内陆干旱区实施最严格水资源管理的关键技术研究——以新疆呼图壁河流域为典型示范区

孟现勇, 王浩, 刘志辉, 聂敏, 姚俊强

(1.中国水利水电科学研究院,北京 100038； 2.新疆大学 干旱生态环境研究所,新疆 乌鲁木齐 830046)



内陆干旱区实施最严格水资源管理的关键技术研究——以新疆呼图壁河流域为典型示范区

孟现勇1, 王浩1, 刘志辉2, 聂敏2, 姚俊强2

(1.中国水利水电科学研究院,北京 100038； 2.新疆大学 干旱生态环境研究所,新疆 乌鲁木齐 830046)

以最严格水资源管理理念为前提，从最严格水资源管理下的区域水资源综合模拟、水资源管理分配，以及典型研究区流域水资源监测框架核心技术及考核指标的评价体系这4个方面，研究内陆干旱区实施最严格水资源管理的关键技术，且以天山北坡中段呼图壁河流域为典型示范区，揭示流域内水资源的供需规律，建立适应内陆干旱区的最严格水资源管理制度，为实现区域水资源的可持续利用以及支撑区域经济社会的可持续发展提供科学依据和决策建议，为干旱区贯彻和落实最严格水资源管理制度提供科技支撑。

最严格水资源管理；内陆干旱区；关键技术；呼图壁

水是生命之源，水资源成就了地球的文明史，支撑了社会及经济的长期稳定发展。然而，近些年水资源短缺、匮乏现象变得尤为凸显，世界各国在对待水资源管理、可持续利用等方面已达成共识，加强水资源管理成为普遍的选择。2009年，国家水利工作会议首次提出了最严格水资源管理制度的相关要求。此后几年，经过不断的研究与探索，最终建立了以“三条红线”及“四项制度”为基本核心的框架体系。最严格水资源管理制度也在经历了三年的磨练后，在我国各省、市、县得到大力推广及施行。随着我国水资源管理体系的进一步完善，统一调度和优化配置等方面的研究也得到了深入开展。在此期间，我国节水型社会建设获得了大量显著的成果，水资源管理的相关法制及保护工作亦得到了不断的改进与强化。然而，需要明确的是，由于区域水资源在责任与考核等方面的制度还没有得到较好的落实，导致了水资源在区域尺度的供给及需求方面仍然存在众多突出问题。如果国民经济分布不能很好地与水资源分布相适应，水资源供需矛盾将在很大程度上影响甚至制约区域社会经济的发展[1]。

内陆干旱区占据了我国约四分之一的国土总面积，而西北地区的干旱区则占据了较大部分。内陆干旱区在土地覆被、区域气候及水资源组成等方面均具有明显特征，如：西北地区年降水量较少，干旱而缺水，地表、地貌时空分异较大，地区生态环境极其脆弱等等。近年来，随着人工生态系统的加速发展，导致自然生态系统在该地区的发展空间受到较大限制，极大地影响到了当地的生态健康。为了更好地优化调控干旱区水资源，在干旱区实施最严格水资源管理势在必行[2]。

新疆呼图壁河流域位于干旱区天山北坡中段，是具有“山区-绿洲-荒漠”典型模式的干旱区。流域水资源来源于山区降水和冰雪融水(产流区)，大部分水资源用于绿洲农田的灌溉(转化区)，而在下游有大量的绿洲、荒漠过渡带和荒漠地区(耗散区)，生态系统极其脆弱，维持该地区生态环境的稳定必须要有适量的生态水量供给。

为了更好地构建适应于内陆干旱区的最严格水资源管理模式，水利部公益性行业科研专项经费项目“内陆干旱区实施最严格水资源管理关键技术”(项目编号：201301103)得以开展。该项目以新疆呼图壁县为靶区，以内陆干旱区水资源有效使用为基础，把干旱区河流各类水资源从上游产流、中游转化、下游消耗的规律与水资源管理及配置统一结合起来，重点分析最严格水资源管理制度实施过程中不同的水量分配及主要分配原则、管理方法与考核评价指标体系、优化实时监测、定量实时评价等重要内容，为最严格水资源管理制度在干旱区的实施提供了重要的科技支撑[3]。

1　研究区概况

本项目研究区位于欧亚大陆腹地的新疆维吾尔自治区中北部天山北坡中段，准噶尔盆地南缘的呼图壁河流域。该流域与呼图壁县县域基本一致，位于86°05′～87°08′E和43°07′～45°20′N之间。呼图壁河流域总面积为10 254.68 km2；南部天山的山地丘陵地貌面积达3 559.9 km2，占流域总面积的34.71%；中部的平原面积达4 058.3 km2，占流域总面积的39.58%；北部沙漠面积为2 636.48 km2，占流域总面积的25.71%[4-6]。

图1　呼图壁河流域的地理位置概况

2　内陆干旱区实施最严格水资源管理的关键技术

2.1最严格水资源管理下的区域水资源综合模拟分析

最严格水资源管理下的区域水资源综合模拟分析部分，主要针对干旱区内典型研究区(新疆区域)建立重点研究流域的数值耦合模式(SWAT-MODFLOW)，以干旱区地表水与地下水的转化为主要研究路线，分析研究区内地表水及地下水资源由流域向行政区分割的原则和方法；重点分析保障各典型流域及流域内行政区有效而合理地建立社会经济用水和自然环境用水的比例；分析流域及流域内行政区各类生态与水资源在总量控制下的社会生态指标的偏移度。

2.2最严格水资源管理下的水资源管理分配

最严格水资源管理下的水资源管理分配着眼于区域水资源在用水总量上的评价，从生态环境和社会经济两个角度对行政区进行区分，并重点对以上两方面的用水平衡进行调控模拟。在前面建立的数值耦合模式(SWAT-MODFLOW)基础上，结合流域在水利工程布局、用水结构及来水频率方面的不同条件，深入分析生态及社会优化用水分配方案。结合呼图壁县产业结构进一步研究不同来水频率下呼图壁县行政区之间水资源的最优配置方案，并最终构建区域水资源最优分配体系。

2.3典型研究区流域水资源监测框架的核心技术

结合遥感等大数据验证及实地观测订正手段，对研究区水资源如何分配、考核指标如何确定进行重点探究。对研究区内的地下水及地表水监测网络进行优化，细化农业用水总量的测定方法，同时在兼顾优先考虑人工与生态平衡用水情况下对研究区生态用水监测网络进行精细优化，集合地理信息系统(GIS)及遥感(RS)技术构建典型研究区(呼图壁河流域)天地一体化监测系统。目前，呼图壁县地表水、地下水及灌溉用水的监测系统及水资源天地一体化管理平台已经建立。

2.4构建考核指标的评价体系

考核指标的评价体系将各项用水指标，如用水总量、万元GDP用水量、工业增加值用水量、农业灌溉用水定额、灌溉水利用系数等纳入考虑范围；同时将以上具有关键代表意义的、通用的并可以实际操作的指标进行再次筛选，最终确定了合理的评价标准及考核指标体系。在兼顾考虑流域水资源现行管理体制及发展水平的基础上，以完成最严格水资源管理制度的实施为目标，构建了每一个考核指标的综合评价模型，并最终建立了最严格水资源管理在干旱区的水资源用水考核体系。

3　内陆干旱区实施最严格水资源管理的研究路线

在此，从4个角度对内陆干旱区实施最严格水资源管理的研究路线(图2)进行详细说明：

1)在内陆干旱区实施最严格水资源管理的关键技术研究涉及到水利、农业、工业等多个行业。其中，区域水资源分配、监测、考核等关键技术研究又涉及到水资源、水工、农田水利、生态、经济等多个专业。因此，本项目的研究应在强调多学科综合分析的同时，发挥水资源的控制性作用，把干旱区最严格水资源管理与水资源优化配置、地表和地下水联合调度、生态恢复及高效节水等结合起来，充分发挥现有水资源的综合效益。

图2　内陆干旱区实施最严格水资源管理研究路线图

2)干旱区实施最严格水资源管理的关键技术研究难点在于区域水资源的分配体系以及监测、考核体系的建立。在项目实施过程中，将充分利用先进的技术手段，如运用计算机仿真模拟技术分析不同情境下的水资源分配方案，采用遥感和自动化监测仪器等进行控制性监测，采用GIS技术建立水资源监测、考核指标的分析平台等。

3)项目研究与典型示范区的长期野外试验研究区建设相结合，不断完善示范区的水资源监测站网，不断检验和完善科学研究成果。

4)注重研究的成果服务于社会经济发展的作用，强调科技人员与地方政府部门的密切配合和协作，高度重视科技成果的可实现性和可操作性，使科研成果迅速转化为生产力，造福当地人民。

4　呼图壁县最严格水资源管理研究及示范

在新疆呼图壁县建立了典型示范区，研发并部署了呼图壁县地表水、地下水及灌溉耗水量多级实时监测平台，将遥感监测大数据及地面观测验证数据集成汇总，建立了呼图壁县水资源数据管理平台。开发了呼图壁县自然-社会水循环耦合模型，最终完成了水资源在多种来源、不同分辨率情况下的耦合模式(SWAT-MODFLOW)模拟[7-9]。

4.1呼图壁县水资源对气候变化的响应

4.1.1降水和气温在呼图壁河上游区域的变化趋势

近53年来，呼图壁河流域温度和降水均呈增加趋势，增加速率分别为0.35 ℃/10 a和13.29 mm/10 a，在1995年和1992年发生了突变，均通过了0.01的显著性水平检验。21世纪初的10年是近50年来最热和最湿润的10年，流域气候变化与全球、西北干旱区基本一致，变暖是主要特征，同时降水量呈波动的增加趋势，呈现出暖湿化特征。不同环境下气候要素变化幅度和变化趋势存在明显差异，气温在荒漠区域变化趋势最大，绿洲次之，山区最小；而降水在山区的变化趋势最大，荒漠和绿洲基本一致，说明荒漠和绿洲区域的气温对全球气候变化的响应最显著，山区降水量对全球气候变化的响应最显著，这对区域的地表水资源产生了重要影响。

4.1.2流域地表径流的变化特征

呼图壁河年径流量呈显著增加趋势，增加速率为0.13×108m3/10 a，在1990年发生突变，通过了0.05的显著性检验。通过Morlet小波分析发现，存在4、10、18、28 a的振荡周期，方差检验得出28 a尺度振荡周期最强，其次是18 a尺度。利用累积量斜率变化率比较法(SCRAQ)和气候敏感法(HSAM)定量评估了气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率，发现气候变化对流域径流量变化的贡献率为74.21%～83.07%，人类活动的贡献率为16.93%～25.74%。相比而言，HSAM法耦合了水量平衡法和气候敏感法，对气候变化的影响估算更为准确、有效，但依然存在参数较多、计算繁琐等缺点。而SCRAQ法具有计算简单快捷、所需参数较少等优点，可以在干旱区流域内推广。

4.1.3地表径流对气候变化的响应

通过Person相关分析发现，降水和潜在蒸发量是影响呼图壁河径流量变化的主要因素，建立了呼图壁河月径流量Q和月降水量P、月潜在蒸发量PET的回归模型：

Q=0.032P+0.013PET+0.022，

R=0.71。

由回归模型计算发现，各月径流量模拟值与实测值拟合效果较好，变化趋势基本一致。因此，可以根据构建的月径流量和月降水量、月潜在蒸发量的回归模型预测呼图壁河未来各月的径流量[10]。

4.2呼图壁河流域地表水与地下水的转化关系

采用综合稳定水体同位素、水化学、水文地质和模型模拟等方法，系统地研究了呼图壁河流域不同水体的同位素特征、水化学演变机制、地表水和地下水的转化关系等问题。

4.2.1山区、平原区不同河段流量变化分析

图3为呼图壁河流域山区、平原区单位流量变化曲线。研究发现：呼图壁河流域6—9月单位流量明显高于3—5月，6—9月产流量是全年中连续最大的4个月；全年和6—9月单位流量从河源至下游呈减小趋势，表明产流能力和输水量从河源至下游逐渐减小；3—5月单位流量在中游的卡勒格牙最大，径流以积雪融水补给为主。

图3　呼图壁河流域山区、平原区单位流量变化

4.2.2山区、平原区地表水与地下水转化分析

呼图壁河流域大气降水、河川径流、地下水和积雪融水中氧、氢同位素的分析结果表明，不同水体中δD、δ18O的组成随季节变化差异较大。水体在转化过程中经历了不同程度的蒸发作用，在强烈的人类活动影响下，地下水和地表水之间的转化方式和转化量发生了变化，如图4所示，其中M为氧、氢同位素的采样点。

图4　呼图壁河山区、平原区的地表水与地下水的转化形式

在呼图壁河山区河道径流中，河水主要靠上游来水补给，占河水的81.55%，地下水补给仅占河水的18.45%；在平原区的青年渠首，河水主要靠地下水补给，占河水的92.31%，上游来水补给仅占河水的7.69%。在军塘湖河，雀儿沟河道河水中有66.94%靠地下水补给，到下游哈萨坟断面，地下水补给占河水的91.23%，见表1。

表1　地表水和地下水的转化

4.3.1基于SWAT模型的山区出山口地表径流数值模拟

根据流域经验信息，从整体考虑对流域情况进行细化模拟，除此之外，还结合已有的细节模拟，如结合冰雪融化等成果分析流域情况，对研究区内3 m3以上出水口的水量进行了校准。给出了呼图壁河流域军塘湖河(2000—2010年2—4月)出水口地表径流拟合结果，如图5所示。在校准过程中，出水口按照从上游到下游的方向进行子流域校准，直至所有出水口校准达到满意效果为止。当然，在模拟过程中，还同时考虑了灌溉、水库、人为耕作等人工控制对水量的影响，以期对后期来水进行最大程度的有效预测[8-9,11]。

图5　呼图壁河流域军塘湖河出水口地表径流模拟

4.3.2基于MODFLOW模型的地下水数值模拟

表2为2011年呼图壁河流域地下水补给、排泄情况。由实验区的各项水均衡计算可知，区内地下水总补给量21 618×104m3/a，总排泄量39 075.8×104m3/a，相差17 457×104m3/a，这与区内地下水位持续下降的情况相符合。

表2　2011年呼图壁河流域地下水均衡情况　104 m3/a

呼图壁河流域地下水补给量以垂向入渗为主，其中河道渗漏补给量占总补给量的43.7%，农灌水入渗补给量占总补给量的36.8%(包括渠系渗漏、田间入渗和井灌回归量)；地下水排泄量以地下水开采为主，占总排泄量的98.2%，且超出流域地下水资源量17 457×104m3，这也是造成流域平原灌区严重超采的主要因素。

根据水均衡计算结果，将各均衡项输入数值模型，并以呼图壁河流域3眼地下水位常观井的地下水位作为调参检验标准进行调参，以区内地下水位常观孔实测水位为标准进行参数调平，数值模拟结果与水均衡结果较为接近，具体情况见表3。

由表3可知，模拟结果与均衡结果最大误差不超过3%，说明建立的数值模型能够较好地模拟实验区各水均衡项的变化情况，因此可以进一步用于该区域地下水位调控的模拟研究。

表3　现状条件模拟、均衡结果　104 m3

4.4呼图壁河流域社会-生态用水偏移度

学生们在参加“创造实训中心”活动之前，已经在第一课堂，也就是本学期的《刚结构设计》课堂上学习了与“门式刚架结构”相关的理论知识和结构设计的基本方法，但因其自主学习能力较差，又存在第一课堂内容多、学时少等问题，学生对相关知识的理解和掌握并不理想。

最严格水资源管理制度实施后，要落实“三条红线”，尤其是水资源总量控制红线，原有的水资源开发利用模式必然会有所改变。节水灌溉面积的增加、地表水-地下水的联合调度等措施都会对流域的社会用水和生态用水产生明显影响。这种影响最直观的表现就是地表蒸散发对水资源开发利用模式响应的改变。因此，本研究拟采用地表蒸散发来反映呼图壁河流域水资源开发利用变化后的水资源系统响应。

4.4.1基于MODFLOW模型的地下水数值模拟

通过建立的基于MODIS数据的SEBAL模型[12]，结合地形、气象、水文、植被等相关信息，对呼图壁河流域2010年4—9月蒸散发结果进行了反演，结果如图6所示。

图6　2010年4—9月逐月蒸散发频率分布曲线

由图6可知，2010年6、7月蒸散发量是单峰分布，其他各月的都是双峰分布。其中单峰分布的月份蒸散发峰值主要集中在3.3～4.2 mm，通过对比蒸散发的空间分布和土地利用类型分布可知，峰值区主要对应的土地类型是耕地和部分长势较好的天然植被。每个双峰分布的月份都有一个较大的峰值和一个较小的峰值，较大的蒸散发峰值集中在3.2～4.0 mm，对应的主要土地类型是耕地，较小的蒸散发峰值对应的土地类型主要是一些自然植被区。还有一些蒸散发频率分布变化较为平缓的区域，对应的土地类型主要是山前戈壁[12]。

4.4.2社会-生态用水偏移度分析

地表蒸散发是反映地表植被生长状态的一个重要指标，在排除降水影响，仅依赖地表水和浅层地下水供水条件下，平原灌区地表蒸散发的强弱直观地反映了人为作用下农作物和天然植被受水分胁迫程度的高低。因此，选取年内蒸散发作用最强烈的8月的蒸散发为研究对象来构建社会-生态用水偏移度指标，即：社会-生态用水偏移度=(某年8月地表蒸散发量-当月降水量)/(研究区多年平均8月地表蒸散发量-多年平均8月降水量)。

分析认为，该流域多年平均的(8月蒸散发量-8月降水量)可以作为人为供水条件下的呼图壁河流域的蒸散发基准数据，在用水模式没有较大改变的情况下，当偏移度指标大于1时，说明当地作物和天然植被供水条件相对较好，受人为影响的蒸散发量总体较大；当偏移度指标小于1时，说明作物和天然植被人工供水较不充分，受人为因素影响的蒸散发量总体较小。根据基于SEBAL模型的呼图壁河流域2000—2014年历年8月蒸散发结果，计算可得2000—2014年社会-生态用水偏移度。总体来说，除个别年份(2004年、2011年)偏移度指标偏离较大外，其余年份偏移度指标均在1附近。2004年和2011年偏移度较低，主要是由于当月的降水量远高于多年平均水平(31.0、41.0 mm)，导致当月的人工灌溉量有所减少，因而表现出人为供水影响减弱的现象，但其总体月蒸散发量与其余月份差异不大，见表4。

表4　2000—2014年社会-生态用水偏移度计算结果

4.5呼图壁县军塘湖流域分行业、分水源总量控制指标

通过对多年平均引水量法、生态基流法与定额法进行对比计算，得到了呼图壁县军塘湖流域2001—2012年灌区引水量变化曲线(图7)及呼图壁县军塘湖流域逐月生态基流量与多年平均来水量对比曲线(图8)。由图7—8可知：生态基流法确定的限额偏大，造成机井资源浪费；定额法确定的限额偏小，造成地下水超采；综合考虑地下水开采因素，推荐限额为1 966×104m3。

图7　呼图壁县军塘湖流域2001—2012年灌区

图8　呼图壁县军塘湖流域逐月生态基流量与

采用用水定额法确定了生态用水、居民生活用水与工业用水总量控制指标；通过综合考虑耕地面积、耕地性质与现状引水情况的方法，确定了农业用水总量控制指标，见表5。

表5　呼图壁县军塘湖流域农业用水限额配置表

4.6呼图壁示范区最严格水资源管理综合信息管理平台建设

最严格水资源管理综合信息管理系统的目标主要包括：①在统一的平台界面上完成水资源数据的采集、存储与管理；②基于GIS实现上述水资源数据的统一查询、调用与可视化表达；③利用上述水资源数据与地表水文模型实现水资源配置的决策与优化；④利用水资源配置的决策与优化成果为最严格水资源管理服务，对最严格水资源管理的实施进行考评。

系统以Visual Studio 2012为开发环境，C#为开发语言，Super Map Objects为GIS组件式开发平台，将系统在总体上划分为控制层、功能层、执行层和数据支撑层，并且将系统功能按照逻辑划分为4个模块，即水资源数据采集与管理模块、水资源数据查询与调用模块、水资源配置决策与优化模块、最严格水资源管理实施与考评模块。系统架构设计与功能模块的划分如图9所示。

图9　系统架构与功能模块划分图

5　结语

根据最严格水资源管理的指导思想、基本原则、主要目标及其在我国内陆干旱区实施的现状，以建立和贯彻落实干旱区最严格水资源管理制度为目标，从最严格水资源管理下的区域水资源综合模拟、最严格水资源管理下的水资源管理分配、典型研究区流域水资源监测框架核心技术及考核指标的评价体系这4个方面进行了内陆干旱区实施最严格水资源管理关键技术的研究。同时介绍了内陆干旱区实施最严格水资源管理的主要研究路线，并重点选择呼图壁河流域作为最严格水资源管理制度在干旱区实施的典型示范区，进行了多个方面的细致性研究。

研究成果将为大幅度提高新疆水资源的有效利用率、调整用水结构提供科技支撑，为新疆经济的跨越式发展破除水资源方面的障碍。研究成果对干旱区的最严格水资源管理制度在理论体系及研究方法上均起到了一定的推动及完善作用。

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The Key Techniques of Implementing the Strictest Water Resources Management in Inland Arid Areas:Hutubi River Basin in Xinjiang as a Typical Demonstration Area

MENG Xianyong1, WANG Hao1, LIU Zhihui2, NIE Min2, YAO Junqiang2

(1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China；2. Institute of Arid Ecology and Environment, Xinjiang University, Urumqi 830046, China)

Taking the strictest water resources management idea as the premise, the key techniques of implementing the strictest water resources management in inland arid areas were researched from four aspects of the comprehensive simulation of regional water resources and water resource management and allocation under the strictest water resources management, and the core technology of the water resources monitoring framework and the evaluation index system of the typical research area. Moreover, taking Hutubi River Basin in the northern slope of Tianshan Mountains as the typical demonstration area, the paper revealed the law of supply and demand of water resources in the river basin, and constructed the strictest water resources management model (system) in the inland arid area, which could provide the scientific basis and decision-making recommendations for realizing the sustainable utilization of water resources in the basin and guaranteeing social and economic sustainable development, as well as provide scientific and technological supports for implementing the strictest water resources management system in arid areas.

the strictest water resources management; inland arid area; the key techniques; Hutubi River Basin

2016-05-10

水利部公益性行业科研专项经费项目“内陆干旱区实施最严格水资源管理关键技术”(201301103)；“十二五”科技支撑计划“南水北调中东线工程运行管理关键技术研究与示范”(2015BAB07BO3)。

孟现勇(1987—)，男，宁夏银川人，中国水利水电科学研究院博士后，主要从事数据同化、陆面与水文模式耦合等方面的研究。E-mail：mxy0001@gmail.com。

王浩(1953—)，男，北京人，中国工程院院士，主要从事水文水资源方面的研究。 E-mail：wanghao@iwhr.com。

TV213.4

A

1002-5634(2016)04-0012-09

(责任编辑：乔翠平)

刘志辉(1957—)，男，新疆石河子人，教授，主要从事3S集成方面的研究。E-mail：lzh@xju.edu.cn。

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2016.04.003