干旱区水资源供需平衡分析方法研究——以新疆哈密市伊州区为例

阿哈提·克力木，曾俣杰，刘德地

（1. 哈密市伊州区水管总站，新疆 哈密 839000； 2. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072）

0 引 言

随着经济的高速发展，人口的快速增长，社会对水资源的需求越来越大，对供水保证率的要求日益提升［1，2］。干旱区水资源稀缺，水资源系统承载能力不足，已经成为制约其社会经济可持续发展的关键因子，在干旱区展开合理水资源供需平衡分析已成为必然需求［3-5］。目前围绕干旱区不同来水频率下的水资源供需平衡分析已经形成了大量研究。何英等［6］以水资源二次平衡理论为基础，探求了乌鲁木齐市在50%、75%、95%3 种来水频率下水资源短缺情况。金菊良等［7］在计算不同来水频率下可利用水资源量的基础之上展开水资源供需分析，评估了安徽省各市的抗旱能力。马素英等［8］以河北省南水北调受水区为研究对象，分析了供受水区不同来水频率组合下的水资源优化调配方案，以保障区域供水安全。上述研究为干旱区的水资源供需平衡提供了技术支撑，为维持干旱区可持续发展奠定了理论基础。然而，他们大多是聚焦于不同频率下的来水对于干旱地区的水资源系统的影响，而欠缺对未来变化需水的考虑。而随着社会经济快速发展，需水增长迅速，仅仅考虑基于历史社会经济指标的需水情景可能给水资源的规划带来潜在风险。因此，预测不同规划水年条件下的需水，对于保障干旱地区用水，指导干旱地区水资源合理规划，具有十分重要的意义。目前已经有不少研究，在干旱地区构建了不同来水与需水组合情景，展开了水资源供需平衡分析。Ouda 等［9］对比分析了沙特阿拉伯在3 种不同需水情景下的水资源供需平衡，为当地的水资源规划提供了技术支撑。刘晶等［10］基于系统动力学方法，构建了48 个需水情景和3 个再生水回用情景，围绕义乌市2020-2050年水资源供需平衡展开了分析。郭毅［11］采用系统动力学方法对郁江流域不同频率下的来水与不同节水模式下的需水进行组合，探求了郁江流域的缺水情况。上述研究充分考虑了未来的需水情景，为当地的水资源规划提供了技术支撑。然而，他们常以天然历史径流为来水条件，缺少了对水库运行调度的考虑，进而增加了供水的风险。水资源配置，通过结合一系列工程措施与非工程措施，同时考虑了水库端的运行调度过程与用水端的配水用水过程，已经成为了人类管理水资源重要手段［12-15］。将水资源配置纳入干旱区水资源供需平衡计算中是提高水资源利用效率的必然需求。

研究以新疆哈密市为例，采用定额法预测2030近景规划水平年与2040 远景规划水平年情景，在分析水资源系统供、用、耗、排基本环节的基础之上，采用IRAS 模型展开了水资源合理配置，为保障研究区域用水安全，维持社会经济可持续发展提供理论依据。

1 研究方法

研究方法包含两个模块:需水预测模块与水资源配置模块。需水预测模块以定额法为基础，预测不同规划水平年下各用水部门的需水量。水资源配置模块以规划水平年需水、历史来水为输入，在充分考虑水利工程与用水户之间水力联系的基础之上，采用水资源配置模型展开水资源合理配置。模型框架图如图1所示。

图1 规划水平年需水下水资源配置框架图Fig.1 Framework for water resources allocation with water demand in planning year

1.1 需水预测模块

需水可划分为社会经济需水与河道内生态需水，其中社会经济需水可根据用水部门进一步划分为生活需水、工业需水与农业需水。

社会经济需水采用定额法进行预测［16］，具体步骤为:分析影响用水的主要因素发展趋势，确定用水指标及用水定额；根据用水定额和用水指标（如人口或工业产值等）计算出规划水平年的需水量。根据确定的用水户分类口径，在分析各部门的用水影响因素（如人口、工业产值、农业产值等）及用水定额的基础上分别预测各部门的需水量。总需水量即为各部分之和。定额法计算公式如下:

河道内生态需水采用Tennant 法进行预测［17］，其计算公式如下:

1.2 水资源配置模块

水资源配置模块采用由康奈尔大学开发的Interactive River-Aquifer Simulation（IRAS）模型。该模型因其建模灵活性好，模拟精度高，在全球范围内得到了广泛地应用［18-20］。IRAS模型的原理图如图2所示。

图2 IRAS模型流程图［20］Fig.2 Framework for IRAS water resources allocation model

IRAS模型以概化的水资源系统节点网络为基础，展开水资源合理配置。其中用水节点与供水节点与直接与水资源系统的用水端与供水端相关联，是水资源配置模型的计算核心［12］。

对于用水节点，当用水户的用水需求高于来水条件时，采用公式（3）、（4）计算用水户的缺水量:

以水库与用水户之间的水力联系为基础，按照水资源配置公平性、有效性与可持续性原则，确定水库对用水户的供水比例，将用水户的缺水分解，并加以累积，得到水库的拟放水量:

图3 IRAS模型水库放水量计算示意图Fig.3 Diagram for water release of reservoirs in the IRAS model

对于供水节点，水库的放水量根据水库实时库容及其运行调度规则确定，其线性插值计算公式为（6）～（12）:

2 哈密市伊州区水资源配置模型构建

2.1 自然地理与水资源利用概况

哈密市伊州区位于新疆东部，地跨东天山南北，区域总面积8.08 万km2，东与甘肃省酒泉市为邻，南接巴音郭楞蒙古自治州，西与昌吉回族自治州、吐鲁番市毗邻，北与巴里坤县和伊吾县接壤，设有国家一类口岸—老爷庙口岸，是新疆与蒙古国发展边贸的重要开口岸之一，是哈密市政治、经济、文化中心［21，22］。哈密市地理位置如图4所示。

图4 哈密市伊州区地理位置Fig.4 Location of Yizhou district in Hami city

哈密市伊州区位于典型的温带大陆性干旱气候区，干旱少雨，年平均降雨量36 mm，年均蒸发量3 000 mm，属于典型的干旱地区。水资源总量少，且时空分布不均，是制约研究区域可持续发展的关键因子。随着社会经济发展，研究区域内的用水需求日渐增长，且各行业用水保证率要求逐年提高，其水资源供需矛盾日益严峻。因此，在哈密市伊州区展开需水预测，进行合理水资源配置，对于保障当地供水，进而维持当地社会经济稳健发展具有十分重要的意义。

2.2 模型输入

2.2.1 水平年及计算步长

以2021 年为基准年，分别选取2030、2040 为近景、远景规划水平年，计算步长为月。

2.2.2 来水条件

研究区域可利用水资源量由地表水和地下水构成。地表水的主要来源为天山南部的石城子河、四道沟、大小天生圈和2座中型和4座小一型水库在内的18条河流及坎儿井水，2020年供水量为1.022 亿m3、2021 年为1.046 亿m3。地下水的主要类型是潜水，其补给来源主要以天山冰川雪水深入补给。2020年地下水供水量为2.45 亿m3、2021 年为2.58 亿m3。研究区域及水库的逐月来水过程采用2021 年实测径流资料。地下水可利用量采用多年平均取水量2.77 亿m3。

2.2.3 需水条件

规划水平年的需水长序列，由需水预测模块计算得到。基准年的社会经济指标如下:人口为46.1 万人，GDP 为727 亿元，耕地面积为43 000 hm2；用水定额如下:生活用水为190.5 L/（人·d），工业用水为 m3/万元，农业用水为6 177 m3/hm2。

2.2.4 水利工程数据

研究区域一共考虑了6 座中小型水库，各水库的特征参数见表1。

表1 水库特征值 万m3Tab.1 Characteristics of reservoirs

2.3 情景设置

来水采用2021 年逐月实测径流资料。需水以2021 年为基准年，2030 年为近景规划水平年，2040 为远景规划水平年。将来水与需水条件进行组合，一共设置3个情景，如表2所示。

表2 情景设置Tab.2 Scenarios setting

3 结果讨论

3.1 需水预测

3.1.1 社会经济指标预测

经统计历史数据计算得到伊州区人口与GDP 的多年平均增长率为0.003 与0.09。根据《哈密市用水总量控制分解实施方案》要求截止2025 年灌溉面积退减指标为2 267 hm2，并维持稳定。综上，可以预测得到2030 与2040 规划水平年的各项社会经济指标，结果见表3。

表3 社会经济变量预测Tab.3 Socioeconomic variables in the planning years

研究区域人口缓慢增长，由基准年的46.1万增加至2030规划水平年的47.4 万与2040 规划水平年的48.8 万，增幅并不显著。伊州区的经济发展速度迅速，GDP 从基准年的727 亿元增加至2030 规划水平年的1 579 亿元与2040 规划水平年的3 738亿元。而耕地面积，在水量控制的政策的推进下，从基准年43 000 hm2减少至2030 规划水平年的40 733 hm2，并在2040 规划水平年中保持稳定。

3.1.2 不同水平年各用水部门需水

结合社会经济指标预测成果与各用水部门用水定额，通过定额法预测了伊州区2021 现状水平、2030 与2040 规划水平的生活需水、工业需水与农业需水，如表4所示。

表4 需水预测 万m3Tab.4 Water demand in the planning years

总体上来看，研究区域需水增加显著，由现状水平年的37 502 万m3增加至2030 规划水平年的39 717 万m3与2040 规划水平年的48 756 万m3；从不同的用水部门来看，工业需水的增加最为明显，是总体需水增加的主要来源，由3 010 万m3增加至6 537 万m3与15 476 万m3；生活需水缓慢增加，相比于基准年，2030 与2040 水平年的需水增幅仅为88 万m3与188 万m3；农业需水略有减少之后保持稳定，由现状水平年的26 560 万m3减少至2030规划水平年的25 160 万m3，并保持稳定。

为了进一步分析需水的组成，图5 展示了各用水部门需水量的占比情况。

图5 用水部门需水比例Fig.5 Percentage of water demand for different users

尽管农业需水不再增长，其占比有所下降，但其一直是研究区域最大的用水部门，在2021 现状、2030、2040 水平年中分别占比71%、58%与49%。占比增长最快的是工业需水，从现状水平年的8%增加至近景规划水平年2030 的17%与远景规划水平年2040的29%。生活需水与生态需水占比变化较小，均在2%以内。

因此，尽管在水量控制的政策下，农业用水有所下降，但是随着社会经济发展，研究区域的需水仍将有显著上升，且增加的需水主要来源于工业需水。由于工业用水部门较农业用水部门拥有更高的用水权，工业需水的增长意味着研究区域内的用水保障率要求也会日益上升。综上，在社会经济快速发展的背景之下，哈密市伊州区的水资源供需矛盾将会进一步加剧，开展水资源合理配置是研究区域的必然需求。

3.2 水资源配置结果

根据构建的水资源配置模型，对哈密市伊州区的用水、供水进行了模拟计算，分析了各用水部门2021 现状水平年、2030与2040 规划水平年的水资源供需情况。各个用水户的总体缺水状况如表5所示。

表5 水资源配置结果 万m3Tab.5 Results of water resources allocation

总体上来看，缺水率随着规划情景的推移而增加，从情景Ⅰ的2.78%增加至情景Ⅱ的4.20%与情景Ⅲ的15.46%。这是因为随着社会经济的快速发展，研究区域的需水增加迅速，由情景Ⅰ的37 502 万m3增加至情景Ⅱ与情景Ⅲ的39 717 万m3与48 756 万m3。增长的用水需求逐渐超过了当地水资源系统的承载能力，用水缺口逐渐变大，从情景Ⅰ的1 041 万m3增加至情景Ⅱ的1 668 万m3与情景Ⅲ的7 540 万m3。为了进一步分析不同用水部门的缺水情况，图6展示了各用水部门在情景Ⅰ、Ⅱ与Ⅲ下的缺水率。

图6 用水部门缺水率Fig.6 Water shortage rates of different users

尽管农业需水有所下降（由现状水平年的26 560 万m3减少至2030、2040 规划水平年的25 160 万m3），农业用水部门仍然是缺水的主要来源。且随着规划情景的推移，农业缺水率显著增加，情景Ⅰ的3.92%增加至情景Ⅱ的6.63%与情景Ⅲ的22.15%。一方面，随着社会经济发展，需水总量迅速增加，尤其是工业需水，由现状水平年的3 010 万m3增加至2030 规划水平年的6 537 万m3与2040 规划水平年的15 476 万m3；另一方面，供水的优先权顺序为生活、生态、工业与农业用水户，具有优先供水级别的工业需水增加迅猛，直接影响了较低供水级别的农业部门的供水，农业缺水日趋显著。与此同时，过量增长的需水，明显超过了当地水资源系统的承载能力。在情景Ⅰ的与情景Ⅱ中，需水尚在水资源系统承载能力以内，生活、河道内生态与工业用水部门的需水均能得到充分满足，社会经济仍可持续发展。而在在情景Ⅲ中，由于需水的迅猛增长，供水压力显著增加，出现了来自生活、河道内生态与工业的缺水，缺水率分别为0.78%、8.37%与9.98%。2040远景规划水平年的需水超过了水资源系统的承载能力，各个部门均出现了不同程度的缺水，社会经济的可持续发展面临挑战。

4 结 论

研究以2021 为基准年，2030 为近景规划水平年、2040 为远景规划水平年，在分析水资源系统中供、用、耗、排等主要环节中所涉及的要素和相互连接关系的基础上，以干旱地区哈密市伊州区为例，建立了水资源配置模拟模型，研究了哈密市伊州区在不同规划水平下的水资源供需平衡关系，得到如下研究结论。

社会经济的快速发展将直接带来需水的迅速增加。哈密市伊州区的需水由现状水平年的37 502 万m3增加至2030 规划水平年的39 717 万m3与2040规划水平年的48 756 万m3。其中工业需水增长最为迅速，需水占比从现状水平年的8%增加至2030 规划水平年的17%与2040 规划水平年的29%。水资源配置能够通过水库运行调度，有效保障供水，维持系统稳定。尽管2030 规划水平年的需水有所增加，研究区域的生活、生态与工业用水仍然能够通过水资源合理配置得到充分保障。然而当需水持续增长，超过水资源系统承载能力时，各用水部门均将出现不同程度的缺水，2040规划水平年下生活、生态、工业与农业用水户的缺水率分别达到了0.78%，8.37%，9.98% 与22.15%，给社会经济协调可持续发展带来不可忽视的挑战。

针对上述问题，提出以下建议:①进一步强化水资源刚性约束，以水定城、以水定地、以水定人、以水定产，坚定走绿色可持续的高质量发展之路，合理规划社会经济发展节奏，严格控制需水在水资源系统承载能力以内；②加强节水型社会建设，提高水资源利用效率，推广节水工业、农业模式，有效控制用水定额；③完善水利工程建设系统，兴建引水工程；④积极开展水资源优化配置，进一步提高水资源利用效率。