朱文靜

(新疆維吾爾自治區(qū)水文局水文實(shí)驗(yàn)站，新疆 烏魯木齊 830000)

近年來干旱區(qū)流域水循環(huán)過程和生態(tài)格局發(fā)生嚴(yán)重變化，造成了干旱區(qū)流域水資源短缺和生態(tài)退化，特別是位于極度干旱的塔里木河下游地區(qū)。該區(qū)河道常年斷流、地下水位下降，導(dǎo)致土地荒漠化過程加劇，生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重受損[1]。為了緩解塔里木河下游河岸生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化，必須通過合理的水資源配置模式來保證下游的生態(tài)用水。本文基于水文學(xué)理論，構(gòu)建以缺水量最小為目標(biāo)的塔里木河干流水資源優(yōu)化配置模型，根據(jù)水資源優(yōu)化配置結(jié)果為塔里木河下游的生態(tài)輸水、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)及水資源高效利用提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域概況

塔里木河位于塔里木盆地北部，是我國最長的內(nèi)陸河。塔里木河干流西起阿克蘇河、葉爾羌河以及和田河三河匯合處，向東繞塔克拉瑪干沙漠北緣，最終流入其尾閭臺(tái)特瑪湖，全長1 321 km。目前，塔里木河干流中僅有阿克蘇河、葉爾羌河和和田河與地表水相連，其中阿克蘇河是塔里木河干流水量的主要補(bǔ)給來源，補(bǔ)給量占73.2%，和田河為23.2%，葉爾羌河只占3.6%[2]。降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，且源流用水量增加，進(jìn)入干流的水量減少，上中游耗水量的增大，致使塔里木河下游常年斷流，生態(tài)環(huán)境急劇惡化。

2 塔里木河干流水資源配置

本文對(duì)塔里木河干流不同來水頻率、不同規(guī)劃水平年、不同配置方案下的水資源利用做出了合理的優(yōu)化配置，得到了塔里木河干流從上游到下游的 6個(gè)主要控制斷面：阿拉爾、新渠滿、英巴扎、烏斯?jié)M、阿其克和恰拉的年內(nèi)水量配置過程。

2.1 各用水單元需水量及水資源配置方案設(shè)置

2.1.1 各用水單元需水量

1)工業(yè)生活需水量

由表1 知，現(xiàn)狀年 2020 年工業(yè)生活需水量為 0.16×108m3；規(guī)劃水平年2030年工業(yè)生活需水量為 0.4×108m3；規(guī)劃水平年2040年由于石油工業(yè)有高低方案之分，高方案的工業(yè)生活需水量為 1.484 5×108m3、低方案的工業(yè)生活需水量為1.093 7×108m3。

表1 塔里木河干流流域灌區(qū)生活工業(yè)需水量 104 m3

2)農(nóng)業(yè)灌溉需水量

各水平年農(nóng)業(yè)灌溉需水量計(jì)算見表2。

2.1.2 水資源配置方案設(shè)置

在塔里木河干流進(jìn)行水資源配置時(shí)，由于規(guī)劃水平年的不同、農(nóng)業(yè)灌溉高效節(jié)水規(guī)模的不同和石油高低方案的不同共設(shè)置了水資源配置的八種不同方案，具體如表3。

2.2 水資源配置模型建立

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

塔里木河流域水資源配置的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和水資源與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的良性循環(huán)，包括生態(tài)環(huán)境目標(biāo)、水資源利用目標(biāo)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)等。為了便于模型的建立和求解，將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題，并將其他目標(biāo)作為模型的約束。目標(biāo)函數(shù)有：

水量最小；

綜合利用效益最大；

非汛期生態(tài)供水量最大。

以缺水量最小為主模型，其它目標(biāo)作為模型約束條件。具體如下[3]：

P(gg)=∑i[que(i)>0]/(I+1)

(1)

式中：I為年數(shù)；J為以年為計(jì)算周期的月時(shí)段數(shù)；N為斷面區(qū)間數(shù)；Wgx(n，i，j)為斷面區(qū)間n在第i年j時(shí)段的需水量；Wg(n，i，j)為在第n年j時(shí)段供給斷面區(qū)間的水量；que(i)為第i年N個(gè)斷面區(qū)間的總?cè)彼?；P(gg)為灌溉保證率。

表2 干流段各區(qū)間不同水平年農(nóng)業(yè)需水量 104 m3

表3 水資源配置方案設(shè)置

2.2.2 約束條件

模型約束條件包括：水量平衡約束、水庫水量平衡約束、水庫庫容約束、灌溉供水約束、生態(tài)供水約束等，模型計(jì)算還包括了變量非負(fù)約束等。

流域水量平衡約束：

W來水(i，j)=W供水(i，j)+W損失(i，j)±W水庫供需水(i，j)

(2)

水庫水量平衡約束：

Vm(i，j+1)=Vm(i，j)+3600×[QVm(i，j)-QCm(i，j)]·Δt

(3)

式中：Vm(i，j)和Vm(i，j+1)分別為第 m 個(gè)水庫第 i 年第 j+1 時(shí)段與第 j 時(shí)段的水庫庫容；QVm(i，j)為第 m 個(gè)水庫第 i 年第 j 時(shí)段入庫流量；QCm(i，j)為第 m 個(gè)水庫第 i 年第 j時(shí)段出庫流量。

庫容約束：

Vmmin(j)≤Vm(i，j)≤Vmmax(j)

(4)

式中：Vmmin(j)和Vmmax(j)分別為第 m 個(gè)水庫第 i 年第 j 時(shí)段的上、下限庫容約束。

灌溉供水約束：

QGg(i)≤QGx(i)

(5)

式中：QGg(i)和QGx(i)分別為各節(jié)點(diǎn)灌溉供水之和、各節(jié)點(diǎn)灌溉需水之和。

生態(tài)供水約束：

QSx(i)≤QSg(i)

(6)

式中：QSg(i)和QSx(i)分別為生態(tài)供水和生態(tài)需水。

2.3 水資源優(yōu)化配置模型求解及結(jié)果

2.3.1 河道外生態(tài)供水量求解

河道外生態(tài)需水主要集中在 7、8、9三個(gè)月，采用模擬優(yōu)化人機(jī)對(duì)話算法對(duì)塔里木河干流的河道外生態(tài)供水量進(jìn)行求解，方法如下：

(7)

式中：W(i)總代表第 i 年由塔里木河干流向河道外供給的生態(tài)水量；LQK1(i，j)代表第 i年 j 時(shí)段的來水量，X、Y、Z 分別表示 7、8、9 三個(gè)月各月的供水比例，L 表示河道外生態(tài)供水比例。每年的 7、8、9 三個(gè)月塔里木河干流都會(huì)向河道外供給一部分生態(tài)用水，限定 X、Y、Z 的步長取值為 0.1，從而得到最優(yōu)供水比例。

2.3.2 水資源優(yōu)化配置結(jié)果

通過配置模型分析得到，2020 現(xiàn)狀年水平下，農(nóng)業(yè)灌溉保證率達(dá)到 53%～74%，灌區(qū)平均缺水量達(dá)到0.497 億m3；河道外生態(tài)供水保證率只有32%～45%；生態(tài)基流保證率為 68%～81%；大西海子水庫平均下泄生態(tài)水量 2.99億 m3，配置指標(biāo)見表4。

表4 現(xiàn)狀年各項(xiàng)指標(biāo)完成情況

表4可以得到按照現(xiàn)狀年的水資源配置模式，灌區(qū)農(nóng)業(yè)、河道外生態(tài)、生態(tài)基流和大西海子下泄水量均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

規(guī)劃水平年 2030 年，塔里木河流域地下水可開采量 1.075 2億 m3，農(nóng)業(yè)地下水量為 0.742 6億 m3；恰拉斷面以上流域農(nóng)業(yè)總需水量7.67億 m3，河道外生態(tài)需水量 21.32億 m3；恰拉斷面以下農(nóng)二師需要 4.5億 m3灌溉用水，河道外生態(tài)需水 1.04億 m3，大西海子多年平均3.5億 m3生態(tài)水。以上資料帶入模型得到結(jié)果(取多年平均值)見表5。

表5 規(guī)劃水平年 2030 年流域水資源配置結(jié)果

由表5多年平均配置結(jié)果可以看到：

(1)大西海子水庫平均下泄水量達(dá)到了3.502億 m3的配置要求；

(2)河道外生態(tài)供水保證率大于 50%，滿足設(shè)計(jì)要求；

(3)生態(tài)基流保證率滿足 90%的設(shè)計(jì)要求；

(4)各灌區(qū)農(nóng)業(yè)保證率滿足 75%的設(shè)計(jì)要求。

規(guī)劃水平年 2040 年，塔里木河干流流域地下水可開采量 1.075 2億 m3，2040 年工業(yè)需水量高方案 1.48億 m3和低方案 1.09億 m3均超過地下水可開采量。恰拉斷面以上流域農(nóng)業(yè)總需水量 6.52億 m3，河道外生態(tài)需水量 21.32億 m3；恰拉斷面以下流域農(nóng)二師需要 4.5億 m3灌溉用水，河道外生態(tài)需水 1.04億 m3，大西海子多年平均3.5億 m3生態(tài)水。計(jì)算所得結(jié)果見表6。

表6 規(guī)劃水平年 2040 年流域水資源配置結(jié)果

由表6多年平均配置結(jié)果可以看到：

(1)大西海子水庫平均下泄水量達(dá)到了 3.502 億 m3的配置要求；

(2)河道外生態(tài)供水保證率均大于 50%，滿足設(shè)計(jì)要求；

(3)生態(tài)基流保證率為 92%～96.2%，高于設(shè)計(jì)要求 90%；

(4)各灌區(qū)農(nóng)業(yè)保證率為 72%～86.8%，高于設(shè)計(jì)要求 75%。

3 結(jié)語

本文以塔里木河下游流域?yàn)檠芯繉?duì)象，使用斷面的水文、氣象、地形、河道水位等資料，采用模型算法對(duì)塔里木河干流進(jìn)行了水資源的優(yōu)化配置，得到規(guī)劃水平年 2030年50%來水頻率下灌溉供水控制總量為 12.17 億 m3，生態(tài)供水控制總量為 23.43億 m3，大西海子斷面下泄生態(tài)水量為 3.502億 m3。規(guī)劃水平年 2040年50%來水頻率下灌溉供水控制總量為 11.02億 m3，生態(tài)供水控制總量為 23.65億 m3，大西海子斷面下泄生態(tài)水量為 3.503億 m3。灌溉、生態(tài)及大西海子下泄均滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)果為相關(guān)設(shè)計(jì)研究提供了一定參考，對(duì)于地區(qū)水文計(jì)算具有重要意義。