基于节水优先和工程布局调整的塔里木河流域节水潜力

白 涛,刘 东,李 江,黄 强,巨 驰,洪良鹏

(1. 西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西 西安 710048；2. 新疆水利水电规划设计管理局,新疆 乌鲁木齐 830000)

中国是一个人口众多的发展中大国,特殊的自然地理、水文气候和特定的发展阶段,使得水安全已成为决定当前及今后一段时期中国经济社会高质量发展和生态文明建设等重大战略成败的关键之一[1]。受制于水资源禀赋条件和不合理的开发利用方式等影响,中国水安全保障存在的不均衡、不协调、不充分、不可持续等问题十分突出,部分流域和区域水资源水环境承载能力达到瓶颈,河湖生态环境恶化问题凸显[2]。针对上述问题,中国以“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路为指导,系统谋划水资源开发利用格局,优化水库调度和水资源配置的分区对策,全面保障新发展阶段水利事业的高质量发展[3]。

针对节水优先和水安全保障,国内外学者开展了诸多水库调度和水资源配置研究。国外针对水库生态调配的研究始于20世纪70年代。1977年,Schluter[4]提出了水库在满足人类社会经济用水的同时,需要兼顾河流的生态多样性；1987年,美国田纳西河流域管理局推动了一项流域水库综合评估项目,通过对流域内20座水库实行联合调配,修正了原有以航运、防洪、发电为目标的田纳西流域法案,开始兼顾水环境和栖息地等生态需求[5]；1996年、2004年、2008年,美国在科罗拉多河上开展了3次人造洪水试验,通过格伦峡谷大坝调度制造人造洪水过程,将河床中的泥沙搬运并沉积至被严重冲刷的下游河滩和沙洲,重新塑造了大峡谷内河道的自然地貌特征和生态环境功能,促进了河谷林草生长和鱼类繁殖[6- 8]。国内从20世纪80年代起开始围绕防洪[9- 11]、灌溉[12]、航运[13]、发电[14- 15]和生态[16- 17]等目标,开展水库生态调配研究。针对黄河泥沙淤积严重、水沙关系[18- 19]不协调等问题,从2002年起,以小浪底水库为主,联合三门峡、故县、陆浑和万家寨等水库开展了调水调沙联合调配,改善了河道的水沙条件,增加了滨河湿地和河口三角洲的泥沙补给量和生态补水量,促进了黄河下游的生态修复[20- 21]；围绕长江流域鱼类种群保护,从2011年起,三峡水库开展了“四大家鱼”生态调度试验,通过加大泄量营造长江中游河段持续涨水过程,促进了鱼类自然产卵繁殖[22- 23]；针对额尔齐斯河和塔里木河植被修复与保护,邓铭江等[24]和白涛等[25]分别提出了生态系统漓漫灌溉技术和汊渗轮灌技术,构建了水库调配与生态灌溉耦合的新模式,为中国北方干旱区流域生态修复提供了重要的理论支撑和应用范例[26]。

干旱缺水是南疆地区的现状,水资源严重短缺加剧了南疆生产用水与生态用水之间的矛盾,大大限制了当地农牧业发展,严重威胁着新疆“丝绸之路经济带核心区”的生态文明建设,开源节流成为南疆地区发展的核心。因此,本文以塔里木河流域三源流阿克苏河、叶尔羌河、和田河及其干流(以下简称“三源一干”)为研究对象,建立塔里木河流域水库群大尺度联合调配模型,揭示水库群联合调配规律,探讨干流平原水库群布局调整的可行性,挖掘节水潜力与河道外生态供水潜力,以期为保障南疆地区水安全和生态安全提供理论与技术支撑。

1 研究区域概况及生态问题

1.1 研究区域概况

本文以塔里木河流域为研究区域,如图1所示。塔里木河是中国第一大、世界第五大内陆河,流域总面积约106万km2,占中国国土总面积的9.41%,由47%的山区、22%的平原和31%的沙漠组成,干流全长1 321 km,年均降水量仅为60 mm,年均蒸发量3 000 mm以上,地处极端干旱区,生态系统脆弱。

图1 塔里木河流域概况Fig.1 Overview of Tarim River basin

1.2 重大工程布局规划

(1) 灌溉工程布局规划。2019年现状水平年,干流高效节水灌溉面积共8 267 ha,综合灌溉水利用系数0.39,农业灌溉总需水量10.35亿m3。2035年远景水平年,高效节水灌溉面积达到38 667 ha,三级渠道防渗基本完成,综合灌溉水利用系数达到0.55,农业灌溉总需水量6.18亿m3,比现状水平年减少4.17亿m3。

(2) 水利工程布局规划。2019年现状水平年,源流区已建的大型山区水库有叶尔羌河的AETS水库和和田河的WLWT水库；2035年远景水平年,源流区新增的大型山区水库有阿克苏河的DSX水库和AK水库,和田河的YLKS水库和PNZ水库。在不同水平年,干流区平原水库群规模均维持不变,总调节库容为2.00亿m3。干流平原水库主要包括结然力克、大寨、其满、帕满、喀尔曲尕和塔里木等水库。

1.3 主要生态问题

20世纪50年代以来,随着水利工程建设和大规模农业开发,塔里木河流域水资源时空分布格局已发生显著改变,干流来水急剧减少,下游河道大范围断流,地下水水位持续下降、矿化度不断上升,尾闾台特玛湖严重萎缩,胡杨、柽柳大面积枯亡,生态系统遭到严重破坏。同时,由于径流年内和年际变化大,干流区极端干旱、蒸发强烈,导致部分年份平原水库和台特玛湖水域面积过大,大量宝贵的生态水被无效地蒸发渗漏,水资源浪费现象严重。

针对流域内农业用水挤占生态用水、干流生态系统退化以及水资源浪费严重等问题,亟需开展基于节水优先的塔里木河流域水库群联合调配和平原水库布局调整研究,对流域水资源开发利用进行科学、可持续的顶层设计,优化流域尺度内的生活- 生产- 生态“三生空间”格局,改善和修复流域生态系统,提高生态水的利用效率,实现水资源综合效益的最大化。

2 水库群联合调配模型的建立与求解

2.1 联合调配依据

水库群联合调配需综合考虑水库自身的调配任务和干流各行业需水要求。对于源流区山区水库群,优先通过“以需定供”方式进行调配,向干流供水；若水库群库容不足,则在保证安全运行的前提下,最大程度地为干流提供水量。对于干流各供水区间,首先满足工业生活需水(设计保证率95%),其次满足河道内生态基流(设计保证率90%)以及大西海子水库多年平均下泄3.50亿m3的生态水量要求,然后满足农业灌溉需水(设计保证率75%),最后满足河道外生态需水(设计保证率50%)。如果来水量大于需水量,多余水优先充蓄各源流区山区水库,再充蓄各干流平原水库,若平原水库都充满则多余水用于生态供水。水库群中长期联合调配以1958年5月至2019年4月共61 a为调配期,以月为计算时段。

2.2 流域系统网络节点图构建

以流域内重要水利工程和关键控制断面为节点,确定了“三源一干”水库群联合调配格局,绘制了塔里木河流域水库群调配节点图,如图2所示。

图2 塔里木河流域水库群调配节点Fig.2 Node diagram of the operation and allocation of reservoir group in Tarim River basin

2.3 基本资料

塔里木河流域“三源一干”水库群生态调配研究所需资料包括工程资料、径流资料和需水资料等。工程资料主要包括DSX、AK、AETS、PNZ、WLWT、YLKS等山区水库以及结然力克水库、大寨水库、其满水库、帕满水库、喀尔曲尕水库和塔里木水库等干流平原水库的水库特征参数。

所有资料均由新疆塔里木河流域管理局提供,包括径流资料、需水资料、河道和水库群损失系数资料等，其中，径流资料主要有阿克苏河协和拉、沙里桂兰克，叶尔羌河卡群、伊尔列黑、库鲁克栏杆、玉孜门勒克(江卡)，和田河同古孜洛克、乌鲁瓦提等水文站1958—2019年共61 a月尺度径流资料；需水资料包括2019年现状水平年和2035年远景规划水平年的工业、生活、农业灌溉、河道外生态及生态基流的需水资料,各水平年塔里木河干流区间行业需水见表1；河道和水库群损失系数见表2。

表1 各水平年塔里木河干流区间行业需水

表2 河道和水库群损失系数

2.4 调配模型的建立与求解

在满足流域水资源综合利用的原则下,兼顾工业生活、农业灌溉、河道内生态基流及河道外生态供水等目标,建立塔里木河“三源一干”水库群中长期模拟和优化调配模型。

2.4.1 模拟模型

以流域内水量平衡为原则,建立兼顾工业生活、农业灌溉、河道内生态基流及河道外生态供水等综合利用目标的中长期模拟调配模型,旨在获得各综合利用目标合理的供水量及其供水保证率。水资源调配的模拟模型以流域水量平衡方程为基础:

(1)

式中:WC(n,t)、WR(j,t)、WG(i,t)、Wout(j,t)、ΔW(m,t)、ΔV(n,t)分别为水库出库水量、支流来水量、各行业的供水量、断面下泄水量、河段损失水量和水库蓄放水量,亿m3；n为水库编号；m为支流编号；i为用水单元编号；j为断面编号；t为调配时段编号。

约束条件:

(1) 水库水量平衡约束

WL(n,t)=WG(n,t)±WXF(n,t)+WS(n,t)

(2)

(2) 库容约束

Vmin(n)≤V(n,t)≤Vmax(n)

(3)

(3) 供水约束

用水行业QG(i,t)≤QX(i,t)

(4)

生态基流QGS(t)≤QXS(t)

(5)

(4) 出力约束

Nmin(n)≤kele(n)Qele(n,t)Hele(n,t)≤Nmax(n)

(6)

(5) 变量非负约束

式中:WL(n,t)、WG(n,t)、WXF(n,t)、WS(n,t)分别表示水库来水量、供水量、蓄放水量和水库损失水量,亿m3；Vmin(n)、Vmax(n)分别为水库的最小库容和最大库容,亿m3；QG(i,t)、QX(i,t)分别为供水量、需水量,亿m3；QGS(t)、QXS(t)分别为生态基流供水量、需水量，亿m3；kele(n)、Qele(n,t)、Hele(n,t)分别为水电站出力系数、发电流量、发电水头；Nmin(n)和Nmax(n)分别为水电站出力的下限和上限。工业生活、农业灌溉、河道外生态供水量、河道内入流水量均为非负值。

按照水资源调配依据,采取人机对话模拟优化算法[27]求解模型。模型求解思路如下:

(1) 输入流域基本资料,包括长系列径流资料、水库特征参数资料、水资源综合利用资料等。

(2) 根据水库运行规则和供水优先次序进行某一年的模拟计算。

(3) 若来水量满足流域的用水需求,多余水量优先充蓄各源流区山区水库,再充蓄干流各平原水库,若平原水库都充满则多余水用于生态供水；若来水量不能满足流域的用水需求,按照水库运行规则有序进行蓄泄水量补充各行业供水；若还不能满足流域用水需求,则按照供水优先次序,从后往前进行破坏。

(4) 检测约束条件是否满足,再进行下一年计算,重复上述步骤(2)、步骤(3)。

(5) 统计长系列计算结果,判别调度目标及其保证率,若不满足,重新回到水库群模拟调度计算步骤进行计算,直到满足所有目标、约束为止。

(6) 输出最终统计值,计算结束。

2.4.2 优化模型

以流域内损失水量最小为目标函数,建立兼顾工业生活、农业灌溉、河道内生态基流、河道外生态供水等综合利用目标的中长期优化调配模型。

(7)

式中:Wloss为干流损失水量；Wh，i，t为河道过水量；Kh,i,t为河道损失系数；Wk,n,t为水库蓄水量；Kk，n，t为水库损失系数。优化模型的约束条件与模拟模型一致,不再赘述。

该优化模型所涉及的水库数目多、时间尺度长,属于大规模、多约束、非线性的复杂优化问题。因此,本研究采用人工智能算法中应用较为广泛的遗传算法[28]求解水库群长系列优化调配模型。

2.5 联合调配方案设置

考虑到塔里木河“三源一干”水库群的调蓄能力、模型及其计算方法的不同,本文在2019年现状水平年和2035年远景水平年需水情景下分别设置了3种不同情景的调配方案进行研究,情景设置如表3所示。

表3 水库群调配方案设置

3 调配结果分析

将1958年5月至2019年4月共61 a长系列径流资料输入水库群联合调配模型,基于3种水库群调配情景和不同水平年干流需水方案,开展水库群长系列联合调配研究。由于恰拉至大西海子水库区间缺少年内需水数据,该区间仅按照红线引水量进行多年平均供水量计算,不参与干流水资源配置。

3.1 2019年现状水平年

经过61 a长系列水库群联合调配计算,2019年现状水平年塔里木河干流各行业供水保证率和损失水量情况如表4所示,干流多年平均生态供水情况如表5所示。

表4 现状水平年塔里木河干流各行业供水保证率和损失水量情况

表5 现状水平年塔里木河干流河道外生态供水量和大西海子下泄水量

由表4和表5可知:

(1) 现状水平年各情景联合调配结果均不理想,除大西海子水库下泄(年均下泄3.50亿m3)和工业生活供水满足设计要求外,生态基流、农业灌溉、河道外生态等的供水保证率均存在部分区间不满足设计要求。

(2) 与情景一相比,情景二中干流损失水量减少0.49亿m3,河道外生态供水总量增加0.23亿m3,且生态基流、农业灌溉、河道外生态等供水保证率均有提高,即山区水库的修建运行缓解了农业用水挤占河道外生态用水问题,提高了塔里木河干流水资源配置结果。

(3) 与情景二相比,山区水库群与干流平原水库群联合优化调配(情景三)可以进一步提高干流水资源配置结果。其中,生态基流、农业灌溉、河道外生态等供水保证率均小幅度提高,干流损失水量减少0.16亿m3,河道外生态供水总量增加0.08亿m3,可以看出优化调配对干流水资源配置结果的影响有限。

综上所述,在2019年现状水平年,由于干流农业需水量大,虽能满足大西海子水库多年平均下泄3.50亿m3生态水量要求,且随着山区水库的修建运行和调配方式的改变,调配结果有所提高,但水资源配置情况均不理想,农业灌溉用水挤占河道外生态用水现象严重。原因有二:一是农业灌溉需水量大；二是源流区山区水库总调节库容较小,对干流的调节能力有限。因此,亟需修建更多大型山区水库,提高对流域水资源的综合调控能力,并大力推广农业节水灌溉,缓解农业灌溉用水挤占生态用水的现象,推进塔里木河流域生态保护与生态文明建设。

3.2 2035年远景水平年

到2035年远景水平年,塔里木河干流区扩大了农业节水规模,且源流区山区水库均建设完成并投入运行。由61a长系列水库群联合调配结果可得,远景水平年塔里木河干流各行业供水保证率和损失水量情况如表6所示,干流多年平均生态供水情况如表7所示。

表6 远景水平年塔里木河干流各行业供水保证率和损失水量情况

表7 远景水平年塔里木河干流河道外生态供水量和大西海子下泄水量

由表6和表7可知:

(1) 相较于干流平原水库群调配(情景一),山区水库群参与调配(情景二和情景三)可明显增加干流河道外生态供水量,并能有效控制大西海子水库下泄保持在3.50亿m3生态供水要求附近,避免大量生态水注入尾闾台特玛湖形成无效的蒸发渗漏损失。

(2) 在情境一中,与现状水平年相比,农业灌溉和河道外生态供水保证率均大幅度提高,河道外生态供水总量增加0.67亿m3,缓解了农业灌溉用水与生态用水之间的矛盾；但仍存在部分区间生态供水被破坏的现象,说明仅靠实施高效节水灌溉是无法彻底解决塔里木河干流生态供水短缺的问题。

(3) 在情景二和情景三中,通过山区水库参与调配与实施高效节水灌溉,干流各区间各行业的供水保证率均满足设计要求,损失水量大幅减少,河道外生态供水总量显著提高,体现了山区水库群显著的调控性能和“节水优先”治水方针的合理性及可靠性。

综上所述,在2035年远景水平年,通过流域水库群联合调配与实施农业高效节水灌溉,在满足各行业供水设计要求的前提下,合理调控了大西海子水库下泄水量,大幅增加了河道外生态供水量,实现了流域水资源的科学调控与高效利用,为优化平原水库工程布局提供了可行性和调整空间。

3.3 节水潜力分析

考虑干流损失水量的减少量和源流区水库群蓄水量的增加量,各调配情景下多年平均节水量如表8所示。从2019年现状水平年到2035年远景水平年,干流损失水量明显增加,主要原因在于农业高效节水工程建设使得干流总需水量大幅减少,同时平原水库群调节库容有限、无法完全存蓄多余水量,导致河道中部分水量无法被有效利用,进而增加了损失水量。但是,从情景一到情景三,干流损失水量逐渐下降,山区水库群蓄水量逐渐增加,体现了山区水库群调配的节水作用。

表8 不同情景、水平年的水库调度节水效果比较

在2019年现状水平年,由于大型山区水库数量较少且调控能力有限,节水效果不明显,相较于干流平原水库群调配(情景一),源流与干流水库群模拟(情景二)和优化(情景三)调配下的节水量分别仅为0.49亿m3和0.69亿m3。到2035年远景水平年,由于源流区山区水库群已具备较强的调控能力,相较于干流平原水库群调配,源流与干流水库群模拟和优化调配下节水量分别为1.83亿m3和2.46亿m3,山区水库群调配的节水效果突出；并且优化调配比模拟调配的节水量多34%,优化调配充分挖掘了源流区水库群的节水潜力；同时,在2.46亿m3的节水潜力中,仅4%的节水量来自于水库群蓄水量的增加量,而96%的节水量来源于干流损失水量的减少量,表明节水的关键在于降低干流河道内、平原水库库区和大西海子水库下泄中无效的蒸发渗漏损失水量。

3.4 山区水库替代平原水库策略

2035年远景水平年,通过山区水库群和平原水库群的联合调配,塔里木河干流工业生活供水保证率达到100%、生态基流保证率超过90%、农业灌溉供水保证率超过80%、河道外生态供水保证率超过67%,完全满足各行业供水的设计保证率要求,论证了山区水库部分替代或完全取代平原水库的可行性。

针对塔里木河干流的结然力克、大寨、其满、帕满、喀尔曲尕和塔里木6座平原水库,采用山区水库部分替代平原水库调蓄功能的方案,削减部分平原水库兴利库容,减少平原水库的蒸发损失,实现节水目标。通过对平原水库库容削减比例进行优化计算,得到平原水库布局优化调整方案及其节水量,如表9所示。

表9 塔里木河干流平原水库布局优化调整方案

经优化计算,在2035年远景水平年条件下山区水库替代平原水库布局调整与未调整结果对比如表10所示。

表10 替代平原水库的布局调整与未调整结果对比

由表10对比可知,干流平原水库布局调整后相较于干流各区间农业灌溉供水虽整体减少,保证率下降,但仍满足75%的供水设计保证率要求；干流各区间河道外生态供水量均增加,保证率整体上升,损失水量下降,与“节水优先”治水方针相呼应,因此平原水库替代方案具有可行性,从调度计算结果来看具有可靠性,在2035年远景水平年条件下山区水库替代平原水库布局调整方案如下:

(1) 阿拉尔—新其满:结然力克、大寨、其满水库的兴利库容均削减17%；

(2) 新其满—英巴扎:帕满水库的兴利库容削减33%；

(3) 英巴扎—阿其克:喀尔曲尕和塔里木水库兴利库容削减100%,可完全取代。

阿拉尔—新其满区间,结然力克、大寨、其满3座平原水库是三源流来水汇入干流的关键调节工程,在干流联合调配和水资源配置中发挥着重要作用,故这3座水库的库容削减比例小,仅为17%；新其满—英巴扎区间,该地区农业灌溉和河道外生态用水量巨大,帕满水库的库容大且供水任务重,故库容削减比例较小,为33%；英巴扎—阿其克区间,喀尔曲尕和塔里木水库的库容较小且供水任务较轻,其调蓄功能可被源流区山区水库完全取代,故这2座水库的库容削减比例为100%。若采用该工程布局调整方案,可在满足干流各行业供水设计要求和大西海子水库3.50亿m3下泄水量要求的前提下,有效减少平原水库的蒸发损失,多节约水资源0.21亿m3。

在上述平原水库工程布局调整下,以塔里木河干流农业灌溉供水量最大和河道外生态供水量最大为目标,开展“三源一干”水库群长系列多目标优化调配研究,获得干流农业灌溉与河道外生态之间的供水胁迫关系,挖掘河道外生态供水潜力,如图3所示。

图3 干流农业灌溉与河道外生态间的供水胁迫关系Fig.3 Water supply tradeoffs between agricultural irrigation and off river ecology in the mainstream

由图3可知,塔里木河干流农业灌溉供水与河道外生态供水间存在明显的线性胁迫关系。在满足其他行业供水基本要求的前提下,农业灌溉(或河道外生态)供水总量每增加1个单位,河道外生态(或农业灌溉)供水总量就需要相应减少约1个单位。其中,农业灌溉最大可供水量为6.146亿m3,河道外生态最大可供水量为15.220亿m3,充分挖掘了干流河道外生态供水的潜力。

4 结 论

本文以塔里木河流域“三源一干”为研究对象,考虑源流区山区水库群、干流区平原水库群以及各行业用水需求,建立了塔里木河流域水库群大尺度长系列联合调配模型,揭示了水库群联合调配规律,探讨了山区水库替代平原水库布局调整的可行性,挖掘了节水潜力与河道外生态供水潜力,主要结论如下:

(1) 在2019年现状水平年,由于山区水库群规模小而干流农业需水量大,3种调配情景下水资源配置情况均不理想,农业灌溉用水挤占河道外生态用水现象严重,亟需建成已规划的源流山区水库群并进一步推广农业节水灌溉。

(2) 到2035年远景水平年,流域水库群联合调配在满足干流各行业用水需求的同时,增加了河道外生态供水量,合理调控了大西海子水库下泄水量,大幅降低了干流损失水量,体现了山区水库群显著的调控性能和“节水优先”治水方针的合理性及可靠性。

(3) 在远景水平年规划水平下,流域水库群联合调配的节水潜力为2.46亿m3,其中节水量的96%来自干流损失水量的减少量,表明节水的关键在于降低干流河道内、平原水库库区和大西海子水库下泄中无效的蒸发渗漏损失。

(4) 针对塔里木河干流平原水库群,制定了山区水库替代平原水库布局调整方案,即结然力克、大寨、其满、帕满、喀尔曲尕和塔里木等6座平原水库的库容分别削减17%、17%、17%、33%、100%、100%。在保证水资源配置要求的前提下,该方案可有效减少平原水库的蒸发损失,多节约水资源0.21亿m3,并最多可向干流河道外生态供水15.220亿m3,达到河道外生态需水总量的94%。