面向生态的察汗乌苏河流域水资源配置方案研究

吴元梅，郭凯先

(1.青海省水利水电科学研究院有限公司，西宁 810000；2.青海省流域水循环与生态重点实验室，西宁 810000；3.青海省水资源高效利用工程技术研究中心，西宁 810000)

0 研究背景及意义

水是生态系统的控制性要素，水利是生态文明建设的核心内容[1]。目前西北地区内陆河流域水生态危机、水资源短缺、河流断流、湖泊枯萎等是摆在人类面前的现实问题[2]。面向生态的水资源配置方案研究要求在水资源的规划、开发、利用、保护等环节优先考虑河道内和河道外生态需水量，通过制定合理的供水方案，寻求供水效益最大化，从而减少水资源开发利用的生态负面影响，促进经济社会系统和生态系统的良性协调发展[3,4]。察汗乌苏河流域属于内陆河，流域内经济社会发展与环境保护矛盾突出。农业用水大量挤占生态用水，导致下游生态恶化、生态脆弱。比如树木枯萎、草地退化，水土流失严重，荒漠化扩张等问题。其次，由于流域内缺乏具有调节能力的水资源调蓄工程，农业灌溉高峰期河道经常出现断流现象，河道内生态问题亟需解决。因此，研究面向生态保护的流域水资源配置和供水保障方案，对协调经济与生态可持续发展，维持河道生态活力和保护下游湖泊湿地生命健康具有非常重要的现实价值。

1 研究区概况

察汗乌苏河流域位于东经97°50′～99°16′、北纬35°27′～36°31′之间，流域面积为4 977 km2，位于柴达木盆地东部，属北霍布逊湖水系。察汗乌苏河流域多年平均地表水资源量1.57 亿m3，地下水资源量1.26 亿m3，扣除地表与地下水资源的重复量1.11 亿m3，流域水资源总量1.705 亿m3[5,6]。2015年流域总人口3.10万人，其中城镇人口0.85万人，流域内总灌溉面积为0.519 万hm2，国内生产总值(GDP)4.11 亿元，工业增加值为2.09 亿元，大小牲畜总数15.30 万头。目前流域内农业用水量占90%以上，其灌溉水利用系数在0.35左右，供水工程效率低。流域缺乏具有调节作用的水库，用水高峰期社会经济用水挤占生态用水，经常出现河道断流现象，区域资源性和工程性缺水并举。流域水系图见图1。

图1 察汗乌苏河流域水系图

2 流域水资源供需平衡分析

2.1 生态需水量计算

2.1.1 河道内生态需水量

察汗乌苏河为内陆河，河流最终汇入柴达木河后进入霍布逊湖。察汗乌苏河流域在灌溉季节缺水严重，大量引水势必会造成河道断流。为了使河道维持河床基本形态、防止断流、保持水体天然自净能力和避免河流水体生物群落遭到破坏，水资源配置中首先保证河道内生态需水量不被挤占。国内外提出的河道生态流量计算方法诸如7Q10法、Tennant法、河道湿周法、流量增加法、频率计算法、导则规定法等，部分学者根据RVA法提出最小流量和适宜流量，给定生态流量的变化范围。我国《水利水电建设项目水资源论证导则》(SL 525-2011)规定河道生态流量原则上取多年平均流量的10%～20%，干旱地区可以适当增加。根据文献[7,8]对上述河道生态基流计算方法的优缺点及适用性评价成果，结合察汗乌苏河多年平均来水量情况，本文拟选择Tennant法计算河道内生态需水量[9-11]。Tennant法根据多年平均径流量的百分比和河道内生态环境状况的对应关系，计算维持河道一定功能的生态需水量。

(1)

式中：We为多年平均条件下维持河道一定功能的需水量；di为第i月天数；Qi为第i月多年平均流量；Pi为第i月生态环境需水百分比。

察汗乌苏河丰水期一般在4-9月，枯水期在10-翌年3月。根据察汗乌苏河生态环境特点，确定枯水期以维持河道不断流为准，河道生态环境需水量取当月来水的10%；丰水期考虑河道两岸植被的需水，河道生态环境需水量取当月来水的20%。求得多年平均逐月生态需水量计算成果见表1，察汗乌苏水文站控制断面处河道内生态需水量2 743.1 万m3。

2.1.2 河道外生态需水量

察汗乌苏河流域河道外生态需水量包括防护林、林地、经果林、草场、城镇绿化和环境卫生等。根据区域和流域相关规划成果以及经济社会发展指标，结合青海省用水定额计算河道外生态需水量见表2。流域内河道外生态需水量为1 859.6 万m3/a。

表1 察汗乌苏河流域河道内多年平均逐月生态需水量 万m3

表2 察汗乌苏河流域河道外生态需水量

2.2 水资源供需平衡分析

2.2.1 供水量分析

察汗乌苏河流域以农业灌溉为主，灌溉设计保证率为75%，因此以察汗乌苏河偏枯年(P=75%)典型年来水情况进行可供水量分析。察汗乌苏水文站断面偏枯年来水量9 967 万m3，径流量年内分配成果见表3。

表3 察汗乌苏水文站断面设计年径流分配成果(P=75%) 万m3

现状年察汗乌苏灌区、察汗乌苏镇城镇和热水灌区等引水工程的供水量为4 758 万m3，西台水库的最大供水能力581 万m3，则流域供水量为5 339 万m3。根据流域规划成果，规划水平年流域供水量可增加为6 774 万m3。

2.2.2 经济社会需水量

社会经济需水系指除生态需水量之外的城镇生活、农村生活、农业灌溉和城镇生产用水。预测的现状水平年2015年，近期水平年2020年，远景水平年2030年。根据流域内相关工程规划、经济社会发展指标和青海省用水定额进行近期水平年和远景水平年需水预测。经济社会需水量预测成果见表4。

2.2.3 水资源供需平衡分析

There are two types of US legislation affecting China-US space cooperation.One kind directly limits cooperation between China and the United States in space.The other is comprised of laws and regulations concerning missile proliferation.

察汗乌苏河流域以农业灌溉为主，灌溉设计保证率取75%，因此以察汗乌苏河75%典型年来水情况进行供需分析。满足察汗乌苏河流域河道外生态需水的前提下，2015年、 2020年和2030年经济社会的可供水量分别为3 479.4、4914.4、4 914.4 万m3。各个水平年的水资源供需平衡分析成果见表5。

表4 察汗乌苏流域经济社会需水量预测 万m3

注：城乡生态需水量为河道外生态用水量预测值，这里不包含在经济社会需水量里面。

表5 察汗乌苏流域水资源供需平衡分析(P=75%) 万m3

现状水平年流域内经济社会需水量5 518.6 万m3，缺水量2 039.2 万m3，缺水深度36.9%；2020年在“开源节流”措施下，经济社会需水量5 761.9 万m3，缺水量847.5 万m3，缺水深度14.7%；2030年进一步提高节水标准后，国民经济需水量5 517.1 万m3，缺水量602.7 万m3，缺水深度10.9%。现状工程条件下河道弃水量4 628 万m3，河道内生态需水量2 743.1 万m3，生态用水能够得到保证，尚有1 884.9 万m3地表水没有利用。因此，在保证生态需水得到满足的前提下，流域内经济社会需水不能保障的主要原因在于流域内供水能力不足，缺乏具有调节作用的水库和供水工程。

3 水资源配置方案研究

3.1 水资源配置思路

面向生态的流域水资源配置方案，首先要保证河道内生态需水量和河道外生态需水量很大程度上得到满足，对可能的供水方案和国民经济各行业的用水需求进行分析，在供需平衡分析的基础上提出水资源保障方案，并确定行业可供水量配置过程和典型断面的河道内生态需水量，从而寻求经济社会用水与生态用水的平衡点。水资源的短缺对经济社会发展和生态系统健康具有明显的制约性，缺水程度可较好地反映水资源行业配置的公平原则。本文以生态需水量作为主要约束条件，以察汗乌苏河流域综合缺水量最小作为水资源优化配置目标，用各时段用水部门缺水量的平方最小作为适应度函数度量缺水程度。

(2)

式中：m为用水部门；DWm,t为m用水部门t时段的需水量，万m3；SWm,t为m用水部门t时段的供水量，万m3；ωm为配水重要性权重系数，反映供水优先级和供水重要程度。

察汗乌苏河流域水资源配置的主要对象有生活用水、生态用水、工业用水和农业用水。基于Satty标度法和专家打分法建立权重判断矩阵，计算得到生活用水、生态用水、工业用水和农业用水的配水权重系数依次是(0.508,0.265,0.075,0.151)。

水资源供水优化配置模型的约束条件有生态需水量约束、可供水量约束、用水效率约束等。察汗乌苏河流域地表水资源开发率不超过多年平均来水量的50%，即可供水量上限为7 850 万m3。2020年、2030年实施节水措施后，流域灌溉水利用系数分别是0.50和0.55。

3.2 水资源配置方案

图2 标准遗传算法(SGA)运行进化过程图

在现有工程的基础上，规划建设具有调节作用的水利工程，对察汗乌苏河流域地表水资源进一步调节后，多年平均来水条件下，2020年流域可供水量7 621.6 万m3，2030年流域可供水量7 376.7 万m3。

表6 多年平均来水情况下察汗乌苏流域可供水量配置预案 万m3

现状引水工程和西台水库发挥其最大供水能力后，国民经济依然缺水，灌溉用水高峰期国民经济用水挤占生态用水，河道周边的生态环境受到不同程度的影响。规划水平年流域经济社会缺水问题能够得到缓解，且流域内生态需水问题也可得到保证。生态需水量年内分配过程见图3。因此，流域缺水的根本原因是缺少调蓄工程。察汗乌苏河流域供水保障的主要方案是规划建设具有调节能力的水利工程，实现区域水资源的综合利用。

图3 生态需水量年内分配过程

4 结论和建议

(1)通过偏枯水文年(75%)水资源供需平衡分析，现状水平年、近期水平年和远期水平年缺水深度依次是36.9%、14.7%和10.9%。现状工程条件下河道弃水量4 628 万m3，河道内生态需水量2 743.1 万m3，生态用水能够得到保证，但尚有1 884.9 万m3地表水没有利用。在保证生态需水得到满足的前提下，流域内经济社会需水不能保障的主要原因在于流域内供水能力不足，缺乏具有调节作用的水库和供水工程。

(2)察汗乌苏河流域多年平均地表水总量15 700 万m3，水资源可利用量占水资源量的上限为50%，可利用水量上限7 850 万m3。经计算，河道内生态需水量2 743.1 万m3，河道外生态需水量1 859.6 m3，规划水平年河道弃水量大于河道内生态需水量，生态水量可以保证，这对维持河道生态和保护下游湖泊湿地生态是非常重要的。

(3)察汗乌苏河流域属于工程性缺水，通过建设具有调蓄能力的水利工程，可以进一步在保证生态需水量的同时满足流域农业用水、工业用水、生活用水需求，为察汗乌苏河流域协调持续发展提供水源保障。2020年流域可供水量7 621.6 万m3，地表水资源开发利用率为48.5%；2030年流域可供水量7 376.7 万m3，地表水资源开发利用率为47.0%，由于流域内河道内生态需水量已经得到保证，可以认为规划水平年流域地表水开发利用率在允许的范围内。

(4)建议在该流域实行水权管理，联合调度地表水和地下水，分配初始水权，推行农业高效节水技术，鼓励节余农业水量在行业间流转，以市场机制倒逼产业结构调整，促进流域水资源的高效利用。其次，以“河长制”促进河长治，落实绿色发展和生态优先的理念，基于水利信息化建立生态流量预测和监管机制，确保流域的生命健康。

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参考文献：

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