基于工程格局優化的塔里木河流域水資源優化配置

摘要：為優化流域內工程格局，緩解流域內供水矛盾，提高流域水資源綜合利用效率，以塔里木河流域源流阿克蘇河、和田河、葉爾羌河及其干流為研究對象，針對流域內存在的平原水庫蒸發滲漏損失大、水資源供需矛盾突出等問題，建立并求解了水庫群聯合調配模型。結果表明：制定并優選了源流山區水庫替代干流平原水庫方案，通過替代干流平原水庫群能夠顯著減少流域缺水總量及損失水量，緩解流域供需矛盾；在滿足工業生活需水的基礎上，通過適當減少源流區下泄水量，極大緩解了源流區與干流區用水矛盾，提高了流域灌溉供水；制定了優化規劃目標下的水資源配置方案，即多年平均條件下農業灌溉供水和河道外生態供水分別為135.02億、14.04億 m3。研究成果對于指導平原水庫廢棄提供技術支撐，對干旱區相似流域的生態保護和水資源可持續利用具有科學指導意義和推廣示范價值。

關鍵詞：水庫群；水資源配置；水庫群替代方案；塔里木河

中圖分類號：TV21 文獻標識碼：A文章編號：1001-9235（2024）06-0020-10

Optimal Allocation of Water Resources in Tarim River Basin Based on EngineeringPattern Optimization

HONG Liangpeng1， BAI Tao2*， LI Jiang1， LIU Dong2

（1. Management Bureau of the Main Stream of Xinjiang Tarim River Basin， Kuerle 841000， China;2. State Key Laboratory of Eco-Hydraulics in Northwest Arid Region of China， Xi′an University of Technology， Xi′an 710048， China）

Abstract： In order to optimize engineering layout， alleviate the contradiction between water supply and demand， and improve the comprehensive utilization efficiency of water resources in the basin， this study took the sources of the Tarim River including the Aksu River， Hotan River， and Yeerqiang River and its main streams as the research objects. In response to problems such as the large evaporation and seepage losses of plain reservoirs within the river basin and the prominent contradiction between supply and demand of water resources， a joint allocation model of reservoir groups was established and solved. The research results show that a scheme for replacing plain reservoirs in the main streams with mountainous reservoirs has been developed and optimized. By replacing the plain reservoir groups in the main streams， the total water shortage and water loss in the basin can be significantly reduced， and the contradiction between water supply and demand in the basin can be eased. On the basis of meeting the demand for industrial anddomestic water， properly reducing the water discharge in the source area can greatly alleviate the water contradiction between the source area and the mainstream area and improve the irrigation water supply in the basin. Under the objective of optimized planning， a water resources allocation scheme is made. To be specific， under the condition of average water supply for many years， the water supply for agricultural irrigation and ecological water supply outside the river are 13.502 billion m3 and 1.404 billion m3， respectively. The research results provide technical support for guiding the abandonment of plain reservoirs and have scientific guiding significance and demonstration value for ecological protection and sustainable utilization of water resources in similar basins in arid areas.

Keywords： reservoir group; water resources allocation; scheme of replacing reservoir groups; Tarim River

隨著經濟社會的不斷發展，水資源供需矛盾問題不斷加劇，供水安全已成為制約中國社會經濟高質量發展、生態文明建設及國家糧食安全保障的重要因素。特別是西北干旱荒漠區，由于其獨特的地理環境與產業結構，水資源供需矛盾極為突出，流域內灌溉及生態供水得不到保障，糧食減產、生態破壞等問題嚴重。因此，在水資源集約利用、流域生態保護與高質量發展的背景下，如何科學高效利用有限的水資源，實現流域高質量發展，已成為目前國內外學者的研究熱點之一。

水資源優化配置是協調經濟社會發展與生態環境保護的重要手段，是均衡水與發展的關鍵措施［1］。專家學者針對水資源配置問題做了大量研究，特別是智能算法蓬勃發展使得水資源配置迸發新的活力。2001年，Cai等［2］將遺傳算法和線性規劃相結合，用于求解非線性水管理模型。2004年，Karamouz等［3］將遺傳算法與人工神經網絡相結合，建立了地表水與地下水聯合分配模擬優化模型。2015年，Biswadip Das 等［4］構建線性規劃模型，該模型將耕地與水資源相結合，以水文地質、物理、社會經濟條件為約束條件；李朦等［5］建立流域綜合效益最大的水資源優化配置模型，并采用蟻群-粒子群混合算法求解模型。2016年，Habibi M 等［6］以工農業綜合效益最大為目標，利用粒子群優化算法建立了水資源配置模型，并以此得出研究區域的供需水量；張凱等［7］建立了以經濟、社會、環境綜合效益最大為目標水資源優化配置模型，并采用螢火蟲算法求解模型。2018年，鐘金鳴等［8］建立了基于模糊多目標規劃的水資源配置模型，并應用于邯鄲西部重工業基地；王敏杰等［9］基于用水主體滿意度建立了以經濟、生態、環境及社會效益為目標的水資源優化配置模型。2021年杜佰林等［10］以經濟、社會、生態效益為目標，建立了基于模擬退火粒子群算法的優化配置模型。2022年，姜秋香等［11］建立了多水源、多用水戶的區間多階段隨機規劃模型，并采用線性規劃算法求解。楊文博［12］基于數值模擬，分析不同流域水資源的配置情況，并在此基礎上進行優化。2023年，譚安琪等［13］通過建立時空雙向流域精細化配置模型，在考慮多種因素影響下將水資源優化配置，并對模型進行線性規劃求解；劉光輝等［14］研究了基于 GWAS 模型的邯鄲市水資源優化配置問題。目前，關于水資源優化配置研究多集中于計算方法改進與綜合效益優化等方面，較少研究關注

于工程格局變化對水資源配置結果的影響。

南疆地區屬于資源性缺水區域，為滿足區域內農業發展需求，20世紀修建了大量的平原水庫，進入21世紀后，大量山區控制型水庫的修建進一步保障了流域灌溉需求。平原水庫蒸發滲漏損失極大，水資源浪費嚴重，已成為制約南疆地區高質量發展的關鍵因素。因此，本文以塔里木河“三源一干”區域（阿克蘇河、葉爾羌河、和田河及塔河干流）為研究對象，建立了流域水庫群優化調配模型，分析了山區水庫替代干流平原水庫方案可行性，制定了平原水庫替代后的水資源配置方案。研究成果可為指導平原水庫廢棄提供技術支撐，對干旱區相似流域的生態保護和水資源可持續利用具有科學指導意義和推廣示范價值。

1研究區域概況及基本資料

1.1流域概況

塔里木河流域地處歐亞大陸腹地、新疆南部，是中國最長、世界第三長內陸河，流域內九源一干、地域遼闊，從葉爾羌河源頭開始算，流域全長2602 km，總面積約為103萬 km2，占國土面積1/9［16］。受獨特的地理環境影響，流域內降雨稀少、蒸發強烈，年均蒸發能力可達1600～2200 mm，年降水量僅111 mm，占全國年平均降水量的16%［16］。塔河流域特有的綠洲生態系統極度依賴流域內有限的水資源，造成“有水就有綠洲、無水皆為荒漠”的現象［17］。

1.2基本資料

研究所需的資料包括工程資料、徑流資料及需水資料等，所有資料均由新疆塔里木河流域管理局提供。徑流資料包括阿克蘇河（協和拉、沙里桂蘭克水文站）、葉爾羌河（喀群、伊爾列黑、庫魯克欄干、江卡水文站）、和田河（同古孜洛克，烏魯瓦提水文站）1962—2016年，共55 a月尺度徑流資料，其中由于選取水文站點上游受人類活動影響較小，故未對徑流數據進行還原或還現處理，資料缺失部分采用本流域相近站點數據或統一站點相似來水頻率數據進行插補延長；需水資料包括2035年遠期規劃水平年阿克蘇河、葉爾羌河、和田河以及塔里木河干流各區間工業、生活、農業、河道外生態等需水。

2調配模型建立與求解

2.1流域系統網絡節點圖構建

根據三源一干流域內重點控制性水利工程的布局，確定了塔里木河流域水庫群聯合調配格局，繪制了塔里木河水資源調配網絡節點（圖2）。

2.2配置依據

調配依據包括：①滿足水資源綜合利用原則，嚴格控制水資源開發總量；②滿足源流區多年平均下泄46.5億 m3 ， 其中，阿克蘇河多年平均下泄34.2億 m3、葉爾羌河多年平均下泄3.3億 m3、和田河多年平均下泄9.0億 m3;③水庫應按照生活、工業、灌溉、河道外生態等供水優先次序供水，并保證工業生活、灌溉、河道外生態等供水保證率為95%、75%、50%；④滿足大西海子斷面多年平均下泄3.5億 m3生態水量的設計要求。中長期調配以1962年7月到 2016年6月共55 a為調配期，以月為計算時段。

2.3模型的建立與求解

2.3.1模型建立

2.3.1.1目標函數

為了制定合理的源流山區水庫群替代干流平原水庫群方案，減少塔里木河干流區平原水庫的無效蒸發滲漏損失，提高塔里木河“三源一干”區域的整體供水效率，在滿足塔里木河流域工業生活、農業灌溉、河道外生態供水、源流區及大西海子下泄供水等綜合供用水要求的前提下，以流域供水量最大為目標，建立單目標優化調配模型，開展源流山區水庫群替代干流平原水庫群的方案研究，目標函數見式（1）：

maxf1= QG （i，t ）（1）

2.3.1.2約束條件

a）全局約束條件。

①流域內水量平衡約束。

WC （n，t ）+ WRi （m，t ）= WG （i，t ）+

n =1 t =1m =1 t =1i=1 t =1

Wout （j，t ）+ ΔW （j，t ）+ ΔV （n，t ）（2）

式中：WC （n，t ）、WRi （m，t ）、WG （i，t ）、Wout （j，t ）、ΔW （j，t ）、ΔV （n，t ）分別為水庫出庫水量、支流來水量、各行業的供水量、斷面下泄水量、河段損失水量和水庫蓄放水量，億 m3;n為水庫編號；m 為支流編號；i為用水單元編號；j 為斷面編號；t為調配時段編號［15］。

②保證率約束。

P （i）≥ Ps （i）（3）

b）局部約束條件包括：

①水庫水量平衡約束。

WL （n，t ）= WG （n，t ）± WXF （n，t ）+ WS （n，t ）（4）

②庫容約束。

Vmin （n ）≤ V （n，t ）≤ Vmax （n ）（ 5）

③供水約束。

各部門需水：QG （i，t ）≤ QX （i，t ）（6）

下泄供水：QGS （m，y）≥ QXS （m，y ）（7）

④出力約束。

Nmin （n ）≤kele （n ）?Qele （n，t ）? Hele （n，t ）≤Nmax （n ）（8）

⑤變量非負約束。

式中：P、Ps 分別為計算保證率、設計要求保證率； WL、WG、WXF、WS 分別為水庫來水量、供水量、蓄放水量和水庫損失水量，億 m3;Vmin （n ）、Vmax （n ）分別為水庫的最小庫容和最大庫容，億 m3;QG、QX 分別為供水量、需水量，億 m3;QGS、QXS 分別為各源流下泄到塔里木河干流區的供水量、需水量，億 m3;kele、Qele、Hele 分別為水電站出力系數、發電流量、發電水頭；Nmin、Nmax分別為水電站出力的下限和上限［15］。

2.3.2模型求解

由于該模型涉及水庫數目多、調配時間長，約束條件多，屬于大規模、多約束、非線性的復雜優化問題［17］。因此，采用人工智能算法中應用較為廣泛的遺傳算法［18-19］求解水庫群長系列優化調配模型。

模型求解主要思路為：將水庫群調配過程按月劃分為660個時段，并選取時段內各水庫末庫容作為決策變量，在可行解的范圍內隨機生成初始種群，以多年平均缺水量來評價個體的適應度，通過遺傳操作產生適應度更好的新一代群體，通過不斷地進化迭代，在滿足終止準則后，選出最優個體作為模型最優解［20］。具體步驟如下。

a）染色體編碼。選擇水庫末庫容為決策變量，由于遺傳算法屬于概率性搜索優化，存在局部尋優效果不好的缺點，為合理縮小算法搜索空間，加快算法運行速度，本文將模擬程序計算結果 P1代入，設定調度期內各水庫允許蓄放水量區間位于［0.7* P1，1.3* P1］，采用十進制對決策變量進行編碼，同時為加快收斂速度，本文將模擬計算結果 P1作為初始種群之一代入優化模型進行計算。

b）適應度函數。遺傳算法的關鍵步驟是如何確定適應值函數，利用適應度函數可以衡量個體的優劣，本文適應度函數為多年平均流域供水量。

c）遺傳算子。遺傳算法的基本算子為選擇、交叉、變異［21］。在單目標優化模型計算中，種群規模設置為200個，迭代次數設置500次，子代選擇方法使用的是輪盤賭法，交叉概率為0.7，變異概率為0.3。

3實例分析

3.1山區水庫替代干流平原水庫方案研究

3.1.1可行性分析

在遠期規劃水平年優化調配結果見表1。可以看出，通過山區水庫群和平原水庫群的聯合調度，一期規劃目標和優化規劃目標下干流區各區間工業生活供水保證率均為100%，農業灌溉供水保證率超過89%，河道外生態供水保證率超過60%。說明到2035遠期規劃水平年，通過源流山區水庫和干流區平原水庫群的聯合調配，已能滿足干流區生活-生產-生態“三生空間”的供水設計要求，為山區水庫替代平原水庫、削減平原水庫在流域水資源調配中的作用，提供了操作空間和可行性。

3.1.2方案設置

為研究山區水庫群替代干流平原水庫群的規律，在一期規劃目標和優化規劃目標下設置3種水庫群替代方案。

替代方案一：按照平原水庫的重要程度，優先廢棄任務較小的水庫，直至干流供水保證率降低到設計要求。

替代方案二：按照同等比例整體削減各平原水庫有效庫容，直至干流供水保證率降低到設計要求。

替代方案三：按照平原水庫的重要程度，優先廢棄任務較小的水庫，剩余水庫按照一定比例削減有效庫容，直至干流供水保證率降低到設計要求。

3.1.3替代方案優選

a）一期規劃的替代方案優選。計算得到的一期規劃下平原水庫的優化調整方案見表2，各方案調配結果見表3。由表2、3可知：同基準方案計算結果對比可知，平原水庫群替代后，有效減少流域損失水量，提高用水部門供水量，其中方案三結果最優，農業灌溉供水最大增加0.11億 m3 ， 河道外生態供水減少0.05億 m3 ， 恰拉下泄水量增加1.21億 m3 ， 損失水量最大減少1.34億 m3;故推薦方案三最佳替代方案，即結然力克、大寨、其滿、帕滿水庫有效庫容削減87%，喀爾曲尕、塔里木水庫完全廢棄。

b）優化規劃的替代方案優選。計算得到的優化規劃下平原水庫的優化調整方案見表4，各方案調配結果見表5。

由表5可知：同基準方案計算結果對比可知，平原水庫群替代后，有效減少流域損失水量，提高用水部門供水量，其中方案三結果最優，農業灌溉供水最大增加0.58億 m3 ， 河道外生態供水減少0.10億 m3 ， 損失水量最大減少1.10億 m3;故推薦方案三最佳替代方案，即結然力克、大寨、其滿水庫有效庫容削減35%，帕滿水庫有效庫容削減95%，喀爾曲尕、塔里木水庫完全廢棄。

綜上所述，一期規劃目標和優化規劃目標下，通過替代干流平原水庫均能有效減少流域損失水量，量化了山區水庫聯合調度和廢棄干流平原水庫的節水潛力，同時也體現了在干旱半干旱地區“節水優先”的必要性與重要性。

3.2水資源配置方案研究

3.2.1調配結果優選

通過計算，可得到一期規劃和優化規劃目標下水庫群替代方案對應的調配結果，其中，流域長系列調配結果見表6，流域缺水、下泄及損失水量情況見圖3、4。

a）同平原水庫替代前結果相比，一期與規劃2個目標下，調配結果均有提升。其中一期規劃目標下，源流區農業灌溉供水保證率存在不滿足設計要求的情況，調配結果不理想；優化規劃目標下，各行業供水保證率均滿足設計要求，調配結果較好。產生上述結果的原因主要有以下幾點：一期規劃目標下源流區與干流區用水矛盾突出；源流區水庫調節能力不足，不能調節流域汛期來水，導致干流區汛期無效下泄水量過多，補充臺特瑪湖水量遠超其供水指標，致使臺特瑪湖無效蒸發滲漏損失增大。

b）同替代前相比，一期與規劃2個目標下各行業缺水總量分別減少0.05億、0.47億 m3 ， 恰拉下泄水量分別增加1.21億、0.54億 m3 ， 損失水量分別減少1.34億、1.24億 m3。可以看出，通過替代平原水庫，極大程度地緩解了農業灌溉用水和生態用水矛盾，提高了流域水資源利用效率，保障了塔河下游臺特瑪湖的生態補水，對于未來進行干流農業復耕奠定水量基礎。

c）同一期規劃結果相比，優化規劃下各行業供水保證率均滿足設計要求，缺水總量、源流區下泄水量、恰拉下泄水量及流域損失水量分別減少3.97億、6.56億、2.43億、1.74億 m3。表明優化規劃目標可以有效緩解源流區與干流區用水矛盾，通過適當減少下泄水量，減少流域損失，避免了臺特瑪湖無效蒸發損失，對于緩解流域水資源短缺問題具有重要的意義。

綜上所述，優化規劃目標下破壞了多年平均下泄塔里木河干流46.5億 m3水量目標，但從長遠目標來看對于塔河保障糧食安全，對于經濟可持續發展具有重要意義。而一期規劃目標通過增加下泄塔河干流水量，增加下游特別是補湖生態水量，對于保護塔里木河下游生態廊道具有重要意義，但是為進一步提高生態水使用效率，建議下游開展胡楊林溝汊滲輪灌或在河道修建節制閘，將生態水耗散于河道兩岸恢復生態廊道，避免流入臺特瑪湖使得水資源無效耗散。

3.2.2水資源配置方案制定

根據三源流1962—2016年各年徑流資料繪制了 P-Ⅲ型頻率分布曲線，選擇了平水（P=50%）、枯（P=75%）、特枯（P=95%）3個典型流量，并按照峰高量大、洪峰集中、對工程不利的原則各選取了流量相近的典型年，分別為平水年1988年、枯水年1986年、特枯水年1965年。

選擇優化規劃目標的替代方案下的水庫調配結果，制定水資源優化配置方案，典型年水資源優化配置概況見表7，以平水年水資源配置情況為例，結果見圖5。由多年平均配置結果可知，流域內灌溉和河道外生態供水雖略有破壞，但破壞深度在設計要求之內，且大西海子多年平均下泄生態水量為4.59億 m3 ， 符合設計要求。以典型年平水年水資源配置情況為例，平水年塔里木河三源流區域來水206.11億 m3 ， 三源流下泄水量為39.09億 m3。其中，源流區阿克蘇河區域灌溉供水總量為46.43億m3 ， 葉爾羌河區域灌溉供水總量為56.92億 m3 ， 和田河區域灌溉供水總量為24.60億 m3 ， 干流區灌溉供水總量為7.33億 m3 ， 河道外生態供水為16.26億m3 ， 大西海子下泄生態水量為2.11億 m3 ， 未滿足設計要求。通過與多年平均結果相比可知，主要是由于平水年汛期來水較為均勻，使得汛期無效下泄水量減少，即大西海子下泄生態水量不滿足3.5億 m3設計要求。

4結論與展望

以塔里木河“三源一干”流域為研究對象，針對流域內存在的平原水庫蒸發滲漏損失大，水資源用水矛盾突出等問題，建立了以流域供水量最大為目標的水庫群優化調配模型，分析山區水庫替代平原水庫的可行性，制定了基于平原水庫群替代后的水資源配置方案，主要結論如下。

a）論證了山區水庫替代干流平原水庫的可行性，制定并推薦了最優的替代方案，其中一期規劃和優化規劃2個目標下的水庫替代方案分別可節約水資源量1.34億、1.10億 m3 ， 體現了“節水優先”的必要性與重要性。

b）優化規劃目標可以減少流域損失，避免了臺特瑪湖無效蒸發損失，從長遠目標來看對于緩解流域水資源短缺、保障塔里木河流域糧食安全、維持社會經濟可持續發展具有重要意義。

c）一期規劃目標保障塔里木河多年平均下泄水量目標，增加了干流下游特別是臺特瑪湖補湖生態水量，對于保護和修復塔里木河下游生態廊道具有重要現實意義，但缺少配套工程與非工程措施，建議下游開展胡楊林溝汊滲輪灌或在河道修建節制閘。

d）制定了優化規劃目標下的水資源優化配置方案，多年平均條件下農業灌溉供水和河道外生態供水分別為135.02億、14.04億 m3 ， 對于緩解流域農業灌溉供水和生態供水矛盾具有重要作用。

本文僅考慮了干流平原水庫替代后對塔里木河“三源一干”流域的水資源配置影響，下一步將結合臺特瑪湖適宜面積相關研究，優化源流區下泄水量目標，并針對平原水庫替代前后的節水量的具體應用角度出發，研究平原水庫替代后對于干流生態廊道的保護和修復的具體效果。

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（責任編輯：高天揚）