塔里木河“二源一干”生態供水潛力研究

白 濤，洪良鵬，李 江，劉 東，巨 馳，王光焰

(1.西安理工大學西北旱區生態水利工程國家重點實驗室，陜西 西安 710048；2.新疆水利水電規劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830099；3.新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 烏魯木齊 830018)

隨著社會經濟的快速發展和世界人口的不斷增長，以及人類對水資源不合理的開發利用，引起諸如河道斷流、河岸植被萎縮、農業用水擠占生態用水及生態環境惡化等問題[1]。同時，干旱荒漠區大量平原水庫的修建，導致河道內沿程及庫區的蒸發滲漏損失過大，水資源供需矛盾進一步加大，農業灌溉用水擠占生態用水形勢嚴峻，加劇了流域尺度內的生態環境惡化。面對我國水資源剛性約束緊張的形勢，需堅持節水優先，充分挖掘節水潛力，以實現水資源節約集約利用和流域生態保護與修復[2]。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，如何開展基于節水優先和重大工程布局規劃的生態調度，充分利用流域水資源的供水潛力，是目前國內外學者研究的焦點問題之一。

生態調度是在兼顧水庫調度的社會效益、經濟效益的基礎上，重點考慮生態因素的水庫調度新模式[3-4]。國外做了大量研究，Steinschneider等[5]開發了大尺度優化調度模型，探索了大型水電站優化運行管理對生態效益的貢獻；TSAI等[6]利用人工智能技術量化了河流生態系統需求，制定了適當的流量控制制度，通過優化水庫的調度過程達到保護生態的目的；Murphy等[8]研究了水庫出庫的水溫和水質變化對下游水生生物群落的影響，為制定水庫生態調度策略提供了理論支撐。國內相關研究起步較晚，但發展迅速。王立明等[9]根據干旱風沙河道生態修復目標，結合水庫的防洪、興利、生態調度，建立了多目標水庫生態調度模型，研究了漳河岳城水庫的生態調度；黃志鴻等[10]基于大系統分解協調技術和DP求解了以生態缺水率和綜合缺水率為目標的水庫群生態調度模型；金菊良等[11]為定量分析評價水資源空間均衡狀況和空間差異，采用聯系數和耦合協調度相結合的方法對區域水資源空間均衡進行評價；白濤等[12]建立并求解了以生態缺水量和社會經濟缺水量最小為目標的水庫群生態優化調度模型。

20世紀以來，我國針對塔里木河生態做了許多研究。孟麗紅等[13]開展了新疆塔里木河流域水資源承載力評價研究，認為該流域水資源供需矛盾突出，水資源承載能力已接近極限；黃強等[14]建立了以缺水量最小為目標的水資源優化配置模型，對塔里木河干流及葉爾羌河的近遠期水資源配置提出了建議；魏光輝等[15]對塔里木河“四源一干”可承載灌溉面積做了研究，為流域水資源配置及區域可持續發展提供理論依據；廖淑敏等[16]分析了輸水前后塔里木河下游地下水埋深和夏季歸一化差異植被指數(NDVI)的時空變化，揭示了塔里木河下游對生態輸水的累積生態響應規律；李東林等[17]基于Nerlove方法，以區域農業用水收益最大為目標，構建了塔里木河流域農業水資源優化配置模型；白濤等[18]基于荒漠區耐旱性植被胡楊特殊的生物節律，提出汊滲輪灌的灌溉理念，構建了汊滲輪灌系統和灌溉模式，搭建了汊滲輪灌的基本框架。

目前，塔里木河的研究多集中于水資源承載力、水資源配置、塔里木河生態輸水的影響等方面，缺少關于生態供水潛力的研究；而水庫生態調度也多以個別水庫和局部河段為研究對象，分析不同調度目標、模型以及求解方法對生態調度結果的影響，缺少基于節水優先的大流域、長系列、大規模水庫群生態調度的研究。鑒于此，本文在水資源綜合利用的原則指導下，基于節水優先和重大工程布局規劃，以塔里木河二源流(阿克蘇河、葉爾羌河)及其干流(“二源一干”)的山區水庫群和平原水庫群為研究對象，開展基于生態保護和修復的塔里木河流域水資源調配研究，旨在揭示流域生態供水潛力，為流域水資源的科學管理提供參考。

1 研究區概況

塔里木河是世界第五大內陸河，是中國第一長內陸河，也是南疆各族人民賴以生存、繁衍和發展的“生命河”“母親河”，具有自然資源相對豐富和生態環境極端脆弱雙重特性。圖1為塔里木河概況，流域總面積102.7 km2，其國內100.27 km2，國外2.44 km2，占我國國土總面積的9.41%，由47%的山區、22%的平原和31%的沙漠組成，流域年均降水量僅為60 mm，年均蒸發量3 000 mm以上[19]。流域分源流區和干流區，干流不產流，水量來自源流，流域地表水年內分配極不均衡，春秋季水量小，夏季偏豐，冬季最小，6—9月水量占全年70%～80%[20]。由于人類活動與氣候變化的影響，目前源流中只有阿克蘇河、葉爾羌河、和田河有水匯入塔里木河干流上游。塔里木河下游的胡楊林是天山東南部連接昆侖山的“綠色走廊”，是區域社會經濟持續發展的最基本物質基礎[20]。

圖1 塔里木河流域概況Fig.1 Overview of the Tarim River Basin

a.灌溉工程布局規劃。2019現狀水平年，干流高效節水灌溉面積共8 267 hm2，綜合灌溉水利用系數0.39，農業灌溉總需水量10.35億m3。2035遠景規劃水平年，高效節水灌溉面積達到38 667 hm2，三級渠道防滲基本完成，綜合灌溉水利用系數達到0.55，農業灌溉總需水量6.18億m3，比現狀水平年減少4.17億m3。

b.水利工程布局規劃。2019現狀水平年，研究區域已建的大型山區水庫有葉爾羌河的AETS水庫。2035遠景規劃水平年，研究區域新增的大型山區水庫有阿克蘇河的DSX水庫和AK水庫。在不同規劃水平年，干流區平原水庫群規模均維持不變，總調節庫容為2.00億m3。干流平原水庫主要包括結然力克、大寨、其滿、帕滿、喀爾曲尕和塔里木等水庫。

塔里木河地處歐亞大陸腹地，遠離海洋，是典型的極端干旱沙漠氣候，具有降水稀少、蒸發強烈等特點。流域徑流主要靠冰川融雪和山區降水補給，水資源總體較為匱乏，且存在時空分布不均的問題。隨著塔里木河流域經濟社會的不斷發展，對塔里木河流域水資源的開發力度與規模也在不斷加大。目前，塔里木河流域山區水庫較少，對流域中下游的水資源調蓄能力較差，且塔河干流蒸發滲漏水量損失較大，導致流域中下游常出現斷流甚至干涸現象。塔里木河流域農業灌溉用水量較大，流域高效節水工程建設規模較小，農業灌溉仍以常規灌溉為主，存在水資源開發利用程度低、綜合效益差等問題。因此，亟需在塔里木河流域山區修建調蓄水庫，加強對水資源的調配，在實現農業高效節水灌溉的同時，最大限度地減少干流蒸發滲漏損失，改善和修復流域生態系統，維持河道和濕地的生態健康。

2 水資源調配模型

2.1 流域系統網絡節點圖構建

根據流域內重點控制性水利工程的布局調整原則，確定了塔里木河干流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，如圖2所示。

圖2 塔里木河流域水資源調配網絡節點Fig.2 Network node of water resources allocation inthe Tarim River Basin

2.2 調配依據

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水庫應按照工業生活、生態基流、農業灌溉、河道外生態等供水優先次序供水，并保證工業生活、生態基流、農業灌溉、河道外生態等供水保證率分別為95%、90%、75%、50%；③滿足大西海子多年平均下泄3.5億m3設計要求。中長期調配以1958年5月至2019年4月為調配期，以月為計算時段。

2.3 調配模型的建立與求解

在滿足流域水資源綜合利用的原則下，兼顧工業生活、農業灌溉、河道內生態基流及河道外生態供水等目標，建立塔里木河“二源一干”水庫群中長期模擬和優化調配模型。

2.3.1模擬模型

以流域內水量平衡為原則，建立兼顧工業生活、農業灌溉、河道內生態基流、河道外生態供水等綜合利用目標的中長期多目標模擬調配模型，旨在獲得各綜合利用目標合理的供水量及其供水保證率。水資源調配的模擬模型是以流域水量平衡方程為基礎：

(1)

式中：WCnt、WRmt、WGit、Woutjt、ΔWmt、ΔVnt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。

約束條件包括水庫水量平衡約束、庫容約束、供水約束(各用水行業約束和生態基流約束)、出力約束以及變量非負約束(工業生活、農業灌溉、河道外生態供水量、河道內入流水量均為非負值)，計算公式為

WLnt=WGnt±WXFnt+WSnt

(2)

Vnmin≤Vnt≤Vnmax

(3)

QGit≤QXit

(4)

QGSt≤QXSt

(5)

Nnmin≤kelenQelentHelent≤Nnmax

(6)

式中：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；Vnmin、Vnmax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；kele、Qele、Hele分別為水電站出力系數、發電流量、發電水頭；Nmin和Nmax分別為水電站出力的下限和上限。

按照水資源調配依據，采取人機對話模擬優化算法求解[21]模型。算法的技術路線見圖3。

圖3 人機對話模擬優化算法求解流程Fig.3 Solution flow of man-machine simulation optimization algorithm

2.3.2優化模型

以流域內節水量最大為目標函數，建立兼顧工業生活、農業灌溉、河道內生態基流、河道外生態供水等綜合利用目標的中長期多目標優化調配模型如下：

(7)

式中：ΔWlo、ΔVst分別為干流損失水量的減少量和源流區水庫群蓄水量的增加量。優化模型的約束條件與模擬模型一致。

該模型是一個單目標優化模型，所涉及的水庫數目多、時間尺度長，屬于大規模、多約束、非線性的復雜優化問題。因此采用人工智能算法中應用較為廣泛的遺傳算法[22-23]求解水庫群長系列優化調配模型，種群數量為200，迭代次數為300，交叉概率為0.8，變異概率為0.1。

3 方案設置

3.1 基本資料與參數

本文所需資料主要有徑流資料、需水資料以及工程資料。徑流資料由塔里木河流域管理局提供，包括阿克蘇河協和拉、沙里桂蘭克、葉爾羌河喀群、伊爾列黑、庫魯克欄干、玉孜門勒克(江卡)等站點1958—2019年的月尺度徑流資料。需水資料包括2019現狀水平年和2035遠景規劃水平年的工業生活、農業灌溉、河道外生態及生態基流的需水資料，各水平年塔河干流區間行業需水情況見表1。工程資料主要包括AETS、DSX、AK等山區水庫和結然力克水庫、大寨水庫、其滿水庫、帕滿水庫、喀爾曲尕水庫和塔里木水庫等干流平原水庫等水庫特征參數(表2)。

表1 各水平年塔里木河干流區間行業需水情況單位：億m3Table 1 Industrial water demand in mainstream of the Tarim River in each level year unit：108m3

表2 各水庫的起調水位及庫容Table 2 Starting water level and storage capacity of each reservoir

3.2 情景方案

考慮到塔里木河“二源一干”水庫群的調蓄能力，本文在2019現狀水平年、2035遠景規劃水平年條件下分別設置3個不同情景的調配方案展開研究。情景1：干流水庫群模擬調配。僅考慮干流區平原水庫群的調蓄能力，開展中長期長系列模擬調配，獲得干流水庫群生態調配的本底值。情景2：塔河“二源一干”水庫群模擬調配。將阿克蘇河和葉爾羌河源流區山區水庫群和干流區平原水庫群聯合，開展中長期長系列模擬調配，獲取流域水庫群生態調配的能力值。情景3：塔河“二源一干”水庫群優化調配。充分調動兩源流區山區水庫群的調節潛能，并聯合干流平原水庫群開展中長期長系列優化調配，獲取流域水庫群生態調配的潛力值。

4 結果與分析

4.1 長系列調配結果

4.1.1現狀水平年

在現狀水平年參與調配的源流區水庫僅有葉爾羌河的AETS水庫。通過1958—2019年長系列模擬(情景1、情景2)與優化(情景3)調配計算，2019現狀水平年干流各行業供水保證率如表3所示，河道外生態供水情況如圖4所示。

圖4 2019年各區間河道外生態供水Fig.4 Ecological water supply outside the river in each section in 2019

由表3和圖4可見，現狀水平年各情景調配結果均不理想，除生活工業供水滿足設計要求外，其余均有部分區間的生態基流、農業灌溉或河道外生態供水不滿足設計要求。情景1、情景2、情景3的干流損失水量分別為17.6億m3、17.28億m3、17.04億m3，大西海子多年平均下泄水量分別為3.86億m3、3.63億m3、3.50億m3。與情景1相比，情景2可改善干流生態調配結果。其中，生態基流保證率提高1%～5%、農業灌溉供水保證率提高0%～12%、河道外生態供水保證率提高0%～5%，河道外生態供水總量增加0.14億m3，大西海子下泄水量減少0.23億m3，干流河道損失水量減少0.32億m3。與情景2相比，情景3的干流生態調配結果更好。其中，農業灌溉供水保證率提高0%～4%、河道外生態供水保證率提高0%～2%，河道外生態供水總量增加0.16億m3，恰拉下泄水量減少0.13億m3，干流河道損失水量減少0.24億m3。在現狀水平年中，情景3調度結果最好，情景2次之，情景1最差，主要原因是情景3有源流區AETS水庫參與優化調配，而情景2有源流區AETS水庫參與的模擬調配，情景1只有干流平原水庫群參與的模擬調配；各情景中除工業生活供水和大西海子多年平均下泄水量滿足設計要求外，其余行業均不滿足設計保證率要求，主要原因是在現狀水平年塔河干流農業灌溉用水量過多，嚴重擠占生態用水，且現狀水平年塔河源流區水庫群總調節庫容較小，對于干流來水的調節能力有限。

表3 2019現狀水平年塔里木河干流各行業供水保證率單位：%Table 3 Water supply assurance rate of various industries in the mainstream of Tarim River in 2019 unit：%

4.1.2遠景規劃水平年

考慮到塔河流域的重大工程布局調整，即增加高效節水灌溉面積，增加源流區水庫(DSX、AK水庫)參與調配。通過1958—2019年長系列模擬(情景1、情景2)與優化(情景3)調配計算，2035遠景規劃水平年干流各行業供水保證率如表4所示，河道外生態供水情況如圖5所示。

表4 2035遠景規劃水平年塔里木河干流各行業供水保證率Table 4 Water supply assurance rate of each industry in the mainstream of Tarim River in 2035 long-term planning level year

圖5 2035年各區間河道外生態供水Fig.5 Ecological water supply outside the river in each section in 2035

由表4和圖5可見，在遠景規劃年，情景3調配結果均滿足各行業設計保證率要求，而情景1、情景2調配結果均有部分區間的生態基流、農業灌溉或河道外生態供水不能夠滿足設計保證率要求。情景1、情景2、情景3的大西海子水庫多年平均下泄水量分別為5.05億m3、4.10億m3、3.73億m3，均滿足3.5億m3下泄要求，干流損失水量分別為20.02億m3、18.59億m3、18.01億m3。與現狀年情景1相比，在遠景規劃年，各行業供水保證率均大幅度提高、河道外生態供水總量增加。其中，生態基流保證率提高到75%～98%、農業灌溉供水保證率提高到75%～100%、河道外生態供水保證率提高到44%～72%，河道外生態供水總量增加了0.67億m3。說明農業灌溉節水能有效緩解甚至消除農業灌溉用水與生態用水之間的矛盾，驗證了節水優先治水方針的合理性和可靠性。在現狀水平年和遠景規劃年，各情景干流損失水量均逐漸減少，相比于情景1，情景2分別減少0.32億m3、1.43億m3，情景3分別減少0.56億m3、2.01億m3。說明山區水庫的修建與運行，可有效減少干流沿程的河道損失水量和平原水庫的損失水量，緩解流域水資源供需矛盾。與現狀水平年情景2、情景3相比，遠景規劃年情景2、情景3中各行業供水保證率均大幅度提高，且河道外生態供水總量增加。其中，情景2僅阿-新區間生態基流未滿足設計保證率要求，而情景3各行業供水保證率均滿足設計保證率要求，且情景2、3河道外生態供水總量分別增加1.54億m3、1.96億m3，體現了修建源流區山區水庫的必要性和“節水優先”治水方針的合理性和可靠性。在現狀水平年和遠景規劃年，優化調配模型計算的河道外生態供水、大西海子下泄水量、各行業供水保證率及損失水量等均比模擬模型結果更好，特別是河道外生態供水和大西海子多年平均下泄水量顯著提升，其中河道外生態供水總量分別提高0.16億m3、0.56億m3；恰拉下泄水量分別減少0.13億m3和0.37億m3。

4.2 生態供水潛力

通過塔河流域重大工程布局規劃、干流農業節水灌溉工程建設增加了干流可供水資源量，緩解了農業用水擠占生態用水的局面。由于塔里木河源流區山區水庫群的建設與運行，顯著提升了干流水資源的調控能力，使多余水量存蓄在山區水庫中，減少了干流沿程的河道和平原水庫的水量損失，增加了干流可供水量。二源流水庫群調配下塔里木河干流多年平均損失水量及其節水量如表5所示。

表5 塔里木河干流多年平均損失水量及其節水量Table 5 Average annual water loss and water saving in the mainstream of Tarim River

從表5可見，相比于僅干流平原水庫群聯合調配，“二源一干”水庫群模擬和優化調配情景下的塔河干流損失水量均顯著下降，且水庫群蓄水量增加，表明源流山區水庫群聯合調配的節水效果突出。隨著源流區大型水利工程陸續建成并投入運行，到2035遠景規劃水平年，塔河干流的節水量為2.13億m3，即新增的生態或農業灌溉供水量為2.13億m3。

由于2035遠景規劃水平年農業灌溉保證率遠大于設計要求，因此，為充分挖掘塔河干流最大的生態供水潛力，將農業灌溉超出設計保證率的水量按照50%的供水破壞深度計算(工業、生活用水量較少，節水潛力可忽略)，多余的水量作為生態可供水量。通過農業節水得到的生態可供水量如表6所示。

表6 2035年塔里木河干流生態可供水量Table 6 Ecological available water supply in the mainstream of Tarim River in 2035

由表6可知，在2035規劃水平年，農業灌溉實際供水量為6.12億m3，最小供水量為5.41億m3，生態最大可供水量為0.71億m3。

將表5塔河干流的節水量與表6的農業灌溉節水量相累加，即為塔河干流的生態供水潛力。相比于2019現狀水平年僅考慮干流平原水庫群的調配結果，在不考慮沿程河道水量損失的情況時，2035遠景規劃水平年新增水資源量2.84億m3，量化了源流區山區水庫群聯合調配對干流節水潛力的貢獻。

5 結 論

a.在高效節水灌溉工程建設的基礎上，僅依靠干流平原水庫群的聯合調配，農業灌溉和生態的供水保證率難以滿足設計要求，說明即使農業實施高效節水灌溉，但平原水庫群的調控能力有限，亟須與調節性能好的山區水庫群聯合運行。

b.相比于“二源一干”水庫群模擬調配，優化調配顯著降低了干流損失水量和大西海子下泄水量，增加了農業灌溉供水量和河道內外生態供水量，即通過控制下游臺特瑪湖的無效蒸發損失，提高了流域水資源利用效率及流域河道外生態修復效果。

c.通過“二源一干”水庫群聯合優化調配，在遠景規劃年各行業供水保證率均能滿足設計要求，且顯著提高了河道外生態供水量，緩解了農業灌溉用水與生態用水之間的矛盾，體現了山區水庫群顯著的調控性能和“節水優先”治水方針的合理性和可靠性。

d.相比于現狀水平年僅考慮干流平原水庫群的調配結果，在不考慮水量損失的情況下，遠景水平年通過源流區山區水庫與干流平原水庫聯合優化調配，最大新增供水量為2.84億m3，充分挖掘了塔河干流河道外生態供水潛力，為下一步開展塔河下游的河道外生態保護與修復奠定了可靠的水量基礎。