石羊河流域水资源模拟与合理配置研究

王 磊，符向前，何玉江，杨 锦，王晓军

（1.甘肃省水利厅石羊河流域水资源利用中心，甘肃武威733000；2.武汉大学水利水电学院，湖北武汉430072）

1 流域概况

石羊河流域主要由降水和冰川融雪补给，由几条相对独立的发源于祁连山的小河流组成，主要包括西大河、东大河、西营河、金塔河等。石羊河流域水利关系如图1。

图1 石羊河流域水利关系图

2 流域水资源模拟模型概述

水资源模拟模型是指现实的水力循环系统在已知的水力公式的基础上，通过一些理论假设得到一个简化的水力结构，然后利用计算机技术等数学工具对该结构进行描述和模拟，以此来预测流域水资源的未来状况和解释流域水资源的一些具体现象。进而设置各种边界条件，寻求最优解或可行解，优化水资源配置。本文基于水资源系统复杂性的特点，将水库和河流系统等简化为水库节点、汇流点等节点，用表示引水渠道或河段的连线对节点进行连接，从而组成一个流域水资源的物理拓扑网络系统。然后基于该拓扑网络图，将实际水资源系统的一些基本规律抽象为模拟数学模型。最后对模拟模型进行运算分析，可以得到各节点的物理指标，以及水库和河流径流的变化过程，从而实现对流域水资源信息特征的时间和空间模拟。

2.1 地表水模型

流域地表水模型的建立是以水量平衡方程为基础，建立如下水量平衡关系：

式中：∑W入为全流域入境地表水总量；∑W耗地表耗水量合计；∑ΔS为全流域地表水蓄水变化总量；W耗为某子区地表用水水量；W农为农业地表用水量；W工为工业地表用水量；W生活为生活地表用水量；W生态为生态地表用水量；i代表第i个用水单元；j代表第j个供水单元。

2.2 地下水模型

流域内采用中国地质大学（武汉）环境地质研究所陈崇希教授开发的多边形三维地下水流差微分软件PGMS计算地下水流模型。

在平面上，模型范围基本包括了自然范围，但是不包括石羊河流域山区。剖面以潜水面为顶面，以半胶结作用下的更新统Q1 的底面为模型底界，一般厚度为100～300 m，最大厚度为500～800 m。

根据多边形地下水三维流差分软件PGMS，结合石羊河流域实际情况，对模型进行改进：

（1）河流（渠系）—地下水补排量的模拟对于石羊河与地下水的补排关系、类型的确定及其计算方法的选择，根据河流水位、河流以下弱透水层底面高程及其下的地下水位自动判断完成。

（2）河流、水库、渠系和降雨等入渗补给地下水滞后性的刻画以PGMS软件中滞后补给权系数法来描述

（3）泉的模拟：当泉未干枯时，以泉口的标高为第一个边界条件，直接运行模型产生泉流量。若求得的流量为正值（表示地下水从泉口得到补给），这不符合物理实质，此时置流量为零，或去掉该泉口第一类边界条件，重新求解（严格模拟）。

（4）初始水头的分布的确定：采用PGMS软件中的“参数-初始水头迭代法”（P-H0法）。

2.3 水库调度

根据水库的基本功能，在计算时段，当来水量不能满足总需水量时，水库予以供水，当来水超过总需水量时，水库予以蓄水。蓄水考虑汛期与非汛期，汛期水位大于汛限水位时产生弃水，非汛期水位大于兴利库容时产生弃水。

Vt+1=Vt+It-Ot-Et

汛期：Z死≤Z≤Z限

非汛期：Z死≤Z≤Z兴

式中：Vt、Vt+1分别为第t和第t+1 时段初的水库蓄水量；It、Ot为水库在t时段的入库流量和出库流量；Et为t时段的水库蒸发和渗漏损失水量。Z死为水库死水位；Z限为水库汛期限制水位；Z兴为水库兴利水位。

2.4 水资源配置

在流域水资源配置过程中，一般都是根据按需供水的原则。本文根据需水优先级和流域用水特点，可将流域水资源分为两个配置等级。第一是满足工业用水、生活用水、和基本生态用水的需求，第二是满足生态用水和农业用水的需求。

在缺水的情况下，根据用水单元的权重形成不同方式的缺水，即权重不同时，首先满足高权重水，形成低权重用水单元。当权重相同时，根据各用水单元相同的缺水程度产生缺水。在有余水的情况下，根据水利拓扑图，向下游泄水。

2.5 数值模型及求解

在建立了概念模型后，采用PGMS 软件中多网格模型中任意多边形网格的有限差分法进行求解。

（1）地表地下水模型的耦合。石羊河流域的出山河水先经过武威盆地渗漏，转化为地下水，再由地下水排泄到河中，进入民勤盆地后，河水反过来供给地下水，形成了流域内河流和含水层统一的水资源系统。

在地表地下联合模拟模型中，我们将河道、渠系概化为线状源汇，将农田灌溉回水、生活工业污水和地下水开采井概化为面状源汇，将泉作为地下水模拟要素。地表地下联合模型在每一计算时段的各分区渠道入渗量、田间灌溉回归水入渗量、生活工业污水入渗量，按面状源平均分配至分区中的每一结点上。地下水开采量按面状汇分配至开采区的每一结点，经地下水模型计算，按分区统计该时段的平均地下水位、泉水、地下水向河水排泄量等，将其作为参数以供地表水模型调用，由此实现地表水地下水模拟的无缝耦合

（2）模型检验。为了正确模拟地表水与地下水的转换机理，本文将模拟模型与历史数据结合，将历史水流序列与用水输入模型，以下游水库的水流与地下水动态水位为检验标准，调整地下水的参数（渗透性），使模型能正确反映系统地表水和地下水的变化和运动。

石羊河地表水模拟模型的验证是基于2000年的实际资料，通过模拟水资源的开发利用过程，最终以各水库的出库过程和各水库2000年实际调度方式做对比，对模型进行检验。

图2 黄羊河水库模拟供水与实测对比

除了上游水库的供水过程外，模拟模型中下游红崖山水库的来水是在模拟上游用水、耗水以及分水的基础上得到的，它与上中游地区的水资源循环利用系统密切相关，并且由于整个系统的模拟误差会累积到计算末端节点处，故红崖山水库的来水间接的反映了整个模拟模型的正确性和精度。

图3 古浪河水库模拟个供水与实测对比

除此之外，图4将实际月流量与该模型计算的红崖山水库2000年的旬来水统计进行了比较验证。结果表明，2000年红崖山水库模拟入库水量为1.14 亿m3，实际入库水量为1.34 亿m3，年错误率为0.57%。该结果说明模拟模型的计算结值与实测值基本一致。

图4 红崖山断面实测与模拟来水对比

（3）地下水位检验。在现状条件下将各观测孔的地下水位计算值与监测值进行比较，根据收集的2001年各观测孔水头动态数据，将模拟值与实测值进行比较。对应的模型验证时段观测孔水头绝对误差值统计如表1所示，对应的模拟水头与实测水头的关系如图5所示。

表1 观测孔模拟水头与实测水头的绝对误差值统计表

图5 模型验证时段观测孔水头分布

误差统计表明，模型验证时段ΔH≤1.0 m 的占总对比数的56.02%，ΔH≤1.2 m 的占62.39%，总的来说，拟合效果是较好的，模型可信。

3 流域水资源合理配置

3.1 流域现状水资源分配分析评价

根据水资源多次转化的自然特征，石羊河流域形成了水资源多次利用的模式，但是当下暂且没有系统的水量分配方案。具体来说，在石羊河上游，通过修建山水水库，将地表水引用于工农业生产，与此同时，在这个过程中，渠道系统的渗漏和回水又反过来补充了地下含水层；石羊河中游平原采用泉水灌溉、井灌和井泉混灌，其渗流与上游余水汇合，再结合民勤地下水开采，实施地下水和地表水的混合灌溉。利用模型对上述情况现状水资源利用水平模拟分析发现，石羊河上游社会经济发展对石羊河水资源开发利用达到了相当高的水平，在多年的平均情况下，中游地表水基本枯竭，流域地下水严重透支，特别是下游。在上、下游地表水和地下水过度开采情况下，石羊河水资源满足了各县区工业、生活和基本生态用水的，未出现缺水现象，但各农业区依然出现缺水现象，反映了流域上下游供水仍不均衡。

从表2中可以看出，在优先供水的原则下，流域内的生活用水、工业用水和基本生态用水需求都可以得到满足。在超采条件下，流域农业生产缺水率仍为12.3%，且缺水率分布在上游较高，而下游较低；在东、西部地区，呈现流域东部缺水率低，西部缺水率高的现象。如果将区域超采量扣除，农业生产缺水率将高达46.7%，且分布规律与未扣除区域超采量时相反。即呈现东部缺水率高、西部缺水率低、下游缺水率高，而上游缺水率低的特征。除此之外，值得注意的是，在这种情况下，民勤盆地的缺水率将高达100%以上，金昌北盆地缺水率也将超过50%。从可持续性的角度来看，后者是真实的缺水率，这充分说明当前的上下游、东西水资源分配实际上是不公平的。在真缺水率高的地区，当地表水流量越来越少的时候，人们必然会采取抽地下水的方式来弥补水资源的短缺。这种不公平如果长期得不到纠正，生态恶化将持续扩大。

表2 石羊河流域现状分区缺水及超采状况净水量，万m3

从生态学角度来看，除石羊河流域的周边灌区外，地下水深度已无法支撑生态植被的生存，更不用说发展和抵抗沙漠的入侵了。因此，为了阻止生态环境的持续恶化，必须合理配置水资源，形成一个新的水资源利用模式，以此控制下游流域地下水的下降问题。

在现有的水资源配置利用模式下，区域中上游社会经济的发展会导致民勤生态环境继续恶化，下游水量持续减少，社会经济发展将受到生态环境制约，这一趋势将逐步向区域中上游蔓延。

3.2 水资源合理配置原则

随着流域水资源短缺和生态环境恶化现象日益突出，石羊河流域水资源供需矛盾由于自然界可利用水资源的有限性和水资源的时空分布特征和，矛盾将日益尖锐。以可持续发展的总原则为基础，通过工程措施和非工程措施，将有限的、不同形式的水资源科学合理地配置给用户。石羊河流域合理配置有3个原则：①在水源上，要统筹考虑地表水和地下水的转化关系和联合运用，考虑水资源利用过程的引、供、用、耗、排各个环节，综合考虑跨流域调水的现实性和持续性，考虑污水处理与回用等，尽可能做到高水高用、好水好用、尾水生态用的配置格局；②在空间上，要统筹考虑流域上、中、下游和区域内各行政区域的用水公平性，在区域间水资源效率最高、短缺差异最小的情况下，和保证基本生态用水以及生活用水的前提下，发挥不同区域间水资源的最佳优化作用；③在结构上，统筹考虑生活、生产和生态用水3 个部分，根据重要性和原理，首先保障基本生态用水和生活用水，在此前提下最大程度满足协调农业用水、工业用水以及其他生态用水，以实现水资源在保护环境安全和支撑社会经济发展中的重要作用。

石羊河流域水资源时空分布的不平衡性、自然水循环条件、供需矛盾和水资源利用格局严重扭曲了水资源配置的公平性，难以实现既保障流域绿洲安全，又支持区域经济发展的目标，因此要求我们必须在水资源自然配置格局的基础上进行合理的人工配置，并通过合理的工程和管理的手段，协调和避免上下游之间的用水矛盾。□