湟水河谷多水源空間均衡配置研究

王 煜，劉柏君，賀麗媛，李福生，趙 焱

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，鄭州 450003）

0 背 景

多水源空間均衡配置是近年來水資源管理領域中的難點與熱點問題，是一個綜合了運籌學、戰略管理、信息技術以及各種專門知識的交叉學科，是針對水資源開發利用決策與生態調控保護的重要研究［1，2］。隨著國家調水工程的規劃與實施，如何均衡配置流域外調水、當地地表水和地下水、非常規水，已成為國內外研究熱點。例如，Wang等［3］研究了氣候變化與人類活動影響下的城市供水問題，提出了基于兩階段隨機規劃的多水源供水配置，并將其利用到烏魯木齊地區，并對配置結果進行風險分析。Davijania 等［4］分別采取粒子群算法和遺傳算法，對伊朗干旱地區農業和農業用水水資源配置方案進行了優化，在考慮當地水價、供水設施、供水成本及效益等因素的條件下，實現了區域農業和工業用水的社會經濟效益最大化。王偲等［5］在充分考慮地表水、地下水、外調水、雨水等不同水源開發利用潛力的基礎上，構建了基于“三條紅線”控制指標的多水源聯合調控模型。張靜等［6］綜合考慮城市供水調度系統中存在的不確定性與復雜性，利用隨機規劃算法，構建了多水源聯合供水調度優化模型，模擬出地表水源、地下水源、外來水源的多水源聯合供水過程。章燕喃［7］等在考慮南水北調入京的情況下，以充分保證供水和棄水量最小為調度目標，研究了北京市多水源調度過程，為水廠水資源配置提供技術參考。朱彩琳等［8］基于水資源-社會經濟-生態環境三大子系統之間的協調關系，構建了面向空間均衡的水資源優化配置模型，計算得到鹽城市2020年75%保證率下的水資源配置結果。左其亭、酈建強等［9，10］在總結了國內外有關“空間均衡”的研究與實踐的基礎上，從理論、方法和應用3 個方面對水資源空間均衡展開了說明與研究。目前，關于多水源均衡配置主要是針對城市供水、空間均衡概念和理論等方面開展，水資源配置從水量分配逐漸發展到協調考慮經濟、社會各方面需求的均衡調控，隨著調水工程的建設和山水林天湖草的優化布局，關于流域大范圍內的多水源均衡配置研究也愈發多樣化，重點在于配置目標優化選擇和流域大系統多水源空間配置模型構建。以往研究多局限于某個側面或某個環節而基于流域范圍內供水多目標、用水多水源的流域水資源空間均衡配置研究較少。

因此，本文以青海省湟水河谷為研究對象，通過分析湟水河谷社會經濟發展、生態保護等目標要求，構建包含經濟社會缺水量最小、多水源調水生態效益最大、調水經濟效益最大的多目標水資源配置均衡模型，綜合提出湟水河谷引黃-引大-湟水等多水源空間配置方案，以期為水資源空間均衡配置理論發展、大型引調水工程論證、流域多水源均衡配置、區域節水與生態保護提供技術支撐。

1 研究區概況

湟水屬黃河上游一級支流，由干流及其支流大通河組成，流經青海、甘肅兩省，流域面積為32 863 km2，其中青海省29 060 km2。湟水干流發源于青海省海晏縣大坂山南麓，自西向東流經青海省的海晏、湟源、湟中、西寧、大通、平安、互助、樂都、民和等縣（市）和甘肅省蘭州市紅古區、永靖縣，于永靖縣上車村入黃，干流全長374 km，天然落差2 635 m，平均比降為7.05%，流域面積177 33 km2，其中青海省16 120 km2。湟水干流兩岸支溝發育，水系呈樹枝狀分布，北岸主要有哈利澗河、西納川、云谷川、北川河、沙塘川、哈拉直溝、紅崖子溝和引勝溝等，南岸主要有藥水河、南川河、小南川、崗子溝、巴州溝和隆治溝等（如圖1所示）。

引黃濟寧工程是青海省規劃的東部地區戰略性水資源配置工程，涉及范圍包括湟源、湟中、西寧、大通、平安、互助、樂都、民和等縣（區）湟水干流部分，總面積13 958 km2，占青海省湟水干流面積的87%，工程具有覆蓋范圍大、供水能力強、保障程度高、服務期長遠等特點。工程開發目標一是為西寧-海東城市群供水，打造西寧-海東湟水河谷城市群和產業帶；二是為湟水河谷山水林田湖草生態帶供水，構建城市群兩岸綠色長廊；三是實施河湖水系連通，置換被擠占生態用水，打造湟水生態河、惠民河。

2 多水源空間均衡配置模型研究

2.1 多水源空間均衡配置思路

湟水河谷屬于缺水地區，經濟、社會、生態和環境等多類用水協調十分困難。流域水資源配置時空跨度大，涉及地表水、地下水、非常規水源和跨區域調水等多種水源，包括湟水河谷、大通河流域、黃河干流3個水資源復雜系統；生活、工業、農業與生態等多類用戶，眾多水利水電工程，涉及不同地區和不同部門等利益相關的多決策群，涉及不同的利用方案和管理方式對區域經濟、社會、生態環境等方面影響，并且涉及黃河干流、大通河的供水與生態保護等內容，是復雜的多目標問題。

空間均衡是根據流域或區域經濟社會和生態環境用水需求的時空特征與水源條件的時空特征，考慮河湖連通等工程措施，綜合分析技術、經濟、環境、生態等方面因素，進行多水源空間優化配置，實現對流域或區域經濟社會和生態環境在空間上的均衡供水保障［12-13］。對于嚴重缺水的湟水河谷來說，首先在強化節水的前提下，研究可能的外流域調水方案（引大濟湟和引黃濟寧）以實現水系河網連通，合理確定調入水量；在確定調水總量后，需要根據各調水方案（引大濟湟和引黃濟寧）時空特征，研究各調水方案對需水的滿足程度以及調水影響，優化確定各調水方案的調水量；綜合考慮引大濟湟和引黃濟寧的調入水量和湟水流域本地水，進行湟水河谷多源優化配置。由此，湟水河谷多水源空間均衡的總體思路：優化分析需外調水總量—優化確定調水工程調水規模—優化配置流域多水源，即將多水源-多流域-多需水的水資源配置問題分解為三個層次的優化問題：

第一層次：以流域（區域）經濟社會缺水量最小為目標，挖掘水資源節約集約利用潛力，以當地地表水、地下水、中水等水源可利用量為約束控制，優化確定流域（區域）需外調水量。

第二層次：以調出區影響最小為目標，包括調水工程生態效益影響最小與調水工程影響發電減少最小，提出各調水工程的可調水量，優化確定各調水工程的調水規模。

第三層次：以水資源配置的經濟性和節水性最大為目標，考慮從當地水與調入水量，優化提出各空間分區和部門的水資源配置方案。

2.2 多水源空間均衡配置網絡概化

湟水河谷可利用水源包括當地水、大通河調水、黃河干流調水，涉及湟水河谷、大通河流域、黃河干流3個水資源系統，涉及到地表水、地下水、非常規水源和跨流域調水等多種水源，生活、工業、農業與生態等多類用戶。通過對湟水河谷水資源配置系統各要素分析［14，15］，湟水河谷多水源空間均衡配置概化系統如圖2所示。

2.3 湟水河谷多水源空間均衡模型構建

2.3.1 湟水河谷跨流域調水總量優選模型

第一層次優化模型選擇湟水河谷經濟社會缺水率最小作為湟水河谷跨流域調水總量優選模型目標函數：

式中：Obj1為第一層次目標函數；W-Needjkt為湟水河谷j分區k部門t時段的需水量；Res-Supijkt為i水源對湟水河谷j分區k部門t時段的供水量；αjk為湟水河谷j分區k部門相對于其他用水部門優先滿足用水的重要程度系數。工程供水能力約束、河道節點取水量不超過節點來水量約束、水源供水量不超過取水許可指標的約束、水庫調度過程中各時段庫容在庫容限制內的約束、水庫泄流能力約束、河道生態基流滿足約束、可供水量非負約束［16］。

第一層次優化模型采用協同遺傳算法對本層模型進行求解計算，得到當地水源與外調水供水量。

2.3.2 湟水河谷多調水工程調水量優選模型

基于湟水河谷跨流域調水總量優化結果，以調水對調出區生態（大通河流域）與發電（黃河干流梯級電站）影響效益最小為目標，優化確定引黃濟寧工程與引大濟湟工程的調水規模。采用為維持河道生態流量用水而放棄的工農業生產生活所損失的機會成本來量化調水引起的生態效益損失。需要注意的是，湟水河谷多調水工程調水量優選模型計算結果應不大于湟水河谷跨流域調水總量優選模型計算結果。

選擇調水對調出區影響最小作為湟水河谷多調水工程調水量優選模型目標函數：

其中，Loss1表示調水對大通河流域生態影響效益最小，即：

式中：Obj2為第二層次目標函數；EcoRes-Coejk為大通河流域生態用水效益相對于大通河流域j分區k用水部門用水效益的相對重要系數；DSup-BEjk為大通河流域j分區k用水部門用水經濟效益；Dout-Voljk為引大濟湟調水相對于大通河流域第j分區第k用水部門的供水損失量；DOut-J為引大濟湟調水影響大通河用水的分區總數；DOut-K為引大濟湟調水影響大通河用水各分區用水部門總數；Currenjk為j分區k部門用水效益的貨幣轉換系數。

Loss2 表示調水對黃河干流梯級電站發電效益影響最小，即：

式中：Nm，t為黃河干流梯級電站發電平均出力；Δt為計算時段長度；YE_T為黃河干流長系列調度時段總長；YE_M為黃河干流梯級水庫電站總個數；Currenn為發電量的貨幣轉換系數。

該層優化模型約束條件包含：模型計算調水工程調水量小于等于跨流域調水優化總量值、大通河可調水量約束、取退水與匯水節點的水量平衡約束、工程對某用水戶可供水量小于等于該用水戶需水量約束、工程供水量不大于工程供水能力約束、河道節點取水量不超過節點來水量約束、水源供水量不超過取水許可指標的約束、水庫調度過程中各時段庫容在庫容限制內的約束、水庫泄流能力約束、河道生態基流滿足約束、可供水量非負約束。

對第一層模型求解得到的外調水總量采用枚舉法得到多個引大濟湟和引黃濟寧調水量的組合方案，將各方案代入本層次模型中，采用協同遺傳算法對兩目標函數和進行優化求解，計算得到各方案（Loss1+Loss2）值；找到（Loss1+Loss2）最小值對應的調水量組合方案，即為引大濟湟與引黃濟寧最優調水量方案。

2.3.3 湟水河谷多水源優化配置模型

在獲得調水工程的優化調水規模后，以引黃濟寧、引大濟湟工程調水在受水區水量分配效益的經濟值最大為目標，采用當地水資源→引大濟湟調水→引黃濟寧工程調水水資源利用優先序，優化提出受水區各空間分區和部門的水資源均衡配置方案。

選擇各工程調水量在受水區取得的凈效益最大作為湟水河谷水資源優化配置模型目標函數：

其中：

式中：Obj3為第三層次目標函數；HS_J為湟水河谷計算分區總數；HS_K為湟水河谷用水部門總數；HS_I為湟水河谷供水水源總數；Sup-BEijk為i水源向湟水河谷j分區k用水部門供水的效益；Sup-Costijk為i水源向湟水河谷j分區k用水部門供水的費用；Res-Supijkt為i水源對湟水河谷j分區k部門t時段的供水量；Currenjk為j分區k部門用水效益的貨幣轉換系數。

該層優化模型約束條件包含：取退水與匯水節點的水量平衡約束、工程對某用水戶可供水量小于等于該用水戶需水量約束、工程供水量不大于工程供水能力約束、河道節點取水量不超過節點來水量約束、水源供水量不超過取水許可指標的約束、水庫調度過程中各時段庫容在庫容限制內的約束、水庫泄流能力約束、河道生態基流滿足約束、可供水量非負約束。

本層模型采用協同遺傳算法計算引黃濟寧工程不同優化調水規模［17］，采用加權和模糊綜合評價耦合法，從經濟性與節水性兩方面得到引黃濟寧工程最優水量分配模式的經濟性與節水性總評評估得分，通過得分優劣獲得引黃濟寧工程最優調水規模。其中，模型涉及到的水庫調度問題依據水庫供水過程均勻原則，基于大系統聚合分解理論，采用兩時段滑動尋優算法求解水庫調度模型［18］。

湟水河谷多水源空間均衡模型按照“湟水河谷規劃水平年所需外調水總量優化→引大濟湟與引黃濟寧工程合理調水規模優化→引大濟湟與引黃濟寧工程調水量優化分配”的多目標分層進行協同優化求解（詳見圖3），即先對目標1 進行優化求解，隨后，目標2 在目標1 求解的基礎上再次進行優化求解，最后以目標1 和目標2 結果為約束，優化求解目標3，從而獲得所需的優化結果。

3 結果與分析

3.1 多水源空間均衡配置方案

3.1.1 湟水河谷跨流域調水總量優選模型求解

優化計算結果顯示，2030年湟水河谷總需水量17.25 億m3，2040年各需水方案下湟水河谷總需水分別為22.9、21.23、20.69、19.33 億m3。

該模型求解過程中通過對湟水河谷當地地表水、地下水、中水進行配置，根據缺水量及分布，分析引大濟湟與引黃濟寧工程的調水總量。模型通過對當地水源的配置，受水區2030年缺水為7.06 億m3，通過分析需要外調水凈水量為7.06 億m3。

2040年缺水分別為12.66、11.15、10.63、9.4 億m3，通過分析需要外調水凈水量分別為12.66、11.15、10.63、9.4 億m3。

同時，根據《引大濟湟工程環境影響評價》成果，引大濟湟工程2030年調水量確定為2.56 億m3（河道外凈配置水量2.18億m3），因此，通過湟水河谷跨流域調水總量優選模型計算得到2030年引黃濟寧工程凈調水量為4.63 億m3。

3.1.2 湟水河谷多調水工程調水量優選模型求解

湟水河谷多調水工程調水量優選模型考慮引大濟湟調水對大通河生態效益影響最小、龍羊峽調水對黃河干流梯級發電量減少的影響最小兩個目標。大通河生態效益計算采用機會成本法，采用為維持河道生態流量用水而放棄的工農業生產生活用水所損失的機會成本，來計算引大濟湟調水所影響的生態用水效益，根據對湟水河谷工業生活效益、灌溉效益的分析，工業生活單方水效益采用13.6 元/m3，農田單方水綜合灌溉效益為3.3 元/m3，河道生態補水單方水效益8.45 元/m3。黃河干流梯級發電減少量采用黃河水資源配置模型按照黃河水量調度相關要求計算。

通過枚舉法得到的湟水河谷多調水工程調水量優選模型優化結果顯示，2040年各需水方案下引大濟湟凈調水量分別為3.87、3.68、3.57、3.37 億m3，引黃濟寧凈調水量分別為8.79、7.47、7.06、6.03 億m3。

3.1.3 湟水河谷多水源優化配置模型求解

湟水河谷多水源優化配置模型通過經濟性最大目標的優化得到各需水方案下引大濟湟與引黃濟寧工程調水量的優化配置結果，進而通過分析引黃濟寧工程的經濟性、受水區的節水性得到引黃濟寧工程經濟性、節水性最優的調水規模。

引黃濟寧工程不同調水規模經濟評價結果顯示（詳見表1），隨著調水規模增大，引水隧洞洞徑由5.3 m、5.5 m 逐漸增大到5.6 m、5.9 m，工程總投資由322.47 億元、332.06 億元逐漸增加到337.15 億元、348.25 億元；各方案經濟內部收益率由7.97%、8.81%增加到9.06%、9.8%，當調水規模小于7 億m3時，經濟內部收益率低于8%，經濟性相對較差；從經濟比較結果看，調水規模越大，經濟指標越好。

表1 引黃濟寧調水規模經濟指標分析Tab.1 Economic index analysis of different water diversion scales

以湟水河谷需水規模合理性、工程規模經濟性、環境因素以及為今后發展適當留有余地作為評價指標，通過加權和模糊綜合評價耦合法得到引黃濟寧工程調水規模為7.9 億m3，其中2030年調水規模5.11 億m3。

模型優化配置結果顯示，2030年引大濟湟供水規模為2.56億m3，湟水河谷配置河道外供水量17.0億m3，按水源分，當地地表水5.74 億m3，黑泉水庫供水2.18 億m3，引大濟湟工程凈供水2.18 億m3，引黃濟寧工程供水4.63 億m3，配置地下水1.58 億m3，其他水源0.68 億m3。按用水部門分，生活供水3.35 億m3，工業供水3.89 億m3，農業供水8.89 億m3，生態供水0.86 億m3。

2040年，按高水高用原則，引大濟湟工程調水量按滿足湟水北岸用水需求考慮，包括農業灌溉、城鎮生活和工業發展、生態環境用水，以及置換北岸支溝被擠占的生態用水。根據供需平衡分析，2040年引大濟湟毛調水量4.18 億m3，與最大可調水量4.52 億m3相比余留0.34 億m3，作為湟水北岸未來經濟社會發展用水需求增長之用。

2040年湟水河谷配置河道外供水量20.69 億m3，按水源分，當地地表水5.58 億m3，黑泉水庫供水2.18 億m3，引大濟湟調水3.57 億m3，引黃濟寧供水7.06 億m3，地下水1.33 億m3，其他水源0.97 億m3。按用水部門分，生活用水4.6 億m3，工業用水5.62 億m3，農業用水9.5 億m3，生態用水0.97 億m3。湟水河谷2030與2040年多水源空間均衡配置結果詳見表2。

表2 湟水河谷2030與2040年多水源空間均衡配置結果 萬m3Tab.2 Multiple water resources spatial equilibrium allocation plans in 2030 and 2040

3.2 湟水河谷多水源空間均衡配置方案分析

采用支付意愿法、分攤系數法等方法分析引黃濟寧工程調水的經濟效益：①工業生活2030年、2040年供水效益分別為299 269、392 389 萬元；②農田灌溉效益為37 030 萬元，工程調水將根本解決湟水南岸淺山干旱區灌溉水源，還為發展高原特色農業、設施農業等農民致富產業創造先決條件；③引黃濟寧工程灌溉林地面積為4.3 萬hm2，其中經濟林0.67 萬hm2，生態林3.67 萬hm2，工程灌溉效益為12 495 元/hm2，灌溉年總增產效益為45 837 萬元；④工程置換擠占的湟水南岸河道內生態水量主要用于補充農業用水擠占的河道生態水量，其供水效益采用農業單方水效益計算，約為3.55 元/m3，年生態補水效益為24 684 萬元。綜上可知，本文構建的湟水河谷多水源空間均衡模型可行，獲得的水資源優化配置方案經濟且合理。

4 結論和展望

針對湟水河谷具有的經濟-社會-生態-環境-水資源復合系統均衡發展需求，本文通過構建湟水河谷多水源空間均衡模型，采用分層優化求解思路，分別構造了湟水河谷跨流域調水總量優選模型、湟水河谷多調水工程調水量優選模型與湟水河谷多水源優化配置模型，得到了2030年和2040年湟水河谷多水源空間均衡配置方案，為湟水河谷本地水、引大濟湟調水、引黃濟寧調水等三個水源的空間配置與優化組合以及引黃濟寧工程經濟合理調水規模等問題的解決提供了理論支持與模型支撐。研究成果豐富了流域水資源空間均配配置理論，也為流域生態保護、節水、保障水安全等技術進步方面提供良好的推動作用。

然而，考慮到調水工程規模大、調水線路長、影響范圍廣，其運行管理涉及部門多、利益關系復雜，調水工程安全運行與優化調度是未來需要關注的重點問題。因此，未來研究可從以下方面開展：①面向生態的湟水流域水庫群調度研究。在考慮外調水和本地水的聯合運用下，如何通過湟水流域水庫群調度增加河川流態多樣性，增加物種生境多樣性，增加水生態系統多樣性值得進行深入研究。②多主體博弈下的協調補償機制研究。研究可以考慮從多方博弈關系出發，分析有效的管理協調機制，從而探究更為優化的補償機制，最終實現相應法律法規的優化。③工程運行動態水價研究。可以考慮利用協同學理論，研究工程良性運行、地方承受力、水價、生態保證程度四者間的協同關系，從而找到四者間的均衡點，以均衡點為控制指標，以期實現水價的動態調控。□