叶尔羌河流域地下水水质评价及高效利用综合研究

余 姣

(新疆维吾尔自治区塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700)

叶尔羌河流域位于塔里木盆地西南边缘，总面积为9.89万km2，跨越4个地州和12个县市。叶尔羌河流域深处我国西北内陆腹地，气候干燥，降雨量稀少，同时径流耗散损失和水资源蒸发量较大，导致水资源供需不平衡。农业生产需求大量占用生态环境的用水，进而影响地下水的质量和水量的稳定性。因此，迫切需要研究适应叶尔羌河流域的水资源优化配置方案，提高水资源的利用效率，以适应流域内供需水的动态变化。同时，为了最大限度地保护有限的水资源，还需要提高地区的经济发展水平。

1 叶尔羌河概况

叶尔羌河发源于喀喇昆仑山脉，属于塔里木河的重要源流之一，全长1179km，地下水的天然补给量少，水资源以地表水为主，平原区不产流。叶尔羌河水系涵盖的河流主要为叶尔羌河、提孜那甫河、乌鲁克河、柯克亚河，流域水资源特点为：灌溉水利用系数低，水资源有限且未得到充分利用；年内的月径流量不均匀，洪枯季节的流量存在明显差异；分布区域缺乏均匀性。

2 叶尔羌河流域水资源优化配置模型

2.1 模型概念

本研究采用WEAP综合模型，该模型基于水量收支平衡原则，并综合考虑到水质、生态系统保护以及需求端问题等多个因素。模型以节点-连接结构为基础建立，并遵循质量平衡方程式：

q入=q出+q损

(1)

式中，q入、q出—进入、流出节点或连接的总水量；q损—节点或连接处的损失水量[1]。

建立联立方程，用线性规划法求解并进行分配计算。通过WEAP尽可能使各需求点的满足最大化，此时需进行如下计算：

Q入=W需λ

(2)

式中，Q入—需求点的实际入流量；W需—需求点的需水总量；λ—需求点的满足度系数。

将由生态效益满意度、经济效益满意度、社会效益满意度组成的综合效益满意度作为研究的目标函数，WEAP则是水资源优化配置模型中不可或缺的部分。根据流域水资源现状和社会经济发展现状，提出水资源优化配置流程，涵盖WEAP模型、子目标计算、权重计算等，如图1所示。

图1 水资源优化配置流程图

2.2 模型建立

流域可用水资源为冲积平原的地下水补给和山区冰雪融水的河道来水。根据流域内水源条件和引用水关系，划分出叶城、泽普、莎车、麦盖提、巴楚、岳普湖和前海分区，并在此分区的基础上做进一步分开概化处理，最终产生：1个河道流量要求、4条河流、7处地下水、9条分流、27个水库、57个需求点及120条输送连接。

2.3 目标函数建立

根据社会经济生态可持续发展原则优化配置水资源，采用系统分析原理和优化方法，协调流域内生产、生活、生态的水资源分配，在保证社会效益和经济效益的同时充分保障流域内的生态效益，在多维度的优化配置策略下，提升水资源在社会、经济、生态三方面的综合效益[2]。基于前述思路，引入综合效益满意度评价方法，利用三标度法计算经济、社会、生态效益的权重，再根据权重计算单个目标的综合满意度，方法如下：

P=ω1P1+ω2P2+ω3P3

(3)

式中，P—综合效益满意度；ω1、P1—社会效益的权重、满意度函数；ω2、P2—经济效益的权重、满意度函数；ω3、P3—生态效益的权重、满意度函数。

2.4 约束条件和优先顺序

(1)约束条件。分区用水量约束、可供水量约束、需水量约束、渠道输水能力约束、河道下放水量要求、地下水开采量限制、水库库容限制等。

(2)优先顺序。秉承居民保障置于首位的原则，首先需要切实保障居民生活用水，在此基础上则需保障生态用水、工业用水、农业用水，整个优先顺序充分遵循民生至上、以人为本的原则。

2.5 计算时段和水文序列

以月为模型计算时段；基准年为2018年，中期水平年为2030年，远期水平年为2040年；伊尔列黑、库鲁克兰干站和玉孜门勒克站为代表水文站，来水数据取自于1957—2009年，分别选择50%、70%、90%来水频率对应典型年份。

2.6 数据输入

节点和连接有关参数的输入是模型数据输入的重要部分。节点的主要组成为：①需水点：用户数量、单位用水量等；②地下水：补给水量和最大取水量；③河流有关参数：河道月损失和源头月来水量；④水库有关系数：总库容、初始库存、水库损失等[3]。

2.7 发展方案的提出

根据因地制宜的原则，并考虑到流域水资源和社会经济现状，制定发展方案，以期在满足社会经济发展需求的同时取得良好的节水效果。流域内的用水类型分为第一产业和第二产业，分别对应灌溉用水和工业用水。节水可采取适度节水和强化节水两种方式，将工业节水和居民节水作为区域内的重要节水途径。在生态层面上，居民节水被视为主要突破口，强化居民的节水意识，从居民的实际用水需求出发，尽可能控制生活用水定额的增长速度，但不能影响居民的正常生活[4]。在强化节水条件下，预计到2030和2040年，流域内农村用水定额分别为105和110L/(人·d)，城镇用水定额分别为200和205L/(人·d)。在工业领域，通过生产模式的转型升级，逐步淘汰高耗能的水设备，利用先进的设备和工艺提高水的重复利用率。因此，随着时间的推移，工业用水定额将减少[5]。考虑到流域内的生态环境和基础设施建设水平等因素，设置了低速增长和高速增长两种叶尔羌河流域内的工业发展模式。目前，流域内工业的用水定额为200m3/万元，在强化节水发展条件下，预计到2030和2040年的工业用水定额分别为90和50m3/万元，即通过强化节水措施可以大幅度地减少工业用水定额。在适度节水发展条件下，也能够减少工业用水定额，但减幅有限，预计到2030年为110m3/万元，2040年为60m3/万元。基于前述分析，提出如下4项发展方案。

方案1：工业低增长+强化节水；方案2：工业高增长+强化节水；方案3：工业低增长+适度节水；方案4：工业高增长+适度节水。

3 结果分析

3.1 WEAP运算结果

综合考虑扩大节水灌溉面积、提高灌溉水利用系数、建成山区水库等流域内的发展措施以及前述提及的4项发展方案，进行水资源调配计算。计算通过WEAP进行，考虑的条件是各规划水平年和各来水频率。在本次研究中，模拟50%来水概率的结果，合并结果后进行分析。

3.1.1 社会效益满意度

现状流域缺水率为17.6%，缺水量为12.55亿m3。在实施方案1、2、3、4后，预计2030年的缺水率分别为8.54%、8.90%、10.58%、10.83%，2040年分别为5.20%，6.15%，7.25%，8.21%，各方案的缺水率相比2030年均有降低。高发展方案的特点在于扩大生产规模，促进地区经济的发展，但随之增加流域需水量。对比分析各方案可知，相比方案1，方案2在2030、2040年分别多1312万、5656万m3，方案4分别比方案3多1604万、6787万m3。结合社会满意度指标，分析4项方案在2030、2040规划水平年的需水量、供水量及社会效益满意度，结果见表1(社会效益满意度等于流域供水满足度)。

表1 各发展方案在各规划水平年的社会效益满意度

3.1.2 经济效益满意度

现状年，地区总GDP组成中以第一产业的占比最高，超过60%。根据该产业发展现状，优化产业结构，从各类产业中筛选出高效益的工业产业，为其投入相对更多的水资源，以满足此类产业的发展要求，提高水资源利用水平的同时创造更加可观的经济效益[6]。对于流域内GDP期望值，在2030、2040年分别达到381亿、955亿元，并细分出各规划年的第一产业、第二产业、第三产业的产值，计算经济效益满意度，见表2。

表2 各发展方案的经济效益满意度

3.1.3 生态效益满意度

河床渗漏补给是河岸植被生态用水的主要来源途径，叶尔羌河输入塔里木河水量不应少于3.3亿m3(按50%来水频率计算)，换算至艾里克塔木渠首断面为8.26亿m3。流域生态用水期望值在2030、2040年规划水平年分别达到17.87亿、18.41亿m3，据此计算4项发展方案在各规划水平年的生态效益满意度，结果见表3。

表3 各发展方案在各规划水平年的生态效益满意度

3.2 方案的对比分析与选择

目标函数间各量纲存在差异，此条件下求解最优解的难度较高。因此，在确定多目标函数后，利用加权法转化为单目标函数，再求解转化后的函数，此时求解与分析的难度降低、结果可靠性有所提升。对于各子函数的权重，用三标度法予以确定。根据前述思路进行计算，确定效益满意度的权重，考虑社会、经济、生态三方面，分别为0.540、0.297、0.163，再综合考虑前述表1—3给出的数据和公式(3)，结合数据进行计算，确定4项发展方案在2030、2040年2个规划水平年的综合效益满意度，结果见表4。

表4 各发展方案在各规划水平年的综合效益满意度

根据表4数据进行对比分析，得知方案2在2030、2040年规划水平年的综合效益满意度均高于其它方案，具有可行性，即“工业高增长+强化节水”的发展方案最适用于叶尔羌河流域的发展。

3.3 水资源配置结果及其分析

在确定方案2(工业高增长+强化节水)为最优方案后，利用WEAP进行水资源配置，此处以规划水平年为2040年为例，50%来水频率条件下的水资源配置结果，见表5。在联合采取工业节水、农业节水、生活节水、加强水利基础设施建设多项节水措施后，至2040年的灌溉节水量高达14.58亿m3，缺水率为6.15%，相比原本的17.6%明显降低，采取方案2后较为有效地缓解缺水问题，由此也说明“工业高增长+强化节水”的方案具有可行性[7-9]。

表5 发展方案2在2040年的水资源配置计算结果

4 结语

综上所述，本研究通过利用WEAP建立了叶尔羌河流域水资源优化配置模型，并提出了4个发展方案。经过多目标决策分析，确定了“工业高增长+强化节水”的方案，该方案在2040年的规划水平年下具有显著的水资源配置效果。该方案能够降低流域的生产生活需水量，并且在50%来水频率下有效减少缺水率，缓解了水资源紧缺问题，改善了供需矛盾。同时，该方案还有利于流域社会、经济和生态环境的综合发展。然而，本研究还存在一些不足之处。首先，模型的建立依赖于数据的准确性和可靠性，因此在数据获取和处理过程中可能存在一定的误差。其次，本研究的结论和方案仅适用于叶尔羌河流域，其他流域的情况可能存在差异。因此，在今后的研究中，需要进一步完善和优化模型，提高数据的准确性，并探索适用于不同地区的水资源优化配置方法，以更好地指导地区的可持续发展。