基于WEAP模型的塔里木河干流水資源調(diào)配方案研究

魏光輝，姜振盈

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

需水量的模擬與預(yù)測(cè)是掌握區(qū)域需水規(guī)律及特征的重要手段，在水資源規(guī)劃、水資源系統(tǒng)模擬、供水風(fēng)險(xiǎn)分析等方面廣泛應(yīng)用[1]。許多發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)60年代就開(kāi)始重視對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)需水量的預(yù)測(cè)，中國(guó)從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始對(duì)需水量預(yù)測(cè)進(jìn)行了深入研究。目前常用的預(yù)測(cè)方法主要有趨勢(shì)分析法、時(shí)間序列法、定額法以及回歸分析法等[2]。為了減少不確定性，一些非線性理論，如灰色系統(tǒng)理論、混沌理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波理論等[3]被引入到需水量模擬中。

在眾多的水資源系統(tǒng)優(yōu)化配置方法中，WEAP(Water Evaluation and Planning System)模型兼顧考慮了水質(zhì)和生態(tài)效益等環(huán)境熱點(diǎn)問(wèn)題，模型界面友好，計(jì)算過(guò)程明晰，近年來(lái)得以廣泛應(yīng)用[4-6]。鑒于此，本文以WEAP理論為基礎(chǔ)，以新疆塔里木河干流為研究對(duì)象，對(duì)不同干旱等級(jí)下的研究區(qū)需水量滿足狀況進(jìn)行模擬，以期實(shí)現(xiàn)流域水資源的優(yōu)化調(diào)配。

1 WEAP模型介紹

WEAP模型是由瑞典斯德哥爾摩環(huán)境研究所開(kāi)發(fā)的將供水、水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)背景之下考慮水資源開(kāi)發(fā)的綜合模型[7-8]。模型以月為時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算系統(tǒng)中“節(jié)點(diǎn)”和“連接”的水量和污染物的質(zhì)量平衡。近年來(lái)，WEAP系統(tǒng)已廣泛用于流域未來(lái)水資源供需平衡評(píng)估和氣候、決策驅(qū)動(dòng)的水資源管理情景分析中。

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成要素

WEAP模型基于水資源系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)對(duì)水資源利用情況進(jìn)行規(guī)劃和管理，主要由12個(gè)要素組成，分別為需求點(diǎn)、集水盆地、水庫(kù)、地下水、河流、分流、輸送連接、回流、流量要求、流量測(cè)站、過(guò)水河流發(fā)電、廢水處理廠，通過(guò)對(duì)其組合連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源系統(tǒng)的模擬[9]。

1.2 模型運(yùn)算流程

1.2.1系統(tǒng)定義

主要包括以下內(nèi)容[10]：①設(shè)置時(shí)間跨度，主要包括時(shí)間范圍、時(shí)間步長(zhǎng)和水文年起始；②設(shè)置空間界限，主要包括研究區(qū)域所在地理范圍；③建立水資源系統(tǒng)概化節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖。

1.2.2現(xiàn)狀基準(zhǔn)設(shè)置

現(xiàn)狀基準(zhǔn)是對(duì)現(xiàn)狀基準(zhǔn)年的水資源系統(tǒng)數(shù)據(jù)和運(yùn)行情況的準(zhǔn)確描述。主要包括研究的第一年逐月的供給和需求數(shù)據(jù)的詳細(xì)說(shuō)明。模型通過(guò)現(xiàn)狀基準(zhǔn)年的詳細(xì)數(shù)據(jù)，預(yù)設(shè)模型參數(shù)。

1.2.3情景預(yù)案設(shè)計(jì)

情景預(yù)案設(shè)計(jì)是WEAP模型的核心，WEAP模型可以生成并比較預(yù)案，以評(píng)價(jià)不同情景預(yù)案的需水、成本和環(huán)境影響。如：人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式發(fā)生變化，需水量發(fā)生的變化；大量開(kāi)發(fā)利用地下水，水環(huán)境和生態(tài)環(huán)境發(fā)生的變化；實(shí)施高效節(jié)水灌溉技術(shù)后，生產(chǎn)成本、產(chǎn)量與需水量間關(guān)系發(fā)生的變化；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)作物構(gòu)成發(fā)生變化時(shí)，土地利用方式及生態(tài)環(huán)境發(fā)生的變化。

1.3 運(yùn)算法則

WEAP模型均以月為時(shí)間間隔(步長(zhǎng))運(yùn)算，從現(xiàn)狀基準(zhǔn)年的第一個(gè)月計(jì)算到預(yù)案最后一年的最后一個(gè)月，每個(gè)月都獨(dú)立于前面的一個(gè)月。因此，在一個(gè)月中，所有進(jìn)入系統(tǒng)的水(如源頭來(lái)水、地下水補(bǔ)給或到河段徑流)或者儲(chǔ)存在潛水層或水庫(kù)中、或者在月末之前離開(kāi)系統(tǒng)(例如河流末端的出流、需求點(diǎn)消耗、水庫(kù)或河段蒸發(fā)、輸送及回流連接損失)。由于時(shí)間尺度相對(duì)較長(zhǎng)(月)，所有流量被假定瞬時(shí)出現(xiàn)。因此，一個(gè)需求點(diǎn)可以從河流取水、消耗一部分、將其余部分返回到廢水處理廠加以處理或返回到河流，該回流可為下游需求點(diǎn)在同一個(gè)月所用。

每月計(jì)算遵循以下次序：①需求點(diǎn)和流量要求的年需求和月供給要求；②集水盆地徑流和下滲，假定(目前還)沒(méi)有灌溉入流；③系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)和連接的水的入流和出流，這包括計(jì)算從供水水源取水以滿足需求和分派水庫(kù)存水，該步驟由線性規(guī)劃(LP)求解，試圖優(yōu)化需求點(diǎn)和河道內(nèi)流量要求滿足度，受需求優(yōu)先順序、供給擇優(yōu)順序、質(zhì)量平衡和其他限制；④需求點(diǎn)產(chǎn)生的污染物，污染物的量和處理，受體水體負(fù)荷，河流中濃度；⑤水力發(fā)電；⑥資本和運(yùn)行成本及收入。

a)連接規(guī)則。WEAP模型中，需求點(diǎn)按需求優(yōu)先順序和供給擇優(yōu)順序配水。

b)質(zhì)量平衡約束。質(zhì)量平衡方程是WEAP模型中水的月收支計(jì)算的基礎(chǔ)：

∑QZI=∑QZO-∑QZX

(1)

式中QZI——月總?cè)肓鳎琺3/s；QZO——月總出流，m3/s；QZX——月總消耗，m3/s。

c)滿足度。滿足度是指需求被滿足的百分比，是為每個(gè)需求點(diǎn)生成的一個(gè)新的線性規(guī)劃變量。WEAP模型的目標(biāo)是最大化所有需求點(diǎn)的滿足度。在沒(méi)有足夠水量滿足優(yōu)先順序相同的所有需求時(shí)，WEAP模型以其需求的相同百分比滿足所有需求。計(jì)算式為：

∑QI=QXS·β

(2)

式中QI——入流量，m3/s；QXS——需水量，m3/s；β——滿足度，%。

2 研究區(qū)概況

塔里木河干流灌區(qū)主要分布在新疆阿拉爾至大西海子水庫(kù)間的塔河干流兩岸，灌區(qū)沿塔里木河呈狹長(zhǎng)帶狀不連續(xù)分布。按行政區(qū)域分別歸屬阿拉爾市、沙雅縣、庫(kù)車(chē)縣、輪臺(tái)縣、庫(kù)爾勒市、尉犁縣、新疆兵團(tuán)第二師塔里木墾區(qū)。灌區(qū)分為3種類型：①?gòu)乃畮?kù)引水的灌區(qū)，稱為庫(kù)灌區(qū)。現(xiàn)有7 個(gè)庫(kù)灌區(qū)，分別為大寨水庫(kù)灌區(qū)、帕滿水庫(kù)灌區(qū)、其滿水庫(kù)灌區(qū)、結(jié)然力克水庫(kù)灌區(qū)、喀爾曲尕水庫(kù)灌區(qū)、塔里木水庫(kù)灌區(qū)和恰拉水庫(kù)灌區(qū)；②通過(guò)引水閘口從塔里木河干流直接引水的灌區(qū)，稱為河灌區(qū)；③從河道內(nèi)揚(yáng)水灌溉的灌區(qū)稱為泵灌區(qū)。

塔里木河干流全長(zhǎng)1 321 km，按地貌特點(diǎn)分為3段：肖夾克至英巴扎為上游，河道長(zhǎng)495 km，河道縱坡比平均1/5400，河道較順直，水面寬一般在500～1 000 m，河漫灘廣闊，階地不明顯。英巴扎至恰拉為中游，河道長(zhǎng)398 km，河道縱坡比平均1/7000，水面寬一般在200～500 m，河道彎曲，水流緩慢，土質(zhì)松散，泥沙沉積嚴(yán)重。恰拉以下至臺(tái)特瑪湖為下游，河道長(zhǎng)428 km，河道縱坡比較中游段大，平均1/5900，河床寬100 m左右，比較穩(wěn)定。

圖1 塔里木河干流水系

3 WEAP模型構(gòu)建

3.1 方案設(shè)定及供需分析

a)方案1為提高灌溉水利用系數(shù)。塔里木河干流現(xiàn)狀(2015年)灌溉水利用系數(shù)為0.426。根據(jù)SL 207—98《節(jié)水技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：大型灌區(qū)(控制面積在20 000 hm2以上)灌溉水利用系數(shù)不應(yīng)低于0.5。研究區(qū)屬于大型灌區(qū)，方案1將塔里木河干流灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)提高到0.5，灌溉水利用系數(shù)的提高使得作物灌溉定額降低，總需水量減少(表1)。研究區(qū)不同干旱等級(jí)下水資源供需平衡分析見(jiàn)表2。由表2可知，采取方案1使得研究區(qū)總?cè)彼示兴陆怠８珊的辏芯繀^(qū)缺水率減少10.80%；重度干旱年，缺水率減少9.40%；極端干旱年，缺水率減少8.30%。

表1 塔里木河干流不同干旱等級(jí)下的總需水量

表2 研究區(qū)不同干旱等級(jí)下水資源供需平衡分析(方案1)

注：“-”代表缺水量，下同

b)方案2是將塔里木河干流天然植被需水量納入水資源供需平衡分析，且優(yōu)先滿足灌溉用水，其次滿足天然植被用水。不同干旱等級(jí)下的水資源供需平衡分析結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，采取方案2使得研究區(qū)缺水率明顯下降，缺水率減少12.90%；重度干旱年，缺水率減少19.80%；極端干旱年，缺水率減少25.40%。

表3 研究區(qū)不同干旱等級(jí)下水資源供需平衡分析(方案2)

c)方案3是在方案1的基礎(chǔ)上，改變研究區(qū)原有水資源配置原則，即優(yōu)先滿足灌溉用水，其次滿足天然植被用水，不同干旱等級(jí)下的研究區(qū)水資源供需平衡分析見(jiàn)表4。由表4可知，研究區(qū)缺水率明顯下降，缺水率均在10.00%之內(nèi)。干旱年，缺水率減少15.90%；重度干旱年，缺水率減少23.10%；極端干旱年，缺水率減少28.70%。

表4 研究區(qū)不同干旱等級(jí)下水資源供需平衡分析(方案3)

3.2 模擬結(jié)果及分析

a)方案1:在現(xiàn)狀基準(zhǔn)年配置模型基礎(chǔ)上降低作物灌溉定額，不同干旱等級(jí)下各灌區(qū)灌溉需求點(diǎn)滿足度對(duì)比見(jiàn)圖2。由圖2可知，采用方案1，研究區(qū)缺水月份主要在11、3—5月，其中11、3月缺水程度比較嚴(yán)重；不同來(lái)水保證率下，11月河灌區(qū)滿足度低于11%，缺水程度極大，3月河灌區(qū)與庫(kù)灌區(qū)滿足度均低于50%，缺水嚴(yán)重，無(wú)法滿足作物正常生長(zhǎng)；不同干旱等級(jí)下，庫(kù)灌區(qū)各月滿足度整體上大于河灌區(qū)，水庫(kù)調(diào)蓄作用顯著；隨著干旱程度的加重，河灌區(qū)與庫(kù)灌區(qū)滿足度整體呈下降趨勢(shì)；極端干旱條件下，河灌區(qū)和庫(kù)灌區(qū)在11、3—5月滿足度均未達(dá)到60%，無(wú)法滿足作物正常生長(zhǎng)。采用方案1可使研究區(qū)各灌區(qū)滿足度有所提高，極端干旱條件下，河灌區(qū)和庫(kù)灌區(qū)在6月滿足度提高到60%以上。

圖2 不同干旱等級(jí)下研究區(qū)不同灌區(qū)滿足度對(duì)比(方案1)

b)方案2：在現(xiàn)狀基準(zhǔn)年配置模型基礎(chǔ)上改變研究區(qū)水資源配置原則，將天然植被需水量作為需求點(diǎn)加入模型，且供水優(yōu)先滿足灌溉用水。不同干旱等級(jí)下研究區(qū)灌區(qū)滿足度見(jiàn)圖3。由圖3可知，研究區(qū)缺水月份主要是11、3月，不同來(lái)水保證率下11、3月的河灌區(qū)滿足度均低于60%，屬于中度缺水，無(wú)法滿足作物正常生長(zhǎng)；不同干旱等級(jí)下，庫(kù)灌區(qū)各月滿足度整體上大于河灌區(qū)各月滿足度，水庫(kù)調(diào)蓄作用顯著；隨著干旱程度的加重，河灌區(qū)滿足度整體呈下降趨勢(shì)。方案2可使研究區(qū)缺水月份由4個(gè)月(3、4、5、11月)減少到2個(gè)月(3、11月)，4、5月的滿足度提高到60%以上；極端干旱條件下，河灌區(qū)在11、3月滿足度未達(dá)到60%。

圖3 不同干旱等級(jí)下研究區(qū)不同灌區(qū)滿足度對(duì)比(方案2)

c)方案3：在現(xiàn)狀基準(zhǔn)年配置模型基礎(chǔ)上改變作物灌溉定額且改變水資源配置原則，即一方面增加研究區(qū)水資源可利用量，另一方面降低研究區(qū)總需水量。不同干旱等級(jí)下，研究區(qū)各類灌溉需求點(diǎn)滿足度見(jiàn)圖4。由圖4可知，研究區(qū)缺水月份主要是11、3月，不同干旱等級(jí)下河灌區(qū)11、3月的滿足度均低于60%，無(wú)法滿足作物正常生長(zhǎng)；庫(kù)灌區(qū)各月滿足度整體上大于河灌區(qū)各月滿足度，水庫(kù)調(diào)蓄作用顯著；隨著干旱程度的增加，河灌區(qū)滿足度呈下降趨勢(shì)。

圖4 不同干旱等級(jí)下研究區(qū)不同灌區(qū)滿足度對(duì)比(方案3)

4 結(jié)論

根據(jù)WEAP模型，通過(guò)提高研究區(qū)灌溉水利用系數(shù)和改變水資源配置原則，構(gòu)建了塔里木河干流水資源配置方案集合，結(jié)果如下。

a)方案1使得研究區(qū)總?cè)彼氏陆担渲校焊珊等彼蕼p少10.80%，重度干旱年缺水率減少9.40%，極端干旱年缺水率減少8.30%。采用方案1可使各灌區(qū)滿足度有所提高，極端干旱條件下，河灌區(qū)和庫(kù)灌區(qū)在6月滿足度提高到60%以上。

b)方案2使得研究區(qū)缺水率有所下降，其中：干旱年缺水率減少12.90%，重度干旱年缺水率減少19.80%，極端干旱年缺水率減少25.40%。方案2可使研究區(qū)缺水月份由4個(gè)月(3、4、5、11月)減少到2個(gè)月(3、11月)，4、5月的滿足度提高到60%以上。

c)方案3可使研究區(qū)缺水率明顯下降，其中：干旱年缺水率減少15.90%，重度干旱年缺水率減少23.10%，極端干旱年缺水率減少28.70%。不同干旱等級(jí)下河灌區(qū)11、3月的滿足度均低于60%，庫(kù)灌區(qū)各月滿足度整體上大于河灌區(qū)，水庫(kù)調(diào)蓄作用顯著；隨著干旱程度的增加，河灌區(qū)滿足度整體呈下降趨勢(shì)。