干旱河流多水源联合调配模式研究——以窟野河为例

杨翊辰，高仕春

（武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072）

1 研究背景

窟野河是黄河重要的一级支流，流域水资源总量不足，生态环境脆弱，是黄河粗泥沙的主要来源区之一，也是水土保持治理重点地区[1，2]。但流域内矿产资源丰富，位于我国“呼包鄂榆”重要能源区域，在国家能源战略中的地位十分突出，在我国能源产业和西部大开发战略的推动下，工业保持快速发展态势，区域经济强劲增长[3，4]。随着经济社会的快速发展，工业化和城镇化进程加快，流域水资源短缺问题日益突出。作为水资源本底条件较差的窟野河来说，匮乏的水资源禀赋、变化的气候特征、日益增加的人类活动给流域水资源的管理提出了更高的挑战[5]，如何配置窟野河有限的水资源，对保证流域资源-环境-经济社会的可持续发展有重要的现实意义。

近年来，部分学者对窟野河流域展开了多方面的研究。吴喜军、郭巧玲和李舒等均关注了窟野河煤炭开采的问题，通过不同的方法及模型，研究了煤炭开采对窟野河水文水资源的影响[6-9]。对于窟野河径流演变特征及其影响因素问题，王国庆等利用有序聚类方法、郭巧玲等采用多种数理统计方法、白乐等通过SCRAQ法、苏佳园等结合小波分析和M-K突变检验多种分析方法对窟野河径流变化特征及趋势进行了分析，并探究了气候变化和人类活动对径流的影响作用[10-13]。桑非凡等分析了窟野河降水时空变化特征，判定了降水变化趋势及其突变性[14]。韩振英等通过灰色机理模型，对窟野河径流进行了预测[15]。高健翎等利用遥感数据，分析了黄河中游多沙粗沙区窟野河水土流域变化特征[16]。高文永等研究了采矿坍塌对窟野河流域水沙条件影响[17]。王童、蒋晓辉等均分析了窟野河流域土地利用变化，探讨了植被变化对气候和非气候要素的响应[18，19]。李慧娟等通过多个统计方法分析了窟野河流域水沙变化特征，采用弹性系数法和双累积曲线法评估了气候变化和人类活动对水沙变化的贡献度[20]。毕早莹等通过弹性系数法探究了窟野河植被变化对径流演变的影响[21]。

综上可知，现有成果还未针对干旱河流存在的多水源联合调配问题展开研究。因此，以地处黄土高原地区的窟野河为研究对象，通过经济社会和生态环境需水预测，探讨流域可供水量，进行流域水资源供需平衡分析，研究提出流域多水源联合调配模式，并提出特殊干旱年份窟野河流域多水源应急配置策略，以期为干旱河流的水资源配置、保护与管理提供参考。

2 研究区概况

窟野河发源于内蒙古自治区鄂尔多斯市柴登乡拌树村，河流自西北流向东南，最后于神木县贺家川镇沙峁村汇入黄河，如图1 所示。窟野河流域总面积8 706 km2，其中内蒙古自治区境内4 635 km2、陕西省境内4 071 km2；干流全长242 km，其中内蒙古自治区境内94 km、陕西省境内148 km[22]。

图1 窟野河流域概况与行政区划

流域属北温带半干旱大陆性季风气候，干旱、风大、降水少而集中、气温偏低、无霜期短等为主要气候特点。多年平均气温为8.6℃，蒸发量约900～1 200 mm，降水量为368.2 mm，降水年内分布不均，多以暴雨形式集中在7—9月，暴雨历时短、强度大。平均河川天然径流量为2.54亿m³，地下水资源量为1.93亿m³，水资源总量为3.00 亿m³，人均水资源量为516 m³，仅为全国人均资源量1/4 左右。窟野河关键断面温家川径流特征，详见表1。同时，从各年代的径流量可以看出，窟野河流域径流量呈现出逐步减少的趋势，从20世纪50年代的7.63亿m3，逐步减少至21世纪的1.64 亿m3。另外，从实际用水情况看，窟野河流域人均用水量为231m³，分别为黄河与全国平均水平的68%和51%，说明窟野河流域水资源情势不容乐观。

表1 窟野河关键断面径流特征

3 多水源联合调配模型

3.1 目标函数

从流域水资源利用涉及的水资源高效利用、生态环境保护和经济社会持续发展等多目标出发，建立多目标协调模型如下：

式中：f(x)为流域水资源决策的总目标，是社会目标S(x)、生态环境目标E(x)、经济目标B(x)的耦和复合函数。

3.1.1 社会目标S(x)

采用综合缺水最小作为社会目标，其表达式为：

式中：ωi为i 子区域对目标的贡献权重，以其经济发展目标、人口、经济规模、环境状况为准则，由层次分析法确定；n 为所有调水区和受水区的地区数量；分别为i 区域需水量和供水量；α（0＜α≤2，在此取1.5）为幂指数，体现水资源分配原则：α 愈大则各分区缺水程度愈接近，水资源分配越公平；反之，则水资源分配越高效。

3.1.2 生态环境目标E(x)

选择生态环境需水量满足程度最高作为生态环境目标，其表达式为：

式中：ES 为研究系列生态环境需水量满足程度；Se(i)为i 区域生态环境水量；De(i)为i 区域适宜的生态环境需水量；N 为统计生态环境需水量的区域总数；Φi为区域i 的生态环境权重指数，λ(t)为第t时段区域生态环境缺水敏感指数。

3.1.3 经济目标B(x)

选用国内生产总值最大作为经济目标，其表达式为：

式中：GDP(i,j)为流域国内生产总值；j 为分区，j=1，2，…，n；i为经济部门，i=1,2,…,m。

3.2 约束条件

3.2.1 水量平衡约束

（1）节点水量平衡，其表达式为：

式中：Wsy为上游来水水量（万m3）；Wqj为区间入流水量（万m3）；Wxy为下游下泄水量（万m3）；Wu为用水量（万m3）；Ws为损失水量（万m3）。

（2）水库水量平衡，其表达式为：

式中：VR(i,m + 1)表示第m+1 时段第i 个水库末库容（万m3）；VR(i,m)表示第m 时段第i 个水库初库容（万m3）；VRC(i,m)表示第m 时段第i 个水库的存蓄水变化量（万m3）；VRX(i,m)表示第m 时段第i 个水库的下泄水量（万m3）；VL(i,m)表示第m 时段第i 个水库的水量损失（万m3）。

（3）河道回归水量平衡，其表达式为：

式中：QRe(m,t)表示第t 时段河道上下断面区间的回归水汇入量（万m3）；QRel(i,t)表示第t时段河道上下断面区间生活退水量（万m3）；QRea(i,t)表示第t时段河道上下断面区间灌溉退水量（万m3）；QRei(i,t)表示第t时段河道上下断面区间工业退水量（万m3）。

3.2.2 水库库容约束

式中：Vmin(m,t)为第t时段死库容（万m3）；Vmax(m,t)为第t时段最大库容（万m3）。

3.2.3 水资源开发利用与保护约束

（1）流域耗水总量小于可利用的水资源量，其表达式为：

式中：Qcon(n,t)表示流域第t 时段可消耗水资源量（万m3）；QY(n)表示流域可消耗的水资源量（水资源可利用量）（万m3）。

（2）地下水使用量约束，其表达式为：

式中：GW(n,t)表示第t 时段第n 计算单元的地下水开采量（万m3）；GPmax(n)表示第n 计算单元的年允许地下水开采量上限（万m3）；GWmax(n)表示第n计算单元的时段地下水开采能力（万m3）。

（3）最小生态需水约束，其表达式为：

式中：QE(i,t)和QEmin(i,t)分别表示第t 时段第i 条河道实际流量和最小生态需求流量（m3/s）。

3.2.4 变量非负约束

模型采用NSGA-Ⅱ优化算法进行计算[23]。

4 流域水资源供需平衡分析

4.1 水资源需求预测

经济社会发展用水需求预测。分行业采用不同方法进行需水预测[24]，通过分析预测，窟野河流域河道外经济社会需水量由2013 年的23 564 万m³增加到2030 年的41 600 万m³，年增长率为3.4%，主要是工业园区需水增加较多。其中，2030 年流域陕西需水量为17 587万m³，内蒙古需水量为24 013万m³。

河道内生态环境需水预测。根据流域生态保护目标[25]，经计算可知，窟野河河道内汛期生态需水量为1.22亿m³，汛期难于控制利用的洪水量为2.52亿m³，取二者大值作为河道内汛期需水量，为2.52 亿m³；同时，考虑到河道内非汛期生态需水量为0.50亿m³，则窟野河河道内生态环境需水量为3.02亿m³。

节水预测。考虑各类节水措施后，2030 年可节约水量3 960 万m³，占现状用水的19.0%，节水效果可观。其中，陕西省节水量为1 633 万m³，占总节水量的41%；内蒙古自治区节水量为2 327 万m³，占总节水量的59%。

4.2 可供水量分析

流域可供水量与水资源可利用量、供水工程供水能力、河道内生态环境需水以及各行业需水密切相关，合理确定可供水量是判别分析流域缺水状况的重要环节。

依据前述分析的窟野河流域水资源条件和各行业需水预测成果，并考虑流域规划建设的重要水资源配置工程，包括“镫口引黄”“万家寨引黄”“大泉引黄”等引黄工程及“南水北调西线一期工程”等[26]，合理确定流域可供水量。

通过综合分析，在不考虑南水北调西线一期工程的情况下，2030 年水平可供水量为33 235 万m³，其中当地地表水可供水量8 447 万m³，占25.4%；地下水开采量6 132 万m³，占18.5%；其他水源供水量7 077 万m³，占21.3%；引黄水量11 578 万m³，占34.8%。与基准年相比，可新增供水量15 080万m³。

在考虑南水北调西线一期工程生效的情况下，2030 年水平可供水量为41 600 万m³，其中当地地表水可供水量8 447 万m³，占20.3%；地下水开采量6 132 万m³，占14.7%；其他水源供水量7 077 万m³，占17.0%；引黄水量11 578 万m³，占27.8%；西线一期工程调水量8 365 万m³，占20.1%。与基准年相比，可新增供水量23 446万m³。

4.3 水资源供需平衡分析

基于2030 年水平，考虑南水北调西线一期工程生效与否2 种情况，按照二次平衡进行长系列分析计算。其中，一次供需平衡分析时，仅考虑流域内当地水供水，主要包括当地地表水、地下水、中水和煤炭疏干水等；二次供需平衡分析时，在充分利用当地水的基础上，增加从黄河干流引水、南水北调西线一期工程调水等流域外供水，以尽可能减少用水不足。

4.3.1 一次供需平衡分析

2030 年窟野河流域需水量为41 600 万m³，仅考虑当地水时，总可供水量为21 656 万m³，其中地表水8 447 万m³，占39.0%；地 下 水6 132 万m³，占28.3%；其他水源7 077 万m³，占32.7%。缺水量为19 944 万m³，缺水率为47.9%，缺水对象主要为工业、农业和生态，缺水量达19 312 万m³，占总缺水量的96.8%。结果详见表2。

表2 2030年水平一次供需平衡分析结果

4.3.2 二次供需平衡分析

（1）考虑引黄工程，不考虑南水北调西线一期工程。按“镫口引黄”“万家寨引黄”“大泉引黄”等引黄工程生效考虑，新增引黄水量，尽可能地保障能源基地用水。与一次供需平衡分析相比，在需水量不变的情况下，由于引黄工程供水量的增加，年均增加供水量为11 578 万m³，流域缺水8 365 万m³，缺水率为20%，与一次供需平衡分析相比，缺水率减少了近28%。结果详见表3。

表3 2030年水平二次供需平衡分析结果（不考虑南水北调西线一期工程）

（2）考虑引黄工程和南水北调西线一期工程。进一步考虑南水北调西线一期工程生效的情况下年均增加供水量为19 944 万m³，流域基本达到供需平衡。结果详见表4。

表4 2030年水平二次供需平衡分析结果（考虑南水北调西线一期工程）

4.3.3 枯水年份水资源供需平衡分析

来水频率75%的中等枯水年份，窟野河流域地表水径流量为38 462万m³。2030年水平，不考虑引黄工程、南水北调西线工程的情况下，总供水量为30 785万m³，缺水率为26.0%；引黄工程与西线工程均生效情况下，总供水量为39 150万m³，缺水率为5.9%。

来水频率95%的特殊枯水年份，窟野河流域地表水径流量为23 418 万m³。2030 年水平，不考虑引黄工程、南水北调西线工程的情况下，总供水量为28 504 万m³，缺水率为31.5%；引黄工程与西线工程均生效情况下，总供水量为36 869 万m³，缺水率为11.4%。

5 流域多水源联合调配

5.1 调配思路

考虑窟野河流域水资源禀赋不足、生态环境脆弱、用水需求旺盛的实际情况，在水资源配置时，要坚持节水优先、生态优先的发展理念，综合考虑各类水源和不同用水部门之间的匹配性，遵循多水源多用户的联合调配策略，合理确定水资源配置方案。

（1）确保生态水量。保障河流基本生态流量和重点河段河流廊道水流连续性，维持湿地基本生态功能、遏制湿地萎缩。

（2）强化节水意识。逐步实施农业节水现代化技术，大力提升农业节水水平；同时，对用水需求增加较快的工业，建议所有新建工业项目均进入工业园区，现有园区外企业逐步搬迁入园，污水实现统一收集、处理与回用。

（3）科学利用多种水源。在全面节水的前提下，根据不同用户的用水特点，充分利用当地地表水、地下水；加大中水回用、煤矿疏干水的利用力度；积极寻求外来水源，如从黄河干流引水、南水北调西线工程供水等。

5.2 调配方案

（1）不考虑南水北调西线一期工程。2030 年水平，不考虑南水北调西线一期工程，仅考虑增加“镫口引黄”“万家寨引黄”“大泉引黄”等引黄水量，窟野河流域河道外各部门共配置水量33 235 万m³，入黄水量为3.27 亿m³，流域内缺水量为8 365 万m³，流域内缺水率将达到20%左右，国家能源重化工基地的发展将受到一定程度的制约，详见表5。

表5 2030年水平窟野河流域水资源配置（不考虑南水北调西线工程） 万m³

（2）考虑南水北调西线一期工程生效。在引黄工程和西线一期工程生效前提下，窟野河流域河道外各部门共配置水量41 600 万m³，入黄水量为3.27亿m³。按水源分，地表水量为28 391 万m³，占总配置水量的68.2%；地下水6 132 万m³，占总配置水量的14.7%；其余水源（煤矿疏干水、中水等）7 077万m³，占总配置水量的17.0%。按用户分，生活用水量为4 242 万m³，占总配置水量的10.2%；城镇生产用水量为27 275 万m³，占总配置水量的65.6%；农村生产用水量为8 481 万m³，占总配置水量的20.4%；生态用水量为1 602万m³，占总配置水量的3.9%，详见表6。

表6 2030年水平窟野河流域水资源配置（考虑南水北调西线工程） 万m³

5.3 特殊干旱年多水源应急调配策略

分析发现，2030 年水平窟野河流域缺水量为多年平均缺水量的1.2倍，特殊干旱年份缺水形势将对流域经济社会发展和生态环境产生深刻的影响。因此，综合考虑流域特点，提出流域应急水资源调配策略：压缩需求、挖掘供水潜力、增强水资源应急调配能力、制定应急预案等[27]。

（1）压缩需求。为保证居民生活和重要行业部门合理用水需求，在发生特殊干旱等极端事件时，通过采取适当减少或暂时停止部分其他用户的供水，同时减少河道内生态环境用水。

（2）挖掘供水潜力。适当增加开采浅层地下水和深层承压水；利用供水工程在紧急情况下可动用的水量，适当增加黄河干流引水水量；对于水质要求不高的用水部门，适当调整新鲜水和中水、疏干水的供水比例，增加中水及疏干水供水量以替代新鲜水的供水量等。

（3）增强水资源应急调配能力。推进城镇和重要工业园区双水源和多水源建设；加强水源地之间和供水系统之间的联网，便于进行联合调配；积极安排与建设应急储备水源。

（4）制定应急预案。制定特枯水年和连续枯水段等紧急情况下的供水量分配方案和水量调度预案，制定重要水库与供水工程应急供水调度预案。