(新疆塔里木河流域管理局， 新疆 庫爾勒 841000)

基于WEAP模型的葉爾羌河流域需水量模擬※

周海鷹

(新疆塔里木河流域管理局， 新疆 庫爾勒 841000)

本文以葉爾羌河流域為研究對象，基于WEAP模型對流域現(xiàn)狀需水量進行了模擬。結(jié)果表明：干旱年，研究區(qū)總需水量為60.71億m3，缺水10.597億m3； 重度干旱年，總需水量為56.559億m3，缺水14.749億m3； 極端干旱年，總需水量為55.164億m3，缺水16.143億m3。造成缺水的主要原因是：河川徑流年內(nèi)年際分配不均，缺乏山區(qū)控制性水利工程，平原水庫蒸發(fā)，滲漏損失較大及河道沿程損失大。研究結(jié)果為該流域水資源的可持續(xù)利用提供了科學(xué)依據(jù)。

水資源配置； WEAP模型； 需水量計算； 葉爾羌河流域

1 引 言

需水量的模擬與預(yù)測是掌握區(qū)域需水規(guī)律及特征的重要手段[1]，在水資源規(guī)劃、水資源系統(tǒng)模擬、供水風(fēng)險分析等方面廣泛應(yīng)用[2]。許多發(fā)達國家從20世紀60年代就開始重視對國民經(jīng)濟各部門需水量的預(yù)測，我國從20世紀80年代末開始對需水量預(yù)測進行了深入研究[3]。目前常用的預(yù)測方法主要有趨勢分析法、時間序列法、定額法以及回歸分析法[4]等，為了減少不確定性，一些非線性理論，如灰色系統(tǒng)理論、混沌理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波理論等[5-6]被引入到需水量模擬中。

本文以WEAP(water evaluation and planning system) 理論為基礎(chǔ)，以葉爾羌河流域為研究對象，對流域現(xiàn)狀需水量進行模擬，以期實現(xiàn)流域水資源的優(yōu)化調(diào)配。

2 WEAP模型介紹

WEAP模型是由瑞典斯德哥爾摩環(huán)境研究所開發(fā)的將供水、水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)保護背景之下考慮水資源開發(fā)的綜合模型[7-8]。模型以月為時間步長計算系統(tǒng)中“節(jié)點”和“連接”的水量和污染物的質(zhì)量平衡。近年來，WEAP系統(tǒng)已廣泛用于流域未來水資源供需平衡評估和氣候、決策驅(qū)動的水資源管理情景分析等。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成要素

WEAP模型基于水資源系統(tǒng)節(jié)點對水資源利用情況進行規(guī)劃和管理。它主要由12個要素組成，分別為：需求點、集水盆地、水庫、地下水、河流、分流、輸送連接、回流、流量要求、流量測站、過水河流發(fā)電、廢水處理廠，通過對它們的組合連接，實現(xiàn)對水資源系統(tǒng)的模擬[9]。

2.2 模型運算流程

2.2.1 系統(tǒng)定義

主要包括以下內(nèi)容[10]：

a.設(shè)置時間跨度。主要包括時間范圍、時間步長和水文年起始。

b.設(shè)置空間界限。主要包括研究區(qū)域所在的地理范圍。

c.建立水資源系統(tǒng)概化節(jié)點網(wǎng)絡(luò)圖。

2.2.2 現(xiàn)狀基準設(shè)置

現(xiàn)狀基準是對現(xiàn)狀基準年的水資源系統(tǒng)數(shù)據(jù)和運行情況的準確描述，主要包括研究的第一年逐月的供給和需求數(shù)據(jù)的詳細說明。模型通過現(xiàn)狀基準年的詳細數(shù)據(jù)，預(yù)設(shè)模型參數(shù)。

2.2.3 情景預(yù)案設(shè)計

情景預(yù)案設(shè)計是WEAP模型的核心，WEAP模型可以生成并比較預(yù)案，以評價不同情景預(yù)案的需水、成本和環(huán)境影響。如：人口增長和經(jīng)濟發(fā)展模式發(fā)生變化，需水量會發(fā)生多大變化？若大量開發(fā)利用地下水，水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境會發(fā)生怎么樣變化？實施高效的節(jié)水灌溉技術(shù)后，生產(chǎn)成本、產(chǎn)量與需水量間關(guān)系會發(fā)生什么變化？產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)作物構(gòu)成發(fā)生變化時，土地利用方式及生態(tài)環(huán)境會如何變化？

2.3 運算法則

WEAP模型采用線性規(guī)劃方法求解能最大化滿足需求點的最優(yōu)解，以月為間隔計算系統(tǒng)中每個節(jié)點和連接的水和污染物質(zhì)量平衡，受需求優(yōu)先順序、供給擇優(yōu)順序、質(zhì)量平衡和其他限制約束。

WEAP模型均以月為時間間隔(步長)運算，從現(xiàn)狀基準年的第一個月計算到預(yù)案最后一年的最后一個月，每個月都獨立于前面的一個月。因此，在一個月中，所有進入系統(tǒng)的水(如源頭來水、地下水補給、河道徑流)或者儲存在潛水層或水庫中、或者在月末之前離開系統(tǒng)(例如：河流末端的出流、需求點消耗、水庫或河段蒸發(fā)、輸送及回流損失)。由于時間尺度相對較長(月)，所有流量被假定瞬時出現(xiàn)。因此，一個需求點可以從河流取水，消耗一部分，將其余部分返回到廢水處理廠加以處理或返回到河流。該回流可為下游需求點在同一個月所用。

每個月計算遵循以下步驟：

a.需求點和流量要求的年需求和月供給要求。

b.集水盆地徑流和下滲，假定沒有灌溉入流。

c.系統(tǒng)中每個節(jié)點和連接的水的入流和出流，這包括計算從供水水源取水以滿足需求和分派水庫存水。該步驟由線性規(guī)劃(LP)求解，試圖優(yōu)化需求點和河道內(nèi)流量要求滿足度，受需求優(yōu)先順序、供給擇優(yōu)順序、質(zhì)量平衡和其他限制。

d.需求點產(chǎn)生的污染物，污染物的量和處理，受體水體負荷，河流中濃度。

e.水力發(fā)電。

f.資本和運行成本及收入。

2.3.1 連接規(guī)則

在WEAP模型中，需求點按需求優(yōu)先順序和供給擇優(yōu)順序配水。

2.3.2 質(zhì)量平衡約束

質(zhì)量平衡方程是WEAP模型中水的月收支計算的基礎(chǔ)，質(zhì)量平衡按式(1)計算：

∑QZI=∑QZO-∑QZX

(1)

式中QZI——月總?cè)肓?m3/s；

QZO——月總出流,m3/s；

QZX——月總消耗,m3/s。

2.3.3 滿足度

滿足度是指需求被滿足的百分比，是為每個需求點生成的一個新的線性規(guī)劃變量。WEAP模型的目標是最大化所有需求點的滿足度。在沒有足夠水量滿足優(yōu)先順序相同的所有需求時，WEAP模型以其需求的相同百分比滿足所有需求。計算式為

∑QI=QXSβ

(2)

式中QI——入流量，m3/s；

QXS——需水量，m3/s；

β——滿足度，%。

3 葉爾羌河流域的WEAP模型構(gòu)建

根據(jù)葉爾羌河流域內(nèi)水資源調(diào)配的實際，基于流域內(nèi)的水源條件和引用水關(guān)系，結(jié)合流域行政分區(qū)，將水資源系統(tǒng)中的主要要素、水源以及用戶進行概化，將研究區(qū)劃分為葉城、澤普、莎車、麥蓋提、巴楚、岳普湖和前海7個計算子分區(qū)，分區(qū)水源主要是河道水源、水庫水源和地下水源?？紤]到地表供水實際情況，將部分分區(qū)分開概化，得到葉爾羌河流域水資源系統(tǒng)概化圖，如下圖所示。

葉爾羌河流域灌區(qū)WEAP模型概化圖

葉爾羌河流域灌區(qū)共概化23個水庫、57個需求點、7個地下水和4條河流。

a.水庫：分別是保拉水庫、宗郎一二水庫(合并)、白來克其亞水庫、蘇蓋提水庫、桑水庫、米吉東水庫和墩巴克水庫(合并)、吉仁力瑪水庫、汗克爾水庫 、塔合其水庫、色里勿衣水庫、艾力西湖水庫、東方紅上下庫、邦克爾水庫、衛(wèi)星水庫、紅海子水庫、草龍水庫、蘇庫恰克水庫、小海子水庫、永安壩水庫和依干其水庫。

b.需求點：總計57個需求點，分別是葉城灌區(qū)1、葉城灌區(qū)2、澤普灌區(qū)、莎西灌區(qū)、莎東灌區(qū)1、莎東灌區(qū)2、麥西灌區(qū)、麥東灌區(qū)1、麥東灌區(qū)2、麥東灌區(qū)3、岳普湖灌區(qū)、巴楚北灌區(qū)、巴楚南灌區(qū)、前進灌區(qū)、小海子灌區(qū)、葉城城鄉(xiāng)、葉城工業(yè)、葉城牲畜1、葉城牲畜2、葉城漁業(yè)1、葉城漁業(yè)2、澤普城鄉(xiāng)、澤普工業(yè)、澤普牲畜、澤普漁業(yè)、莎車城鄉(xiāng)、莎車工業(yè)、莎西牲畜、莎西漁業(yè)、莎東牲畜1、莎東漁業(yè)1、莎東牲畜2、莎東漁業(yè)2、麥蓋提城鄉(xiāng)、麥蓋提工業(yè)、麥西牲畜、麥西漁業(yè)、麥東牲畜1、麥東漁業(yè)1、麥東牲畜3、麥東漁業(yè)3、岳普湖城鄉(xiāng)、岳普湖工業(yè)、岳普湖牲畜、岳普湖漁業(yè)、巴楚城鄉(xiāng)、巴楚工業(yè)、巴楚北牲畜、巴楚北漁業(yè)、巴楚南牲畜、巴楚南漁業(yè)、農(nóng)三師、前海工業(yè)、前進牲畜、前進漁業(yè)、小海子牲畜和小海子漁業(yè)。

c.地下水：7個地下水分別是葉城地下水、澤普地下水、莎車地下水、麥蓋提地下水、岳普湖地下水、巴楚地下水和前海地下水(各地下水節(jié)點用來儲存對應(yīng)灌區(qū)內(nèi)的水庫、河道、渠系滲漏水量)。

d.河流：4條河流分別是葉爾羌河、提孜那甫河、柯克亞河和烏魯克河。

用水關(guān)系根據(jù)水資源供給現(xiàn)狀進行概化。模型的輸入包括需水量、入流量和有關(guān)參數(shù)，其中需水量包括農(nóng)業(yè)、城鄉(xiāng)、工業(yè)、牲畜、漁業(yè)需水量；入流量包括河流來水量；有關(guān)參數(shù)包括水庫庫容、河道損失、供給優(yōu)先順序等。

3.1 河流來水量

河流來水量指的是在不同干旱等級下進入研究區(qū)的水量，見表1。

表1 葉爾羌河流域不同干旱等級下的月河道來水量

3.2 需求點概化

葉爾羌河流域分為葉城灌區(qū)、澤普灌區(qū)、莎車灌區(qū)、麥蓋提灌區(qū)、麥東灌區(qū)1、岳普湖灌區(qū)、巴楚灌區(qū)、前海灌區(qū)。

各灌區(qū)包含若干需求點，為方便模型運行和考慮實際情況，將莎車灌區(qū)，麥蓋提灌區(qū)，巴楚灌區(qū)和前海灌區(qū)分別分成莎西灌區(qū)、莎東灌區(qū)1、莎東灌區(qū)2，麥西灌區(qū)、麥東灌區(qū)1、麥東灌區(qū)2、麥東灌區(qū)3，巴楚北灌區(qū)、巴楚南灌區(qū)，前進灌區(qū)、小海子灌區(qū)。

4 結(jié)果及分析

4.1 基準年模擬結(jié)果

WEAP模型運行結(jié)果見表2。

由表2可知，現(xiàn)狀年(2012年)葉爾羌河流域總需水量為71.31億m3，通過模型對不同干旱等級水資源供需計算得：干旱年，灌區(qū)全年總供水量為60.71億m3，缺水10.597億m3，開采地下水10.22億m3(含泉水1.605億m3)；重度干旱年，灌區(qū)全年總供水量為56.559億m3，缺水14.749億m3，開采地下水10.22億m3(含泉水1.605億m3)；在極端干旱年，灌區(qū)全年總供水量為55.164億m3，缺水16.143億m3，開采地下水10.22億m3(含泉水1.605億m3)。

表2 不同干旱等級下葉爾羌河流域供需平衡模擬成果

4.2 結(jié)果分析

從水資源供需分析結(jié)果可知，研究區(qū)現(xiàn)狀年干旱情況下缺水較為嚴重，不同干旱等級下的缺水量分別為10.597億m3、14.749億m3和16.143億m3，分別占總需水量的14.86%、20.68%和22.64%。缺水主要集中在春季3—6月，為農(nóng)業(yè)灌溉季節(jié)性缺水。

通過分析，其主要原因如下：

a.葉爾羌河徑流年內(nèi)分配不均，干旱年來水總量極小，現(xiàn)狀又缺乏山區(qū)控制性水庫，干流和支流來水得不到有效調(diào)控，汛期水量得不到充分利用，造成春季農(nóng)業(yè)灌溉嚴重缺水。

b.平原水庫蒸發(fā)、滲漏損失較大。研究區(qū)平原水庫多年水庫損失為2.3億m3，約占水庫需水總量的30%左右，成為流域內(nèi)缺水的一個重要原因。

c.河道損失水量很大。在不同干旱等級下，葉爾羌河和提孜那甫河的天然來水總量分別為63.365億m3、56.638億m3和53.855億m3，但在扣除河道損失后，灌區(qū)內(nèi)的供水量僅有51.758億m3、46.135億m3和44.364億m3，沿程損失水量分別達11.607億m3、10.503億m3和9.491億m3，全年河道損失水量占河道來水量的18%。

5 結(jié) 論

本文基于WEAP模型對葉爾羌河流域現(xiàn)狀水量配置進行了模擬，結(jié)果表明，不同干旱等級下研究區(qū)均存在缺水現(xiàn)象。缺水主要集中在春季3—6月，為農(nóng)業(yè)灌溉季節(jié)性缺水。造成缺水的主要原因是河川徑流年內(nèi)、年際分配不勻，缺乏山區(qū)控制性水利工程，平原水庫蒸發(fā)、滲漏損失較大及河道沿程損失大。

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WaterdemandsimulationofYarkantRiverbasinbasedonWEAPmodel※

ZHOU Haiying

(XinjiangTarimRiverBasinAdministration,Korla841000,China)

In the paper, Yarkant River basin is adopted as a research object for simulating river basin current (2012) water demand on the basis of WEAP model. The results show that total water demand in the study area is 6.071 billion m3during drought year, and water deficiency is 1.0597 billion m3. Total water demand was 5.6559 billion m3in the severe drought year, and water deficiency is 1.4749 billion m3. Total water demand is 5.516.4 billion m3in extreme drought year, and water deficiency is 1.6143 billion m3. The main reason for the water shortage is shown as follows: uneven interannual distribution in the river runoff year, no controllable water conservancy project in mountainous area, evaporation of plain reservoir, great leakage loss and large loss along the river. The research results provide scientific basis for sustainable utilization of water resources in the river basin.

water resources allocation; WEAP model; calculation of water demand; Yarkant River basin

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.12.004

水利部公益行業(yè)科研專項經(jīng)費(201501059)資助

TV214

A

2096-0131(2017)12-0012-05