塔里木河下游多目标水资源配置方案研究

朱文静

(新疆维吾尔自治区水文局水文实验站，新疆 乌鲁木齐 830000)

近年来干旱区流域水循环过程和生态格局发生严重变化，造成了干旱区流域水资源短缺和生态退化，特别是位于极度干旱的塔里木河下游地区。该区河道常年断流、地下水位下降，导致土地荒漠化过程加剧，生态系统严重受损[1]。为了缓解塔里木河下游河岸生态环境的持续恶化，必须通过合理的水资源配置模式来保证下游的生态用水。本文基于水文学理论，构建以缺水量最小为目标的塔里木河干流水资源优化配置模型，根据水资源优化配置结果为塔里木河下游的生态输水、生态环境恢复及水资源高效利用提供理论依据。

1 区域概况

塔里木河位于塔里木盆地北部，是我国最长的内陆河。塔里木河干流西起阿克苏河、叶尔羌河以及和田河三河汇合处，向东绕塔克拉玛干沙漠北缘，最终流入其尾闾台特玛湖，全长1 321 km。目前，塔里木河干流中仅有阿克苏河、叶尔羌河和和田河与地表水相连，其中阿克苏河是塔里木河干流水量的主要补给来源，补给量占73.2%，和田河为23.2%，叶尔羌河只占3.6%[2]。降水稀少、蒸发强烈，且源流用水量增加，进入干流的水量减少，上中游耗水量的增大，致使塔里木河下游常年断流，生态环境急剧恶化。

2 塔里木河干流水资源配置

本文对塔里木河干流不同来水频率、不同规划水平年、不同配置方案下的水资源利用做出了合理的优化配置，得到了塔里木河干流从上游到下游的 6个主要控制断面：阿拉尔、新渠满、英巴扎、乌斯满、阿其克和恰拉的年内水量配置过程。

2.1 各用水单元需水量及水资源配置方案设置

2.1.1 各用水单元需水量

1)工业生活需水量

由表1 知，现状年 2020 年工业生活需水量为 0.16×108m3；规划水平年2030年工业生活需水量为 0.4×108m3；规划水平年2040年由于石油工业有高低方案之分，高方案的工业生活需水量为 1.484 5×108m3、低方案的工业生活需水量为1.093 7×108m3。

表1 塔里木河干流流域灌区生活工业需水量 104 m3

2)农业灌溉需水量

各水平年农业灌溉需水量计算见表2。

2.1.2 水资源配置方案设置

在塔里木河干流进行水资源配置时，由于规划水平年的不同、农业灌溉高效节水规模的不同和石油高低方案的不同共设置了水资源配置的八种不同方案，具体如表3。

2.2 水资源配置模型建立

2.2.1 目标函数

塔里木河流域水资源配置的目标是实现社会经济系统的可持续发展和水资源与生态环境系统的良性循环，包括生态环境目标、水资源利用目标、社会经济效益目标等。为了便于模型的建立和求解，将多目标问题转化为单目标问题，并将其他目标作为模型的约束。目标函数有：

水量最小；

综合利用效益最大；

非汛期生态供水量最大。

以缺水量最小为主模型，其它目标作为模型约束条件。具体如下[3]：

P(gg)=∑i[que(i)>0]/(I+1)

(1)

式中：I为年数；J为以年为计算周期的月时段数；N为断面区间数；Wgx(n，i，j)为断面区间n在第i年j时段的需水量；Wg(n，i，j)为在第n年j时段供给断面区间的水量；que(i)为第i年N个断面区间的总缺水量；P(gg)为灌溉保证率。

表2 干流段各区间不同水平年农业需水量 104 m3

表3 水资源配置方案设置

2.2.2 约束条件

模型约束条件包括：水量平衡约束、水库水量平衡约束、水库库容约束、灌溉供水约束、生态供水约束等，模型计算还包括了变量非负约束等。

流域水量平衡约束：

W来水(i，j)=W供水(i，j)+W损失(i，j)±W水库供需水(i，j)

(2)

水库水量平衡约束：

Vm(i，j+1)=Vm(i，j)+3600×[QVm(i，j)-QCm(i，j)]·Δt

(3)

式中：Vm(i，j)和Vm(i，j+1)分别为第 m 个水库第 i 年第 j+1 时段与第 j 时段的水库库容；QVm(i，j)为第 m 个水库第 i 年第 j 时段入库流量；QCm(i，j)为第 m 个水库第 i 年第 j时段出库流量。

库容约束：

Vmmin(j)≤Vm(i，j)≤Vmmax(j)

(4)

式中：Vmmin(j)和Vmmax(j)分别为第 m 个水库第 i 年第 j 时段的上、下限库容约束。

灌溉供水约束：

QGg(i)≤QGx(i)

(5)

式中：QGg(i)和QGx(i)分别为各节点灌溉供水之和、各节点灌溉需水之和。

生态供水约束：

QSx(i)≤QSg(i)

(6)

式中：QSg(i)和QSx(i)分别为生态供水和生态需水。

2.3 水资源优化配置模型求解及结果

2.3.1 河道外生态供水量求解

河道外生态需水主要集中在 7、8、9三个月，采用模拟优化人机对话算法对塔里木河干流的河道外生态供水量进行求解，方法如下：

(7)

式中：W(i)总代表第 i 年由塔里木河干流向河道外供给的生态水量；LQK1(i，j)代表第 i年 j 时段的来水量，X、Y、Z 分别表示 7、8、9 三个月各月的供水比例，L 表示河道外生态供水比例。每年的 7、8、9 三个月塔里木河干流都会向河道外供给一部分生态用水，限定 X、Y、Z 的步长取值为 0.1，从而得到最优供水比例。

2.3.2 水资源优化配置结果

通过配置模型分析得到，2020 现状年水平下，农业灌溉保证率达到 53%～74%，灌区平均缺水量达到0.497 亿m3；河道外生态供水保证率只有32%～45%；生态基流保证率为 68%～81%；大西海子水库平均下泄生态水量 2.99亿 m3，配置指标见表4。

表4 现状年各项指标完成情况

表4可以得到按照现状年的水资源配置模式，灌区农业、河道外生态、生态基流和大西海子下泄水量均达不到设计要求。

规划水平年 2030 年，塔里木河流域地下水可开采量 1.075 2亿 m3，农业地下水量为 0.742 6亿 m3；恰拉断面以上流域农业总需水量7.67亿 m3，河道外生态需水量 21.32亿 m3；恰拉断面以下农二师需要 4.5亿 m3灌溉用水，河道外生态需水 1.04亿 m3，大西海子多年平均3.5亿 m3生态水。以上资料带入模型得到结果(取多年平均值)见表5。

表5 规划水平年 2030 年流域水资源配置结果

由表5多年平均配置结果可以看到：

(1)大西海子水库平均下泄水量达到了3.502亿 m3的配置要求；

(2)河道外生态供水保证率大于 50%，满足设计要求；

(3)生态基流保证率满足 90%的设计要求；

(4)各灌区农业保证率满足 75%的设计要求。

规划水平年 2040 年，塔里木河干流流域地下水可开采量 1.075 2亿 m3，2040 年工业需水量高方案 1.48亿 m3和低方案 1.09亿 m3均超过地下水可开采量。恰拉断面以上流域农业总需水量 6.52亿 m3，河道外生态需水量 21.32亿 m3；恰拉断面以下流域农二师需要 4.5亿 m3灌溉用水，河道外生态需水 1.04亿 m3，大西海子多年平均3.5亿 m3生态水。计算所得结果见表6。

表6 规划水平年 2040 年流域水资源配置结果

由表6多年平均配置结果可以看到：

(1)大西海子水库平均下泄水量达到了 3.502 亿 m3的配置要求；

(2)河道外生态供水保证率均大于 50%，满足设计要求；

(3)生态基流保证率为 92%～96.2%，高于设计要求 90%；

(4)各灌区农业保证率为 72%～86.8%，高于设计要求 75%。

3 结语

本文以塔里木河下游流域为研究对象，使用断面的水文、气象、地形、河道水位等资料，采用模型算法对塔里木河干流进行了水资源的优化配置，得到规划水平年 2030年50%来水频率下灌溉供水控制总量为 12.17 亿 m3，生态供水控制总量为 23.43亿 m3，大西海子断面下泄生态水量为 3.502亿 m3。规划水平年 2040年50%来水频率下灌溉供水控制总量为 11.02亿 m3，生态供水控制总量为 23.65亿 m3，大西海子断面下泄生态水量为 3.503亿 m3。灌溉、生态及大西海子下泄均满足设计要求。结果为相关设计研究提供了一定参考，对于地区水文计算具有重要意义。