，， ， ，

(石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000)

新疆山區(qū)水庫參與調度后平原水庫廢棄可行性分析

張少博，何新林，劉兵，彭飛，張葉

(石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000)

新疆山區(qū)水庫參與調度后部分平原水庫可不再承擔原有任務，使平原水庫廢棄成為可能。以瑪納斯河灌區(qū)夾河子水庫為例，對比分析夾河子水庫廢棄前后灌區(qū)種植業(yè)與水庫群聯(lián)合調度方案的變化，確定平原水庫廢棄的可行性及對灌區(qū)種植業(yè)與水庫群聯(lián)合調度等的影響。結果表明：夾河子水庫廢棄可以降低水庫群年蒸發(fā)(980.9萬～1 884.0萬m3)與滲漏(135.7萬～878.2萬m3)損失；豐水年與平水年增加水庫群棄水量(分別增加3 474.4萬,1 360.1萬m3)，枯水年減少棄水量(2 140.1萬m3)；顯著提高灌區(qū)種植業(yè)產(chǎn)值(30.8%～43.9%)與種植面積(17.4%～29.9%)。故山區(qū)水庫參與調度后夾河子水庫廢棄可行，而新疆其他類似地區(qū)也可以有選擇地廢棄部分水深淺、庫容小、安全狀態(tài)差的平原水庫。

新疆；平原水庫廢棄；種植業(yè)；水庫群聯(lián)合調度；瑪納斯河灌區(qū)

1 研究背景

新疆自治區(qū)成立后，為充分利用水資源，新疆興建了500多座水庫(平原水庫超過90%)，總庫容達到60億m3，有力促進了自治區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)濟發(fā)展[1]。但由于經(jīng)濟與技術條件限制，許多水庫在修建時未按設計要求施工，部分水庫運行時險情高發(fā)，危及灌區(qū)安全[2]。同時，平原水庫水深淺、水面面積寬廣、蒸發(fā)滲漏損失嚴重，導致灌區(qū)水資源利用效率偏低[2]。近年來，新疆加快了山區(qū)水庫的興建工作,而平原水庫由于興建較早，管理不善，大多面臨老化失修的問題。山區(qū)水庫興建后平原水庫作用降低，平原部分水庫廢棄成為可能。水庫廢棄是其生命周期中一個重要階段，是在水庫病險老化、功能喪失、經(jīng)濟效益衰退等因素作用下的必然結果。楊孟[3]曾經(jīng)采用網(wǎng)絡分析方法研究了安徽黑洼水庫的廢棄可能;黃海真等[4]也對黑河流域黃藏寺水利樞紐替代平原水庫的環(huán)境影響進行了研究。

新疆水庫功能通常以防洪、灌溉為主，發(fā)電無條件服從于防洪與灌溉，水庫群聯(lián)合調度服從灌區(qū)水資源優(yōu)化配置需求。20世紀90年代，聯(lián)合國出版了《水與可持續(xù)發(fā)展準則：原理與政策方案》一書，標志著水資源優(yōu)化配置發(fā)展進入了一個相對成熟的階段[5]。近年來，粒子群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡、博弈論等也被大量應用于水資源優(yōu)化配置方面[6-13]。

本文通過構建瑪納斯河灌區(qū)(簡稱“瑪河灌區(qū)”)水資源優(yōu)化配置模型,分析夾河子水庫廢棄對灌區(qū)種植業(yè)與水庫群聯(lián)合調度的影響。模型采用系統(tǒng)分解與逐步逼近的思路，將水資源優(yōu)化配置分解為灌區(qū)種植結構優(yōu)化與水庫群聯(lián)合調度優(yōu)化2部分，采用成熟穩(wěn)定的MatLab優(yōu)化工具箱求解以保證求解精度。通過對比分析平原水庫廢棄前后灌區(qū)種植業(yè)與水庫群聯(lián)合調度方案的變化，確定山區(qū)水庫參與調度后平原水庫廢棄的可行性以及對灌區(qū)種植業(yè)與水庫群聯(lián)合調度等的影響，同時也為新疆其他類似地區(qū)提供合理參考。

2 研究區(qū)概況

新疆瑪納斯河發(fā)源于天山北麓中段43號冰川，干流全長324 km(河源至小拐)，年平均徑流量為12.61億m3[14]，出山口處建有肯斯瓦特水文站(86°05′E,43°59′N)，海拔940.0 m?，敽庸鄥^(qū)下設石河子灌區(qū)、下野地灌區(qū)、莫索灣灌區(qū)3個子灌區(qū)(如圖1、表1)，現(xiàn)有水庫5座(如表2所示)。水庫中肯斯瓦特水庫為山區(qū)水庫，承擔灌區(qū)主要防洪任務，兼顧灌溉與發(fā)電；平原水庫中蘑菇湖水庫、躍進水庫分別承擔下野地、莫索灣灌區(qū)主要灌溉供水任務，大泉溝水庫承擔下野地灌區(qū)供水小流量調節(jié)任務，夾河子水庫主要用于平衡下野地灌區(qū)和莫索灣灌區(qū)用水需求。由表2及水庫所承擔任務可知，蘑菇湖水庫與躍進水庫均承擔主要灌溉任務，且水庫庫容大、淤積庫容小，不可能廢棄；大泉溝水庫庫容雖小，調節(jié)能力有限，但水庫是石河子地區(qū)著名旅游景區(qū)，同時承擔著漁業(yè)養(yǎng)殖的任務，且水庫大壩狀態(tài)良好，淤積庫容小，有效庫容高于夾河子水庫，也不宜廢棄；夾河子水庫淤積嚴重，有效庫容最小，且水庫大壩屬于Ⅲ類壩，險情多發(fā)，而其承擔的防洪與灌溉調節(jié)任務由肯斯瓦特水庫實現(xiàn)，故可作為合理的廢棄選擇。

圖1 瑪河灌區(qū)子灌區(qū)劃分與水系分布Fig.1 Sub-irrigations in Manasi RiverIrrigation Area

表1 瑪河灌區(qū)各子灌區(qū)劃分情況Table 1 Scope and area of sub-irrigations inManasi River Irrigation Area

表2 瑪河灌區(qū)水庫庫容Table 2 Storage capacities of reservoirs in ManasiRiver Irrigation Area

3 研究區(qū)水資源優(yōu)化配置模型構建與求解

由于瑪河灌區(qū)水庫群主要任務為灌區(qū)的防洪與灌溉，灌區(qū)內(nèi)工業(yè)、生活、市政供水等不足總供量的5%，故本研究以灌區(qū)種植業(yè)經(jīng)濟產(chǎn)值為主要目標，以灌區(qū)防洪，工業(yè)、生活、市政、生態(tài)等供水，水工建筑物安全等為約束，依據(jù)灌區(qū)內(nèi)子灌區(qū)劃分與水系分布建立灌區(qū)水資源優(yōu)化配置模型,如圖2所示，并依據(jù)圖2構建數(shù)學模型。

圖2 瑪河灌區(qū)水資源優(yōu)化配置模型Fig.2 Model of optimized water resources allocation in Manasi River Irrigation Area

3.1 目標函數(shù)

數(shù)學模型的目標函數(shù)為

(1)

式中：I為灌區(qū)種植業(yè)產(chǎn)值；Si,j為第i子灌區(qū)第j作物種植面積；Pi,j為第i子灌區(qū)第j作物單位面積產(chǎn)值；n為作物種類數(shù)。

3.2 約束條件

(1) 第i子灌區(qū)第j作物種植面積約束條件為

Si,j,min≤Si,j≤Si,j,max。

(2)

式中Si,j,min和Si,j,max分別為第i子灌區(qū)第j作物種植面積下限和上限。

(2) 第i子灌區(qū)種植面積約束條件為

Si,min≤Si≤Si,max。

(3)

式中：Si為第i子灌區(qū)種植面積；Si,min和Si,max分別為第i子灌區(qū)種植面積下限和上限。

(3) 第i子灌區(qū)產(chǎn)值約束條件為

(4)

式中：Ii,min為第i子灌區(qū)種植業(yè)產(chǎn)值下限；Ii為第i子灌區(qū)種植業(yè)產(chǎn)值。

(4) 第i子灌區(qū)第k月供水量約束條件為

Vi,k,ir,ne+Vi,k,ot,ne≤Vi,k,ca,pr+Vi,k,gw,pr+Vi,k,ot,pr。

(5)

式中：Vi,k,ir,ne為第i子灌區(qū)第k月灌溉需水；Vi,k,ot,ne為第i子灌區(qū)第k月其他需水(工業(yè)、生活、市政等)；Vi,k,ca,pr為第i子灌區(qū)第k月渠系供水；Vi,k,gw,pr為第i子灌區(qū)第k月地下水開采量；Vi,k,ot,pr為第i子灌區(qū)第k月其他可利用水量。

(5) 第i子灌區(qū)第k月地下水開采量約束條件為

Vi,k,gw,pr,min≤Vi,k,gw,pr≤Vi,k,gw,pr,max。

(6)

式中Vi,k,gw,pr,min和Vi,k,gw,pr,max分別為第i子灌區(qū)第k月地下水開采量下限和上限。

(6) 第i子灌區(qū)地下水年開采總量約束條件為

(7)

式中Vi,gw,pr,max為第i子灌區(qū)地下水年開采量上限。

(7) 第k月夾河子水庫下游瑪河河道生態(tài)需水約束條件為

Vk,ne≤Vk,pr。

(8)

式中：Vk,ne為第k月生態(tài)需水量；Vk,pr為第k月生態(tài)供水量。

(8) 第i分匯水點水量平衡約束條件為

(9)

式中：Vj,k,in為流向第i分匯水點的第j渠道第k月輸水量；ηj為第j渠道水利用系數(shù)；Vj,k,ou為流出第i分匯水點的第j渠道第k月輸水量。

(9) 第i水庫第k月水量平衡約束條件為

Vi,k-1+Vi,k,ca,in+Vi,k,ot,in-Vi,k,ev-

Vi,k,le-Vi,k,ca,ou=Vi,k。

(10)

式中：Vi,k-1為第i水庫第k-1月末蓄水量；Vi,k,ca,in為第i水庫第k月渠道入庫水量；Vi,k,ot,in為第i水庫第k月其他入庫水量；Vi,k,ev為第i水庫第k月蒸發(fā)損失；Vi,k,le為第i水庫第k月滲漏損失；Vi,k,ca,ou為第i水庫第k月渠道出庫水量；Vi,k為第i水庫第k月末蓄水量。

(10) 第i水庫蓄水上下限約束條件為

Vi,k,min≤Vi,k≤Vi,k,max。

(11)

式中Vi,k,min和Vi,k,max分別為第i水庫第k月蓄水下限和上限。

(11) 第j渠道輸水能力約束條件為

0≤Vj,k≤Vj,k,max。

(12)

式中：Vj,k為第j渠道第k月輸水量；Vj,k,max為第j渠道第k月允許最大輸水量。

(12) 非負約束條件為

0≤x。

(13)

式中x代表模型中所有物理量。

3.3 水庫蒸發(fā)、滲漏損失估算

(1) 第i水庫第k月蒸發(fā)損失可由式(14)計算。

Vi,k,ev=Ei,kSi,k。

(14)

式中：Ei,k為第i水庫第k月水面蒸發(fā)量；Si,k為第i水庫第k月月平均水面面積。

(2) 第i水庫第k月滲漏損失可由式(15)計算。

Vi,k,le=αi,k(Vi,k-1+Vi,k)/2 。

(15)

式中αi,k為第i水庫第k月滲漏系數(shù)。

3.4 模型求解

模型首先以灌區(qū)作物種植面積、總種植面積、渠道輸水能力為約束條件，利用線性優(yōu)化方法確定在不考慮供水能力的條件下灌區(qū)種植業(yè)產(chǎn)值上限(Imax)與下限(Imin)。然后依次賦值總灌區(qū)種植業(yè)產(chǎn)值為Imin+n×0.1×(Imax-Imin)(n=1,2,…,10)，利用多目標達到算法確定灌區(qū)產(chǎn)值等于既定產(chǎn)值且各子灌區(qū)各月份作物需水量最小時灌區(qū)作物種植結構，以此計算各子灌區(qū)各月份種植業(yè)需水量。最后以生態(tài)供水、子灌區(qū)地下水開采量、地下水年開采總量、夾河子水庫下游瑪河河道生態(tài)需水、灌區(qū)供水量、分匯水點水量平衡、水庫水量平衡、水庫蓄水上下限、渠道輸水能力等為約束條件，以灌區(qū)水量損失最小為目標函數(shù)采用非線性優(yōu)化算法從1—12月份逐月進行水庫群優(yōu)化調度，如果到12月份仍然能夠滿足所有限制條件，則優(yōu)化成功并增加產(chǎn)值再次優(yōu)化，否則將調整步長修改為原來的0.1倍后再進行優(yōu)化。如此進行直至產(chǎn)值步長低于0.000 1×(Imax-Imin)(此時產(chǎn)值誤差已在容許范圍內(nèi))時退出優(yōu)化過程，完成模型求解工作。模型求解流程如圖3所示。

圖3 水資源優(yōu)化配置模型求解流程Fig.3 Flowchart of the optimization model of water resources allocation

4 結果分析

研究利用肯斯瓦特水文站1957—2012年逐月徑流數(shù)據(jù)通過P-Ⅲ曲線確定來水頻率P分別為25%，50%，75%時肯斯瓦特水文站月徑流過程，同時為考慮洪水年水庫群調度能力，選擇年徑流總量最高的1999年徑流過程(P=0.87%)作為洪水代表年，各水平年及洪水代表年流量過程如表3所示。

表3 洪水代表年及水平年月徑流量過程 Table 3 Monthly runoff processes at Kensiwatestation in typical flood year and hydrologicalyears of P=25%, P=50% and P=75% 108m3

由于肯斯瓦特水庫距離肯斯瓦特水文站僅有2.3 km，且水庫與水文站之間河道沒有支流匯入或水量分出，故可直接將水文站月徑流過程作為相應水平年肯斯瓦特水庫入庫徑流量輸入模型，進而分析夾河子水庫廢棄前后灌區(qū)種植業(yè)與水庫群聯(lián)合調度方案的變化。

4.1 水庫群蒸發(fā)、滲漏損失

運行模型可得P分別為25%,50%,75%時,夾河子水庫廢棄前后瑪河灌區(qū)不同種植業(yè)產(chǎn)值下的水資源優(yōu)化配置方案，從中提取P分別為25%, 50%, 75%時夾河子水庫廢棄前后水庫群蒸發(fā)、滲漏損失,如圖4所示。

圖4 夾河子水庫廢棄前后水庫群蒸發(fā)損失及滲漏損失對比Fig.4 Evaporation losses and leakage losses of the reservoir group before and after the abandonment of Jiahezi Reservoir

由圖4可知，夾河子水庫廢棄能夠顯著降低水庫群年蒸發(fā)損失，滲漏損失也有所降低但降幅較小。來水頻率P分別為25%，50%，75%時水庫群年蒸發(fā)損失降低幅度分別為980.9萬，1 596.9萬，1 884.0萬m3，降低比例分別為17.3%，27.9%，31.0%；滲漏損失削減量分別為135.7萬，628.7萬，878.2萬m3，削減比例分別為4.9%，21.3%，28.7%。這主要是因為夾河子水庫廢棄可以避免被迫在夾河子水庫蓄水并在較大程度上削減平原水庫群水面面積，進而減少水庫群蒸發(fā)、滲漏損失。

4.2 水庫群棄水量

水庫群年棄水量如表4所示。由表4可知，來水頻率P分別為25%，50%時夾河子水庫廢棄后水庫群年棄水量有所增加，增加幅度分別為3 474.4萬，1 361.0萬m3，這主要是因為夾河子水庫廢棄導致水庫群總庫容減小、調節(jié)能力下降。但P分別為25%，50%時,夾河子水庫廢棄后,灌區(qū)種植業(yè)最高產(chǎn)值與種植面積均已達到最高值，故此時水庫群棄水增加對灌區(qū)并無不利之處。同時，水庫群棄水直接進入夾河子水庫下游瑪河河道，有利于下游河道生態(tài)植被的恢復與灌區(qū)生態(tài)安全的良性維持。P=75%時，夾河子水庫廢棄可以顯著降低水庫群棄水量，降幅為2 140.1萬m3，有利于維持灌區(qū)種植業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。由于模型中設定夾河子水庫每年向水庫下游瑪河河道供應不低于肯斯瓦特站年徑流量的10%作為生態(tài)供水(現(xiàn)狀年基本不供水)，故水庫群棄水減少對下游河道生態(tài)植被影響并不嚴重。

表4 夾河子水庫廢棄前后水庫群年棄水量Table 4 Abandoned water amount of reservoirgroup before and after the abandonment ofJiahezi Reservoir 104m3

4.3 水庫年平均有效蓄水量

引入水庫有效蓄水量(Vef)為水庫實際蓄水量(Vac)與水庫死庫容(Vde)之差，即

Vef=Vac-Vde。

(16)

水庫群年平均有效蓄水量如表5所示。由表5可知，來水頻率P=25%時夾河子水庫廢棄后水庫群有效蓄水量增加了3 371.9萬m3，其中山區(qū)水庫和平原水庫群分別增加1 859.0萬,1 512.9萬m3，有利于增加山區(qū)水庫的發(fā)電效益以及水庫群聯(lián)合調度的靈活性；P=50%時夾河子水庫廢棄前后水庫群有效蓄水量變化不大，僅下降142.4萬m3；P=75%時夾河子水庫廢棄后水庫群有效蓄水量下降了1 869.0萬m3，其中山區(qū)水庫和平原水庫群分別下降了1 402.3萬,466.8萬m3，減少的水量主要用于增加灌區(qū)的種植面積，進而提高灌區(qū)種植業(yè)產(chǎn)值。

表5 夾河子水庫廢棄前后水庫年平均有效蓄水量Table 5 Annual effective storage of reservoir groupbefore and after the abandonment ofJiahezi Reservoir 104m3

4.4 灌區(qū)種植業(yè)最高產(chǎn)值與種植面積

灌區(qū)種植業(yè)最高產(chǎn)值與種植面積如表6所示。由表6可知，來水頻率P分別為50%，75%時夾河子水庫廢棄能顯著提高灌區(qū)種植業(yè)最高產(chǎn)值與種植面積，最高產(chǎn)值提升比例分別為30.8%，43.9%，最高種植面積提升比例分別為17.4%，29.9%。種植面積與產(chǎn)值的提高主要原因是夾河子水庫的廢棄可以在較大程度上降低水庫群蒸發(fā)、滲漏損失并解除夾河子水庫死庫容限制，提高水庫群聯(lián)合調度靈活性，增加灌區(qū)灌溉供水。由于灌區(qū)總耕地面積限制，且P=25%時夾河子水庫廢棄前就已經(jīng)達到最高產(chǎn)值與種植面積，故夾河子水庫廢棄并不能提高豐水年灌區(qū)種植業(yè)最高產(chǎn)值與種植面積。

表6 夾河子水庫廢棄前后灌區(qū)種植業(yè)最高產(chǎn)值與種植面積Table 6 Maximum output values and cultivated areas ofplanting industry in the irrigation area beforeand after the abandonment of Jiahezi Reservoir

5 結 論

綜合而言，夾河子水庫廢棄對灌區(qū)及水庫群影響如下：

(1)可以顯著降低水庫群年蒸發(fā)損失(980.9萬～1 884.0萬m3)，并削減一定的滲漏損失量(135.7～878.2萬m3)。

(2)豐水年與平水年可以增加水庫群棄水量(分別增加3 474.4萬,1 361.0萬m3)，有利于夾河子水庫下游瑪河河道生態(tài)恢復與灌區(qū)生態(tài)安全的良性維持，枯水年減少水庫群棄水量(2 140.1萬m3)，有利于維持灌區(qū)種植業(yè)經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展，對生態(tài)植被影響不大。

(3)豐水年可以增加水庫群有效蓄水量(3 371.9萬m3)，有利于增加山區(qū)水庫的發(fā)電效益以及水庫群聯(lián)合調度靈活性，平水年影響不大，枯水年則會減少有效蓄水量(1 869.0萬m3)。

(4) 平水年與枯水年可以顯著提高灌區(qū)種植業(yè)最高產(chǎn)值(分別提高30.8%,43.9%)與總種植面積(分別提高17.4%,29.9%)，豐水年由于灌區(qū)總耕地面積限制，無法提高最高產(chǎn)值與種植面積。

綜上所述，夾河子水庫廢棄有利于灌區(qū)種植業(yè)經(jīng)濟發(fā)展與水庫群的聯(lián)合調度，也有利于下游瑪河河道生態(tài)植被的恢復與灌區(qū)生態(tài)安全的良性維持。至于水庫群的防洪問題，肯斯瓦特水庫的建成使水庫群總庫容增加了1.8億m3，而廢棄夾河子水庫僅僅減少了0.35億m3，并且肯斯瓦特水庫位于瑪納斯河出山口位置，地理位置更有利于防洪，因此廢棄夾河子水庫不會對水庫群防洪造成不利影響。故山區(qū)肯斯瓦特水庫參與調度后，夾河子水庫可以予以廢棄。

就新疆地區(qū)而言，山區(qū)水庫參與調度前，灌區(qū)平原水庫群一般能夠滿足灌區(qū)防洪與灌溉需求，山區(qū)水庫參與調度后，部分平原水庫可不再承擔原有任務。因此，可以有選擇地廢棄部分水深淺、庫容小、安全狀態(tài)差的平原水庫以減少平原水庫群蒸發(fā)滲漏損失，解除水庫死庫容限制，提高水庫群聯(lián)合調度靈活性與灌區(qū)水資源利用效率。

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Feasibility of Abandoning Plain Reservoirs after the Operation ofMountain Reservoirs in Xinjiang

ZHANG Shao-bo,HE Xin-lin, LIU Bing, PENG Fei, ZHANG Ye

(College of Water Conservancy and Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China)

Abandoning some reservoirs in the plain region of Xinjiang becomes possible as they undertake no task any more after the operation of mountain reservoirs. With the Jiahezi Reservoir in Manasi River Irrigation Area in Xinjiang as a case study, we investigate the feasibility of abandoning Jiahezi reservoir and the influence of abandonment on planting industry and reservoir group scheduling by analyzing the changes in planting industry in the irrigation area and schemes of reservoir scheduling before and after the abandonment of the Jiahezi Reservoir. Results show that abandoning Jiahezi Reservoir would reduce annual evaporation loss (by 980.9×104～1884.0×104m3) and leakage loss (by 135.7×104～878.2×104m3) of the reservoir group; improve the water quantity abandoned by the reservoir group (by 3474.4×104and 1 360.1×104m3respectively) in high and normal flow years but reduce (by 2 140.1×104m3) in low flow years; significantly improve the output value of planting industry (by 30.8%～43.9%) and the cultivated area (by 17.4%～29.9%). Therefore, we conclude that the Jiahezi Reservoir can be abandoned after the operation of mountain reservoirs. Some other plain reservoirs of shallow water depth, small storage capacities and unsafe status in other similar areas in Xinjiang can also be abandoned.

Xinjiang; abandonment of plain reservoirs; planting industry; joint operation of reservoir group; Manasi River Irrigation area

2016-09-05；

2016-10-31

國家自然基金地區(qū)科學基金項目(51469028)；國家重點研發(fā)計劃水資源高效利用專項(2017YFC0404304)

張少博(1990-)，男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向為水文水資源。E-mail:1821428739@qq.com

劉 兵(1983-)，男，新疆石河子人，副教授，博士，研究方向為水資源開發(fā)利用與管理。E-mail:liub198306@163.com

10.11988/ckyyb.20160913

TV697.1

A

1001-5485(2018)01-0023-06

(編輯：陳 敏)