(shí)施下的水資源配置方案，提出采用綜合效益滿意度法建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)不同干旱等級(jí)情況下的葉兒羌河流域6個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)選，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化調(diào)配，充分發(fā)揮水資源的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)綜合效能，為當(dāng)?shù)厮Y源優(yōu)化配置、流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

葉兒羌河流域位于塔里木盆地西南邊緣，地理坐標(biāo)為東經(jīng)74°28′—80°54′，北緯34°50′—40°31′，由葉兒羌河、提孜那甫河等4條河流組成，流域地跨4個(gè)地州12個(gè)縣市，是新疆境內(nèi)地跨州縣市最多的流域，總面積9.89萬k m2［2］。境內(nèi)有新疆最大、全國(guó)第四的大型灌區(qū)，灌溉面積50.23萬h m2。葉兒羌河流域干旱少雨，蒸發(fā)下滲強(qiáng)烈，水資源總量不足，僅占全疆水資源總量的9.28%。加之水利工程設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)低，老化失修，節(jié)水設(shè)施不到位，渠系滲漏異常嚴(yán)重，綜合灌溉水利用系數(shù)僅為0.41，低于全疆平均水平。近20 a來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，葉兒羌河流域工、農(nóng)業(yè)用水需求增長(zhǎng)很快，供需水矛盾尖銳。

1.2 干旱等級(jí)劃分

新疆地區(qū)降雨稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，但平原區(qū)的降雨量變化并不能客觀反映干旱規(guī)律性變化，河道天然來水量的變化才是真實(shí)意義上的干旱變化波動(dòng)。但新疆地區(qū)的河流大多是混合補(bǔ)給型河流，絕大部分河流徑流量不僅與流域平均高程有關(guān)系，還與流域地理位置和自然氣候特點(diǎn)有關(guān)，因此河道出山口處天然來水量的多少才能比較真實(shí)地反映葉爾羌河流域的干旱程度。故選取基于河川徑流量［3－4］的 SRI（Standardized Runoff Index）［5］作為干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)。SRI是將偏態(tài)分布的徑流量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，以進(jìn)行不同時(shí)空尺度下的對(duì)比分析。首先通過Box-Cox轉(zhuǎn)換［6］將徑流量序列轉(zhuǎn)化為正態(tài)分布：

將轉(zhuǎn)換后的序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

式中：X——徑流量；θ——Box-Cox轉(zhuǎn)換系數(shù)；Z——經(jīng)Box-Cox轉(zhuǎn)換后序列；ˉZ，σZ——其均值和標(biāo)準(zhǔn)差。計(jì)算葉兒羌河流域主要代表水文站——卡群站（葉兒羌河）和玉孜門勒克站（提孜那甫河）1957—2009年的SRI值，其對(duì)比結(jié)果如圖1所示。采用P－Ⅲ型曲線對(duì)以上水文站53 a的長(zhǎng)系列來水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行適線，參照干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)（表1），對(duì)照找出SRI值分別為0，－1，－1.5，－2的來水年份及各年份對(duì)應(yīng)的來水頻率，如表2所示。從表中可以看出，葉爾羌河流域在來水頻率小于50%時(shí)無旱，來水頻率50%～80%時(shí)為輕度干旱，來水頻率80%～90%時(shí)為中度干旱，來水頻率90%～95%時(shí)為重度干旱，來水頻率大于95%時(shí)為特大干旱。為便于水資源配置計(jì)算，分別選取80%，90%，95%來水頻率的徑流量代表中度干旱年、重度干旱年和特大干旱年的河道來水量。

圖1 研究區(qū)主要代表水文站1957－2009年SRI指標(biāo)值

表1 干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

表2 葉兒羌河流域的干旱等級(jí)和來水頻率范圍對(duì)應(yīng)表

1.3 水資源優(yōu)化配置模型構(gòu)建

水資源優(yōu)化配置涉及多個(gè)決策主體，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等多個(gè)決策目標(biāo)［7－10］，因此水資源優(yōu)化配置要遵循可持續(xù)發(fā)展原則，解決區(qū)域內(nèi)水資源在生活、生產(chǎn)、生態(tài)之間最優(yōu)分配，既要追求社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，又要顧及生態(tài)效益。引入三標(biāo)度法計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)環(huán)境效益三方面的權(quán)重，將社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益三個(gè)目標(biāo)的滿意度［11］轉(zhuǎn)化成一個(gè)單個(gè)目標(biāo)的綜合滿意度，最終建立以綜合效益滿意度最大為目標(biāo)函數(shù)的水資源優(yōu)化配置模型。其模型表達(dá)式如下：

式中：ω1，ω2，ω3——社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的權(quán)重，由三標(biāo)度法［12］確定，且ω1＋ω2＋ω3＝1；P——綜合效益滿意度函數(shù)；P1，P2，P3——社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益滿意度函數(shù)，0≤Pi≤1，i＝1，2，3，其表達(dá)式如下：

式中：Ex，Cx——工業(yè)產(chǎn)值、地下水開采量的期望值；Pmax，E（x），C（x）——社會(huì)目標(biāo)函數(shù)、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)和生態(tài)目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式如下：

式中：k——分區(qū)數(shù)量；J（k）——第k分區(qū)的用水部門數(shù)量；I（k）——第k分區(qū)的獨(dú)立水源數(shù)量；c——公共水源數(shù)量；Dkj——區(qū)域在k分區(qū)第j用水部門的需水量（萬m3）；xijk——區(qū)域第i獨(dú)立水源給第k分區(qū)第j用水部門的供水量（萬m3）；xcjk——區(qū)域第c公共水源給第k分區(qū)第j用水部門的供水量（萬m3）；m——工業(yè)萬元產(chǎn)值（萬元／m3）；Ci——第i灌區(qū)的地下水全年開采總量（億m3）。

約束條件主要有可供水量約束、需水量約束和供水能力約束等，另外還包括地下水可開采量約束、機(jī)井提水能力約束、水庫庫容限制、輸水能力約束、供水優(yōu)先順序約束、需水優(yōu)先順序約束等其它約束條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 基準(zhǔn)年供需分析

為了清晰地描述在無節(jié)水工程投入情況下區(qū)域水資源的供需前景，以充分暴露發(fā)生不同干旱程度中的水資源供需矛盾，從而為發(fā)生區(qū)域水資源供需矛盾的解決奠定基礎(chǔ)，對(duì)研究區(qū)現(xiàn)狀水資源作一次平衡供需分析。在現(xiàn)狀年的基礎(chǔ)上，扣除現(xiàn)狀供水中損失的部分水量，對(duì)需水、來水按不同頻率進(jìn)行供需分析。研究區(qū)不同干旱等級(jí)下的一次供需平衡結(jié)果見表3。

表3 研究區(qū)不同干旱等級(jí)下的供需平衡分析

從表3中可以看出，葉兒羌河流域現(xiàn)狀可供水量在發(fā)生不同程度干旱時(shí)均不能滿足流域內(nèi)現(xiàn)狀的用水需求，干旱年下流域缺水率在14%左右，重度干旱年下缺水率為20%左右，特大干旱年缺水率接近23%。由于各分區(qū)的水利工程分布不均勻、水資源量和需水不同，各分區(qū)缺水情況各有不同：葉兒羌河流域現(xiàn)狀缺水地區(qū)主要是上游分區(qū)。缺水率最大的是葉城分區(qū)，干旱年下缺水率達(dá)到了24.4%，在重旱年和特大旱年下的缺水率在30%左右；其次是澤普分區(qū)，干旱年下缺水率達(dá)24%左右，在重旱年和特大旱年下的缺水率在28%左右。中部分區(qū)水利條件最好，在干旱年下缺水率在13%左右，在重旱年和特大旱年下的缺水率在20%左右，但中部區(qū)用水量基數(shù)較大，幾乎占了整個(gè)流域用水量的一半，隨著流域生產(chǎn)發(fā)展對(duì)水資源需求的高速增長(zhǎng)，未來缺水情勢(shì)不容樂觀。

2.2 方案設(shè)定

解決水資源供需矛盾的基本思路就是增加供水和抑制需水。通過詳查葉爾羌河流域的引、蓄、提、排等現(xiàn)狀水利工程，繪制流域水利工程節(jié)點(diǎn)布局圖，干旱情況下可能采取的流域開源節(jié)流措施包括適當(dāng)增加流域內(nèi)的地下水開采量和改變農(nóng)業(yè)用水比重（目前流域的農(nóng)業(yè)用水比重為95%）。根據(jù)對(duì)葉兒羌河流域現(xiàn)狀工程情況下的缺水狀況、節(jié)水潛力和新增供水能力的分析，參考《塔里木河流域近期綜合治理規(guī)劃報(bào)告》和《新疆維吾爾自治區(qū)抗旱規(guī)劃報(bào)告》，圍繞以上開源節(jié)流措施，從方式和規(guī)模上進(jìn)行多種組合，并適當(dāng)取舍，組成6個(gè)方案（表4）。

表4 葉兒羌河流域的六種配置方案

2.3 方案優(yōu)選

按照三標(biāo)度法的計(jì)算公式和步驟，計(jì)算得到社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的權(quán)重分別為0.540，0.163和0.297。根據(jù)總體滿意度計(jì)算公式，對(duì)擬定水資源配置方案對(duì)應(yīng)的不同干旱程度下的配置結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算，求得不同干旱等級(jí)條件下6個(gè)方案的總體滿意度，結(jié)果見表5。由表中可以看出，方案六在不同干旱年下的總體滿意度值均高于其他方案，即方案六是在極端干旱年下綜合考慮社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的水資源調(diào)配最優(yōu)推薦方案。

2.4 配置結(jié)果和分析

利用 WEAP（Water Evaluation and Planning System，水資源評(píng)估和規(guī)劃系統(tǒng)）［13］模型對(duì)推薦方案（方案六）進(jìn)行水資源配置，由于篇幅所限，僅列出重度干旱情況下的葉兒羌河流域的水資源配置結(jié)果，見表6。極端干旱年的水資源配置應(yīng)遵循以人為本、民生優(yōu)先的原則，按照生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水的配給順序，優(yōu)先供給居民生活用水，其次是工業(yè)，最后考慮農(nóng)業(yè)，所以在干旱發(fā)生情況下農(nóng)業(yè)將會(huì)出現(xiàn)缺水現(xiàn)象，相應(yīng)的缺水出現(xiàn)在農(nóng)業(yè)灌溉需水上。

表5 研究區(qū)不同干旱等級(jí)下各方案的總體滿意度

配置方案六作為推薦方案，同時(shí)考慮了增加地下水開采量和改變農(nóng)業(yè)用水比例。通過各種生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)節(jié)水措施，尤其灌溉節(jié)水，加強(qiáng)灌區(qū)水利工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高灌溉水的利用效率，葉爾羌河流域的缺水狀況得到了明顯緩解，重度干旱條件下流域灌溉需水量減少到57.7億m3。從表3和表6的對(duì)比中可以看出，生產(chǎn)生活供水量增加到65.4億m3，流域缺水4.4億m3，缺水率由原來的20.7%降低到6.2%，已經(jīng)大大緩解了流域的干旱缺水狀況，可有效地緩解流域的供需矛盾，這對(duì)于緩解極端干旱條件下的水資源供需矛盾，遏制生態(tài)環(huán)境惡化的趨勢(shì)具有重要意義。

表6 重度干旱條件下研究區(qū)的水資源優(yōu)化配置計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

（1）結(jié)合流域水文特點(diǎn)，證實(shí)了葉爾羌河流域的干旱程度取決于河道出山口處的天然來水量這一結(jié)論，選取基于河川徑流量的SRI作為干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)，劃分了干旱等級(jí)，揭示了干旱等級(jí)與流域來水頻率的關(guān)聯(lián)程度。

（2）采用三標(biāo)度法確定社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的權(quán)重。三標(biāo)度法是對(duì)傳統(tǒng)的層次分析法的一種改進(jìn)，使判斷矩陣簡(jiǎn)化，使用簡(jiǎn)單，無需建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，層次清晰，可操作性強(qiáng)，避免了構(gòu)建判斷矩陣時(shí)權(quán)重選擇的模糊性，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加符合客觀實(shí)際。

（3）建立了能全面反映區(qū)域經(jīng)濟(jì)與生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建了以人—生態(tài)環(huán)境—社會(huì)—經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的，以綜合效益滿意度最大為目標(biāo)函數(shù)的水資源優(yōu)化配置模型，并確定每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的參照標(biāo)準(zhǔn)，為客觀準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r奠定了基礎(chǔ)。引入綜合效益滿意度模型，對(duì)各方案在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境各方面的效果進(jìn)行了有效的度量，并根據(jù)效果的優(yōu)劣，選擇最優(yōu)方案，可使配水方案產(chǎn)生的綜合效益最大，促進(jìn)水資源的合理有效利用。結(jié)果表明，最優(yōu)方案使流域嚴(yán)重的缺水情況得到了很大的緩解，可有效地緩解流域的供需矛盾。

（4）渠道是葉爾羌河灌區(qū)灌溉最主要輸水方式，而傳統(tǒng)的土渠輸水滲漏損失量大，因此，在葉爾羌河灌區(qū)發(fā)展渠道防滲技術(shù)，降低渠道輸水損失是緩解水資源緊缺的重要途徑。通過發(fā)展高效節(jié)水工程及渠系防滲工程，減少滲漏，提高渠系水利用系數(shù)，將有效降低農(nóng)業(yè)灌溉用水的損失，提高農(nóng)業(yè)用水效率。但目前葉爾羌河流域渠系水利用系數(shù)還不到0.45，田間灌溉技術(shù)應(yīng)用率較低，應(yīng)用工程技術(shù)措施的節(jié)水潛力仍比較大。

［1］ 盧曉杰，張克斌，李瑞.柴達(dá)木盆地香日德綠洲水資源優(yōu)化配置研究［J］.水土保持研究，2011，18（4）：232-236.

［2］ 董永仲.葉爾羌河流域水資源的合理開發(fā)和有效利用［J］.水利建設(shè)與管理，2007，27（1）：82-83.

［3］ Mohan S，Rangacharya N C.A modified met hod for dr ought identification［J］.Hydrological Sciences Journal，1991，36（1）：11-21.

［4］ Dracup J A，Lee K S，Paulson E G.On the statistical characteristics of drought events［J］.Water Resour.Res.，1980，16（2）：289-296.

［5］ Lampr os V，At hanasios L，Nikos L.A Water Balance Derived Drought Index f or Pinios River Basin，Greece［J］.Water Resource Manage，2011，25（4）：1087-1101.

［6］ 韋博成，林金官，謝鋒昌.統(tǒng)計(jì)診斷［M］.北京：高等教育出版社，2009：71-78.

［7］ 耿福明，薛聯(lián)青，吳義鋒.基于凈效益最大化的區(qū)域水資源優(yōu)化配置［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，35（2）：149-152.

［8］ 任政，鄭旭榮，羅明.石河子地區(qū)水資源時(shí)空合理配置模型研究［J］.水土保持研究，2007，14（5）：174-177.

［9］ 邸利，竇學(xué)成，成自勇，等.甘肅省生態(tài)環(huán)境建設(shè)與水資源合理配置研究［J］.水土保持研究，2007，14（2）：176-178.

［10］ 黃金林，丁元芳，遲寶明.岔路河流域水資源合理配置研究［J］.水土保持研究，2008，15（2）：235-238.

［11］ 劉長(zhǎng)順.流域水資源合理配置與管理研究［D］.北京：北京師范大學(xué)，2004.

［12］ 沈曉娟，徐向陽，劉翔.三標(biāo)度法在水資源配置方案優(yōu)選上的應(yīng)用［J］.水電能源科學(xué)，2006，24（4）：16-18.

［13］ Ojekunle Z O，Lin Z，Manzhou L I，et al.Application of WEAP Simulation Model to Hengshui City Water Planning［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，13（2）：142-146.