阿哈提·克力木，曾俁杰，劉德地

（1. 哈密市伊州區(qū)水管總站，新疆 哈密 839000； 2. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人口的快速增長(zhǎng)，社會(huì)對(duì)水資源的需求越來(lái)越大，對(duì)供水保證率的要求日益提升［1，2］。干旱區(qū)水資源稀缺，水資源系統(tǒng)承載能力不足，已經(jīng)成為制約其社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因子，在干旱區(qū)展開(kāi)合理水資源供需平衡分析已成為必然需求［3-5］。目前圍繞干旱區(qū)不同來(lái)水頻率下的水資源供需平衡分析已經(jīng)形成了大量研究。何英等［6］以水資源二次平衡理論為基礎(chǔ)，探求了烏魯木齊市在50%、75%、95%3 種來(lái)水頻率下水資源短缺情況。金菊良等［7］在計(jì)算不同來(lái)水頻率下可利用水資源量的基礎(chǔ)之上展開(kāi)水資源供需分析，評(píng)估了安徽省各市的抗旱能力。馬素英等［8］以河北省南水北調(diào)受水區(qū)為研究對(duì)象，分析了供受水區(qū)不同來(lái)水頻率組合下的水資源優(yōu)化調(diào)配方案，以保障區(qū)域供水安全。上述研究為干旱區(qū)的水資源供需平衡提供了技術(shù)支撐，為維持干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。然而，他們大多是聚焦于不同頻率下的來(lái)水對(duì)于干旱地區(qū)的水資源系統(tǒng)的影響，而欠缺對(duì)未來(lái)變化需水的考慮。而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，需水增長(zhǎng)迅速，僅僅考慮基于歷史社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的需水情景可能給水資源的規(guī)劃帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，預(yù)測(cè)不同規(guī)劃水年條件下的需水，對(duì)于保障干旱地區(qū)用水，指導(dǎo)干旱地區(qū)水資源合理規(guī)劃，具有十分重要的意義。目前已經(jīng)有不少研究，在干旱地區(qū)構(gòu)建了不同來(lái)水與需水組合情景，展開(kāi)了水資源供需平衡分析。Ouda 等［9］對(duì)比分析了沙特阿拉伯在3 種不同需水情景下的水資源供需平衡，為當(dāng)?shù)氐乃Y源規(guī)劃提供了技術(shù)支撐。劉晶等［10］基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，構(gòu)建了48 個(gè)需水情景和3 個(gè)再生水回用情景，圍繞義烏市2020-2050年水資源供需平衡展開(kāi)了分析。郭毅［11］采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)郁江流域不同頻率下的來(lái)水與不同節(jié)水模式下的需水進(jìn)行組合，探求了郁江流域的缺水情況。上述研究充分考慮了未來(lái)的需水情景，為當(dāng)?shù)氐乃Y源規(guī)劃提供了技術(shù)支撐。然而，他們常以天然歷史徑流為來(lái)水條件，缺少了對(duì)水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度的考慮，進(jìn)而增加了供水的風(fēng)險(xiǎn)。水資源配置，通過(guò)結(jié)合一系列工程措施與非工程措施，同時(shí)考慮了水庫(kù)端的運(yùn)行調(diào)度過(guò)程與用水端的配水用水過(guò)程，已經(jīng)成為了人類(lèi)管理水資源重要手段［12-15］。將水資源配置納入干旱區(qū)水資源供需平衡計(jì)算中是提高水資源利用效率的必然需求。

研究以新疆哈密市為例，采用定額法預(yù)測(cè)2030近景規(guī)劃水平年與2040 遠(yuǎn)景規(guī)劃水平年情景，在分析水資源系統(tǒng)供、用、耗、排基本環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)之上，采用IRAS 模型展開(kāi)了水資源合理配置，為保障研究區(qū)域用水安全，維持社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究方法

研究方法包含兩個(gè)模塊:需水預(yù)測(cè)模塊與水資源配置模塊。需水預(yù)測(cè)模塊以定額法為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)不同規(guī)劃水平年下各用水部門(mén)的需水量。水資源配置模塊以規(guī)劃水平年需水、歷史來(lái)水為輸入，在充分考慮水利工程與用水戶(hù)之間水力聯(lián)系的基礎(chǔ)之上，采用水資源配置模型展開(kāi)水資源合理配置。模型框架圖如圖1所示。

圖1 規(guī)劃水平年需水下水資源配置框架圖Fig.1 Framework for water resources allocation with water demand in planning year

1.1 需水預(yù)測(cè)模塊

需水可劃分為社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水與河道內(nèi)生態(tài)需水，其中社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水可根據(jù)用水部門(mén)進(jìn)一步劃分為生活需水、工業(yè)需水與農(nóng)業(yè)需水。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水采用定額法進(jìn)行預(yù)測(cè)［16］，具體步驟為:分析影響用水的主要因素發(fā)展趨勢(shì)，確定用水指標(biāo)及用水定額；根據(jù)用水定額和用水指標(biāo)（如人口或工業(yè)產(chǎn)值等）計(jì)算出規(guī)劃水平年的需水量。根據(jù)確定的用水戶(hù)分類(lèi)口徑，在分析各部門(mén)的用水影響因素（如人口、工業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值等）及用水定額的基礎(chǔ)上分別預(yù)測(cè)各部門(mén)的需水量?？傂杷考礊楦鞑糠种?。定額法計(jì)算公式如下:

河道內(nèi)生態(tài)需水采用Tennant 法進(jìn)行預(yù)測(cè)［17］，其計(jì)算公式如下:

1.2 水資源配置模塊

水資源配置模塊采用由康奈爾大學(xué)開(kāi)發(fā)的Interactive River-Aquifer Simulation（IRAS）模型。該模型因其建模靈活性好，模擬精度高，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛地應(yīng)用［18-20］。IRAS模型的原理圖如圖2所示。

圖2 IRAS模型流程圖［20］Fig.2 Framework for IRAS water resources allocation model

IRAS模型以概化的水資源系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，展開(kāi)水資源合理配置。其中用水節(jié)點(diǎn)與供水節(jié)點(diǎn)與直接與水資源系統(tǒng)的用水端與供水端相關(guān)聯(lián)，是水資源配置模型的計(jì)算核心［12］。

對(duì)于用水節(jié)點(diǎn)，當(dāng)用水戶(hù)的用水需求高于來(lái)水條件時(shí)，采用公式（3）、（4）計(jì)算用水戶(hù)的缺水量:

以水庫(kù)與用水戶(hù)之間的水力聯(lián)系為基礎(chǔ)，按照水資源配置公平性、有效性與可持續(xù)性原則，確定水庫(kù)對(duì)用水戶(hù)的供水比例，將用水戶(hù)的缺水分解，并加以累積，得到水庫(kù)的擬放水量:

圖3 IRAS模型水庫(kù)放水量計(jì)算示意圖Fig.3 Diagram for water release of reservoirs in the IRAS model

對(duì)于供水節(jié)點(diǎn)，水庫(kù)的放水量根據(jù)水庫(kù)實(shí)時(shí)庫(kù)容及其運(yùn)行調(diào)度規(guī)則確定，其線性插值計(jì)算公式為（6）～（12）:

2 哈密市伊州區(qū)水資源配置模型構(gòu)建

2.1 自然地理與水資源利用概況

哈密市伊州區(qū)位于新疆東部，地跨東天山南北，區(qū)域總面積8.08 萬(wàn)km2，東與甘肅省酒泉市為鄰，南接巴音郭楞蒙古自治州，西與昌吉回族自治州、吐魯番市毗鄰，北與巴里坤縣和伊吾縣接壤，設(shè)有國(guó)家一類(lèi)口岸—老爺廟口岸，是新疆與蒙古國(guó)發(fā)展邊貿(mào)的重要開(kāi)口岸之一，是哈密市政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心［21，22］。哈密市地理位置如圖4所示。

圖4 哈密市伊州區(qū)地理位置Fig.4 Location of Yizhou district in Hami city

哈密市伊州區(qū)位于典型的溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，干旱少雨，年平均降雨量36 mm，年均蒸發(fā)量3 000 mm，屬于典型的干旱地區(qū)。水資源總量少，且時(shí)空分布不均，是制約研究區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因子。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，研究區(qū)域內(nèi)的用水需求日漸增長(zhǎng)，且各行業(yè)用水保證率要求逐年提高，其水資源供需矛盾日益嚴(yán)峻。因此，在哈密市伊州區(qū)展開(kāi)需水預(yù)測(cè)，進(jìn)行合理水資源配置，對(duì)于保障當(dāng)?shù)毓┧?，進(jìn)而維持當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)健發(fā)展具有十分重要的意義。

2.2 模型輸入

2.2.1 水平年及計(jì)算步長(zhǎng)

以2021 年為基準(zhǔn)年，分別選取2030、2040 為近景、遠(yuǎn)景規(guī)劃水平年，計(jì)算步長(zhǎng)為月。

2.2.2 來(lái)水條件

研究區(qū)域可利用水資源量由地表水和地下水構(gòu)成。地表水的主要來(lái)源為天山南部的石城子河、四道溝、大小天生圈和2座中型和4座小一型水庫(kù)在內(nèi)的18條河流及坎兒井水，2020年供水量為1.022 億m3、2021 年為1.046 億m3。地下水的主要類(lèi)型是潛水，其補(bǔ)給來(lái)源主要以天山冰川雪水深入補(bǔ)給。2020年地下水供水量為2.45 億m3、2021 年為2.58 億m3。研究區(qū)域及水庫(kù)的逐月來(lái)水過(guò)程采用2021 年實(shí)測(cè)徑流資料。地下水可利用量采用多年平均取水量2.77 億m3。

2.2.3 需水條件

規(guī)劃水平年的需水長(zhǎng)序列，由需水預(yù)測(cè)模塊計(jì)算得到?；鶞?zhǔn)年的社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下:人口為46.1 萬(wàn)人，GDP 為727 億元，耕地面積為43 000 hm2；用水定額如下:生活用水為190.5 L/（人·d），工業(yè)用水為 m3/萬(wàn)元，農(nóng)業(yè)用水為6 177 m3/hm2。

2.2.4 水利工程數(shù)據(jù)

研究區(qū)域一共考慮了6 座中小型水庫(kù)，各水庫(kù)的特征參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水庫(kù)特征值 萬(wàn)m3Tab.1 Characteristics of reservoirs

2.3 情景設(shè)置

來(lái)水采用2021 年逐月實(shí)測(cè)徑流資料。需水以2021 年為基準(zhǔn)年，2030 年為近景規(guī)劃水平年，2040 為遠(yuǎn)景規(guī)劃水平年。將來(lái)水與需水條件進(jìn)行組合，一共設(shè)置3個(gè)情景，如表2所示。

表2 情景設(shè)置Tab.2 Scenarios setting

3 結(jié)果討論

3.1 需水預(yù)測(cè)

3.1.1 社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)預(yù)測(cè)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)計(jì)算得到伊州區(qū)人口與GDP 的多年平均增長(zhǎng)率為0.003 與0.09。根據(jù)《哈密市用水總量控制分解實(shí)施方案》要求截止2025 年灌溉面積退減指標(biāo)為2 267 hm2，并維持穩(wěn)定。綜上，可以預(yù)測(cè)得到2030 與2040 規(guī)劃水平年的各項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)變量預(yù)測(cè)Tab.3 Socioeconomic variables in the planning years

研究區(qū)域人口緩慢增長(zhǎng)，由基準(zhǔn)年的46.1萬(wàn)增加至2030規(guī)劃水平年的47.4 萬(wàn)與2040 規(guī)劃水平年的48.8 萬(wàn)，增幅并不顯著。伊州區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度迅速，GDP 從基準(zhǔn)年的727 億元增加至2030 規(guī)劃水平年的1 579 億元與2040 規(guī)劃水平年的3 738億元。而耕地面積，在水量控制的政策的推進(jìn)下，從基準(zhǔn)年43 000 hm2減少至2030 規(guī)劃水平年的40 733 hm2，并在2040 規(guī)劃水平年中保持穩(wěn)定。

3.1.2 不同水平年各用水部門(mén)需水

結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)預(yù)測(cè)成果與各用水部門(mén)用水定額，通過(guò)定額法預(yù)測(cè)了伊州區(qū)2021 現(xiàn)狀水平、2030 與2040 規(guī)劃水平的生活需水、工業(yè)需水與農(nóng)業(yè)需水，如表4所示。

表4 需水預(yù)測(cè) 萬(wàn)m3Tab.4 Water demand in the planning years

總體上來(lái)看，研究區(qū)域需水增加顯著，由現(xiàn)狀水平年的37 502 萬(wàn)m3增加至2030 規(guī)劃水平年的39 717 萬(wàn)m3與2040 規(guī)劃水平年的48 756 萬(wàn)m3；從不同的用水部門(mén)來(lái)看，工業(yè)需水的增加最為明顯，是總體需水增加的主要來(lái)源，由3 010 萬(wàn)m3增加至6 537 萬(wàn)m3與15 476 萬(wàn)m3；生活需水緩慢增加，相比于基準(zhǔn)年，2030 與2040 水平年的需水增幅僅為88 萬(wàn)m3與188 萬(wàn)m3；農(nóng)業(yè)需水略有減少之后保持穩(wěn)定，由現(xiàn)狀水平年的26 560 萬(wàn)m3減少至2030規(guī)劃水平年的25 160 萬(wàn)m3，并保持穩(wěn)定。

為了進(jìn)一步分析需水的組成，圖5 展示了各用水部門(mén)需水量的占比情況。

圖5 用水部門(mén)需水比例Fig.5 Percentage of water demand for different users

盡管農(nóng)業(yè)需水不再增長(zhǎng)，其占比有所下降，但其一直是研究區(qū)域最大的用水部門(mén)，在2021 現(xiàn)狀、2030、2040 水平年中分別占比71%、58%與49%。占比增長(zhǎng)最快的是工業(yè)需水，從現(xiàn)狀水平年的8%增加至近景規(guī)劃水平年2030 的17%與遠(yuǎn)景規(guī)劃水平年2040的29%。生活需水與生態(tài)需水占比變化較小，均在2%以?xún)?nèi)。

因此，盡管在水量控制的政策下，農(nóng)業(yè)用水有所下降，但是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，研究區(qū)域的需水仍將有顯著上升，且增加的需水主要來(lái)源于工業(yè)需水。由于工業(yè)用水部門(mén)較農(nóng)業(yè)用水部門(mén)擁有更高的用水權(quán)，工業(yè)需水的增長(zhǎng)意味著研究區(qū)域內(nèi)的用水保障率要求也會(huì)日益上升。綜上，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景之下，哈密市伊州區(qū)的水資源供需矛盾將會(huì)進(jìn)一步加劇，開(kāi)展水資源合理配置是研究區(qū)域的必然需求。

3.2 水資源配置結(jié)果

根據(jù)構(gòu)建的水資源配置模型，對(duì)哈密市伊州區(qū)的用水、供水進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了各用水部門(mén)2021 現(xiàn)狀水平年、2030與2040 規(guī)劃水平年的水資源供需情況。各個(gè)用水戶(hù)的總體缺水狀況如表5所示。

表5 水資源配置結(jié)果 萬(wàn)m3Tab.5 Results of water resources allocation

總體上來(lái)看，缺水率隨著規(guī)劃情景的推移而增加，從情景Ⅰ的2.78%增加至情景Ⅱ的4.20%與情景Ⅲ的15.46%。這是因?yàn)殡S著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，研究區(qū)域的需水增加迅速，由情景Ⅰ的37 502 萬(wàn)m3增加至情景Ⅱ與情景Ⅲ的39 717 萬(wàn)m3與48 756 萬(wàn)m3。增長(zhǎng)的用水需求逐漸超過(guò)了當(dāng)?shù)厮Y源系統(tǒng)的承載能力，用水缺口逐漸變大，從情景Ⅰ的1 041 萬(wàn)m3增加至情景Ⅱ的1 668 萬(wàn)m3與情景Ⅲ的7 540 萬(wàn)m3。為了進(jìn)一步分析不同用水部門(mén)的缺水情況，圖6展示了各用水部門(mén)在情景Ⅰ、Ⅱ與Ⅲ下的缺水率。

圖6 用水部門(mén)缺水率Fig.6 Water shortage rates of different users

盡管農(nóng)業(yè)需水有所下降（由現(xiàn)狀水平年的26 560 萬(wàn)m3減少至2030、2040 規(guī)劃水平年的25 160 萬(wàn)m3），農(nóng)業(yè)用水部門(mén)仍然是缺水的主要來(lái)源。且隨著規(guī)劃情景的推移，農(nóng)業(yè)缺水率顯著增加，情景Ⅰ的3.92%增加至情景Ⅱ的6.63%與情景Ⅲ的22.15%。一方面，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，需水總量迅速增加，尤其是工業(yè)需水，由現(xiàn)狀水平年的3 010 萬(wàn)m3增加至2030 規(guī)劃水平年的6 537 萬(wàn)m3與2040 規(guī)劃水平年的15 476 萬(wàn)m3；另一方面，供水的優(yōu)先權(quán)順序?yàn)樯?、生態(tài)、工業(yè)與農(nóng)業(yè)用水戶(hù)，具有優(yōu)先供水級(jí)別的工業(yè)需水增加迅猛，直接影響了較低供水級(jí)別的農(nóng)業(yè)部門(mén)的供水，農(nóng)業(yè)缺水日趨顯著。與此同時(shí)，過(guò)量增長(zhǎng)的需水，明顯超過(guò)了當(dāng)?shù)厮Y源系統(tǒng)的承載能力。在情景Ⅰ的與情景Ⅱ中，需水尚在水資源系統(tǒng)承載能力以?xún)?nèi)，生活、河道內(nèi)生態(tài)與工業(yè)用水部門(mén)的需水均能得到充分滿(mǎn)足，社會(huì)經(jīng)濟(jì)仍可持續(xù)發(fā)展。而在在情景Ⅲ中，由于需水的迅猛增長(zhǎng)，供水壓力顯著增加，出現(xiàn)了來(lái)自生活、河道內(nèi)生態(tài)與工業(yè)的缺水，缺水率分別為0.78%、8.37%與9.98%。2040遠(yuǎn)景規(guī)劃水平年的需水超過(guò)了水資源系統(tǒng)的承載能力，各個(gè)部門(mén)均出現(xiàn)了不同程度的缺水，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。

4 結(jié) 論

研究以2021 為基準(zhǔn)年，2030 為近景規(guī)劃水平年、2040 為遠(yuǎn)景規(guī)劃水平年，在分析水資源系統(tǒng)中供、用、耗、排等主要環(huán)節(jié)中所涉及的要素和相互連接關(guān)系的基礎(chǔ)上，以干旱地區(qū)哈密市伊州區(qū)為例，建立了水資源配置模擬模型，研究了哈密市伊州區(qū)在不同規(guī)劃水平下的水資源供需平衡關(guān)系，得到如下研究結(jié)論。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展將直接帶來(lái)需水的迅速增加。哈密市伊州區(qū)的需水由現(xiàn)狀水平年的37 502 萬(wàn)m3增加至2030 規(guī)劃水平年的39 717 萬(wàn)m3與2040規(guī)劃水平年的48 756 萬(wàn)m3。其中工業(yè)需水增長(zhǎng)最為迅速，需水占比從現(xiàn)狀水平年的8%增加至2030 規(guī)劃水平年的17%與2040 規(guī)劃水平年的29%。水資源配置能夠通過(guò)水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度，有效保障供水，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。盡管2030 規(guī)劃水平年的需水有所增加，研究區(qū)域的生活、生態(tài)與工業(yè)用水仍然能夠通過(guò)水資源合理配置得到充分保障。然而當(dāng)需水持續(xù)增長(zhǎng)，超過(guò)水資源系統(tǒng)承載能力時(shí)，各用水部門(mén)均將出現(xiàn)不同程度的缺水，2040規(guī)劃水平年下生活、生態(tài)、工業(yè)與農(nóng)業(yè)用水戶(hù)的缺水率分別達(dá)到了0.78%，8.37%，9.98% 與22.15%，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)不可忽視的挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出以下建議:①進(jìn)一步強(qiáng)化水資源剛性約束，以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)，堅(jiān)定走綠色可持續(xù)的高質(zhì)量發(fā)展之路，合理規(guī)劃社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展節(jié)奏，嚴(yán)格控制需水在水資源系統(tǒng)承載能力以?xún)?nèi)；②加強(qiáng)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)，提高水資源利用效率，推廣節(jié)水工業(yè)、農(nóng)業(yè)模式，有效控制用水定額；③完善水利工程建設(shè)系統(tǒng)，興建引水工程；④積極開(kāi)展水資源優(yōu)化配置，進(jìn)一步提高水資源利用效率。