新疆山区水库参与调度后平原水库废弃可行性分析

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(石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000)

新疆山区水库参与调度后平原水库废弃可行性分析

张少博，何新林，刘兵，彭飞，张叶

(石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000)

新疆山区水库参与调度后部分平原水库可不再承担原有任务，使平原水库废弃成为可能。以玛纳斯河灌区夹河子水库为例，对比分析夹河子水库废弃前后灌区种植业与水库群联合调度方案的变化，确定平原水库废弃的可行性及对灌区种植业与水库群联合调度等的影响。结果表明：夹河子水库废弃可以降低水库群年蒸发(980.9万～1 884.0万m3)与渗漏(135.7万～878.2万m3)损失；丰水年与平水年增加水库群弃水量(分别增加3 474.4万,1 360.1万m3)，枯水年减少弃水量(2 140.1万m3)；显著提高灌区种植业产值(30.8%～43.9%)与种植面积(17.4%～29.9%)。故山区水库参与调度后夹河子水库废弃可行，而新疆其他类似地区也可以有选择地废弃部分水深浅、库容小、安全状态差的平原水库。

新疆；平原水库废弃；种植业；水库群联合调度；玛纳斯河灌区

1 研究背景

新疆自治区成立后，为充分利用水资源，新疆兴建了500多座水库(平原水库超过90%)，总库容达到60亿m3，有力促进了自治区农业生产与经济发展[1]。但由于经济与技术条件限制，许多水库在修建时未按设计要求施工，部分水库运行时险情高发，危及灌区安全[2]。同时，平原水库水深浅、水面面积宽广、蒸发渗漏损失严重，导致灌区水资源利用效率偏低[2]。近年来，新疆加快了山区水库的兴建工作,而平原水库由于兴建较早，管理不善，大多面临老化失修的问题。山区水库兴建后平原水库作用降低，平原部分水库废弃成为可能。水库废弃是其生命周期中一个重要阶段，是在水库病险老化、功能丧失、经济效益衰退等因素作用下的必然结果。杨孟[3]曾经采用网络分析方法研究了安徽黑洼水库的废弃可能;黄海真等[4]也对黑河流域黄藏寺水利枢纽替代平原水库的环境影响进行了研究。

新疆水库功能通常以防洪、灌溉为主，发电无条件服从于防洪与灌溉，水库群联合调度服从灌区水资源优化配置需求。20世纪90年代，联合国出版了《水与可持续发展准则：原理与政策方案》一书，标志着水资源优化配置发展进入了一个相对成熟的阶段[5]。近年来，粒子群算法、神经网络、博弈论等也被大量应用于水资源优化配置方面[6-13]。

本文通过构建玛纳斯河灌区(简称“玛河灌区”)水资源优化配置模型,分析夹河子水库废弃对灌区种植业与水库群联合调度的影响。模型采用系统分解与逐步逼近的思路，将水资源优化配置分解为灌区种植结构优化与水库群联合调度优化2部分，采用成熟稳定的MatLab优化工具箱求解以保证求解精度。通过对比分析平原水库废弃前后灌区种植业与水库群联合调度方案的变化，确定山区水库参与调度后平原水库废弃的可行性以及对灌区种植业与水库群联合调度等的影响，同时也为新疆其他类似地区提供合理参考。

2 研究区概况

新疆玛纳斯河发源于天山北麓中段43号冰川，干流全长324 km(河源至小拐)，年平均径流量为12.61亿m3[14]，出山口处建有肯斯瓦特水文站(86°05′E,43°59′N)，海拔940.0 m。玛河灌区下设石河子灌区、下野地灌区、莫索湾灌区3个子灌区(如图1、表1)，现有水库5座(如表2所示)。水库中肯斯瓦特水库为山区水库，承担灌区主要防洪任务，兼顾灌溉与发电；平原水库中蘑菇湖水库、跃进水库分别承担下野地、莫索湾灌区主要灌溉供水任务，大泉沟水库承担下野地灌区供水小流量调节任务，夹河子水库主要用于平衡下野地灌区和莫索湾灌区用水需求。由表2及水库所承担任务可知，蘑菇湖水库与跃进水库均承担主要灌溉任务，且水库库容大、淤积库容小，不可能废弃；大泉沟水库库容虽小，调节能力有限，但水库是石河子地区著名旅游景区，同时承担着渔业养殖的任务，且水库大坝状态良好，淤积库容小，有效库容高于夹河子水库，也不宜废弃；夹河子水库淤积严重，有效库容最小，且水库大坝属于Ⅲ类坝，险情多发，而其承担的防洪与灌溉调节任务由肯斯瓦特水库实现，故可作为合理的废弃选择。

图1 玛河灌区子灌区划分与水系分布Fig.1 Sub-irrigations in Manasi RiverIrrigation Area

表1 玛河灌区各子灌区划分情况Table 1 Scope and area of sub-irrigations inManasi River Irrigation Area

表2 玛河灌区水库库容Table 2 Storage capacities of reservoirs in ManasiRiver Irrigation Area

3 研究区水资源优化配置模型构建与求解

由于玛河灌区水库群主要任务为灌区的防洪与灌溉，灌区内工业、生活、市政供水等不足总供量的5%，故本研究以灌区种植业经济产值为主要目标，以灌区防洪，工业、生活、市政、生态等供水，水工建筑物安全等为约束，依据灌区内子灌区划分与水系分布建立灌区水资源优化配置模型,如图2所示，并依据图2构建数学模型。

图2 玛河灌区水资源优化配置模型Fig.2 Model of optimized water resources allocation in Manasi River Irrigation Area

3.1 目标函数

数学模型的目标函数为

(1)

式中：I为灌区种植业产值；Si,j为第i子灌区第j作物种植面积；Pi,j为第i子灌区第j作物单位面积产值；n为作物种类数。

3.2 约束条件

(1) 第i子灌区第j作物种植面积约束条件为

Si,j,min≤Si,j≤Si,j,max。

(2)

式中Si,j,min和Si,j,max分别为第i子灌区第j作物种植面积下限和上限。

(2) 第i子灌区种植面积约束条件为

Si,min≤Si≤Si,max。

(3)

式中：Si为第i子灌区种植面积；Si,min和Si,max分别为第i子灌区种植面积下限和上限。

(3) 第i子灌区产值约束条件为

(4)

式中：Ii,min为第i子灌区种植业产值下限；Ii为第i子灌区种植业产值。

(4) 第i子灌区第k月供水量约束条件为

Vi,k,ir,ne+Vi,k,ot,ne≤Vi,k,ca,pr+Vi,k,gw,pr+Vi,k,ot,pr。

(5)

式中：Vi,k,ir,ne为第i子灌区第k月灌溉需水；Vi,k,ot,ne为第i子灌区第k月其他需水(工业、生活、市政等)；Vi,k,ca,pr为第i子灌区第k月渠系供水；Vi,k,gw,pr为第i子灌区第k月地下水开采量；Vi,k,ot,pr为第i子灌区第k月其他可利用水量。

(5) 第i子灌区第k月地下水开采量约束条件为

Vi,k,gw,pr,min≤Vi,k,gw,pr≤Vi,k,gw,pr,max。

(6)

式中Vi,k,gw,pr,min和Vi,k,gw,pr,max分别为第i子灌区第k月地下水开采量下限和上限。

(6) 第i子灌区地下水年开采总量约束条件为

(7)

式中Vi,gw,pr,max为第i子灌区地下水年开采量上限。

(7) 第k月夹河子水库下游玛河河道生态需水约束条件为

Vk,ne≤Vk,pr。

(8)

式中：Vk,ne为第k月生态需水量；Vk,pr为第k月生态供水量。

(8) 第i分汇水点水量平衡约束条件为

(9)

式中：Vj,k,in为流向第i分汇水点的第j渠道第k月输水量；ηj为第j渠道水利用系数；Vj,k,ou为流出第i分汇水点的第j渠道第k月输水量。

(9) 第i水库第k月水量平衡约束条件为

Vi,k-1+Vi,k,ca,in+Vi,k,ot,in-Vi,k,ev-

Vi,k,le-Vi,k,ca,ou=Vi,k。

(10)

式中：Vi,k-1为第i水库第k-1月末蓄水量；Vi,k,ca,in为第i水库第k月渠道入库水量；Vi,k,ot,in为第i水库第k月其他入库水量；Vi,k,ev为第i水库第k月蒸发损失；Vi,k,le为第i水库第k月渗漏损失；Vi,k,ca,ou为第i水库第k月渠道出库水量；Vi,k为第i水库第k月末蓄水量。

(10) 第i水库蓄水上下限约束条件为

Vi,k,min≤Vi,k≤Vi,k,max。

(11)

式中Vi,k,min和Vi,k,max分别为第i水库第k月蓄水下限和上限。

(11) 第j渠道输水能力约束条件为

0≤Vj,k≤Vj,k,max。

(12)

式中：Vj,k为第j渠道第k月输水量；Vj,k,max为第j渠道第k月允许最大输水量。

(12) 非负约束条件为

0≤x。

(13)

式中x代表模型中所有物理量。

3.3 水库蒸发、渗漏损失估算

(1) 第i水库第k月蒸发损失可由式(14)计算。

Vi,k,ev=Ei,kSi,k。

(14)

式中：Ei,k为第i水库第k月水面蒸发量；Si,k为第i水库第k月月平均水面面积。

(2) 第i水库第k月渗漏损失可由式(15)计算。

Vi,k,le=αi,k(Vi,k-1+Vi,k)/2 。

(15)

式中αi,k为第i水库第k月渗漏系数。

3.4 模型求解

模型首先以灌区作物种植面积、总种植面积、渠道输水能力为约束条件，利用线性优化方法确定在不考虑供水能力的条件下灌区种植业产值上限(Imax)与下限(Imin)。然后依次赋值总灌区种植业产值为Imin+n×0.1×(Imax-Imin)(n=1,2,…,10)，利用多目标达到算法确定灌区产值等于既定产值且各子灌区各月份作物需水量最小时灌区作物种植结构，以此计算各子灌区各月份种植业需水量。最后以生态供水、子灌区地下水开采量、地下水年开采总量、夹河子水库下游玛河河道生态需水、灌区供水量、分汇水点水量平衡、水库水量平衡、水库蓄水上下限、渠道输水能力等为约束条件，以灌区水量损失最小为目标函数采用非线性优化算法从1—12月份逐月进行水库群优化调度，如果到12月份仍然能够满足所有限制条件，则优化成功并增加产值再次优化，否则将调整步长修改为原来的0.1倍后再进行优化。如此进行直至产值步长低于0.000 1×(Imax-Imin)(此时产值误差已在容许范围内)时退出优化过程，完成模型求解工作。模型求解流程如图3所示。

图3 水资源优化配置模型求解流程Fig.3 Flowchart of the optimization model of water resources allocation

4 结果分析

研究利用肯斯瓦特水文站1957—2012年逐月径流数据通过P-Ⅲ曲线确定来水频率P分别为25%，50%，75%时肯斯瓦特水文站月径流过程，同时为考虑洪水年水库群调度能力，选择年径流总量最高的1999年径流过程(P=0.87%)作为洪水代表年，各水平年及洪水代表年流量过程如表3所示。

表3 洪水代表年及水平年月径流量过程 Table 3 Monthly runoff processes at Kensiwatestation in typical flood year and hydrologicalyears of P=25%, P=50% and P=75% 108m3

由于肯斯瓦特水库距离肯斯瓦特水文站仅有2.3 km，且水库与水文站之间河道没有支流汇入或水量分出，故可直接将水文站月径流过程作为相应水平年肯斯瓦特水库入库径流量输入模型，进而分析夹河子水库废弃前后灌区种植业与水库群联合调度方案的变化。

4.1 水库群蒸发、渗漏损失

运行模型可得P分别为25%,50%,75%时,夹河子水库废弃前后玛河灌区不同种植业产值下的水资源优化配置方案，从中提取P分别为25%, 50%, 75%时夹河子水库废弃前后水库群蒸发、渗漏损失,如图4所示。

图4 夹河子水库废弃前后水库群蒸发损失及渗漏损失对比Fig.4 Evaporation losses and leakage losses of the reservoir group before and after the abandonment of Jiahezi Reservoir

由图4可知，夹河子水库废弃能够显著降低水库群年蒸发损失，渗漏损失也有所降低但降幅较小。来水频率P分别为25%，50%，75%时水库群年蒸发损失降低幅度分别为980.9万，1 596.9万，1 884.0万m3，降低比例分别为17.3%，27.9%，31.0%；渗漏损失削减量分别为135.7万，628.7万，878.2万m3，削减比例分别为4.9%，21.3%，28.7%。这主要是因为夹河子水库废弃可以避免被迫在夹河子水库蓄水并在较大程度上削减平原水库群水面面积，进而减少水库群蒸发、渗漏损失。

4.2 水库群弃水量

水库群年弃水量如表4所示。由表4可知，来水频率P分别为25%，50%时夹河子水库废弃后水库群年弃水量有所增加，增加幅度分别为3 474.4万，1 361.0万m3，这主要是因为夹河子水库废弃导致水库群总库容减小、调节能力下降。但P分别为25%，50%时,夹河子水库废弃后,灌区种植业最高产值与种植面积均已达到最高值，故此时水库群弃水增加对灌区并无不利之处。同时，水库群弃水直接进入夹河子水库下游玛河河道，有利于下游河道生态植被的恢复与灌区生态安全的良性维持。P=75%时，夹河子水库废弃可以显著降低水库群弃水量，降幅为2 140.1万m3，有利于维持灌区种植业的稳定发展。由于模型中设定夹河子水库每年向水库下游玛河河道供应不低于肯斯瓦特站年径流量的10%作为生态供水(现状年基本不供水)，故水库群弃水减少对下游河道生态植被影响并不严重。

表4 夹河子水库废弃前后水库群年弃水量Table 4 Abandoned water amount of reservoirgroup before and after the abandonment ofJiahezi Reservoir 104m3

4.3 水库年平均有效蓄水量

引入水库有效蓄水量(Vef)为水库实际蓄水量(Vac)与水库死库容(Vde)之差，即

Vef=Vac-Vde。

(16)

水库群年平均有效蓄水量如表5所示。由表5可知，来水频率P=25%时夹河子水库废弃后水库群有效蓄水量增加了3 371.9万m3，其中山区水库和平原水库群分别增加1 859.0万,1 512.9万m3，有利于增加山区水库的发电效益以及水库群联合调度的灵活性；P=50%时夹河子水库废弃前后水库群有效蓄水量变化不大，仅下降142.4万m3；P=75%时夹河子水库废弃后水库群有效蓄水量下降了1 869.0万m3，其中山区水库和平原水库群分别下降了1 402.3万,466.8万m3，减少的水量主要用于增加灌区的种植面积，进而提高灌区种植业产值。

表5 夹河子水库废弃前后水库年平均有效蓄水量Table 5 Annual effective storage of reservoir groupbefore and after the abandonment ofJiahezi Reservoir 104m3

4.4 灌区种植业最高产值与种植面积

灌区种植业最高产值与种植面积如表6所示。由表6可知，来水频率P分别为50%，75%时夹河子水库废弃能显著提高灌区种植业最高产值与种植面积，最高产值提升比例分别为30.8%，43.9%，最高种植面积提升比例分别为17.4%，29.9%。种植面积与产值的提高主要原因是夹河子水库的废弃可以在较大程度上降低水库群蒸发、渗漏损失并解除夹河子水库死库容限制，提高水库群联合调度灵活性，增加灌区灌溉供水。由于灌区总耕地面积限制，且P=25%时夹河子水库废弃前就已经达到最高产值与种植面积，故夹河子水库废弃并不能提高丰水年灌区种植业最高产值与种植面积。

表6 夹河子水库废弃前后灌区种植业最高产值与种植面积Table 6 Maximum output values and cultivated areas ofplanting industry in the irrigation area beforeand after the abandonment of Jiahezi Reservoir

5 结 论

综合而言，夹河子水库废弃对灌区及水库群影响如下：

(1)可以显著降低水库群年蒸发损失(980.9万～1 884.0万m3)，并削减一定的渗漏损失量(135.7～878.2万m3)。

(2)丰水年与平水年可以增加水库群弃水量(分别增加3 474.4万,1 361.0万m3)，有利于夹河子水库下游玛河河道生态恢复与灌区生态安全的良性维持，枯水年减少水库群弃水量(2 140.1万m3)，有利于维持灌区种植业经济的稳定发展，对生态植被影响不大。

(3)丰水年可以增加水库群有效蓄水量(3 371.9万m3)，有利于增加山区水库的发电效益以及水库群联合调度灵活性，平水年影响不大，枯水年则会减少有效蓄水量(1 869.0万m3)。

(4) 平水年与枯水年可以显著提高灌区种植业最高产值(分别提高30.8%,43.9%)与总种植面积(分别提高17.4%,29.9%)，丰水年由于灌区总耕地面积限制，无法提高最高产值与种植面积。

综上所述，夹河子水库废弃有利于灌区种植业经济发展与水库群的联合调度，也有利于下游玛河河道生态植被的恢复与灌区生态安全的良性维持。至于水库群的防洪问题，肯斯瓦特水库的建成使水库群总库容增加了1.8亿m3，而废弃夹河子水库仅仅减少了0.35亿m3，并且肯斯瓦特水库位于玛纳斯河出山口位置，地理位置更有利于防洪，因此废弃夹河子水库不会对水库群防洪造成不利影响。故山区肯斯瓦特水库参与调度后，夹河子水库可以予以废弃。

就新疆地区而言，山区水库参与调度前，灌区平原水库群一般能够满足灌区防洪与灌溉需求，山区水库参与调度后，部分平原水库可不再承担原有任务。因此，可以有选择地废弃部分水深浅、库容小、安全状态差的平原水库以减少平原水库群蒸发渗漏损失，解除水库死库容限制，提高水库群联合调度灵活性与灌区水资源利用效率。

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Feasibility of Abandoning Plain Reservoirs after the Operation ofMountain Reservoirs in Xinjiang

ZHANG Shao-bo,HE Xin-lin, LIU Bing, PENG Fei, ZHANG Ye

(College of Water Conservancy and Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China)

Abandoning some reservoirs in the plain region of Xinjiang becomes possible as they undertake no task any more after the operation of mountain reservoirs. With the Jiahezi Reservoir in Manasi River Irrigation Area in Xinjiang as a case study, we investigate the feasibility of abandoning Jiahezi reservoir and the influence of abandonment on planting industry and reservoir group scheduling by analyzing the changes in planting industry in the irrigation area and schemes of reservoir scheduling before and after the abandonment of the Jiahezi Reservoir. Results show that abandoning Jiahezi Reservoir would reduce annual evaporation loss (by 980.9×104～1884.0×104m3) and leakage loss (by 135.7×104～878.2×104m3) of the reservoir group; improve the water quantity abandoned by the reservoir group (by 3474.4×104and 1 360.1×104m3respectively) in high and normal flow years but reduce (by 2 140.1×104m3) in low flow years; significantly improve the output value of planting industry (by 30.8%～43.9%) and the cultivated area (by 17.4%～29.9%). Therefore, we conclude that the Jiahezi Reservoir can be abandoned after the operation of mountain reservoirs. Some other plain reservoirs of shallow water depth, small storage capacities and unsafe status in other similar areas in Xinjiang can also be abandoned.

Xinjiang; abandonment of plain reservoirs; planting industry; joint operation of reservoir group; Manasi River Irrigation area

2016-09-05；

2016-10-31

国家自然基金地区科学基金项目(51469028)；国家重点研发计划水资源高效利用专项(2017YFC0404304)

张少博(1990-)，男，河南商丘人，硕士研究生，研究方向为水文水资源。E-mail:1821428739@qq.com

刘 兵(1983-)，男，新疆石河子人，副教授，博士，研究方向为水资源开发利用与管理。E-mail:liub198306@163.com

10.11988/ckyyb.20160913

TV697.1

A

1001-5485(2018)01-0023-06

(编辑：陈 敏)