葉爾羌河流域地下水水質評價及高效利用綜合研究

余 姣

(新疆維吾爾自治區塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700)

葉爾羌河流域位于塔里木盆地西南邊緣，總面積為9.89萬km2，跨越4個地州和12個縣市。葉爾羌河流域深處我國西北內陸腹地，氣候干燥，降雨量稀少，同時徑流耗散損失和水資源蒸發量較大，導致水資源供需不平衡。農業生產需求大量占用生態環境的用水，進而影響地下水的質量和水量的穩定性。因此，迫切需要研究適應葉爾羌河流域的水資源優化配置方案，提高水資源的利用效率，以適應流域內供需水的動態變化。同時，為了最大限度地保護有限的水資源，還需要提高地區的經濟發展水平。

1 葉爾羌河概況

葉爾羌河發源于喀喇昆侖山脈，屬于塔里木河的重要源流之一，全長1179km，地下水的天然補給量少，水資源以地表水為主，平原區不產流。葉爾羌河水系涵蓋的河流主要為葉爾羌河、提孜那甫河、烏魯克河、柯克亞河，流域水資源特點為：灌溉水利用系數低，水資源有限且未得到充分利用；年內的月徑流量不均勻，洪枯季節的流量存在明顯差異；分布區域缺乏均勻性。

2 葉爾羌河流域水資源優化配置模型

2.1 模型概念

本研究采用WEAP綜合模型，該模型基于水量收支平衡原則，并綜合考慮到水質、生態系統保護以及需求端問題等多個因素。模型以節點-連接結構為基礎建立，并遵循質量平衡方程式：

q入=q出+q損

(1)

式中，q入、q出—進入、流出節點或連接的總水量；q損—節點或連接處的損失水量[1]。

建立聯立方程，用線性規劃法求解并進行分配計算。通過WEAP盡可能使各需求點的滿足最大化，此時需進行如下計算：

Q入=W需λ

(2)

式中，Q入—需求點的實際入流量；W需—需求點的需水總量；λ—需求點的滿足度系數。

將由生態效益滿意度、經濟效益滿意度、社會效益滿意度組成的綜合效益滿意度作為研究的目標函數，WEAP則是水資源優化配置模型中不可或缺的部分。根據流域水資源現狀和社會經濟發展現狀，提出水資源優化配置流程，涵蓋WEAP模型、子目標計算、權重計算等，如圖1所示。

圖1 水資源優化配置流程圖

2.2 模型建立

流域可用水資源為沖積平原的地下水補給和山區冰雪融水的河道來水。根據流域內水源條件和引用水關系，劃分出葉城、澤普、莎車、麥蓋提、巴楚、岳普湖和前海分區，并在此分區的基礎上做進一步分開概化處理，最終產生：1個河道流量要求、4條河流、7處地下水、9條分流、27個水庫、57個需求點及120條輸送連接。

2.3 目標函數建立

根據社會經濟生態可持續發展原則優化配置水資源，采用系統分析原理和優化方法，協調流域內生產、生活、生態的水資源分配，在保證社會效益和經濟效益的同時充分保障流域內的生態效益，在多維度的優化配置策略下，提升水資源在社會、經濟、生態三方面的綜合效益[2]。基于前述思路，引入綜合效益滿意度評價方法，利用三標度法計算經濟、社會、生態效益的權重，再根據權重計算單個目標的綜合滿意度，方法如下：

P=ω1P1+ω2P2+ω3P3

(3)

式中，P—綜合效益滿意度；ω1、P1—社會效益的權重、滿意度函數；ω2、P2—經濟效益的權重、滿意度函數；ω3、P3—生態效益的權重、滿意度函數。

2.4 約束條件和優先順序

(1)約束條件。分區用水量約束、可供水量約束、需水量約束、渠道輸水能力約束、河道下放水量要求、地下水開采量限制、水庫庫容限制等。

(2)優先順序。秉承居民保障置于首位的原則，首先需要切實保障居民生活用水，在此基礎上則需保障生態用水、工業用水、農業用水，整個優先順序充分遵循民生至上、以人為本的原則。

2.5 計算時段和水文序列

以月為模型計算時段；基準年為2018年，中期水平年為2030年，遠期水平年為2040年；伊爾列黑、庫魯克蘭干站和玉孜門勒克站為代表水文站，來水數據取自于1957—2009年，分別選擇50%、70%、90%來水頻率對應典型年份。

2.6 數據輸入

節點和連接有關參數的輸入是模型數據輸入的重要部分。節點的主要組成為：①需水點：用戶數量、單位用水量等；②地下水：補給水量和最大取水量；③河流有關參數：河道月損失和源頭月來水量；④水庫有關系數：總庫容、初始庫存、水庫損失等[3]。

2.7 發展方案的提出

根據因地制宜的原則，并考慮到流域水資源和社會經濟現狀，制定發展方案，以期在滿足社會經濟發展需求的同時取得良好的節水效果。流域內的用水類型分為第一產業和第二產業，分別對應灌溉用水和工業用水。節水可采取適度節水和強化節水兩種方式，將工業節水和居民節水作為區域內的重要節水途徑。在生態層面上，居民節水被視為主要突破口，強化居民的節水意識，從居民的實際用水需求出發，盡可能控制生活用水定額的增長速度，但不能影響居民的正常生活[4]。在強化節水條件下，預計到2030和2040年，流域內農村用水定額分別為105和110L/(人·d)，城鎮用水定額分別為200和205L/(人·d)。在工業領域，通過生產模式的轉型升級，逐步淘汰高耗能的水設備，利用先進的設備和工藝提高水的重復利用率。因此，隨著時間的推移，工業用水定額將減少[5]。考慮到流域內的生態環境和基礎設施建設水平等因素，設置了低速增長和高速增長兩種葉爾羌河流域內的工業發展模式。目前，流域內工業的用水定額為200m3/萬元，在強化節水發展條件下，預計到2030和2040年的工業用水定額分別為90和50m3/萬元，即通過強化節水措施可以大幅度地減少工業用水定額。在適度節水發展條件下，也能夠減少工業用水定額，但減幅有限，預計到2030年為110m3/萬元，2040年為60m3/萬元。基于前述分析，提出如下4項發展方案。

方案1：工業低增長+強化節水；方案2：工業高增長+強化節水；方案3：工業低增長+適度節水；方案4：工業高增長+適度節水。

3 結果分析

3.1 WEAP運算結果

綜合考慮擴大節水灌溉面積、提高灌溉水利用系數、建成山區水庫等流域內的發展措施以及前述提及的4項發展方案，進行水資源調配計算。計算通過WEAP進行，考慮的條件是各規劃水平年和各來水頻率。在本次研究中，模擬50%來水概率的結果，合并結果后進行分析。

3.1.1 社會效益滿意度

現狀流域缺水率為17.6%，缺水量為12.55億m3。在實施方案1、2、3、4后，預計2030年的缺水率分別為8.54%、8.90%、10.58%、10.83%，2040年分別為5.20%，6.15%，7.25%，8.21%，各方案的缺水率相比2030年均有降低。高發展方案的特點在于擴大生產規模，促進地區經濟的發展，但隨之增加流域需水量。對比分析各方案可知，相比方案1，方案2在2030、2040年分別多1312萬、5656萬m3，方案4分別比方案3多1604萬、6787萬m3。結合社會滿意度指標，分析4項方案在2030、2040規劃水平年的需水量、供水量及社會效益滿意度，結果見表1(社會效益滿意度等于流域供水滿足度)。

表1 各發展方案在各規劃水平年的社會效益滿意度

3.1.2 經濟效益滿意度

現狀年，地區總GDP組成中以第一產業的占比最高，超過60%。根據該產業發展現狀，優化產業結構，從各類產業中篩選出高效益的工業產業，為其投入相對更多的水資源，以滿足此類產業的發展要求，提高水資源利用水平的同時創造更加可觀的經濟效益[6]。對于流域內GDP期望值，在2030、2040年分別達到381億、955億元，并細分出各規劃年的第一產業、第二產業、第三產業的產值，計算經濟效益滿意度，見表2。

表2 各發展方案的經濟效益滿意度

3.1.3 生態效益滿意度

河床滲漏補給是河岸植被生態用水的主要來源途徑，葉爾羌河輸入塔里木河水量不應少于3.3億m3(按50%來水頻率計算)，換算至艾里克塔木渠首斷面為8.26億m3。流域生態用水期望值在2030、2040年規劃水平年分別達到17.87億、18.41億m3，據此計算4項發展方案在各規劃水平年的生態效益滿意度，結果見表3。

表3 各發展方案在各規劃水平年的生態效益滿意度

3.2 方案的對比分析與選擇

目標函數間各量綱存在差異，此條件下求解最優解的難度較高。因此，在確定多目標函數后，利用加權法轉化為單目標函數，再求解轉化后的函數，此時求解與分析的難度降低、結果可靠性有所提升。對于各子函數的權重，用三標度法予以確定。根據前述思路進行計算，確定效益滿意度的權重，考慮社會、經濟、生態三方面，分別為0.540、0.297、0.163，再綜合考慮前述表1—3給出的數據和公式(3)，結合數據進行計算，確定4項發展方案在2030、2040年2個規劃水平年的綜合效益滿意度，結果見表4。

表4 各發展方案在各規劃水平年的綜合效益滿意度

根據表4數據進行對比分析，得知方案2在2030、2040年規劃水平年的綜合效益滿意度均高于其它方案，具有可行性，即“工業高增長+強化節水”的發展方案最適用于葉爾羌河流域的發展。

3.3 水資源配置結果及其分析

在確定方案2(工業高增長+強化節水)為最優方案后，利用WEAP進行水資源配置，此處以規劃水平年為2040年為例，50%來水頻率條件下的水資源配置結果，見表5。在聯合采取工業節水、農業節水、生活節水、加強水利基礎設施建設多項節水措施后，至2040年的灌溉節水量高達14.58億m3，缺水率為6.15%，相比原本的17.6%明顯降低，采取方案2后較為有效地緩解缺水問題，由此也說明“工業高增長+強化節水”的方案具有可行性[7-9]。

表5 發展方案2在2040年的水資源配置計算結果

4 結語

綜上所述，本研究通過利用WEAP建立了葉爾羌河流域水資源優化配置模型，并提出了4個發展方案。經過多目標決策分析，確定了“工業高增長+強化節水”的方案，該方案在2040年的規劃水平年下具有顯著的水資源配置效果。該方案能夠降低流域的生產生活需水量，并且在50%來水頻率下有效減少缺水率，緩解了水資源緊缺問題，改善了供需矛盾。同時，該方案還有利于流域社會、經濟和生態環境的綜合發展。然而，本研究還存在一些不足之處。首先，模型的建立依賴于數據的準確性和可靠性，因此在數據獲取和處理過程中可能存在一定的誤差。其次，本研究的結論和方案僅適用于葉爾羌河流域，其他流域的情況可能存在差異。因此，在今后的研究中，需要進一步完善和優化模型，提高數據的準確性，并探索適用于不同地區的水資源優化配置方法，以更好地指導地區的可持續發展。