玛纳斯河流域水资源优化配置系统研究

汪世国

（新疆水利厅玛纳斯河流域管理处 石河子 832000）

1 玛河流域概况

1.1 自然地理概况

玛河流域位于天山北麓准噶尔盆地南缘，地处天山北坡经济开发区核心地带，流域面积1.98万km2。该流域远离海洋、气候干燥，属于典型的大陆性气候，光、热、水资源丰富，有利于农牧业生产的发展。

玛河流域内有石河子市、昌吉州玛纳斯县、塔城地区沙湾县、克拉玛依市的16个乡镇和农八师、农六师新湖总场的15个大型国营农场。其中，还包括天山电力股份有限公司、天富热电股份有限公司红山嘴发电厂等工业企业。灌区总人口80万，灌溉面积26.7万hm2，工农业总产值284亿元，现已成为国家重要的粮棉糖生产基地，是自治区经济发展水平较高的地区。

1.2 流域工程现状

玛河流域经过50余年的开发治理，已形成引、蓄、输水设施比较完善的以农业灌溉为主，兼顾防洪、发电等多种功能的供水体系。河水、库水、井水和泉水一脉相通，是新疆乃至全国水资源利用率较高、灌溉管理水平较先进的灌区之一。玛河流域水利工程系统，由上游的引水枢纽、中游的平原水库、下游的输水渠系三部分组成。目前玛河上已建成拦河引水枢纽2座，大中型平原水库6座，设计总库容4.7亿m。在玛河上已建成径流式梯级电站5座，总装机107MW，年发电量4.5亿kW·h。一座装机123MW的天山电力股份有限公司特大型火力发电企业，目前装机2×660MW的四期空冷燃煤发电机组项目正在投入建设中。

2 问题的提出及研究背景

2.1 从全球水资源危机来看，急需对国家和地区进行水资源可持续利用研究

当今世界面临着人口、资源与环境三大问题，水是人类赖以生存和发展不可替代的宝贵资源，是保障国民经济持续健康发展的重要基础。随着社会经济的发展，水资源短缺己成为全球性危机。中国是世界人口大国，但人均淡水资源却很贫乏，这就更需要我们进一步对水资源进行统筹规划、科学管理，特别要重视水资源的合理配置、高效利用和保护，只有这样才能为水资源的合理开发利用提供依据。因此，如何合理利用水资源已成为全球性问题，也是水资源领域当前和未来的重大课题。

2.2 从玛河流域水资源管理问题看，急需解决流域水资源综合配置问题

玛纳斯河在开发过程中取得了辉煌成绩，但也暴露出许多水资源管理中现存的问题，这些问题随着国民经济的快速发展而日益突出。

a.玛河流域由于面积大，用水单位多，存在兵地、军地、地地的复杂用水关系，目前采用分级管理模式，即流域（河系）、市（县）、团场（乡）三级。虽然流域内现有较完整的引、蓄、调、泄水利工程，但作为水行政主管部门的玛河流域管理处，所辖工程只有1座引水枢纽和1条18km长的输水总干渠，水资源调控手段极为有限。

b.虽然相关的法律法规明确了流域机构在水资源管理的主体法律地位，但执行起来十分困难，政令难以畅通，各自为政，形成“多龙治水、多龙管水”的局面。另外，地下水又是分割管理和开发的，形成了地表水与地下水开发不协调、流域上下游用水矛盾难以解决的水资源利用格局，严重影响了流域的可持续发展。

c.缺乏与时代相适应的管理机制，致使水利工程不能充分发挥作用。随着我国市场经济的空前发展，水利行业在长期计划经济时期留下的痼疾一时无法抹去，特别是在水资源配置方面，还按照计划实施配置，未充分考虑水资源利用效率，导致水资源配置率长期低下。

2.3 水资源开发利用不合理，流域生态环境遭到严重破坏

玛河流域解放前耕地面积只有1.3万hm2，经过了50多年的建设，灌溉面积已发展为2008年的26.7万hm2，农业灌溉用水量占全流域总用水量的90%以上。玛河灌区近年来大量采用了先进的节水灌溉技术，但节约下来的水又进行了土地开发，这种发展趋势必然会使资源性缺水日趋显现，并带来一系列不良后果。玛纳斯湖曾与罗布泊齐名，是独特的沙漠之湖，丰水期最大面积超过1000km2。20世纪50年代末以来，由于玛河两岸修建大量截水引水工程发展灌溉农业，除发生特大洪水有水流入玛纳斯湖外，流道处于断流状态。玛纳斯湖的消失造成数十种珍稀的沙漠物种消失，使石河子绿洲边缘的生态环境日趋恶化，给邻近地区的工农业生产及人民生活造成了难以估量的损失。因而全面开展节水型建设，实现水资源的优化配置，成为整个流域建设和管理的当务之急。

因此，玛河流域通过工程手段、行政手段、经济手段和科技手段等措施，对流域内有限的水资源进行优化配置科学调度，使河水、水库联网运行，做到河水、库水、井水统一调配，最大限度解决流域内水资源时空分布不均和供需水之间的矛盾，这对协调流域生态建设、人民生活、工农业生产和水资源的关系，实现流域可持续发展，具有十分深远的意义。

3 供需水平衡分析

基于社会经济、生态环境及其水资源工程的发展目标，分析玛河流域水资源的供需状况，为水资源优化配置提供理论依据。我们对玛河流域各灌区的供水和需水进行了全面的分析，得出玛河流域保证率P=75%的供水量为14.969亿m3，保证率P=50%的供水量为16.014亿m3。玛河流域现状年需水量为18.604亿m3，其中，生态需水0.700亿m3，生活需水0.393亿m3，工业需水1.056亿m3，农业需水16.455亿m3，占总需水量的88%，所占比例较大。

从目前玛河流域的现状看，保证率P=75%的年份缺水量为3.635亿m3，保证率P=50%的年份缺水量为2.590亿m3。因此应对流域内的水资源进行优化配置和科学调度，使有限的水资源能最大限度地满足生产、生活需要。

4 玛河流域水资源优化配置系统研究

4.1 水资源系统组成

流域水资源的分配，是通过水资源配置系统完成的，它是水资源优化配置研究的关键环节。水资源配置系统一般由四个部分组成：水源系统、输水系统、用水系统、排水系统。水资源的配置过程可描述为：水资源配置系统根据系统输入的信息，水资源系统通过输水系统将水分配到各个用水部门，然后由用水系统和排水系统反馈信息给水资源分配系统。如此反复，直到得到最优配置结果。

4.2 水资源优化配置模型的选取

玛河流域内输水渠道与水库基本构成了一个调配水效率较高的配水系统。《玛纳斯河流域管理章程》则按行政隶属关系，将流域农业用户划分为农八师石河子市、玛纳斯县、新湖总场、沙湾县等四大用水单位。我们所建立模型的主要目是模拟流域水资源的时空分布，定量评估或预测各种水资源分配策略下流域各灌区的需水满足情况，为管理者的决策提供依据。该模型必须满足适用性和实用性两个基本要求，但实际操作相当复杂。具体表现在：面临一个来水流量就要把水分下去，但分水并不在同一个断面上，需要估计干渠输水损失；各个时刻各个灌区需水与其作物结构有关，每个灌区作物结构不同，需水过程也不同，需要随时测算已分配的水量是否超标；对有调蓄工程与无调蓄工程的灌区，配水过程有所不同。因此，玛河流域管理系统是一个复杂的大系统，经分析国内外与此情况相适应的模型，认为加拿大的WRMM模型作为玛河流域水资源配置系统的基础比较合适。

4.2.1WRMM模型简介

WRMM模型是加拿大阿尔伯特省环境署完成的水资源管理模型，该模型一直用于阿尔伯特省环境保护署的灌溉取水许可决定、河流分水、水库运行和项目可行性分析中，还一直被用作预测干旱年各季节不同运行策略的响应分析工具。

4.2.2WRMM模型功能

模型可以模拟现状或规划的流域水分配和供水方案，它可以反映下述物理过程：

a.来自水库、渠首的供水，当地径流和径流的相互转换。

b.水库蓄水、泄水、降水与蒸散发。

c.天然河流与引水渠道。

d.有回归水或没有回归水的农田灌溉。

e.水电站。

f.城市与大工业等有河道排水的大量取水需求。

g.农村与小型生产企业的无河道排水的零星取水需求。

4.2.3WRMM产生下面的输出结果

a.渠道流量过程，以m3/s为单位。

b.水库水位过程，以m为单位。

c.电站出力过程，以MW为单位。

d.大宗或小量的耗水量过程，以为m3/s单位。

e.以mm为单位表示的灌区耗水量过程。

f.以m3/s为单位表示的退水过程。

4.2.4WRMM模型结构

模型由模拟模块、输入参数与数据程序、标准输出模块组成，WRMM模型需要4套数据模拟水资源系统：

a.模拟水资源系统的定义数据，如河段划分、水库特性、灌区面积、控制性建筑物出流关系等。

b.定义运行策略的优先权，指优先权高低顺序。

c.供水数据，如河道来水、降水等。

d.需水数据，如灌区需水量、生活需水量等。

4.3 水资源优化配置系统运行规则

为了合理开发和利用灌区水资源，综合考虑经济、环境、社会等诸多因素，制定如下供水系统运行规则：

a.系统安全运行规则。地表水库要在确保工程安全条件下运行，其蓄水位不得超过最高允许蓄水位的限制，汛期水库的蓄水位不得高于防洪汛限水位，对各种水利工程、河道的操作都必须控制在设计或规定的安全范围之内。

b.用水部门相互关系规则。需水要求满足的次序可以从需水的行业、时间、空间三方面来分析，从某种程度上看与供水高效性原则是相符的。在时间方面，农作物生长期需要的关键水要优先保障；在空间方面，用水效益高的地区要优先满足。

c.地表水与水库蓄水供水原则。先通过引水渠道引水，引水尽量从库外走水；首先满足灌区用水后，余水蓄库，亏水由水库放水补充。当来水大于需水时，水库满足需水后蓄余水；当来水小于用水时，水库放水以满足需水。

d.用水和供水原则。灌溉季节，先满足灌溉用水，再向水库蓄水。

4.4 水资源优化配置系统实现的功能

4.4.1 参数设置功能

a.灌区参数设置。灌溉面积、渠道过水流量、闸口配水量、灌区利用系数、作物类别等。

b.模型参数设置。可进行玛河来水、灌区实际用水、电厂计划出力用水、城镇用水、工业机动水、冬引水、附加水等的设置。

c.年初水库水位。

d.灌溉制度编辑。编辑建立每年度、每个灌区的灌溉制度。

4.4.2 查询功能

a.地图查询。在地图上可查询显示灌区、水库、渠道的位置（居中、闪烁）。

b.流域基本情况查询。基于地图鼠标点击对象，即可显示该对象的基本情况（文字与图片）。

4.4.3 模型运行功能

参数设置好后，可选择计算年度，运行配水平衡模型，系统可自动进行计算。

4.4.4 供需水分析功能

a.提供模型计算的各灌区供需水平衡一览表（见图 1）。

b.提供每个灌区的按旬分配的供需水一览表（见图 2）。

c.以水量分布图的形式显示某灌区逐年、逐月、逐旬供需水的情况（见图3）。

5 结语

我们根据各用水部门依时空优化准则和水资源系统安全运行规则，通过水资源优化配置模型，以各分区优先级为基础，将水量在不同用户中间分配。同时以各分区用水制度为基础，将各分区的公共水源结合本地区的独立水源，在各时段进行最优配置，得出玛河流域水资源的时空配置结果，为科学调度提供了理论依据，从而实现有限水资源的效益最大化，为玛河流域水资源的可持续利用和社会经济的可持续发展提供了强有力的决策支持。

图1 各灌区供需水平衡一览表

图2 每个灌区按旬分配的供需水一览表

图3 1999年6月下旬玛河流域各灌区供需水之差（万m3）分布图