黑河干流中游水资源可持续利用多目标规划模型研究

2018-12-13崔虎群

水文地质工程地质 2018年6期

康宁 , 崔虎群

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.国家煤矿水害防治工程技术研究中心，北京 100083；3.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定 071051)

黑河是我国西北地区第二大内陆河，发源于南部祁连山区，流经中游盆地，穿越北山单薄山体，最终注入下游的额济纳盆地(图1)。黑河流域中游盆地为河西走廊平原的重要组成部分之一，是黑河流域社会经济稳定的重要保障区域。1949年以来，由于黑河干流中游灌区用水量的不断增加，导致黑河流域中游与下游的用水矛盾激增及下游生态环境恶化[1～16]。为解决省际水事矛盾，改善下游生态环境，2000年以后，国家对黑河成功实施了水量调度。然而，近十几年来，特别是2006年以后，正义峡实测下泄水量已偏离了国家97分水方案的调控目标(图2)，且有偏量逐年增大的趋势，出现“来水越丰，欠水越多”的现象[17]。因此，在保障黑河干流中游张掖、临泽、高台灌区灌溉面积不减少的基础上，根据正义峡下泄水量，对水资源进行合理调配，有利于黑河流域的可持续发展，对西北内流盆地的水资源合理开发利用有着重要的参考和借鉴价值。

图1 黑河流域及研究区位置简图Fig.1 The location of the Heihe River Basin and the study area

图2 正义峡下泄量实测值与调控目标对比图Fig.2 The comparison of the measured values and control targets of discharge of Zhengyixia Gorge

1 研究区水资源条件

黑河中游地区是我国典型的干旱地区，多年平均降水量为129.8 mm/a，多年平均蒸发量为2 039.2 mm/a。黑河出山口莺落峡水文站，1944—2013年的多年平均径流量为16.37×108m3/a，最大与最小年径流量分别为23.07×108m3/a和11.13×108m3/a。中游平原区广泛分布大厚度的第四系冲洪积砂砾卵石潜水含水层，其富水性和渗透性强，构成具有巨大调节能力的地下水库。黑河中游河水与地下水相互转换，且转换量很大。莺落峡到黑河大桥为河水入渗补给地下水河段，其中草滩庄水库枢纽之上的河段常年流水入渗，之下的河段受水库泄水影响呈间歇流水入渗，2003—2013年的平均河水入渗量为7.46×108m3/a；黑河大桥到正义峡为地下水溢出补给河水河段，及至正义峡，地下水全部溢出地表，2003-2013年的平均地下水溢出量为11.83×108m3/a。中游平原区属于传统的灌溉农业经济区，新中国成立以后，进入大规模的水资源开发利用时期，耗用水量不断增加，由1950年的4.67×108m3/a增加到2013年的7.92×108m3/a，成为黑河流域水资源的主要人工消耗区。2013年黑河干流中游地区总用水量为17.77×108m3/a，其中地表水供水量为13.80×108m3/a，地下水开采量为3.97×108m3/a，分别占总用水量的78%和22%；张掖、临泽、高台灌区面积1 405.80 km2，灌溉用水量为15.57×108m3/a，占总用水量的88%。

2 水资源多目标规划模型

2.1 规划模型结构

黑河干流水资源可持续利用多目标规划模型是基于国家97分水方案调控目标，依据黑河干流中游地区的水资源分布及其开发利用条件等进行构建的。规划模型的水源以河水为主、地下水为辅，主要用水户为灌区，通过渠道引灌河泉水和机井开采地下水，将水源与用水户有机连接，以此构建从莺落峡到正义峡的黑河干流为主线条的水资源规划模型。

黑河干流中游地区的主干河流有黑河与梨园河，在地下水溢出地段还接纳有山丹河等泉集河水。黑河干流沿途有引水干渠60多条、灌区及与其重叠的地下水开采区20个，灌区灌溉用水来源于干渠引水和开采地下水。依据河水与地下水转换关系以及引水渠首与灌区连接关系等，黑河干流从莺落峡至正义峡的河段设置了15个河泉节点；考虑各河段的灌区-干渠关系，进一步将同河段、同方向、同灌区的引水渠道在模型中给予适度合并，合并后的干渠为25条[18]。水资源规划模型结构见图3，干渠与灌区供给关系结构见表1。

2.2 水资源规划数学模型

(1)目标函数(三个目标函数，采用加权法处理)

①灌溉面积：

MaxF=F1+F2+……+F20

(1)

②正义峡下泄量：

MaxQ8=QA8+QB8+QC8

(2)

③正义峡下泄量尽可能满足分水方案：

Max=D1+D2

(3)

加权法：

Max=M×F/FO+N×Q8/QO8+K×(D1+D2)

(4)

(2)约束方程(共142个方程、197个变量)

图3 水资源可持续利用多目标规划模型结构图Fig.3 Structure diagram of water resources optimization simulation

干渠编号与名称水源干渠水供给的灌区名称及编号01西洞干渠黑河甘浚0602龙洞干渠黑河上三0103西总干渠黑河西干05甘浚06沙河10骆驼城1704东总干渠黑河上三01大满02盈科0321老仁坝渠泉水大满0222东泉干渠泉水盈科0323永丰干渠泉水乌江0425大磁窑渠大磁窑甘浚0620梨东干渠梨园河倪家营07甘俊0619梨西干渠梨园河新华08小屯09沙河1024九眼干渠泉水小屯0905永安干渠黑河鸭暖1106昔喇渠黑河板桥1207鸭翅干渠黑河鸭暖1108头坝渠黑河板桥1209蓼泉干渠黑河蓼泉1410二坝渠黑河平川1311三清渠黑河三清16友联15蓼泉1412三坝渠黑河平川1313五坝渠黑河六坝1914站家渠黑河友联1515七坝渠黑河六坝1916黑泉渠黑河大湖湾1817临河渠黑河罗城2018红山渠黑河罗城20

表中含合并干渠(多条干渠同供一个灌区，将其合并为单条干渠命名)

①灌溉面积与灌溉水量约束方程：

Xi×∑UAj+Yi×WAi=Pi×Gi×Fi

(5)

Xi×∑UBj+Yi×WBi=(1-Pi)×Gi×Fi

(6)

i=1,2,…,20(灌区)；j=1,2,…,Ji(供灌区的干渠)

UAj+UBj≤ZUj×UOj；j=1,2,…,25(干渠)

(7)

WAi+WBi≤ZWi×WOi；i=1,2,…,20(开采区)

(8)

Fi≤ZFi×FOi；i=1,2,…,20(灌区)

(9)

②河泉水量约束方程：

QAk=(1-SAk-1)×QAk-1-∑UAj+TAk-1-HAk-1×∑(WAi+WBi-WQk-1)

(10)

QBk=(1-SBk-1)×QBk-1-∑UBj+TBk-1-HBk-1×∑(WAi+WBi-WQk-1)

(11)

QCk=(1-SCk-1)×QCk-1-∑UCj+TCk-1-HCk-1×∑(WAi+WBi-WQk-1)

(12)

k=2,3，…，8，10，12，13，15(节点)；j=1，2，…，Jk(干渠)；i=1，2，…，Ik(开采区)

QA8≥QOA8×D1

(13)

QB8≥QOB8×D1

(14)

QC8≥QOC8×D1

(15)

QA8+QB8+QC8≥QO8×D2

(16)

D1+D2≥1

(17)

③非负约束：

Fi≥0；i=1，2，…，20(灌区)

(18)

UJi≥ 0；J=A，B，C；i=1，2，…，25(干渠)

(19)

WJi≥ 0；J=A，B，C；i=1，2，…，20(开采区)

(20)

QJi≥ 0；J=A，B，C；i=1，2，…，15(节点)

(21)

④0-1变量定义：

@BIN(D1)；@BIN(D2)

(22)

式中：F——灌溉面积；

Q——河泉水径流量；

A——春夏灌溉期；

B——夏冬灌溉期；

C——非灌溉期；

D——判定变量(能满足D=1，不能满足D=0)；

O——变量的约束量；

M、N、K——权函数；

X——渠系水利用系数；

Y——井水利用系数；

U——引水量；

W——开采量；

G——灌溉定额；

P——春夏与夏冬的灌溉水比例；

Z——约束量变化系数；

S——渗失率；

T——溢出量；

H——增开对溢出的影响系数。

两个以上字母连在一起表示单个字母的组合关系，如QAi表示第i个河泉节点的春夏灌溉期的河泉水径流量。

3 规划模型的检验

3.1 规划模型数据与拟合结果

多目标规划模型以2013年为现状年，将张掖、临泽、高台现状灌区灌溉面积、干渠引水量、地下水开采量等数据加入模型进行模型检验。多目标规划模型的灌区灌溉面积、正义峡下泄量等拟合结果与现状年数据对比见表2、图4、图5。

表2 拟合结果与现状年各量对比表

图4 灌区现状灌溉面积和拟合对比图Fig.4 Comparison chart of current and fitting irrigation area

图5 正义峡下泄量现状与拟合对比图Fig.5 Comparison chart of the current and fitting discharge of Zhengyixia Gorge

由表2知，灌区灌溉面积拟合结果和现状年一致；灌区用水量拟合结果与现状年差值为1.59×108m3/a，拟合误差为9.18%；高崖径流量与现状年差值为0.26×108m3/a，拟合误差为2.02%；正义峡下泄量拟合结果与现状差值为0.20×108m3，拟合误差为1.70%。可见拟合效果较好。

3.2 拟合结果分析

多目标规划模型拟合的各种水资源量见图6和图7。从图6中看出，黑河干流全年及灌溉期的河道径流量变化分为三段：莺落峡—大桥为直线减少段，大桥—唐湾段为快速增加变平缓段，唐湾—正义峡为减少段。非灌溉期的河道径流量变化分为两段：莺落峡—大桥为缓慢减少段，大桥—正义峡为从直线增长变为极缓慢增长的增加段。

图6 黑河干流中游河流节点的年与各期径流量曲线Fig.6 Curves of annual and seasonal runoff at nodes in the middle reaches of Heihe main stream

图7 黑河干流各个河流节点的区间引水量与地下水溢出量柱状图Fig. 7 Histogram of water diversion and groundwater discharge at nodes of Heihe main stream

从图7中得出，灌区引水量在各个河泉水节点间变化较大，莺落峡—草滩庄区间灌区引水量最大，马尾湖—正义峡间灌区引水量最小。地下水溢出量从大桥到正义峡变化不均，大桥—高崖河段溢出量大幅增大，高崖—正义峡河段溢出量极缓慢增大。

从图6和图7中得出，黑河径流量主要受莺落峡径流量、灌区引水量以及黑河大桥—正义峡段地下水溢出量等的影响与控制。

4 模型规划方案与规划成果分析

4.1 不同来水量的规划模拟分析

4.1.1规划方案

根据国家97分水方案，选取不同保证率的莺落峡来水量20.43×108m3(10%)、18.10×108m3(25%)、16.37×108m3(多年平均)、14.75×108m3(75%)，以及与莺落峡来水量相对应的正义峡下泄量调控目标14.74×108m3、12.11×108m3、10.15×108m3、8.31×108m3，作为水资源可持续利用的规划方案。

4.1.2规划模型结果与分析

按照灌区的现状净灌溉定额，不同保证率下模型计算的水资源规划成果见表3。从表3看出：不同保证率水平年的正义峡下泄量，在强制满足全年调控目标水量的情况下，现状灌溉面积的足额灌溉均不能得到满足，而且莺落峡来水量越丰，规划预测的足额灌溉面积越小，即灌区的规划用水量越少。事实上，由表2和图1也可以看出，在满足现状灌溉面积1 405.80 km2的足额灌溉情况下，现状正义峡下泄水量11.79×108m3难以达到调控目标水量13.93×108m3，短缺下泄水量为2.14×108m3。

表3 现状净灌溉定额的水资源规划成果

规划模型预测结果表明，按照张掖、临泽、高台灌区的现状净灌溉定额进行足额灌溉，在不同保证率下，莺落峡来水量均不能同时满足灌区现状灌溉面积和国家97分水方案确定的正义峡下泄水量的调控目标。

4.2 不同灌溉定额的规划模拟分析

4.2.1规划方案

依据张掖、临泽、高台灌区的现状净灌溉定额以及国家97分水方案确定的净灌溉定额目标值，按照线性比例关系，将灌区净灌溉定额的现状值和目标值按等比例划分为6个阶段(图8)，对不同阶段进行水资源多目标规划模拟预测。

图8 各灌区不同阶段的净灌溉定额曲线图Fig.8 Net irrigation quota at different stages in irrigation districts

4.2.2规划模型结果与分析

不同阶段的水资源规划结果见表4、图9。在给定莺落峡来水量及强制满足正义峡下泄量目标值的条件下，从现状年到阶段5，因为灌区净灌溉定额的不断下降，规划的足额灌溉面积在逐渐增大，并最终达到现状灌溉面积1 405.80 km2。但是，对于不同保证率，达到现状灌溉面积的阶段是不同的，莺落峡来水量保证率为10%、25%、多年平均、75%时，分别在阶段5、阶段3、阶段2、阶段1达到现状灌溉面积；由此可见，在满足正义峡下泄量目标值情况下，越是丰水年，越是需要更低的净灌溉定额，才能达到灌区足额灌溉的现状灌溉面积。