面向生態的察汗烏蘇河流域水資源配置方案研究

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.青海省流域水循環與生態重點實驗室，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

水是生態系統的控制性要素，水利是生態文明建設的核心內容[1]。目前西北地區內陸河流域水生態危機、水資源短缺、河流斷流、湖泊枯萎等是擺在人類面前的現實問題[2]。面向生態的水資源配置方案研究要求在水資源的規劃、開發、利用、保護等環節優先考慮河道內和河道外生態需水量，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利用的生態負面影響，促進經濟社會系統和生態系統的良性協調發展[3,4]。察汗烏蘇河流域屬于內陸河，流域內經濟社會發展與環境保護矛盾突出。農業用水大量擠占生態用水，導致下游生態惡化、生態脆弱。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，由于流域內缺乏具有調節能力的水資源調蓄工程，農業灌溉高峰期河道經常出現斷流現象，河道內生態問題亟需解決。因此，研究面向生態保護的流域水資源配置和供水保障方案，對協調經濟與生態可持續發展，維持河道生態活力和保護下游湖泊濕地生命健康具有非常重要的現實價值。

1 研究區概況

察汗烏蘇河流域位于東經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年流域總人口3.10萬人，其中城鎮人口0.85萬人，流域內總灌溉面積為0.519 萬hm2，國內生產總值(GDP)4.11 億元，工業增加值為2.09 億元，大小牲畜總數15.30 萬頭。目前流域內農業用水量占90%以上，其灌溉水利用系數在0.35左右，供水工程效率低。流域缺乏具有調節作用的水庫，用水高峰期社會經濟用水擠占生態用水，經常出現河道斷流現象，區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 生態需水量計算

2.1.1 河道內生態需水量

察汗烏蘇河為內陸河，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、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生態需水量不被擠占。國內外提出的河道生態流量計算方法諸如7Q10法、Tennant法、河道濕周法、流量增加法、頻率計算法、導則規定法等，部分學者根據RVA法提出最小流量和適宜流量，給定生態流量的變化范圍。我國《水利水電建設項目水資源論證導則》(SL 525-2011)規定河道生態流量原則上取多年平均流量的10%～20%，干旱地區可以適當增加。根據文獻[7,8]對上述河道生態基流計算方法的優缺點及適用性評價成果，結合察汗烏蘇河多年平均來水量情況，本文擬選擇Tennant法計算河道內生態需水量[9-11]。Tennant法根據多年平均徑流量的百分比和河道內生態環境狀況的對應關系，計算維持河道一定功能的生態需水量。

(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；Qi為第i月多年平均流量；Pi為第i月生態環境需水百分比。

察汗烏蘇河豐水期一般在4-9月，枯水期在10-翌年3月。根據察汗烏蘇河生態環境特點，確定枯水期以維持河道不斷流為準，河道生態環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，河道生態環境需水量取當月來水的20%。求得多年平均逐月生態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生態需水量2 743.1 萬m3。

2.1.2 河道外生態需水量

察汗烏蘇河流域河道外生態需水量包括防護林、林地、經果林、草場、城鎮綠化和環境衛生等。根據區域和流域相關規劃成果以及經濟社會發展指標，結合青海省用水定額計算河道外生態需水量見表2。流域內河道外生態需水量為1 859.6 萬m3/a。

表1 察汗烏蘇河流域河道內多年平均逐月生態需水量 萬m3

表2 察汗烏蘇河流域河道外生態需水量

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業灌溉為主，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

現狀年察汗烏蘇灌區、察汗烏蘇鎮城鎮和熱水灌區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。根據流域規劃成果，規劃水平年流域供水量可增加為6 774 萬m3。

2.2.2 經濟社會需水量

社會經濟需水系指除生態需水量之外的城鎮生活、農村生活、農業灌溉和城鎮生產用水。預測的現狀水平年2015年，近期水平年2020年，遠景水平年2030年。根據流域內相關工程規劃、經濟社會發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業灌溉為主，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需水的前提下，2015年、 2020年和2030年經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 察汗烏蘇流域經濟社會需水量預測 萬m3

注：城鄉生態需水量為河道外生態用水量預測值，這里不包含在經濟社會需水量里面。

表5 察汗烏蘇流域水資源供需平衡分析(P=75%) 萬m3

現狀水平年流域內經濟社會需水量5 518.6 萬m3，缺水量2 039.2 萬m3，缺水深度36.9%；2020年在“開源節流”措施下，經濟社會需水量5 761.9 萬m3，缺水量847.5 萬m3，缺水深度14.7%；2030年進一步提高節水標準后，國民經濟需水量5 517.1 萬m3，缺水量602.7 萬m3，缺水深度10.9%?，F狀工程條件下河道棄水量4 628 萬m3，河道內生態需水量2 743.1 萬m3，生態用水能夠得到保證，尚有1 884.9 萬m3地表水沒有利用。因此，在保證生態需水得到滿足的前提下，流域內經濟社會需水不能保障的主要原因在于流域內供水能力不足，缺乏具有調節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

面向生態的流域水資源配置方案，首先要保證河道內生態需水量和河道外生態需水量很大程度上得到滿足，對可能的供水方案和國民經濟各行業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，并確定行業可供水量配置過程和典型斷面的河道內生態需水量，從而尋求經濟社會用水與生態用水的平衡點。水資源的短缺對經濟社會發展和生態系統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配置的公平原則。本文以生態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，反映供水優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、生態用水、工業用水和農業用水?；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、生態用水、工業用水和農業用水的配水權重系數依次是(0.508,0.265,0.075,0.151)。

水資源供水優化配置模型的約束條件有生態需水量約束、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年實施節水措施后，流域灌溉水利用系數分別是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

在現有工程的基礎上，規劃建設具有調節作用的水利工程，對察汗烏蘇河流域地表水資源進一步調節后，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

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

圖3 生態需水量年內分配過程

4 結論和建議

(1)通過偏枯水文年(75%)水資源供需平衡分析，現狀水平年、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狀工程條件下河道棄水量4 628 萬m3，河道內生態需水量2 743.1 萬m3，生態用水能夠得到保證，但尚有1 884.9 萬m3地表水沒有利用。在保證生態需水得到滿足的前提下，流域內經濟社會需水不能保障的主要原因在于流域內供水能力不足，缺乏具有調節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。經計算，河道內生態需水量2 743.1 萬m3，河道外生態需水量1 859.6 m3，規劃水平年河道棄水量大于河道內生態需水量，生態水量可以保證，這對維持河道生態和保護下游湖泊濕地生態是非常重要的。

(3)察汗烏蘇河流域屬于工程性缺水，通過建設具有調蓄能力的水利工程，可以進一步在保證生態需水量的同時滿足流域農業用水、工業用水、生活用水需求，為察汗烏蘇河流域協調持續發展提供水源保障。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，地表水資源開發利用率為47.0%，由于流域內河道內生態需水量已經得到保證，可以認為規劃水平年流域地表水開發利用率在允許的范圍內。

(4)建議在該流域實行水權管理，聯合調度地表水和地下水，分配初始水權，推行農業高效節水技術，鼓勵節余農業水量在行業間流轉，以市場機制倒逼產業結構調整，促進流域水資源的高效利用。其次，以“河長制”促進河長治，落實綠色發展和生態優先的理念，基于水利信息化建立生態流量預測和監管機制，確保流域的生命健康。

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