石羊河流域水資源模擬與合理配置研究

王 磊，符向前，何玉江，楊 錦，王曉軍

（1.甘肅省水利廳石羊河流域水資源利用中心，甘肅武威733000；2.武漢大學水利水電學院，湖北武漢430072）

1 流域概況

石羊河流域主要由降水和冰川融雪補給，由幾條相對獨立的發源于祁連山的小河流組成，主要包括西大河、東大河、西營河、金塔河等。石羊河流域水利關系如圖1。

圖1 石羊河流域水利關系圖

2 流域水資源模擬模型概述

水資源模擬模型是指現實的水力循環系統在已知的水力公式的基礎上，通過一些理論假設得到一個簡化的水力結構，然后利用計算機技術等數學工具對該結構進行描述和模擬，以此來預測流域水資源的未來狀況和解釋流域水資源的一些具體現象。進而設置各種邊界條件，尋求最優解或可行解，優化水資源配置。本文基于水資源系統復雜性的特點，將水庫和河流系統等簡化為水庫節點、匯流點等節點，用表示引水渠道或河段的連線對節點進行連接，從而組成一個流域水資源的物理拓撲網絡系統。然后基于該拓撲網絡圖，將實際水資源系統的一些基本規律抽象為模擬數學模型。最后對模擬模型進行運算分析，可以得到各節點的物理指標，以及水庫和河流徑流的變化過程，從而實現對流域水資源信息特征的時間和空間模擬。

2.1 地表水模型

流域地表水模型的建立是以水量平衡方程為基礎，建立如下水量平衡關系：

式中：∑W入為全流域入境地表水總量；∑W耗地表耗水量合計；∑ΔS為全流域地表水蓄水變化總量；W耗為某子區地表用水水量；W農為農業地表用水量；W工為工業地表用水量；W生活為生活地表用水量；W生態為生態地表用水量；i代表第i個用水單元；j代表第j個供水單元。

2.2 地下水模型

流域內采用中國地質大學（武漢）環境地質研究所陳崇希教授開發的多邊形三維地下水流差微分軟件PGMS計算地下水流模型。

在平面上，模型范圍基本包括了自然范圍，但是不包括石羊河流域山區。剖面以潛水面為頂面，以半膠結作用下的更新統Q1 的底面為模型底界，一般厚度為100～300 m，最大厚度為500～800 m。

根據多邊形地下水三維流差分軟件PGMS，結合石羊河流域實際情況，對模型進行改進：

（1）河流（渠系）—地下水補排量的模擬對于石羊河與地下水的補排關系、類型的確定及其計算方法的選擇，根據河流水位、河流以下弱透水層底面高程及其下的地下水位自動判斷完成。

（2）河流、水庫、渠系和降雨等入滲補給地下水滯后性的刻畫以PGMS軟件中滯后補給權系數法來描述

（3）泉的模擬：當泉未干枯時，以泉口的標高為第一個邊界條件，直接運行模型產生泉流量。若求得的流量為正值（表示地下水從泉口得到補給），這不符合物理實質，此時置流量為零，或去掉該泉口第一類邊界條件，重新求解（嚴格模擬）。

（4）初始水頭的分布的確定：采用PGMS軟件中的“參數-初始水頭迭代法”（P-H0法）。

2.3 水庫調度

根據水庫的基本功能，在計算時段，當來水量不能滿足總需水量時，水庫予以供水，當來水超過總需水量時，水庫予以蓄水。蓄水考慮汛期與非汛期，汛期水位大于汛限水位時產生棄水，非汛期水位大于興利庫容時產生棄水。

Vt+1=Vt+It-Ot-Et

汛期：Z死≤Z≤Z限

非汛期：Z死≤Z≤Z興

式中：Vt、Vt+1分別為第t和第t+1 時段初的水庫蓄水量；It、Ot為水庫在t時段的入庫流量和出庫流量；Et為t時段的水庫蒸發和滲漏損失水量。Z死為水庫死水位；Z限為水庫汛期限制水位；Z興為水庫興利水位。

2.4 水資源配置

在流域水資源配置過程中，一般都是根據按需供水的原則。本文根據需水優先級和流域用水特點，可將流域水資源分為兩個配置等級。第一是滿足工業用水、生活用水、和基本生態用水的需求，第二是滿足生態用水和農業用水的需求。

在缺水的情況下，根據用水單元的權重形成不同方式的缺水，即權重不同時，首先滿足高權重水，形成低權重用水單元。當權重相同時，根據各用水單元相同的缺水程度產生缺水。在有余水的情況下，根據水利拓撲圖，向下游泄水。

2.5 數值模型及求解

在建立了概念模型后，采用PGMS 軟件中多網格模型中任意多邊形網格的有限差分法進行求解。

（1）地表地下水模型的耦合。石羊河流域的出山河水先經過武威盆地滲漏，轉化為地下水，再由地下水排泄到河中，進入民勤盆地后，河水反過來供給地下水，形成了流域內河流和含水層統一的水資源系統。

在地表地下聯合模擬模型中，我們將河道、渠系概化為線狀源匯，將農田灌溉回水、生活工業污水和地下水開采井概化為面狀源匯，將泉作為地下水模擬要素。地表地下聯合模型在每一計算時段的各分區渠道入滲量、田間灌溉回歸水入滲量、生活工業污水入滲量，按面狀源平均分配至分區中的每一結點上。地下水開采量按面狀匯分配至開采區的每一結點，經地下水模型計算，按分區統計該時段的平均地下水位、泉水、地下水向河水排泄量等，將其作為參數以供地表水模型調用，由此實現地表水地下水模擬的無縫耦合

（2）模型檢驗。為了正確模擬地表水與地下水的轉換機理，本文將模擬模型與歷史數據結合，將歷史水流序列與用水輸入模型，以下游水庫的水流與地下水動態水位為檢驗標準，調整地下水的參數（滲透性），使模型能正確反映系統地表水和地下水的變化和運動。

石羊河地表水模擬模型的驗證是基于2000年的實際資料，通過模擬水資源的開發利用過程，最終以各水庫的出庫過程和各水庫2000年實際調度方式做對比，對模型進行檢驗。

圖2 黃羊河水庫模擬供水與實測對比

除了上游水庫的供水過程外，模擬模型中下游紅崖山水庫的來水是在模擬上游用水、耗水以及分水的基礎上得到的，它與上中游地區的水資源循環利用系統密切相關，并且由于整個系統的模擬誤差會累積到計算末端節點處，故紅崖山水庫的來水間接的反映了整個模擬模型的正確性和精度。

圖3 古浪河水庫模擬個供水與實測對比

除此之外，圖4將實際月流量與該模型計算的紅崖山水庫2000年的旬來水統計進行了比較驗證。結果表明，2000年紅崖山水庫模擬入庫水量為1.14 億m3，實際入庫水量為1.34 億m3，年錯誤率為0.57%。該結果說明模擬模型的計算結值與實測值基本一致。

圖4 紅崖山斷面實測與模擬來水對比

（3）地下水位檢驗。在現狀條件下將各觀測孔的地下水位計算值與監測值進行比較，根據收集的2001年各觀測孔水頭動態數據，將模擬值與實測值進行比較。對應的模型驗證時段觀測孔水頭絕對誤差值統計如表1所示，對應的模擬水頭與實測水頭的關系如圖5所示。

表1 觀測孔模擬水頭與實測水頭的絕對誤差值統計表

圖5 模型驗證時段觀測孔水頭分布

誤差統計表明，模型驗證時段ΔH≤1.0 m 的占總對比數的56.02%，ΔH≤1.2 m 的占62.39%，總的來說，擬合效果是較好的，模型可信。

3 流域水資源合理配置

3.1 流域現狀水資源分配分析評價

根據水資源多次轉化的自然特征，石羊河流域形成了水資源多次利用的模式，但是當下暫且沒有系統的水量分配方案。具體來說，在石羊河上游，通過修建山水水庫，將地表水引用于工農業生產，與此同時，在這個過程中，渠道系統的滲漏和回水又反過來補充了地下含水層；石羊河中游平原采用泉水灌溉、井灌和井泉混灌，其滲流與上游余水匯合，再結合民勤地下水開采，實施地下水和地表水的混合灌溉。利用模型對上述情況現狀水資源利用水平模擬分析發現，石羊河上游社會經濟發展對石羊河水資源開發利用達到了相當高的水平，在多年的平均情況下，中游地表水基本枯竭，流域地下水嚴重透支，特別是下游。在上、下游地表水和地下水過度開采情況下，石羊河水資源滿足了各縣區工業、生活和基本生態用水的，未出現缺水現象，但各農業區依然出現缺水現象，反映了流域上下游供水仍不均衡。

從表2中可以看出，在優先供水的原則下，流域內的生活用水、工業用水和基本生態用水需求都可以得到滿足。在超采條件下，流域農業生產缺水率仍為12.3%，且缺水率分布在上游較高，而下游較低；在東、西部地區，呈現流域東部缺水率低，西部缺水率高的現象。如果將區域超采量扣除，農業生產缺水率將高達46.7%，且分布規律與未扣除區域超采量時相反。即呈現東部缺水率高、西部缺水率低、下游缺水率高，而上游缺水率低的特征。除此之外，值得注意的是，在這種情況下，民勤盆地的缺水率將高達100%以上，金昌北盆地缺水率也將超過50%。從可持續性的角度來看，后者是真實的缺水率，這充分說明當前的上下游、東西水資源分配實際上是不公平的。在真缺水率高的地區，當地表水流量越來越少的時候，人們必然會采取抽地下水的方式來彌補水資源的短缺。這種不公平如果長期得不到糾正，生態惡化將持續擴大。

表2 石羊河流域現狀分區缺水及超采狀況凈水量，萬m3

從生態學角度來看，除石羊河流域的周邊灌區外，地下水深度已無法支撐生態植被的生存，更不用說發展和抵抗沙漠的入侵了。因此，為了阻止生態環境的持續惡化，必須合理配置水資源，形成一個新的水資源利用模式，以此控制下游流域地下水的下降問題。

在現有的水資源配置利用模式下，區域中上游社會經濟的發展會導致民勤生態環境繼續惡化，下游水量持續減少，社會經濟發展將受到生態環境制約，這一趨勢將逐步向區域中上游蔓延。

3.2 水資源合理配置原則

隨著流域水資源短缺和生態環境惡化現象日益突出，石羊河流域水資源供需矛盾由于自然界可利用水資源的有限性和水資源的時空分布特征和，矛盾將日益尖銳。以可持續發展的總原則為基礎，通過工程措施和非工程措施，將有限的、不同形式的水資源科學合理地配置給用戶。石羊河流域合理配置有3個原則：①在水源上，要統籌考慮地表水和地下水的轉化關系和聯合運用，考慮水資源利用過程的引、供、用、耗、排各個環節，綜合考慮跨流域調水的現實性和持續性，考慮污水處理與回用等，盡可能做到高水高用、好水好用、尾水生態用的配置格局；②在空間上，要統籌考慮流域上、中、下游和區域內各行政區域的用水公平性，在區域間水資源效率最高、短缺差異最小的情況下，和保證基本生態用水以及生活用水的前提下，發揮不同區域間水資源的最佳優化作用；③在結構上，統籌考慮生活、生產和生態用水3 個部分，根據重要性和原理，首先保障基本生態用水和生活用水，在此前提下最大程度滿足協調農業用水、工業用水以及其他生態用水，以實現水資源在保護環境安全和支撐社會經濟發展中的重要作用。

石羊河流域水資源時空分布的不平衡性、自然水循環條件、供需矛盾和水資源利用格局嚴重扭曲了水資源配置的公平性，難以實現既保障流域綠洲安全，又支持區域經濟發展的目標，因此要求我們必須在水資源自然配置格局的基礎上進行合理的人工配置，并通過合理的工程和管理的手段，協調和避免上下游之間的用水矛盾。□