不同干旱等級下的葉兒羌河流域水資源優化配置

薛聯青，楊明智，孫 超，楊曉軍，王金山，楊 廣

（1.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京210098；2.石河子大學 水利建筑工程學院，

新疆 石河子832000；3.河海大學 文天學院，安徽 馬鞍山243000；4.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒841000）

隨著我國西部干旱區經濟的發展和人口的快速增長，水資源的消耗越來越多，經濟活動所依賴的生態環境質量在不斷遭到嚴重破壞，生產、生活、生態供用水矛盾尖銳［1］。與此同時，旱災頻次明顯提高，河道斷流天數也有所增加，已直接威脅工農業生產，對流域生態造成較大破壞。為了解決不同干旱年下的葉爾羌河流域的水資源短缺問題，本文結合我國內陸干旱區水資源極端匱乏、干旱頻繁發生的實際情況，從研究區的供需現狀和缺水形勢著手，分析研究干旱等級與流域來水頻率的關聯及對區域社會發展的影響。

基于多項開源節流措施，構建不同工程措施實施下的水資源配置方案，提出采用綜合效益滿意度法建立數學模型，對不同干旱等級情況下的葉兒羌河流域6個方案進行優選，實現水資源的優化調配，充分發揮水資源的經濟、生態綜合效能，為當地水資源優化配置、流域社會經濟與生態環境可持續發展提供科學依據。

1 材料及研究方法

1.1 研究區概況

葉兒羌河流域位于塔里木盆地西南邊緣，地理坐標為東經74°28′—80°54′，北緯34°50′—40°31′，由葉兒羌河、提孜那甫河等4條河流組成，流域地跨4個地州12個縣市，是新疆境內地跨州縣市最多的流域，總面積9.89萬k m2［2］。境內有新疆最大、全國第四的大型灌區，灌溉面積50.23萬h m2。葉兒羌河流域干旱少雨，蒸發下滲強烈，水資源總量不足，僅占全疆水資源總量的9.28%。加之水利工程設施標準低，老化失修，節水設施不到位，渠系滲漏異常嚴重，綜合灌溉水利用系數僅為0.41，低于全疆平均水平。近20 a來，隨著社會經濟的快速發展，葉兒羌河流域工、農業用水需求增長很快，供需水矛盾尖銳。

1.2 干旱等級劃分

新疆地區降雨稀少、蒸發強烈，但平原區的降雨量變化并不能客觀反映干旱規律性變化，河道天然來水量的變化才是真實意義上的干旱變化波動。但新疆地區的河流大多是混合補給型河流，絕大部分河流徑流量不僅與流域平均高程有關系，還與流域地理位置和自然氣候特點有關，因此河道出山口處天然來水量的多少才能比較真實地反映葉爾羌河流域的干旱程度。故選取基于河川徑流量［3－4］的 SRI（Standardized Runoff Index）［5］作為干旱評價指標。SRI是將偏態分布的徑流量轉化為標準正態分布，以進行不同時空尺度下的對比分析。首先通過Box-Cox轉換［6］將徑流量序列轉化為正態分布：

將轉換后的序列進行標準化：

式中：X——徑流量；θ——Box-Cox轉換系數；Z——經Box-Cox轉換后序列；ˉZ，σZ——其均值和標準差。計算葉兒羌河流域主要代表水文站——卡群站（葉兒羌河）和玉孜門勒克站（提孜那甫河）1957—2009年的SRI值，其對比結果如圖1所示。采用P－Ⅲ型曲線對以上水文站53 a的長系列來水數據進行適線，參照干旱等級劃分標準（表1），對照找出SRI值分別為0，－1，－1.5，－2的來水年份及各年份對應的來水頻率，如表2所示。從表中可以看出，葉爾羌河流域在來水頻率小于50%時無旱，來水頻率50%～80%時為輕度干旱，來水頻率80%～90%時為中度干旱，來水頻率90%～95%時為重度干旱，來水頻率大于95%時為特大干旱。為便于水資源配置計算，分別選取80%，90%，95%來水頻率的徑流量代表中度干旱年、重度干旱年和特大干旱年的河道來水量。

圖1 研究區主要代表水文站1957－2009年SRI指標值

表1 干旱等級劃分標準

表2 葉兒羌河流域的干旱等級和來水頻率范圍對應表

1.3 水資源優化配置模型構建

水資源優化配置涉及多個決策主體，社會、經濟、生態環境等多個決策目標［7－10］，因此水資源優化配置要遵循可持續發展原則，解決區域內水資源在生活、生產、生態之間最優分配，既要追求社會效益和經濟效益，又要顧及生態效益。引入三標度法計算經濟效益、社會效益和生態環境效益三方面的權重，將社會效益、經濟效益和生態效益三個目標的滿意度［11］轉化成一個單個目標的綜合滿意度，最終建立以綜合效益滿意度最大為目標函數的水資源優化配置模型。其模型表達式如下：

式中：ω1，ω2，ω3——社會效益、經濟效益和生態效益的權重，由三標度法［12］確定，且ω1＋ω2＋ω3＝1；P——綜合效益滿意度函數；P1，P2，P3——社會效益、經濟效益和生態效益滿意度函數，0≤Pi≤1，i＝1，2，3，其表達式如下：

式中：Ex，Cx——工業產值、地下水開采量的期望值；Pmax，E（x），C（x）——社會目標函數、經濟目標函數和生態目標函數，表達式如下：

式中：k——分區數量；J（k）——第k分區的用水部門數量；I（k）——第k分區的獨立水源數量；c——公共水源數量；Dkj——區域在k分區第j用水部門的需水量（萬m3）；xijk——區域第i獨立水源給第k分區第j用水部門的供水量（萬m3）；xcjk——區域第c公共水源給第k分區第j用水部門的供水量（萬m3）；m——工業萬元產值（萬元／m3）；Ci——第i灌區的地下水全年開采總量（億m3）。

約束條件主要有可供水量約束、需水量約束和供水能力約束等，另外還包括地下水可開采量約束、機井提水能力約束、水庫庫容限制、輸水能力約束、供水優先順序約束、需水優先順序約束等其它約束條件。

2 結果與分析

2.1 基準年供需分析

為了清晰地描述在無節水工程投入情況下區域水資源的供需前景，以充分暴露發生不同干旱程度中的水資源供需矛盾，從而為發生區域水資源供需矛盾的解決奠定基礎，對研究區現狀水資源作一次平衡供需分析。在現狀年的基礎上，扣除現狀供水中損失的部分水量，對需水、來水按不同頻率進行供需分析。研究區不同干旱等級下的一次供需平衡結果見表3。

表3 研究區不同干旱等級下的供需平衡分析

從表3中可以看出，葉兒羌河流域現狀可供水量在發生不同程度干旱時均不能滿足流域內現狀的用水需求，干旱年下流域缺水率在14%左右，重度干旱年下缺水率為20%左右，特大干旱年缺水率接近23%。由于各分區的水利工程分布不均勻、水資源量和需水不同，各分區缺水情況各有不同：葉兒羌河流域現狀缺水地區主要是上游分區。缺水率最大的是葉城分區，干旱年下缺水率達到了24.4%，在重旱年和特大旱年下的缺水率在30%左右；其次是澤普分區，干旱年下缺水率達24%左右，在重旱年和特大旱年下的缺水率在28%左右。中部分區水利條件最好，在干旱年下缺水率在13%左右，在重旱年和特大旱年下的缺水率在20%左右，但中部區用水量基數較大，幾乎占了整個流域用水量的一半，隨著流域生產發展對水資源需求的高速增長，未來缺水情勢不容樂觀。

2.2 方案設定

解決水資源供需矛盾的基本思路就是增加供水和抑制需水。通過詳查葉爾羌河流域的引、蓄、提、排等現狀水利工程，繪制流域水利工程節點布局圖，干旱情況下可能采取的流域開源節流措施包括適當增加流域內的地下水開采量和改變農業用水比重（目前流域的農業用水比重為95%）。根據對葉兒羌河流域現狀工程情況下的缺水狀況、節水潛力和新增供水能力的分析，參考《塔里木河流域近期綜合治理規劃報告》和《新疆維吾爾自治區抗旱規劃報告》，圍繞以上開源節流措施，從方式和規模上進行多種組合，并適當取舍，組成6個方案（表4）。

表4 葉兒羌河流域的六種配置方案

2.3 方案優選

按照三標度法的計算公式和步驟，計算得到社會效益、經濟效益和生態效益的權重分別為0.540，0.163和0.297。根據總體滿意度計算公式，對擬定水資源配置方案對應的不同干旱程度下的配置結果進行評價計算，求得不同干旱等級條件下6個方案的總體滿意度，結果見表5。由表中可以看出，方案六在不同干旱年下的總體滿意度值均高于其他方案，即方案六是在極端干旱年下綜合考慮社會效益、經濟效益和生態效益的水資源調配最優推薦方案。

2.4 配置結果和分析

利用 WEAP（Water Evaluation and Planning System，水資源評估和規劃系統）［13］模型對推薦方案（方案六）進行水資源配置，由于篇幅所限，僅列出重度干旱情況下的葉兒羌河流域的水資源配置結果，見表6。極端干旱年的水資源配置應遵循以人為本、民生優先的原則，按照生活用水、工業用水、農業用水的配給順序，優先供給居民生活用水，其次是工業，最后考慮農業，所以在干旱發生情況下農業將會出現缺水現象，相應的缺水出現在農業灌溉需水上。

表5 研究區不同干旱等級下各方案的總體滿意度

配置方案六作為推薦方案，同時考慮了增加地下水開采量和改變農業用水比例。通過各種生活、工業和農業節水措施，尤其灌溉節水，加強灌區水利工程基礎設施建設，提高灌溉水的利用效率，葉爾羌河流域的缺水狀況得到了明顯緩解，重度干旱條件下流域灌溉需水量減少到57.7億m3。從表3和表6的對比中可以看出，生產生活供水量增加到65.4億m3，流域缺水4.4億m3，缺水率由原來的20.7%降低到6.2%，已經大大緩解了流域的干旱缺水狀況，可有效地緩解流域的供需矛盾，這對于緩解極端干旱條件下的水資源供需矛盾，遏制生態環境惡化的趨勢具有重要意義。

表6 重度干旱條件下研究區的水資源優化配置計算結果

3 結論

（1）結合流域水文特點，證實了葉爾羌河流域的干旱程度取決于河道出山口處的天然來水量這一結論，選取基于河川徑流量的SRI作為干旱評價指標，劃分了干旱等級，揭示了干旱等級與流域來水頻率的關聯程度。

（2）采用三標度法確定社會效益、經濟效益和生態效益的權重。三標度法是對傳統的層次分析法的一種改進，使判斷矩陣簡化，使用簡單，無需建立復雜的數學模型，層次清晰，可操作性強，避免了構建判斷矩陣時權重選擇的模糊性，使得評價結果更加符合客觀實際。

（3）建立了能全面反映區域經濟與生態協調發展狀況的評價指標體系，構建了以人—生態環境—社會—經濟協調發展的，以綜合效益滿意度最大為目標函數的水資源優化配置模型，并確定每個評價指標的參照標準，為客觀準確地評價經濟與環境協調發展狀況奠定了基礎。引入綜合效益滿意度模型，對各方案在社會、經濟、生態環境各方面的效果進行了有效的度量，并根據效果的優劣，選擇最優方案，可使配水方案產生的綜合效益最大，促進水資源的合理有效利用。結果表明，最優方案使流域嚴重的缺水情況得到了很大的緩解，可有效地緩解流域的供需矛盾。

（4）渠道是葉爾羌河灌區灌溉最主要輸水方式，而傳統的土渠輸水滲漏損失量大，因此，在葉爾羌河灌區發展渠道防滲技術，降低渠道輸水損失是緩解水資源緊缺的重要途徑。通過發展高效節水工程及渠系防滲工程，減少滲漏，提高渠系水利用系數，將有效降低農業灌溉用水的損失，提高農業用水效率。但目前葉爾羌河流域渠系水利用系數還不到0.45，田間灌溉技術應用率較低，應用工程技術措施的節水潛力仍比較大。

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