瑪納斯河流域水資源優(yōu)化配置系統(tǒng)研究

汪世國

（新疆水利廳瑪納斯河流域管理處 石河子 832000）

1 瑪河流域概況

1.1 自然地理概況

瑪河流域位于天山北麓準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地處天山北坡經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)核心地帶，流域面積1.98萬km2。該流域遠(yuǎn)離海洋、氣候干燥，屬于典型的大陸性氣候，光、熱、水資源豐富，有利于農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。

瑪河流域內(nèi)有石河子市、昌吉州瑪納斯縣、塔城地區(qū)沙灣縣、克拉瑪依市的16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)八師、農(nóng)六師新湖總場(chǎng)的15個(gè)大型國營農(nóng)場(chǎng)。其中，還包括天山電力股份有限公司、天富熱電股份有限公司紅山嘴發(fā)電廠等工業(yè)企業(yè)。灌區(qū)總?cè)丝?0萬，灌溉面積26.7萬hm2，工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值284億元，現(xiàn)已成為國家重要的糧棉糖生產(chǎn)基地，是自治區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的地區(qū)。

1.2 流域工程現(xiàn)狀

瑪河流域經(jīng)過50余年的開發(fā)治理，已形成引、蓄、輸水設(shè)施比較完善的以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪、發(fā)電等多種功能的供水體系。河水、庫水、井水和泉水一脈相通，是新疆乃至全國水資源利用率較高、灌溉管理水平較先進(jìn)的灌區(qū)之一。瑪河流域水利工程系統(tǒng)，由上游的引水樞紐、中游的平原水庫、下游的輸水渠系三部分組成。目前瑪河上已建成攔河引水樞紐2座，大中型平原水庫6座，設(shè)計(jì)總庫容4.7億m。在瑪河上已建成徑流式梯級(jí)電站5座，總裝機(jī)107MW，年發(fā)電量4.5億kW·h。一座裝機(jī)123MW的天山電力股份有限公司特大型火力發(fā)電企業(yè)，目前裝機(jī)2×660MW的四期空冷燃煤發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目正在投入建設(shè)中。

2 問題的提出及研究背景

2.1 從全球水資源危機(jī)來看，急需對(duì)國家和地區(qū)進(jìn)行水資源可持續(xù)利用研究

當(dāng)今世界面臨著人口、資源與環(huán)境三大問題，水是人類賴以生存和發(fā)展不可替代的寶貴資源，是保障國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展的重要基礎(chǔ)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源短缺己成為全球性危機(jī)。中國是世界人口大國，但人均淡水資源卻很貧乏，這就更需要我們進(jìn)一步對(duì)水資源進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃、科學(xué)管理，特別要重視水資源的合理配置、高效利用和保護(hù)，只有這樣才能為水資源的合理開發(fā)利用提供依據(jù)。因此，如何合理利用水資源已成為全球性問題，也是水資源領(lǐng)域當(dāng)前和未來的重大課題。

2.2 從瑪河流域水資源管理問題看，急需解決流域水資源綜合配置問題

瑪納斯河在開發(fā)過程中取得了輝煌成績(jī)，但也暴露出許多水資源管理中現(xiàn)存的問題，這些問題隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展而日益突出。

a.瑪河流域由于面積大，用水單位多，存在兵地、軍地、地地的復(fù)雜用水關(guān)系，目前采用分級(jí)管理模式，即流域（河系）、市（縣）、團(tuán)場(chǎng)（鄉(xiāng)）三級(jí)。雖然流域內(nèi)現(xiàn)有較完整的引、蓄、調(diào)、泄水利工程，但作為水行政主管部門的瑪河流域管理處，所轄工程只有1座引水樞紐和1條18km長(zhǎng)的輸水總干渠，水資源調(diào)控手段極為有限。

b.雖然相關(guān)的法律法規(guī)明確了流域機(jī)構(gòu)在水資源管理的主體法律地位，但執(zhí)行起來十分困難，政令難以暢通，各自為政，形成“多龍治水、多龍管水”的局面。另外，地下水又是分割管理和開發(fā)的，形成了地表水與地下水開發(fā)不協(xié)調(diào)、流域上下游用水矛盾難以解決的水資源利用格局，嚴(yán)重影響了流域的可持續(xù)發(fā)展。

c.缺乏與時(shí)代相適應(yīng)的管理機(jī)制，致使水利工程不能充分發(fā)揮作用。隨著我國市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的空前發(fā)展，水利行業(yè)在長(zhǎng)期計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)期留下的痼疾一時(shí)無法抹去，特別是在水資源配置方面，還按照計(jì)劃實(shí)施配置，未充分考慮水資源利用效率，導(dǎo)致水資源配置率長(zhǎng)期低下。

2.3 水資源開發(fā)利用不合理，流域生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞

瑪河流域解放前耕地面積只有1.3萬hm2，經(jīng)過了50多年的建設(shè)，灌溉面積已發(fā)展為2008年的26.7萬hm2，農(nóng)業(yè)灌溉用水量占全流域總用水量的90%以上?，敽庸鄥^(qū)近年來大量采用了先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)，但節(jié)約下來的水又進(jìn)行了土地開發(fā)，這種發(fā)展趨勢(shì)必然會(huì)使資源性缺水日趨顯現(xiàn)，并帶來一系列不良后果?，敿{斯湖曾與羅布泊齊名，是獨(dú)特的沙漠之湖，豐水期最大面積超過1000km2。20世紀(jì)50年代末以來，由于瑪河兩岸修建大量截水引水工程發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)，除發(fā)生特大洪水有水流入瑪納斯湖外，流道處于斷流狀態(tài)?，敿{斯湖的消失造成數(shù)十種珍稀的沙漠物種消失，使石河子綠洲邊緣的生態(tài)環(huán)境日趨惡化，給鄰近地區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活造成了難以估量的損失。因而全面開展節(jié)水型建設(shè)，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置，成為整個(gè)流域建設(shè)和管理的當(dāng)務(wù)之急。

因此，瑪河流域通過工程手段、行政手段、經(jīng)濟(jì)手段和科技手段等措施，對(duì)流域內(nèi)有限的水資源進(jìn)行優(yōu)化配置科學(xué)調(diào)度，使河水、水庫聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，做到河水、庫水、井水統(tǒng)一調(diào)配，最大限度解決流域內(nèi)水資源時(shí)空分布不均和供需水之間的矛盾，這對(duì)協(xié)調(diào)流域生態(tài)建設(shè)、人民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)流域可持續(xù)發(fā)展，具有十分深遠(yuǎn)的意義。

3 供需水平衡分析

基于社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境及其水資源工程的發(fā)展目標(biāo)，分析瑪河流域水資源的供需狀況，為水資源優(yōu)化配置提供理論依據(jù)。我們對(duì)瑪河流域各灌區(qū)的供水和需水進(jìn)行了全面的分析，得出瑪河流域保證率P=75%的供水量為14.969億m3，保證率P=50%的供水量為16.014億m3。瑪河流域現(xiàn)狀年需水量為18.604億m3，其中，生態(tài)需水0.700億m3，生活需水0.393億m3，工業(yè)需水1.056億m3，農(nóng)業(yè)需水16.455億m3，占總需水量的88%，所占比例較大。

從目前瑪河流域的現(xiàn)狀看，保證率P=75%的年份缺水量為3.635億m3，保證率P=50%的年份缺水量為2.590億m3。因此應(yīng)對(duì)流域內(nèi)的水資源進(jìn)行優(yōu)化配置和科學(xué)調(diào)度，使有限的水資源能最大限度地滿足生產(chǎn)、生活需要。

4 瑪河流域水資源優(yōu)化配置系統(tǒng)研究

4.1 水資源系統(tǒng)組成

流域水資源的分配，是通過水資源配置系統(tǒng)完成的，它是水資源優(yōu)化配置研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。水資源配置系統(tǒng)一般由四個(gè)部分組成：水源系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)、用水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)。水資源的配置過程可描述為：水資源配置系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)輸入的信息，水資源系統(tǒng)通過輸水系統(tǒng)將水分配到各個(gè)用水部門，然后由用水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)反饋信息給水資源分配系統(tǒng)。如此反復(fù)，直到得到最優(yōu)配置結(jié)果。

4.2 水資源優(yōu)化配置模型的選取

瑪河流域內(nèi)輸水渠道與水庫基本構(gòu)成了一個(gè)調(diào)配水效率較高的配水系統(tǒng)?！冬敿{斯河流域管理章程》則按行政隸屬關(guān)系，將流域農(nóng)業(yè)用戶劃分為農(nóng)八師石河子市、瑪納斯縣、新湖總場(chǎng)、沙灣縣等四大用水單位。我們所建立模型的主要目是模擬流域水資源的時(shí)空分布，定量評(píng)估或預(yù)測(cè)各種水資源分配策略下流域各灌區(qū)的需水滿足情況，為管理者的決策提供依據(jù)。該模型必須滿足適用性和實(shí)用性兩個(gè)基本要求，但實(shí)際操作相當(dāng)復(fù)雜。具體表現(xiàn)在：面臨一個(gè)來水流量就要把水分下去，但分水并不在同一個(gè)斷面上，需要估計(jì)干渠輸水損失；各個(gè)時(shí)刻各個(gè)灌區(qū)需水與其作物結(jié)構(gòu)有關(guān)，每個(gè)灌區(qū)作物結(jié)構(gòu)不同，需水過程也不同，需要隨時(shí)測(cè)算已分配的水量是否超標(biāo)；對(duì)有調(diào)蓄工程與無調(diào)蓄工程的灌區(qū)，配水過程有所不同。因此，瑪河流域管理系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，經(jīng)分析國內(nèi)外與此情況相適應(yīng)的模型，認(rèn)為加拿大的WRMM模型作為瑪河流域水資源配置系統(tǒng)的基礎(chǔ)比較合適。

4.2.1WRMM模型簡(jiǎn)介

WRMM模型是加拿大阿爾伯特省環(huán)境署完成的水資源管理模型，該模型一直用于阿爾伯特省環(huán)境保護(hù)署的灌溉取水許可決定、河流分水、水庫運(yùn)行和項(xiàng)目可行性分析中，還一直被用作預(yù)測(cè)干旱年各季節(jié)不同運(yùn)行策略的響應(yīng)分析工具。

4.2.2WRMM模型功能

模型可以模擬現(xiàn)狀或規(guī)劃的流域水分配和供水方案，它可以反映下述物理過程：

a.來自水庫、渠首的供水，當(dāng)?shù)貜搅骱蛷搅鞯南嗷マD(zhuǎn)換。

b.水庫蓄水、泄水、降水與蒸散發(fā)。

c.天然河流與引水渠道。

d.有回歸水或沒有回歸水的農(nóng)田灌溉。

e.水電站。

f.城市與大工業(yè)等有河道排水的大量取水需求。

g.農(nóng)村與小型生產(chǎn)企業(yè)的無河道排水的零星取水需求。

4.2.3WRMM產(chǎn)生下面的輸出結(jié)果

a.渠道流量過程，以m3/s為單位。

b.水庫水位過程，以m為單位。

c.電站出力過程，以MW為單位。

d.大宗或小量的耗水量過程，以為m3/s單位。

e.以mm為單位表示的灌區(qū)耗水量過程。

f.以m3/s為單位表示的退水過程。

4.2.4WRMM模型結(jié)構(gòu)

模型由模擬模塊、輸入?yún)?shù)與數(shù)據(jù)程序、標(biāo)準(zhǔn)輸出模塊組成，WRMM模型需要4套數(shù)據(jù)模擬水資源系統(tǒng)：

a.模擬水資源系統(tǒng)的定義數(shù)據(jù)，如河段劃分、水庫特性、灌區(qū)面積、控制性建筑物出流關(guān)系等。

b.定義運(yùn)行策略的優(yōu)先權(quán)，指優(yōu)先權(quán)高低順序。

c.供水?dāng)?shù)據(jù)，如河道來水、降水等。

d.需水?dāng)?shù)據(jù)，如灌區(qū)需水量、生活需水量等。

4.3 水資源優(yōu)化配置系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)則

為了合理開發(fā)和利用灌區(qū)水資源，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)等諸多因素，制定如下供水系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)則：

a.系統(tǒng)安全運(yùn)行規(guī)則。地表水庫要在確保工程安全條件下運(yùn)行，其蓄水位不得超過最高允許蓄水位的限制，汛期水庫的蓄水位不得高于防洪汛限水位，對(duì)各種水利工程、河道的操作都必須控制在設(shè)計(jì)或規(guī)定的安全范圍之內(nèi)。

b.用水部門相互關(guān)系規(guī)則。需水要求滿足的次序可以從需水的行業(yè)、時(shí)間、空間三方面來分析，從某種程度上看與供水高效性原則是相符的。在時(shí)間方面，農(nóng)作物生長(zhǎng)期需要的關(guān)鍵水要優(yōu)先保障；在空間方面，用水效益高的地區(qū)要優(yōu)先滿足。

c.地表水與水庫蓄水供水原則。先通過引水渠道引水，引水盡量從庫外走水；首先滿足灌區(qū)用水后，余水蓄庫，虧水由水庫放水補(bǔ)充。當(dāng)來水大于需水時(shí)，水庫滿足需水后蓄余水；當(dāng)來水小于用水時(shí)，水庫放水以滿足需水。

d.用水和供水原則。灌溉季節(jié)，先滿足灌溉用水，再向水庫蓄水。

4.4 水資源優(yōu)化配置系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

4.4.1 參數(shù)設(shè)置功能

a.灌區(qū)參數(shù)設(shè)置。灌溉面積、渠道過水流量、閘口配水量、灌區(qū)利用系數(shù)、作物類別等。

b.模型參數(shù)設(shè)置?？蛇M(jìn)行瑪河來水、灌區(qū)實(shí)際用水、電廠計(jì)劃出力用水、城鎮(zhèn)用水、工業(yè)機(jī)動(dòng)水、冬引水、附加水等的設(shè)置。

c.年初水庫水位。

d.灌溉制度編輯。編輯建立每年度、每個(gè)灌區(qū)的灌溉制度。

4.4.2 查詢功能

a.地圖查詢。在地圖上可查詢顯示灌區(qū)、水庫、渠道的位置（居中、閃爍）。

b.流域基本情況查詢?；诘貓D鼠標(biāo)點(diǎn)擊對(duì)象，即可顯示該對(duì)象的基本情況（文字與圖片）。

4.4.3 模型運(yùn)行功能

參數(shù)設(shè)置好后，可選擇計(jì)算年度，運(yùn)行配水平衡模型，系統(tǒng)可自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。

4.4.4 供需水分析功能

a.提供模型計(jì)算的各灌區(qū)供需水平衡一覽表（見圖 1）。

b.提供每個(gè)灌區(qū)的按旬分配的供需水一覽表（見圖 2）。

c.以水量分布圖的形式顯示某灌區(qū)逐年、逐月、逐旬供需水的情況（見圖3）。

5 結(jié)語

我們根據(jù)各用水部門依時(shí)空優(yōu)化準(zhǔn)則和水資源系統(tǒng)安全運(yùn)行規(guī)則，通過水資源優(yōu)化配置模型，以各分區(qū)優(yōu)先級(jí)為基礎(chǔ)，將水量在不同用戶中間分配。同時(shí)以各分區(qū)用水制度為基礎(chǔ)，將各分區(qū)的公共水源結(jié)合本地區(qū)的獨(dú)立水源，在各時(shí)段進(jìn)行最優(yōu)配置，得出瑪河流域水資源的時(shí)空配置結(jié)果，為科學(xué)調(diào)度提供了理論依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)有限水資源的效益最大化，為瑪河流域水資源的可持續(xù)利用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的決策支持。

圖1 各灌區(qū)供需水平衡一覽表

圖2 每個(gè)灌區(qū)按旬分配的供需水一覽表

圖3 1999年6月下旬瑪河流域各灌區(qū)供需水之差（萬m3）分布圖