盧曉杰，張克斌，李瑞

(1.上?？睖y設(shè)計(jì)研究院，上海200434;2.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

水資源作為一種可再生的自然資源，由于自身的特殊性，涉及到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境及資源系統(tǒng)的各個(gè)方面，其配置是一個(gè)復(fù)雜的理論實(shí)踐過程?，F(xiàn)有的水資源配置理論主要有4種:“以需定供”[1]、“以供定需”[1]、基于宏觀經(jīng)濟(jì)[2-3]和可持續(xù)發(fā)展的水資源優(yōu)化配置[4-7]。這些水資源配置理論為解決我國水資源供求矛盾，促使水資源高效安全利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)。

當(dāng)前國際上水資源系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化配置的發(fā)展趨勢，一是對(duì)水資源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、供求關(guān)系的描述更深入和具體，更多地采用水文長系列分析方法;二是從區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及生態(tài)持續(xù)發(fā)展的動(dòng)態(tài)角度研究水資源布局與供需平衡[8]。自20世紀(jì)80年代初以來，國內(nèi)外開展了一系列大型水資源項(xiàng)目，有力地推動(dòng)了水資源系統(tǒng)分析理論方法和模型技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[9-13]。目前，多目標(biāo)優(yōu)化模型較為成熟，應(yīng)用也較為廣泛，陳守煜等[14]以大連市水資源利用與宏觀經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展為研究對(duì)象，建立了多目標(biāo)群決策模型與方法;蔡喜明等[15]研究了基于宏觀經(jīng)濟(jì)的區(qū)域水資源多目標(biāo)集成系統(tǒng);王麗婧等[16]采用基于IMOP進(jìn)行了流域環(huán)境與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的規(guī)劃。這些都是成功的研究與應(yīng)用實(shí)例。

隨著我國西部干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的快速增長，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，在這種嚴(yán)峻態(tài)勢面前，尋求合理的水資源利用方式或合理的組合與配置方式，顯然有其緊迫性和必要性[17-18]。在西部干旱區(qū)，由于經(jīng)濟(jì)與生態(tài)對(duì)水資源的雙重依賴，水與生態(tài)問題密切相關(guān)[19]。如何協(xié)調(diào)和解決經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系是水資源配置需要重點(diǎn)研究和解決的關(guān)鍵問題[20]。

本文以“以供定需”和“可持續(xù)發(fā)展”的水資源配置理論為基礎(chǔ)，在分析區(qū)域水資源供需關(guān)系的基礎(chǔ)上研究了青海都蘭香日德綠洲開發(fā)過程中的水資源合理配置問題。所用模型是在中國水利水電科學(xué)研究院研制的水資源配置模型基礎(chǔ)上根據(jù)研究區(qū)實(shí)地情況加以修正的，它反映的因素相對(duì)比較全面，全面考慮了生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的需水要求。本研究制定了高、中、低3個(gè)配置方案，并對(duì)3個(gè)方案進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，研究結(jié)果對(duì)青海香日德綠洲開發(fā)過程中的水資源合理開發(fā)利用具有十分重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

香日德綠洲在青海省海西蒙古藏族自治州都蘭縣南部，柴達(dá)木河上游，北距都蘭縣城察汗烏蘇60 km ，其地理位置為 35°52′53″-36°07′06″N ，97°45′28″-98°00′58″E 。在行政上包括香日德鎮(zhèn) 、香加鄉(xiāng)灌區(qū)，總面積為18萬hm2。研究區(qū)具有典型高寒大陸性荒漠氣候特征，屬高原大陸性氣候。年平均氣溫4℃左右，寒冷、干燥、富日照、太陽輻射強(qiáng)、多風(fēng)。年均降水132.8 mm，年均水面蒸發(fā)量1 475.4 mm，干燥系數(shù)為11.11。本區(qū)內(nèi)主要的河流有察汗烏蘇河、香日德河、諾木洪河和夏日哈河。這些河流在其下游匯入柴達(dá)木河，流入南、北霍魯遜湖。發(fā)源于阿拉克湖、冬給措納河的香日德河，自東南向西北斜穿香日德綠洲，河流總長250 km，多年流量13.8 m/s，多年平均徑流量4.352億m3，是該區(qū)主要地表水源。區(qū)內(nèi)的主要湖泊為南、北霍魯遜湖，湖泊總面積為182.7 km2，為鹽湖。在昆侖山地河流的源頭有幾個(gè)淡水湖，其中以托索湖和阿拉克湖最大。該區(qū)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)以農(nóng)牧業(yè)為主，全區(qū)總產(chǎn)值6 314.8萬元，其中農(nóng)牧業(yè)總產(chǎn)值5 426.09萬元，所以該區(qū)的產(chǎn)業(yè)耗水主要為農(nóng)牧業(yè)耗水，其他產(chǎn)業(yè)耗水量較小。

香日德地區(qū)以旱生、超旱生及鹽生植物為主。盆地內(nèi)草地類型有:溫性草原草地類、高寒草原草地類、低地草甸草地類、高寒草甸草地類。以溫性荒漠草地類為主，植物類型以小灌木駱駝刺等荒漠植被居多。

2 研究方法

(1)通過現(xiàn)場典型調(diào)查結(jié)合以往的研究成果，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)、氣象學(xué)等相關(guān)學(xué)科的知識(shí)，結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，分析研究區(qū)水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀和水資源供需平衡。

(2)以計(jì)算作物蒸發(fā)蒸騰量(參考作物蒸散量)ET0的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式計(jì)算天然草地生態(tài)需水量，如式(1)所示。

式中:ET0——參考作物蒸發(fā)蒸騰量(mm/d);Δ——溫度-飽和水汽壓關(guān)系曲線在 T處的切線斜率(kPa/℃);T——平均氣溫(℃);ea——飽和水汽壓(kPa);Rn——凈輻射〔MJ/(m2?d)〕;ed——實(shí)際水汽壓(kPa);G——土壤熱通量〔MJ/(m2?d)〕;γ——濕度表常數(shù)(kPa/℃);U2——2 m 高處風(fēng)速(m/s)。

(3)以人口、資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展為目的，采用多目標(biāo)規(guī)劃模型，分高、中、低3個(gè)方案進(jìn)行研究區(qū)水資源優(yōu)化配置，建模的具體步驟為:

①?zèng)Q策變量及模型參數(shù)的確定。研究區(qū)用水部門主要集中在生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境三大模塊。將生活用水和生態(tài)用水作為定量，在此基礎(chǔ)上選擇決策變量和參數(shù)。

②建立目標(biāo)函數(shù)。其目標(biāo)有:A首先保證生活用水和基本的生態(tài)環(huán)境用水(作為定值);B盡量降低供水費(fèi)用;C通過控制地下水的開采量，控制地下水水位，達(dá)到地下水資源補(bǔ)采平衡;D地表水用水量控制在可供水量范圍內(nèi)。

③變量的上下限約束。根據(jù)基準(zhǔn)年和近期水平年用水需水情況以及供水情況，限定各決策變量的上下限約束。

④模型求解。多目標(biāo)規(guī)劃模型都要轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)進(jìn)行求解，將目標(biāo)進(jìn)行歸一化，求出非劣解集，產(chǎn)生決策方案，最后進(jìn)行決策，得到優(yōu)選方案的非劣解-多目標(biāo)模型最優(yōu)解，又稱最佳權(quán)衡解或伯力圖(Pareto)最優(yōu)解。

3 研究區(qū)水資源供需平衡分析

3.1 需水量預(yù)測

3.1.1 生態(tài)需水量預(yù)測 生態(tài)需水指天然生態(tài)系統(tǒng)為維持其正常結(jié)構(gòu)和功能所需的水量。其供給既可以是直接的降水供給，也可以是降水轉(zhuǎn)換的地表徑流或地下徑流的供給。

本文根據(jù)彭曼-蒙蒂斯法估算研究區(qū)各月參考作物蒸發(fā)蒸騰量，然后據(jù)此計(jì)算天然草地、林地及河道湖泊的生態(tài)需水量。

根據(jù)香日德地區(qū)實(shí)測資料，利用彭曼-蒙蒂斯公式，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 研究區(qū)參考作物多年平均蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)多年平均蒸發(fā)蒸騰量計(jì)算結(jié)果，各種類型生態(tài)需水量的預(yù)測值如表2所示。

表2 研究區(qū)2020年生態(tài)需水量預(yù)測值

天然草地年生態(tài)需水量=草地年蒸發(fā)蒸騰量(m)×草地面積(m2)

天然林年生態(tài)需水量=每1 hm2每年天然林蒸散量(m3)×天然林地面積(hm2);

河道湖泊年生態(tài)需水量=年均水面蒸發(fā)量(m)×河道湖泊面積(m2)。

3.1.2 各行業(yè)(工農(nóng)牧業(yè)及生活)需水量預(yù)測 需水量除受人口、經(jīng)濟(jì)等因素影響之外，還與水資源條件和需水特性、節(jié)水水平和節(jié)水潛力、需水管理方式等密切相關(guān)。此外，在市場經(jīng)濟(jì)作用下，水價(jià)因素也會(huì)影響需水的發(fā)展趨勢。

根據(jù)2020年規(guī)劃綱要，到2020年項(xiàng)目區(qū)總?cè)丝?1 912人，第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值預(yù)計(jì)分別為838.71萬元和50萬元，大、小牲畜將分別發(fā)展到1.39萬頭和27.99萬頭，灌溉耕地面積為8 978.5 hm2。項(xiàng)目區(qū)第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)用水定額最低方案分別為118 m3/萬元、60 m3/萬元，生活用水定額預(yù)計(jì)為65 L/(人?d)，大牲畜用水定額為5 L/(頭?d)，小牲畜用水定額為2.5 L/(頭?d)，水澆地灌溉定額預(yù)計(jì)為7 290 m3/hm2。

3.2 可供水量的預(yù)測

本地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，隨著綠洲開發(fā)規(guī)模的增大和全球氣候變暖對(duì)水資源的影響，綠洲水資源利用的供需失調(diào)日益嚴(yán)重。毛軍等在“柴達(dá)木盆地香日德綠洲灌溉對(duì)地下水的影響及生態(tài)響應(yīng)研究”一文中根據(jù)地下水位與天然植被的對(duì)應(yīng)關(guān)系和天然植被的保護(hù)目標(biāo)對(duì)水資源開發(fā)方案進(jìn)行了評(píng)估。研究認(rèn)為，香日德地區(qū)綠洲灌溉引水在1～1.5億m3是引水危險(xiǎn)區(qū)，可能使地下水位和下游泉水出露帶無法維持現(xiàn)狀，導(dǎo)致下游地下水埋深面積發(fā)生變化。

3.3 供需平衡分析

本區(qū)年用水量超過1.5億m3將導(dǎo)致下游地下水位下降，致使綠洲面積呈縮小趨勢。用水量在1～1.5億m3的范圍屬于危險(xiǎn)用水范圍，本區(qū)用水必須保證年引水量低于1.5億m3，盡量使用水量不超過1億m3。到2020年研究區(qū)預(yù)計(jì)年累計(jì)需水量1.24億 m3，超出安全用水范圍0.24億m3。

為實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源的可持續(xù)利用，使該區(qū)未來的發(fā)展不致于因水問題而出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，本文對(duì)全區(qū)水資源進(jìn)行優(yōu)化配置。

4 水資源優(yōu)化配置模型的建立及求解

根據(jù)研究區(qū)社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)規(guī)劃的要求，將優(yōu)化配置選為近期水平規(guī)劃年2020年。

4.1 變量的設(shè)置

本模型中主要的決策變量分為3類:

(1)第一產(chǎn)業(yè)。X1:灌溉草場面積(hm2);X2:灌溉林地面積(hm2);X3:天然草場面積(hm2);X4:天然林地面積(hm2);X5:河道湖泊面積(hm2);X6:耕地面積(hm2)。

(2)第二產(chǎn)業(yè)。X7:工業(yè)和建筑業(yè)產(chǎn)值(萬元)。

(3)第三產(chǎn)業(yè)。X8:第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(萬元)。

4.2 參數(shù)的確定

根據(jù)研究區(qū)2020年近期規(guī)劃目標(biāo)，并對(duì)本區(qū)實(shí)際用水情況實(shí)地調(diào)查后，本著首先滿足生活用水，保證生態(tài)向良性方向發(fā)展的同時(shí)，追求用水量最小和供水費(fèi)用最低原則，確定模型參數(shù)值。各參數(shù)值如表3所示:

表3 研究區(qū)2020年目標(biāo)規(guī)劃參數(shù)值

耕地灌水定額為各作物種類綜合凈灌水定額，其中小麥種植比例51.76%，灌溉定額6 300 m3/hm2;青稞種植比例9.41%，灌溉定額5 700 m3/hm2;豆類種植比例8.24%，灌溉定額4 800 m3/hm2;油菜種植比例25.88%，灌溉定額4 800 m3/hm2;馬鈴薯種植比例4.71%，灌溉定額4 050 m3/hm2;生活用水定額參照青海省人民政府辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)的省水利廳關(guān)于青海省用水定額規(guī)定，并根據(jù)研究區(qū)實(shí)地情況和發(fā)展預(yù)期做了適當(dāng)修正。

4.3 約束和目標(biāo)分析

供水費(fèi)用約束和目標(biāo):各行業(yè)供水總費(fèi)用F為:

式中:ni——各變量的用水定額;λi——各變量供水成本費(fèi);Xi— —各用水變量 ;δ f+i——各行業(yè)總供水費(fèi)用的正偏差變量，等價(jià)于最小化總供水費(fèi)用，目標(biāo)函數(shù)為:

水資源約束:地表水使用不得超過供水能力，地下水的抽水總量不能大于其可開采資源量，用水量約束可表示為:

式中:XSi——各變量用水量;XS供——研究區(qū)可供水量。

變量的上下限約束:根據(jù)基準(zhǔn)年和近期水平年用水需水情況以及供水設(shè)施情況，限定各決策變量的上下限約束。

由各變量、參數(shù)和變量的上下限約束組成的研究區(qū)水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，用運(yùn)籌學(xué)專業(yè)軟件Lindo 6.1進(jìn)行求解，得出研究區(qū)各用水單元的最佳分配方案。

4.4 模型運(yùn)行方案

本研究確定計(jì)算機(jī)模擬模型運(yùn)行方案共3個(gè)。運(yùn)行方案按高、中、低3種方案進(jìn)行研究區(qū)水資源優(yōu)化配置，運(yùn)行結(jié)果見表4。

表4 研究區(qū)2020年水資源優(yōu)化配置方案成果

5 水資源配置結(jié)果分析

5.1 水量分析

盡管優(yōu)化模型對(duì)水資源進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)度和合理配置，但由于研究區(qū)總水資源量相對(duì)較少，使得多半用水單元存在不同程度的缺水。優(yōu)化總用水量高、中、低方案分別為 1.09億 m3、1.14億 m3、1.21億m3，均控制在可供水量和可開采量范圍內(nèi)，優(yōu)化方案保證了全區(qū)的生活用水和基本生態(tài)用水。其中，生態(tài)用水和耕地灌溉用水是研究區(qū)的主要用水單元，占總用水量的95%以上。

研究區(qū)第二、三產(chǎn)業(yè)由于產(chǎn)業(yè)不發(fā)達(dá)，耗水較少。在配置中優(yōu)先保證了二、三產(chǎn)業(yè)的充足用水，以促進(jìn)本區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。耕地用水耗水量大，占研究區(qū)總用水量的50%以上，且用水效率不高，后期應(yīng)著重搞好節(jié)水灌溉措施，將節(jié)約的水用于其它產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

5.2 供水費(fèi)用分析

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果和供水價(jià)格，計(jì)算出研究區(qū)高、中、低方案總供水費(fèi)用分別為403.96萬元、338.33萬元、266.54萬元，三套方案供水費(fèi)用皆偏低，其中單位供水成本與全國其它地區(qū)相比相對(duì)偏低，這一方面是因?yàn)樵搮^(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低;另一方面，為鼓勵(lì)本區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，第二三產(chǎn)業(yè)的水價(jià)定值略低一些，以促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

另外，由于地下水的供水成本相對(duì)比地表水低得多，加之地下水水質(zhì)較好，因而各單位都傾向于多用自備井開采地下水，產(chǎn)業(yè)用水類型的趨向?qū)刂频叵滤_采量是不利的，同時(shí)也造成了供水價(jià)格較難控制。后期應(yīng)采取措施提高部分供水價(jià)格以提高供水效率，減少水資源浪費(fèi)。

5.3 高、中、低方案比較分析

從低方案到高方案，考慮節(jié)水技術(shù)的進(jìn)步和用水效率的提高，對(duì)各用水單元的用水配額逐漸減少，配水總量從1.21億m3遞減到1.09億m3，可有效緩解研究區(qū)用水壓力，有利于當(dāng)?shù)厮Y源的良性循環(huán)。同時(shí)，考慮到地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和節(jié)水需要，供水成本價(jià)格相對(duì)提高，在總用水量相對(duì)減少的情況下，總供水費(fèi)用相對(duì)提高，年用水成本從 266.54萬元提高到403.96萬元，如果用水效率提高到相應(yīng)水平同時(shí)經(jīng)濟(jì)條件允許，則選取高方案是明智之舉。

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