基于GWAS模型的海原縣域水資源優化配置研究

中圖分類號：S2；TV21 文獻標識碼：A 文章編號：1002-204X（2025）04-0022-09

doi：10.3969/j.issn.1002-204x.2025.04.004

Optimal Allocation of Water Resources in Haiyuan County Based on GWAS Model

Wang Le’，Bao Ziyun'， Zhang Haitao2 （1.Ningxia Instituteof Water Conservancy，Yinchuan，Ningxia 75OO21；2.Chinese Instituteof WaterResources and Hydropower，Beijing 100038）

Abstract The optimal alocation of water resources isa key measure to balance water and development，which can ease the contradiction between supply and demand of water resources and promote the coordinated development between economy and ecology.Therefore，the development and utilization of water resources in Haiyuan County was analyzed with the method of water resources evaluation，the GWAS（general water allocation and simulation）configuration model wasconstructed，anda study on the optimal allocation of water resources in Haiyuan County in the planning year（2O25，2O035） was conduct to provide a theoretical basis for thecoordinated development of water resources，watershed andregional economic，social and ecological environmental protection in Haiyuan County.The resultsshow that the water supply in the planned years （2025 and 2035） will reach 127.O6 million m3 and 128.92 million m3 respectivelyunder 75% of the inflow conditions， whichcan'tmeet the full alocation of water consumption.Itissuggestedtostrengthen theutilizationof unconventional water sources，rationallyalocate YellowRiver diversionwaterandgroundwaterresources，and realize the optimal allocation of county water resources.

Key Words Haiyuan County;Water scarcity; GWAS model; Optimal alocation of water resources

海原縣地處寧夏中部干旱帶，東與固原市原州區相連，南與西吉縣接壤，西臨甘肅靖遠縣、會寧縣，北瀕中衛市沙坡頭區、同心縣。截至2021年末，全縣常住人口有107萬戶33.7萬人。其中：城鎮人口12.0萬人，農村人口21.7萬人，常住人口城鎮化率為 35.61% 。海原縣是中衛市經濟發展的重要區域，也是拉動寧夏區域經濟增長的主要動力之一I。然而，干旱少雨的氣候條件、匱乏的水資源與日益增長的用水需求，嚴重影響了海原縣農業生產的穩定性和可持續性；庫壩蓄水量不足、地下水超采等情況，嚴重影響了海原縣糧食安全和生態安全；同時，農業產業結構粗放、抗旱節水農業技術缺乏、水資源利用效率低，逐漸成為限制海原縣旱作節水農業高質量發展的瓶頸問題2]。因此，開展海原縣域水資源配置研究，是全面貫徹習近平總書記“以水定城、以水定地、以水定人、以水定產\"重要指示精神，解決海原縣水資源短缺、用水矛盾突出等問題，推動水資源利用由粗放低效向集約節約高效根本轉變的現實需求，也為海原縣經濟、社會、生態系統的可持續發展提供決策依據。

水資源利用系統常與經濟城鎮化、人口農業等進行耦合協調分析。近年來，諸多研究者通過不同的研究方法解決區域內水資源配置問題，如遺傳算法、魚群算法、粒子群算法等，其中改進后的遺傳算法是當前應用較為廣泛的多目標遺傳算法之一，具有運行速度快、解集收斂性好等優點[。但氣候狀況、地形地貌等水文要素的變化對區域水資源分布變化有著極大影響，因此區域性水資源優化配置研究具有多目標性、動態變化性、復雜性等特點。桑學鋒等2開發了水資源綜合模擬與調配模型，即GWAS模型，可在兼顧生態用水的前提下，讓有限的水資源發揮最大的社會、經濟效益，該模型因操作簡便、流程設置清晰被廣泛應用。傳統水文模型通常以行政分區為基礎，而GWAS模型結合了自然-社會的二元水循環理論特點，將水資源（流域）分區與行政區劃相結合，在兼顧生態用水的基礎上進行水資源優化配置[3]。欒清華等[14利用此模型對武安市水資源進行了優化配置，明顯改善了該區域供水結構。張堯堯等5利用此模型對榆林市水資源進行了優化配置，榆林市供水結構及供水平衡情況得到明顯改善。嚴子奇等利用此模型對坪山河流域生態補水進行研究，識別了現狀條件下各斷面生態流量保障程度，顯著提高了坪山河流域生態補水水平。

基于此，本文選取海原縣作為研究區域，以現狀年（2021年）為基礎，構建海原縣GWAS模型，得出規劃年（2025年、2035年）不同來水情景下的水資源優化配置方案，以期為海原縣區域水資源精細化管理及區域可持續發展提供支撐。

1 研究區域

海原縣位于寧夏回族自治區中南部，地處東經105^°09^′～106^°10^′ 北緯 36^°06^′～37^°04^′ 之間，隸屬中衛市，區域總面積為 6899km^2[17] 。海原縣具有干旱少雨，蒸發強量大，風大沙多，日照充足等氣候特點。多年平均降水量為 340mm ，由北向南遞增，年內降水分布極不均衡，多年平均蒸發量達 1200mm ，平均氣溫為 8% 。海原縣縣域內主要水系為清水河，包括西河流域（園河、麻春河、賀堡河、楊坊河、馬營河、沙溝河）、中河流域（楊明河）、莧麻河流域（撒臺河、鄭旗河）；祖厲河水系集中在縣西南部的關莊鄉，有大路溝、大西溝、小西溝、胡兒岔溝、宋家莊溝5條河流；內陸河水系分布在西華山西坡的西安鎮黃家洼山和陳家洼山之間（圖1、圖2）。

2 研究方法

2.1 水資源評價

本次水資源評價根據寧夏水資源第三次調查評價1956—2016年徑流深等值線圖（圖3），量算海原縣多年平均年徑流深，多年平均徑流量按下式計算：

式中： L 為多年平均徑流量（萬 m³ ）， M_i 為相鄰兩徑流深等值線間的面積 （km²），J_i 為各相鄰兩徑流深等值線的平均值 （_mm），P 為水資源評價面積 （km² ）。

水資源總量是指當地降水形成的地表和地下產水量，即地表徑流量與降水入滲補給量之和，不包括外來水量。地下水資源按照清水河干流、西河、莧麻河、楊明河、祖厲河、內陸河分區進行評價。水資源總量用下式計算：

W=B_s+J_r=B+J_r-B_g

式中： W 為水資源總量， B_s 為地表徑流量（即河川徑流量與河川基流量之差值）， J_r 為降水入滲補給量（山丘區用地下水總排泄量代替）， B 為河川徑流量（即地表水資源量）， B_g 為河川基流量（平原區為降水入滲補給量形成的河道排泄量）。

2.2 GWAS模型運行過程

2.2.1 模型簡介

GWAS （General Water Allocation and SimulationModel）即水資源動態配置與模擬通用系統平臺，是WAS（WaterAllocation andSimulation Model）水資源動態調配與模擬模型的應用操作軟件，集成QGIS/SQLite數據庫和WAS模型等技術開發而成，可以實現對區域／流域水資源水量的水質模擬、評價、水資源配置及報表輸出等功能，使用戶能快速和全面地評價、研究區域水資源狀況，便于管理人員根據區域實際情況動態修正水資源配置，為區域水資源的高效管理和優化配置提供支撐。

技術架構如圖4所示：

2.2.2 模型運行策略

模型在水資源供需目標的基礎上設計荷載均衡、空間均衡，并作為目標函數，荷載均衡表現為單元內部行業用水負荷的滿足程度；根據行業缺水率最小指標反應，空間均衡表現為各行業不同單元用水公平性；根據行業空間單元缺水率方差指標反應，對目標函數求解，實現模型對水資源均衡發散的測算

目標函數：

① 荷載均衡目標－缺水率最小

式中： L（xt） 為荷載均衡目標， SW（X_ht） 為供水脅迫函數， q_k 為行業用戶懲罰系數， 為時段區域單元u 中行業用戶 h 的缺水率， Sob_h 為時段區域行業用水h 的供水脅迫目標理想值， B_h 為區域行業用戶 h 的最低用水保證率， h 為區域行業用水戶類型， mh 為區域行業用水戶類型的最大數目， u 為區域單元， mu 為區域單元最大數目， Ψ_t 為計算時段。

② 空間均衡－公平性最優：

式中： S（xt） 為空間均衡目標， GP（X_ht） 為公平性函數， q_ht 為行業用戶懲罰系數， x_ht^u 為區域單元 u 中行業用戶 h 的缺水率， 為區域單元 u 中行業用戶 h 的缺水率均值， h 為區域行業用水戶類型， mh 為區域行業用水戶類型的最大數目， u 為區域單元， mu 為區域單元最大數目， Φ_t 為計算時段。

約束條件包括：水供水能力約束，即水源供水量應滿足水源的可供水量約束條件。分質供水約束，即考慮不同用戶的用水水質要求，水源供水應滿足分值供水標準約束條件。生態流量約束，即河道流量應滿足河道生態基流約束條件。

3模型運行結果分析

3.1海原縣年水資源需求分析

3.1.1規劃年人口發展與城鎮化需水預測

（1）人口發展及城鎮化規模。截至2021年末，全縣常住總人口為33.7萬人，其中：城鎮人口12.0萬人，農村人口21.7萬人，自然增長率為 8.19‰ ，常住人口城鎮化率為 35.61% 。海原縣近5年（2017—2021年）平均人口自然增長率為 12.07‰ ，城鎮化率為 27% ，規劃至2025年，人口自然增長率在 12.82‰ 以內，本次人口預測自然增長率取 12.07‰ ，全縣城鎮化率取 45% ;規劃至2035年自然增長率仍按 12.07‰ 計，城鎮化率取 55% ，規劃水平年的總人口根據現狀年人口按自然增長率計算，城鎮人口按規劃年城鎮化率計算，農村人口由總人口減城鎮人口而得。由于規劃年城鎮化率的提高，城鎮人口呈增長趨勢，農村人口呈下降趨勢，如表1所示。

（2）城鄉人口生活需水。生活需水量包括城鎮生活需水量和農村生活需水量。城鎮生活用水為綜合用水，包括城鎮居民日常生活用水、公共設施用水等；農村生活用水包括居民和家庭散養畜禽用水。以上用水均包括消防用水量、管網漏失水量和未預見水量等。

根據《寧夏生活用水定額》，海原縣屬于三類地區，城市生活用水定額規劃2025年取 120L 人 ^-1?d^-1 ，2035年取 130L ·人 Ω^-1?d^-1 。農村生活用水定額規劃2025年取 70L ·人 ^-1?d^-1 （包括散養畜禽用水），2035年取 80L 人 ^-1?d^-1 （包括散養畜禽用水）。考慮管網輸水損失，生活需水量預測成果見表2。

3.1.2規劃年工業產業需水預測

海原縣的工業主要集中在海興開發區，根據海原縣工業企業用水最新確權成果所示，目前入駐海興開發區的工業企業有33家，其中：在公共供水管網覆蓋范圍內的有32家，不在覆蓋范圍內的有1家。園區企業以農副產品加工、風能裝備制造、光伏發電新能源新材料制造、絨業服裝輕紡及生物醫藥制藥產業為主。

“十四五\"期間計劃新增建設項目16個，2035年該產業園區招商引資情況尚不明確，暫按現有企業數量及“十四五\"新增企業設計產能作為目標發展規模。按照行業用水定額并考慮管網損失，預測規劃年海原縣工業需水量如表3所示。

3.1.3規劃年農業種植需水預測

根據海原縣最新農業用水確權成果并結合2021年發展高效節灌的面積可知，海原縣總灌溉面積為3.53萬 hm² ，包括揚黃灌區1.83萬 hm² （其中高效節灌0.41萬 hm² ，含三塘灌區0.07萬 hm² ，庫井灌區1.70萬 （其中高效節灌0.47萬 hm² ）。規劃2025年中部干旱帶揚黃灌區高效節灌率達 80% ，庫井灌區高效節灌率達 90%;2035 年全縣3.53萬 hm² 灌溉面積全部發展為高效節灌農業。根據作物種植結構、灌溉水利用系數、灌溉定額、灌水方式等，計算規劃年種植業需水量見表4。

3.1.4規劃年規模化養殖需水預測

海原縣規模化養殖以肉牛和羊為主，截至2021年末，全縣肉牛飼養量為32萬頭，存欄量為12.75萬頭；羊飼養量為85萬只，存欄量為51.93萬只；豬和雞的飼養量分別為4萬頭和20萬只。規劃2025年肉牛總飼養量達到40萬，羊總飼養量達到115萬只；按照每年增加2萬頭預測，2035年肉牛與羊的總飼養量分別為60萬頭和138萬只，豬和雞的飼養量維持4萬頭和20萬只不變。根據行業用水定額并考慮管網損失，規劃年規模化養殖需水量見表5。

3.1.5規劃年生態需水預測

海原縣生態用水主要用于城市綠化。城市綠化用水以城市人口為基數，按人均綠地標準和綠化定額估算凈需水量，再考慮綠地田間水利用系數0.93和10% 的管網損失后計算毛需水量。城市綠化用水原則上采用中水。根據寧夏回族自治區生態立區戰略，各市（縣、區）規劃年人均綠地標準應在現狀年人均公園綠地面積指標的基礎上有一定增長，考慮到寧夏中南部經濟較為落后、城鎮化建設進程較慢，同時受水資源限制，其增長幅度不應過大。因此將2025年、2035年人均公園綠地標準均按照 20m² ·人-取定。根據行業用水定額并考慮管網損失，規劃年生態需水量見表6。

3.1.6規劃年各行業總需水量預測

綜上所述，預測各行業規劃年總需水量見表7。

3.2水資源供給分析

3.2.1規劃年地表蓄水工程可供水量

去掉縣域內河道生態基流、泥沙量、蒸發量、滲漏損失后，各蓄水工程的可供水量見表8。

3.2.2規劃年淺層地下水可供水量

根據《寧夏水文手冊》資料顯示，考慮山區地下水開采條件、水質、開采后對環境的影響等因素，結合各分區實際開采情況和地下水特點，用系數法估算海原縣地下水可開采量。目前，海原縣地下水可開采系數在 0.2～0.6 之間，多年平均地下水可開采量為2574萬 。從涵養和保護地下水資源考慮，根據寧夏最嚴格水資源管理原則，2021年寧夏水行政主管部門批準海原縣淺層地下水取水指標為2100萬 m³ ，不得超水權開采地下水。

3.2.3揚黃工程可供水量

（1）寧夏中南部城鄉飲水安全水源工程。該工程于2012年開工建設，2016年10月基本建成通水，以涇河上游源區為水源地，以龍潭水庫作為首部取水樞紐，引水至固原市南郊，輸水線路總長為 74.394km （2號《寧夏固原地區（寧夏中南部）城鄉飲水安全水源工程可行性研究報告》顯示，海原縣共分配492萬 m³ 水量，其中：城市284萬 m³ ，農村208萬 m³ 。

（2）揚黃區域居民飲水量。通過10泵站和11泵站，分配給海原縣居民飲水量為195萬 m³ 。

（3）揚黃灌溉工程。海原縣在固海揚水工程六至十泵站、十一泵站的灌溉面積為1.37萬 hm² ，分配給海原縣灌溉水量為7700萬 m³ 。同時，在中部干旱帶西安鎮供水水源工程建成后，自2020年起從中衛市全市范圍內調劑2000萬 m³ 的黃河水指標，用于海原縣西河中型灌區農業灌溉。

3.2.4規劃年新增供水工程可供水量

（1）清水河流域城鄉供水工程。清水河城鄉供水工程以地下水為水源，于2023年建成后替代寧夏中南部城鄉飲水安全水源工程、揚黃居民飲水、海原縣城水源地及海原新區供水工程，2025年分配給海原縣供水指標為1783萬 m³ ，其中：城鄉生活用水量為1579萬 m³ ，規模化養殖用水量為22萬 m³ ，工業園區用水量為182萬 m³ 。2035年分配給海原縣供水量為2257萬 m³ ，其中：城鄉生活用水為1871萬 m³ ，規模化養殖用水為21萬 m³ ，產業園區用水為365萬 m³ 。

（2）新增非常規水量。根據海原縣城和海興開發區2022—2025年、2035年生活和工業需水量，規劃生活污水量為平均日用水量的 70%～80% ，本次生活污水排放系數取0.70；工業污水排放系數為 0.20～0.50 ，本次取0.30;污水廠自用水量為平均日用水量的 10% ，2022—2025年非常規水量為366萬 m³～456 萬 m³，2035 年非常規水量為717萬 m³ 。

3.2.5規劃年各水源工程可供水量

規劃年在考慮現有供水工程保持供水能力不減少的情況下，通過支流與黃河干流水指標置換，解決支流水利用成本高、難度大的問題；對超采區的地下水進行合理壓采置換，并加大非常規水利用量。清水河流域城鄉供水工程建成后，為海原縣城鄉生活提供可供水量。具體見表9、表10。

3.3水資源供需平衡分析

對海原縣規劃年水資源供需平衡分析結果如表11所示，可以看出海原縣2025年需水量為13996萬 m³ 在 50%～85% 來水條件下，供水能力滿足需水量，但需要進行水源調配；在 95% 來水條件下，只考慮生活和工業用水，則缺水1005萬 m³ 。

單位：萬 m³

2035年需水量為14256萬 m³ ，在 50%～85% 來水條件下，供水能力滿足需水量，但需要進行水源調配；在 95% 來水條件下，只考慮生活和工業用水，則缺水1566萬 m³ 。

3.4GWAS模型最終配置結果分析

利用GWAS模型得到配置結果如表12所示，海原縣以全面貫徹寧夏“四水四定\"管控指標為前提，在75% 來水條件下，海原縣2025年共配置12706萬 m³ 將可利用量全部進行配置。其中：本地地表水共配置230萬 m³ ，全部向農業供給；淺層地下水2100萬 m³ 全部加入配置，且分別向生活供水1711萬 m³ ，工業供水72萬 m³ ，農業供水317萬 m³ ；黃河水引調水全部進行配置，分別向生活供水1005萬 m³ ，農業供水9295萬 中水則全部配置為生態用水，共配置76萬 m³ 。各行業中，生活、工業及生態用水全部得到滿足，缺水率均為 0.00% ，農業缺水率為 11.59% ，全行業缺水率為9.22% 。最終配置方案為應加大對地下水微咸水的利用規模。

海原縣2035年共配置12892萬 m³ ，將可利用量全部進行配置。其中本地地表水共配置230萬 m³ ，全部向農業供給；淺層地下水2257萬 m³ 全部加入配置，且分別向生活供水1996萬 m³ ，工業供水261萬 m³ ；黃河水引調水全部進行配置，分別向生活供水600萬 m³ 農業供水9700萬 m³ ；中水則全部配置為生態用水，共配置105萬 m³ 。各行業中，工業及生態用水全部得到滿足，缺水率均為 0.00% ，農業缺水率為 3.85% ，生活用水缺水率為 27.10% ，全行業缺水率為 9.56% 。最終配置方案為應加大對地下水微咸水的利用規模。

4結論與建議

4.1結論

GWAS模型采用“基本單元-計算單元-水文單元”三級單元劃分方法，在動態反饋實現方式上提出“實測－分離－耙合－建模－調控”的水循環時序動態反饋模擬方法，本文通過GWAS模型最終配置方案預測出海原縣規劃年（2025年、2035年）可供用水量的全部配置。在寧夏用水權管控方案限定取水上限的前提下，各規劃年總需水量不變，在各水源可供水的基礎上，加大非常規水利用規模，2025年揚黃灌區和庫井灌區農業高效節灌率分別達到 80% 和 90% ，至2035年揚黃灌區和庫井灌區農業高效節灌率全部達到 100% 。同時在各規劃年期間，在清水河干流、西河、莧麻河、楊明河、祖厲河、內陸河流域新建、除險及加固水庫，取用地表水作為農業補充用水，并在樹臺鄉、西安鎮、關橋鄉、紅羊鄉、賈塘鄉、九彩鄉、鄭旗鄉、李旺鎮、三河鎮、七營鎮、甘鹽池管委會等地下水分布區域新增地下微咸水取水工程，提高各規劃年可供水量。

4.2建議

根據寧夏“四水四定”管控要求，海原縣應在優先保障居民生活用水和經濟發展剛性用水需求的前提下，合理發展縣域綠化規模，提高生活用水效率，挖掘節水潛力，減少新的用水需求。海原縣工業產業發展現處于初級階段，應合理規劃產業發展布局，避免造成水資源浪費。農業灌溉面積應控制在管控指標范圍內，合理發展優勢特色農業，推廣高效節水灌溉技術，提高灌溉水利用效率，大力挖掘農業節水潛力，按照以水定產原則，合理規劃規模化養殖發展規模

海原縣為典型的資源型缺水縣，在實現內部節水、治污的同時，解決海原縣缺水最根本的途徑是實行調水工程，解決本縣水資源不足的問題。同時，應爭取每年地下水指標在1100萬 m³ 以上，以緩解農業缺水問題；積極爭取高標準農田與現代高效節水農業項目，提高高效節水灌溉率，灌溉水利用系數應達到0.78，減少農業取水量。根據農業、規模化養殖取用當地咸水的實際需求，進行低成本苦咸水凈化技術和裝備引進工作。

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