基于WEAP模型的塔里木河干流水資源調配方案研究

魏光輝，姜振盈

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

需水量的模擬與預測是掌握區域需水規律及特征的重要手段，在水資源規劃、水資源系統模擬、供水風險分析等方面廣泛應用[1]。許多發達國家從20世紀60年代就開始重視對國民經濟各部門需水量的預測，中國從20世紀80年代末開始對需水量預測進行了深入研究。目前常用的預測方法主要有趨勢分析法、時間序列法、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，如灰色系統理論、混沌理論、人工神經網絡、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優化配置方法中，WEAP(Water Evaluation and Planning System)模型兼顧考慮了水質和生態效益等環境熱點問題，模型界面友好，計算過程明晰，近年來得以廣泛應用[4-6]。鑒于此，本文以WEAP理論為基礎，以新疆塔里木河干流為研究對象，對不同干旱等級下的研究區需水量滿足狀況進行模擬，以期實現流域水資源的優化調配。

1 WEAP模型介紹

WEAP模型是由瑞典斯德哥爾摩環境研究所開發的將供水、水質和生態系統保護背景之下考慮水資源開發的綜合模型[7-8]。模型以月為時間步長計算系統中“節點”和“連接”的水量和污染物的質量平衡。近年來，WEAP系統已廣泛用于流域未來水資源供需平衡評估和氣候、決策驅動的水資源管理情景分析中。

1.1 系統構成要素

WEAP模型基于水資源系統節點對水資源利用情況進行規劃和管理，主要由12個要素組成，分別為需求點、集水盆地、水庫、地下水、河流、分流、輸送連接、回流、流量要求、流量測站、過水河流發電、廢水處理廠，通過對其組合連接，實現對水資源系統的模擬[9]。

1.2 模型運算流程

1.2.1系統定義

主要包括以下內容[10]：①設置時間跨度，主要包括時間范圍、時間步長和水文年起始；②設置空間界限，主要包括研究區域所在地理范圍；③建立水資源系統概化節點網絡圖。

1.2.2現狀基準設置

現狀基準是對現狀基準年的水資源系統數據和運行情況的準確描述。主要包括研究的第一年逐月的供給和需求數據的詳細說明。模型通過現狀基準年的詳細數據，預設模型參數。

1.2.3情景預案設計

情景預案設計是WEAP模型的核心，WEAP模型可以生成并比較預案，以評價不同情景預案的需水、成本和環境影響。如：人口增長和經濟發展模式發生變化，需水量發生的變化；大量開發利用地下水，水環境和生態環境發生的變化；實施高效節水灌溉技術后，生產成本、產量與需水量間關系發生的變化；產業結構調整和農作物構成發生變化時，土地利用方式及生態環境發生的變化。

1.3 運算法則

WEAP模型均以月為時間間隔(步長)運算，從現狀基準年的第一個月計算到預案最后一年的最后一個月，每個月都獨立于前面的一個月。因此，在一個月中，所有進入系統的水(如源頭來水、地下水補給或到河段徑流)或者儲存在潛水層或水庫中、或者在月末之前離開系統(例如河流末端的出流、需求點消耗、水庫或河段蒸發、輸送及回流連接損失)。由于時間尺度相對較長(月)，所有流量被假定瞬時出現。因此，一個需求點可以從河流取水、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在同一個月所用。

每月計算遵循以下次序：①需求點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)沒有灌溉入流；③系統中每個節點和連接的水的入流和出流，這包括計算從供水水源取水以滿足需求和分派水庫存水，該步驟由線性規劃(LP)求解，試圖優化需求點和河道內流量要求滿足度，受需求優先順序、供給擇優順序、質量平衡和其他限制；④需求點產生的污染物，污染物的量和處理，受體水體負荷，河流中濃度；⑤水力發電；⑥資本和運行成本及收入。

a)連接規則。WEAP模型中，需求點按需求優先順序和供給擇優順序配水。

b)質量平衡約束。質量平衡方程是WEAP模型中水的月收支計算的基礎：

∑QZI=∑QZO-∑QZX

(1)

式中QZI——月總入流，m3/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，是為每個需求點生成的一個新的線性規劃變量。WEAP模型的目標是最大化所有需求點的滿足度。在沒有足夠水量滿足優先順序相同的所有需求時，WEAP模型以其需求的相同百分比滿足所有需求。計算式為：

∑QI=QXS·β

(2)

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

2 研究區概況

塔里木河干流灌區主要分布在新疆阿拉爾至大西海子水庫間的塔河干流兩岸，灌區沿塔里木河呈狹長帶狀不連續分布。按行政區域分別歸屬阿拉爾市、沙雅縣、庫車縣、輪臺縣、庫爾勒市、尉犁縣、新疆兵團第二師塔里木墾區。灌區分為3種類型：①從水庫引水的灌區，稱為庫灌區。現有7 個庫灌區，分別為大寨水庫灌區、帕滿水庫灌區、其滿水庫灌區、結然力克水庫灌區、喀爾曲尕水庫灌區、塔里木水庫灌區和恰拉水庫灌區；②通過引水閘口從塔里木河干流直接引水的灌區，稱為河灌區；③從河道內揚水灌溉的灌區稱為泵灌區。

塔里木河干流全長1 321 km，按地貌特點分為3段：肖夾克至英巴扎為上游，河道長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，土質松散，泥沙沉積嚴重。恰拉以下至臺特瑪湖為下游，河道長428 km，河道縱坡比較中游段大，平均1/5900，河床寬100 m左右，比較穩定。

圖1 塔里木河干流水系

3 WEAP模型構建

3.1 方案設定及供需分析

a)方案1為提高灌溉水利用系數。塔里木河干流現狀(2015年)灌溉水利用系數為0.426。根據SL 207—98《節水技術規范》規定：大型灌區(控制面積在20 000 hm2以上)灌溉水利用系數不應低于0.5。研究區屬于大型灌區，方案1將塔里木河干流灌區的灌溉水利用系數提高到0.5，灌溉水利用系數的提高使得作物灌溉定額降低，總需水量減少(表1)。研究區不同干旱等級下水資源供需平衡分析見表2。由表2可知，采取方案1使得研究區總缺水率均有所下降。干旱年，研究區缺水率減少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下的總需水量

表2 研究區不同干旱等級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，且優先滿足灌溉用水，其次滿足天然植被用水。不同干旱等級下的水資源供需平衡分析結果見表3。由表3可知，采取方案2使得研究區缺水率明顯下降，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 研究區不同干旱等級下水資源供需平衡分析(方案2)

c)方案3是在方案1的基礎上，改變研究區原有水資源配置原則，即優先滿足灌溉用水，其次滿足天然植被用水，不同干旱等級下的研究區水資源供需平衡分析見表4。由表4可知，研究區缺水率明顯下降，缺水率均在10.00%之內。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 研究區不同干旱等級下水資源供需平衡分析(方案3)

3.2 模擬結果及分析

a)方案1:在現狀基準年配置模型基礎上降低作物灌溉定額，不同干旱等級下各灌區灌溉需求點滿足度對比見圖2。由圖2可知，采用方案1，研究區缺水月份主要在11、3—5月，其中11、3月缺水程度比較嚴重；不同來水保證率下，11月河灌區滿足度低于11%，缺水程度極大，3月河灌區與庫灌區滿足度均低于50%，缺水嚴重，無法滿足作物正常生長；不同干旱等級下，庫灌區各月滿足度整體上大于河灌區，水庫調蓄作用顯著；隨著干旱程度的加重，河灌區與庫灌區滿足度整體呈下降趨勢；極端干旱條件下，河灌區和庫灌區在11、3—5月滿足度均未達到60%，無法滿足作物正常生長。采用方案1可使研究區各灌區滿足度有所提高，極端干旱條件下，河灌區和庫灌區在6月滿足度提高到60%以上。

圖2 不同干旱等級下研究區不同灌區滿足度對比(方案1)

b)方案2：在現狀基準年配置模型基礎上改變研究區水資源配置原則，將天然植被需水量作為需求點加入模型，且供水優先滿足灌溉用水。不同干旱等級下研究區灌區滿足度見圖3。由圖3可知，研究區缺水月份主要是11、3月，不同來水保證率下11、3月的河灌區滿足度均低于60%，屬于中度缺水，無法滿足作物正常生長；不同干旱等級下，庫灌區各月滿足度整體上大于河灌區各月滿足度，水庫調蓄作用顯著；隨著干旱程度的加重，河灌區滿足度整體呈下降趨勢。方案2可使研究區缺水月份由4個月(3、4、5、11月)減少到2個月(3、11月)，4、5月的滿足度提高到60%以上；極端干旱條件下，河灌區在11、3月滿足度未達到60%。

圖3 不同干旱等級下研究區不同灌區滿足度對比(方案2)

c)方案3：在現狀基準年配置模型基礎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水資源可利用量，另一方面降低研究區總需水量。不同干旱等級下，研究區各類灌溉需求點滿足度見圖4。由圖4可知，研究區缺水月份主要是11、3月，不同干旱等級下河灌區11、3月的滿足度均低于60%，無法滿足作物正常生長；庫灌區各月滿足度整體上大于河灌區各月滿足度，水庫調蓄作用顯著；隨著干旱程度的增加，河灌區滿足度呈下降趨勢。

圖4 不同干旱等級下研究區不同灌區滿足度對比(方案3)

4 結論

根據WEAP模型，通過提高研究區灌溉水利用系數和改變水資源配置原則，構建了塔里木河干流水資源配置方案集合，結果如下。

a)方案1使得研究區總缺水率下降，其中：干旱缺水率減少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%。采用方案1可使各灌區滿足度有所提高，極端干旱條件下，河灌區和庫灌區在6月滿足度提高到60%以上。

b)方案2使得研究區缺水率有所下降，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可使研究區缺水月份由4個月(3、4、5、11月)減少到2個月(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%。不同干旱等級下河灌區11、3月的滿足度均低于60%，庫灌區各月滿足度整體上大于河灌區，水庫調蓄作用顯著；隨著干旱程度的增加，河灌區滿足度整體呈下降趨勢。