吳元梅，郭凱先

(1.青海省水利水電科學研究院有限公司，西寧 810000；2.青海省流域水循環(huán)與生態(tài)重點實驗室，西寧 810000；3.青海省水資源高效利用工程技術研究中心，西寧 810000)

0 研究背景及意義

水是生態(tài)系統(tǒng)的控制性要素，水利是生態(tài)文明建設的核心內(nèi)容[1]。目前西北地區(qū)內(nèi)陸河流域水生態(tài)危機、水資源短缺、河流斷流、湖泊枯萎等是擺在人類面前的現(xiàn)實問題[2]。面向生態(tài)的水資源配置方案研究要求在水資源的規(guī)劃、開發(fā)、利用、保護等環(huán)節(jié)優(yōu)先考慮河道內(nèi)和河道外生態(tài)需水量，通過制定合理的供水方案，尋求供水效益最大化，從而減少水資源開發(fā)利用的生態(tài)負面影響，促進經(jīng)濟社會系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的良性協(xié)調(diào)發(fā)展[3,4]。察汗烏蘇河流域?qū)儆趦?nèi)陸河，流域內(nèi)經(jīng)濟社會發(fā)展與環(huán)境保護矛盾突出。農(nóng)業(yè)用水大量擠占生態(tài)用水，導致下游生態(tài)惡化、生態(tài)脆弱。比如樹木枯萎、草地退化，水土流失嚴重，荒漠化擴張等問題。其次，由于流域內(nèi)缺乏具有調(diào)節(jié)能力的水資源調(diào)蓄工程，農(nóng)業(yè)灌溉高峰期河道經(jīng)常出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，河道內(nèi)生態(tài)問題亟需解決。因此，研究面向生態(tài)保護的流域水資源配置和供水保障方案，對協(xié)調(diào)經(jīng)濟與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，維持河道生態(tài)活力和保護下游湖泊濕地生命健康具有非常重要的現(xiàn)實價值。

1 研究區(qū)概況

察汗烏蘇河流域位于東經(jīng)97°50′～99°16′、北緯35°27′～36°31′之間，流域面積為4 977 km2，位于柴達木盆地東部，屬北霍布遜湖水系。察汗烏蘇河流域多年平均地表水資源量1.57 億m3，地下水資源量1.26 億m3，扣除地表與地下水資源的重復量1.11 億m3，流域水資源總量1.705 億m3[5,6]。2015年流域總?cè)丝?.10萬人，其中城鎮(zhèn)人口0.85萬人，流域內(nèi)總灌溉面積為0.519 萬hm2，國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)4.11 億元，工業(yè)增加值為2.09 億元，大小牲畜總數(shù)15.30 萬頭。目前流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水量占90%以上，其灌溉水利用系數(shù)在0.35左右，供水工程效率低。流域缺乏具有調(diào)節(jié)作用的水庫，用水高峰期社會經(jīng)濟用水擠占生態(tài)用水，經(jīng)常出現(xiàn)河道斷流現(xiàn)象，區(qū)域資源性和工程性缺水并舉。流域水系圖見圖1。

圖1 察汗烏蘇河流域水系圖

2 流域水資源供需平衡分析

2.1 生態(tài)需水量計算

2.1.1 河道內(nèi)生態(tài)需水量

察汗烏蘇河為內(nèi)陸河，河流最終匯入柴達木河后進入霍布遜湖。察汗烏蘇河流域在灌溉季節(jié)缺水嚴重，大量引水勢必會造成河道斷流。為了使河道維持河床基本形態(tài)、防止斷流、保持水體天然自凈能力和避免河流水體生物群落遭到破壞，水資源配置中首先保證河道內(nèi)生態(tài)需水量不被擠占。國內(nèi)外提出的河道生態(tài)流量計算方法諸如7Q10法、Tennant法、河道濕周法、流量增加法、頻率計算法、導則規(guī)定法等，部分學者根據(jù)RVA法提出最小流量和適宜流量，給定生態(tài)流量的變化范圍。我國《水利水電建設項目水資源論證導則》(SL 525-2011)規(guī)定河道生態(tài)流量原則上取多年平均流量的10%～20%，干旱地區(qū)可以適當增加。根據(jù)文獻[7,8]對上述河道生態(tài)基流計算方法的優(yōu)缺點及適用性評價成果，結(jié)合察汗烏蘇河多年平均來水量情況，本文擬選擇Tennant法計算河道內(nèi)生態(tài)需水量[9-11]。Tennant法根據(jù)多年平均徑流量的百分比和河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況的對應關系，計算維持河道一定功能的生態(tài)需水量。

(1)

式中：We為多年平均條件下維持河道一定功能的需水量；di為第i月天數(shù)；Qi為第i月多年平均流量；Pi為第i月生態(tài)環(huán)境需水百分比。

察汗烏蘇河豐水期一般在4-9月，枯水期在10-翌年3月。根據(jù)察汗烏蘇河生態(tài)環(huán)境特點，確定枯水期以維持河道不斷流為準，河道生態(tài)環(huán)境需水量取當月來水的10%；豐水期考慮河道兩岸植被的需水，河道生態(tài)環(huán)境需水量取當月來水的20%。求得多年平均逐月生態(tài)需水量計算成果見表1，察汗烏蘇水文站控制斷面處河道內(nèi)生態(tài)需水量2 743.1 萬m3。

2.1.2 河道外生態(tài)需水量

察汗烏蘇河流域河道外生態(tài)需水量包括防護林、林地、經(jīng)果林、草場、城鎮(zhèn)綠化和環(huán)境衛(wèi)生等。根據(jù)區(qū)域和流域相關規(guī)劃成果以及經(jīng)濟社會發(fā)展指標，結(jié)合青海省用水定額計算河道外生態(tài)需水量見表2。流域內(nèi)河道外生態(tài)需水量為1 859.6 萬m3/a。

表1 察汗烏蘇河流域河道內(nèi)多年平均逐月生態(tài)需水量 萬m3

表2 察汗烏蘇河流域河道外生態(tài)需水量

2.2 水資源供需平衡分析

2.2.1 供水量分析

察汗烏蘇河流域以農(nóng)業(yè)灌溉為主，灌溉設計保證率為75%，因此以察汗烏蘇河偏枯年(P=75%)典型年來水情況進行可供水量分析。察汗烏蘇水文站斷面偏枯年來水量9 967 萬m3，徑流量年內(nèi)分配成果見表3。

表3 察汗烏蘇水文站斷面設計年徑流分配成果(P=75%) 萬m3

現(xiàn)狀年察汗烏蘇灌區(qū)、察汗烏蘇鎮(zhèn)城鎮(zhèn)和熱水灌區(qū)等引水工程的供水量為4 758 萬m3，西臺水庫的最大供水能力581 萬m3，則流域供水量為5 339 萬m3。根據(jù)流域規(guī)劃成果，規(guī)劃水平年流域供水量可增加為6 774 萬m3。

2.2.2 經(jīng)濟社會需水量

社會經(jīng)濟需水系指除生態(tài)需水量之外的城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、農(nóng)業(yè)灌溉和城鎮(zhèn)生產(chǎn)用水。預測的現(xiàn)狀水平年2015年，近期水平年2020年，遠景水平年2030年。根據(jù)流域內(nèi)相關工程規(guī)劃、經(jīng)濟社會發(fā)展指標和青海省用水定額進行近期水平年和遠景水平年需水預測。經(jīng)濟社會需水量預測成果見表4。

2.2.3 水資源供需平衡分析

There are two types of US legislation affecting China-US space cooperation.One kind directly limits cooperation between China and the United States in space.The other is comprised of laws and regulations concerning missile proliferation.

察汗烏蘇河流域以農(nóng)業(yè)灌溉為主，灌溉設計保證率取75%，因此以察汗烏蘇河75%典型年來水情況進行供需分析。滿足察汗烏蘇河流域河道外生態(tài)需水的前提下，2015年、 2020年和2030年經(jīng)濟社會的可供水量分別為3 479.4、4914.4、4 914.4 萬m3。各個水平年的水資源供需平衡分析成果見表5。

表4 察汗烏蘇流域經(jīng)濟社會需水量預測 萬m3

注：城鄉(xiāng)生態(tài)需水量為河道外生態(tài)用水量預測值，這里不包含在經(jīng)濟社會需水量里面。

表5 察汗烏蘇流域水資源供需平衡分析(P=75%) 萬m3

現(xiàn)狀水平年流域內(nèi)經(jīng)濟社會需水量5 518.6 萬m3，缺水量2 039.2 萬m3，缺水深度36.9%；2020年在“開源節(jié)流”措施下，經(jīng)濟社會需水量5 761.9 萬m3，缺水量847.5 萬m3，缺水深度14.7%；2030年進一步提高節(jié)水標準后，國民經(jīng)濟需水量5 517.1 萬m3，缺水量602.7 萬m3，缺水深度10.9%?，F(xiàn)狀工程條件下河道棄水量4 628 萬m3，河道內(nèi)生態(tài)需水量2 743.1 萬m3，生態(tài)用水能夠得到保證，尚有1 884.9 萬m3地表水沒有利用。因此，在保證生態(tài)需水得到滿足的前提下，流域內(nèi)經(jīng)濟社會需水不能保障的主要原因在于流域內(nèi)供水能力不足，缺乏具有調(diào)節(jié)作用的水庫和供水工程。

3 水資源配置方案研究

3.1 水資源配置思路

面向生態(tài)的流域水資源配置方案，首先要保證河道內(nèi)生態(tài)需水量和河道外生態(tài)需水量很大程度上得到滿足，對可能的供水方案和國民經(jīng)濟各行業(yè)的用水需求進行分析，在供需平衡分析的基礎上提出水資源保障方案，并確定行業(yè)可供水量配置過程和典型斷面的河道內(nèi)生態(tài)需水量，從而尋求經(jīng)濟社會用水與生態(tài)用水的平衡點。水資源的短缺對經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)健康具有明顯的制約性，缺水程度可較好地反映水資源行業(yè)配置的公平原則。本文以生態(tài)需水量作為主要約束條件，以察汗烏蘇河流域綜合缺水量最小作為水資源優(yōu)化配置目標，用各時段用水部門缺水量的平方最小作為適應度函數(shù)度量缺水程度。

(2)

式中：m為用水部門；DWm,t為m用水部門t時段的需水量，萬m3；SWm,t為m用水部門t時段的供水量，萬m3；ωm為配水重要性權重系數(shù)，反映供水優(yōu)先級和供水重要程度。

察汗烏蘇河流域水資源配置的主要對象有生活用水、生態(tài)用水、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水?；赟atty標度法和專家打分法建立權重判斷矩陣，計算得到生活用水、生態(tài)用水、工業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水的配水權重系數(shù)依次是(0.508,0.265,0.075,0.151)。

水資源供水優(yōu)化配置模型的約束條件有生態(tài)需水量約束、可供水量約束、用水效率約束等。察汗烏蘇河流域地表水資源開發(fā)率不超過多年平均來水量的50%，即可供水量上限為7 850 萬m3。2020年、2030年實施節(jié)水措施后，流域灌溉水利用系數(shù)分別是0.50和0.55。

3.2 水資源配置方案

圖2 標準遺傳算法(SGA)運行進化過程圖

在現(xiàn)有工程的基礎上，規(guī)劃建設具有調(diào)節(jié)作用的水利工程，對察汗烏蘇河流域地表水資源進一步調(diào)節(jié)后，多年平均來水條件下，2020年流域可供水量7 621.6 萬m3，2030年流域可供水量7 376.7 萬m3。

表6 多年平均來水情況下察汗烏蘇流域可供水量配置預案 萬m3

現(xiàn)狀引水工程和西臺水庫發(fā)揮其最大供水能力后，國民經(jīng)濟依然缺水，灌溉用水高峰期國民經(jīng)濟用水擠占生態(tài)用水，河道周邊的生態(tài)環(huán)境受到不同程度的影響。規(guī)劃水平年流域經(jīng)濟社會缺水問題能夠得到緩解，且流域內(nèi)生態(tài)需水問題也可得到保證。生態(tài)需水量年內(nèi)分配過程見圖3。因此，流域缺水的根本原因是缺少調(diào)蓄工程。察汗烏蘇河流域供水保障的主要方案是規(guī)劃建設具有調(diào)節(jié)能力的水利工程，實現(xiàn)區(qū)域水資源的綜合利用。

圖3 生態(tài)需水量年內(nèi)分配過程

4 結(jié)論和建議

(1)通過偏枯水文年(75%)水資源供需平衡分析，現(xiàn)狀水平年、近期水平年和遠期水平年缺水深度依次是36.9%、14.7%和10.9%?，F(xiàn)狀工程條件下河道棄水量4 628 萬m3，河道內(nèi)生態(tài)需水量2 743.1 萬m3，生態(tài)用水能夠得到保證，但尚有1 884.9 萬m3地表水沒有利用。在保證生態(tài)需水得到滿足的前提下，流域內(nèi)經(jīng)濟社會需水不能保障的主要原因在于流域內(nèi)供水能力不足，缺乏具有調(diào)節(jié)作用的水庫和供水工程。

(2)察汗烏蘇河流域多年平均地表水總量15 700 萬m3，水資源可利用量占水資源量的上限為50%，可利用水量上限7 850 萬m3。經(jīng)計算，河道內(nèi)生態(tài)需水量2 743.1 萬m3，河道外生態(tài)需水量1 859.6 m3，規(guī)劃水平年河道棄水量大于河道內(nèi)生態(tài)需水量，生態(tài)水量可以保證，這對維持河道生態(tài)和保護下游湖泊濕地生態(tài)是非常重要的。

(3)察汗烏蘇河流域?qū)儆诠こ绦匀彼?，通過建設具有調(diào)蓄能力的水利工程，可以進一步在保證生態(tài)需水量的同時滿足流域農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水需求，為察汗烏蘇河流域協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展提供水源保障。2020年流域可供水量7 621.6 萬m3，地表水資源開發(fā)利用率為48.5%；2030年流域可供水量7 376.7 萬m3，地表水資源開發(fā)利用率為47.0%，由于流域內(nèi)河道內(nèi)生態(tài)需水量已經(jīng)得到保證，可以認為規(guī)劃水平年流域地表水開發(fā)利用率在允許的范圍內(nèi)。

(4)建議在該流域?qū)嵭兴畽喙芾?，?lián)合調(diào)度地表水和地下水，分配初始水權，推行農(nóng)業(yè)高效節(jié)水技術，鼓勵節(jié)余農(nóng)業(yè)水量在行業(yè)間流轉(zhuǎn)，以市場機制倒逼產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，促進流域水資源的高效利用。其次，以“河長制”促進河長治，落實綠色發(fā)展和生態(tài)優(yōu)先的理念，基于水利信息化建立生態(tài)流量預測和監(jiān)管機制，確保流域的生命健康。

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