石羊河流域水資源模擬與合理配置研究

王 磊，符向前，何玉江，楊 錦，王曉軍

（1.甘肅省水利廳石羊河流域水資源利用中心，甘肅武威733000；2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北武漢430072）

1 流域概況

石羊河流域主要由降水和冰川融雪補(bǔ)給，由幾條相對(duì)獨(dú)立的發(fā)源于祁連山的小河流組成，主要包括西大河、東大河、西營(yíng)河、金塔河等。石羊河流域水利關(guān)系如圖1。

圖1 石羊河流域水利關(guān)系圖

2 流域水資源模擬模型概述

水資源模擬模型是指現(xiàn)實(shí)的水力循環(huán)系統(tǒng)在已知的水力公式的基礎(chǔ)上，通過(guò)一些理論假設(shè)得到一個(gè)簡(jiǎn)化的水力結(jié)構(gòu)，然后利用計(jì)算機(jī)技術(shù)等數(shù)學(xué)工具對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述和模擬，以此來(lái)預(yù)測(cè)流域水資源的未來(lái)狀況和解釋流域水資源的一些具體現(xiàn)象。進(jìn)而設(shè)置各種邊界條件，尋求最優(yōu)解或可行解，優(yōu)化水資源配置。本文基于水資源系統(tǒng)復(fù)雜性的特點(diǎn)，將水庫(kù)和河流系統(tǒng)等簡(jiǎn)化為水庫(kù)節(jié)點(diǎn)、匯流點(diǎn)等節(jié)點(diǎn)，用表示引水渠道或河段的連線對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，從而組成一個(gè)流域水資源的物理拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。然后基于該拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)圖，將實(shí)際水資源系統(tǒng)的一些基本規(guī)律抽象為模擬數(shù)學(xué)模型。最后對(duì)模擬模型進(jìn)行運(yùn)算分析，可以得到各節(jié)點(diǎn)的物理指標(biāo)，以及水庫(kù)和河流徑流的變化過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流域水資源信息特征的時(shí)間和空間模擬。

2.1 地表水模型

流域地表水模型的建立是以水量平衡方程為基礎(chǔ)，建立如下水量平衡關(guān)系：

式中：∑W入為全流域入境地表水總量；∑W耗地表耗水量合計(jì)；∑ΔS為全流域地表水蓄水變化總量；W耗為某子區(qū)地表用水水量；W農(nóng)為農(nóng)業(yè)地表用水量；W工為工業(yè)地表用水量；W生活為生活地表用水量；W生態(tài)為生態(tài)地表用水量；i代表第i個(gè)用水單元；j代表第j個(gè)供水單元。

2.2 地下水模型

流域內(nèi)采用中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境地質(zhì)研究所陳崇希教授開(kāi)發(fā)的多邊形三維地下水流差微分軟件PGMS計(jì)算地下水流模型。

在平面上，模型范圍基本包括了自然范圍，但是不包括石羊河流域山區(qū)。剖面以潛水面為頂面，以半膠結(jié)作用下的更新統(tǒng)Q1 的底面為模型底界，一般厚度為100～300 m，最大厚度為500～800 m。

根據(jù)多邊形地下水三維流差分軟件PGMS，結(jié)合石羊河流域?qū)嶋H情況，對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)：

（1）河流（渠系）—地下水補(bǔ)排量的模擬對(duì)于石羊河與地下水的補(bǔ)排關(guān)系、類型的確定及其計(jì)算方法的選擇，根據(jù)河流水位、河流以下弱透水層底面高程及其下的地下水位自動(dòng)判斷完成。

（2）河流、水庫(kù)、渠系和降雨等入滲補(bǔ)給地下水滯后性的刻畫以PGMS軟件中滯后補(bǔ)給權(quán)系數(shù)法來(lái)描述

（3）泉的模擬：當(dāng)泉未干枯時(shí)，以泉口的標(biāo)高為第一個(gè)邊界條件，直接運(yùn)行模型產(chǎn)生泉流量。若求得的流量為正值（表示地下水從泉口得到補(bǔ)給），這不符合物理實(shí)質(zhì)，此時(shí)置流量為零，或去掉該泉口第一類邊界條件，重新求解（嚴(yán)格模擬）。

（4）初始水頭的分布的確定：采用PGMS軟件中的“參數(shù)-初始水頭迭代法”（P-H0法）。

2.3 水庫(kù)調(diào)度

根據(jù)水庫(kù)的基本功能，在計(jì)算時(shí)段，當(dāng)來(lái)水量不能滿足總需水量時(shí)，水庫(kù)予以供水，當(dāng)來(lái)水超過(guò)總需水量時(shí)，水庫(kù)予以蓄水。蓄水考慮汛期與非汛期，汛期水位大于汛限水位時(shí)產(chǎn)生棄水，非汛期水位大于興利庫(kù)容時(shí)產(chǎn)生棄水。

Vt+1=Vt+It-Ot-Et

汛期：Z死≤Z≤Z限

非汛期：Z死≤Z≤Z興

式中：Vt、Vt+1分別為第t和第t+1 時(shí)段初的水庫(kù)蓄水量；It、Ot為水庫(kù)在t時(shí)段的入庫(kù)流量和出庫(kù)流量；Et為t時(shí)段的水庫(kù)蒸發(fā)和滲漏損失水量。Z死為水庫(kù)死水位；Z限為水庫(kù)汛期限制水位；Z興為水庫(kù)興利水位。

2.4 水資源配置

在流域水資源配置過(guò)程中，一般都是根據(jù)按需供水的原則。本文根據(jù)需水優(yōu)先級(jí)和流域用水特點(diǎn)，可將流域水資源分為兩個(gè)配置等級(jí)。第一是滿足工業(yè)用水、生活用水、和基本生態(tài)用水的需求，第二是滿足生態(tài)用水和農(nóng)業(yè)用水的需求。

在缺水的情況下，根據(jù)用水單元的權(quán)重形成不同方式的缺水，即權(quán)重不同時(shí)，首先滿足高權(quán)重水，形成低權(quán)重用水單元。當(dāng)權(quán)重相同時(shí)，根據(jù)各用水單元相同的缺水程度產(chǎn)生缺水。在有余水的情況下，根據(jù)水利拓?fù)鋱D，向下游泄水。

2.5 數(shù)值模型及求解

在建立了概念模型后，采用PGMS 軟件中多網(wǎng)格模型中任意多邊形網(wǎng)格的有限差分法進(jìn)行求解。

（1）地表地下水模型的耦合。石羊河流域的出山河水先經(jīng)過(guò)武威盆地滲漏，轉(zhuǎn)化為地下水，再由地下水排泄到河中，進(jìn)入民勤盆地后，河水反過(guò)來(lái)供給地下水，形成了流域內(nèi)河流和含水層統(tǒng)一的水資源系統(tǒng)。

在地表地下聯(lián)合模擬模型中，我們將河道、渠系概化為線狀源匯，將農(nóng)田灌溉回水、生活工業(yè)污水和地下水開(kāi)采井概化為面狀源匯，將泉作為地下水模擬要素。地表地下聯(lián)合模型在每一計(jì)算時(shí)段的各分區(qū)渠道入滲量、田間灌溉回歸水入滲量、生活工業(yè)污水入滲量，按面狀源平均分配至分區(qū)中的每一結(jié)點(diǎn)上。地下水開(kāi)采量按面狀匯分配至開(kāi)采區(qū)的每一結(jié)點(diǎn)，經(jīng)地下水模型計(jì)算，按分區(qū)統(tǒng)計(jì)該時(shí)段的平均地下水位、泉水、地下水向河水排泄量等，將其作為參數(shù)以供地表水模型調(diào)用，由此實(shí)現(xiàn)地表水地下水模擬的無(wú)縫耦合

（2）模型檢驗(yàn)。為了正確模擬地表水與地下水的轉(zhuǎn)換機(jī)理，本文將模擬模型與歷史數(shù)據(jù)結(jié)合，將歷史水流序列與用水輸入模型，以下游水庫(kù)的水流與地下水動(dòng)態(tài)水位為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整地下水的參數(shù)（滲透性），使模型能正確反映系統(tǒng)地表水和地下水的變化和運(yùn)動(dòng)。

石羊河地表水模擬模型的驗(yàn)證是基于2000年的實(shí)際資料，通過(guò)模擬水資源的開(kāi)發(fā)利用過(guò)程，最終以各水庫(kù)的出庫(kù)過(guò)程和各水庫(kù)2000年實(shí)際調(diào)度方式做對(duì)比，對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖2 黃羊河水庫(kù)模擬供水與實(shí)測(cè)對(duì)比

除了上游水庫(kù)的供水過(guò)程外，模擬模型中下游紅崖山水庫(kù)的來(lái)水是在模擬上游用水、耗水以及分水的基礎(chǔ)上得到的，它與上中游地區(qū)的水資源循環(huán)利用系統(tǒng)密切相關(guān)，并且由于整個(gè)系統(tǒng)的模擬誤差會(huì)累積到計(jì)算末端節(jié)點(diǎn)處，故紅崖山水庫(kù)的來(lái)水間接的反映了整個(gè)模擬模型的正確性和精度。

圖3 古浪河水庫(kù)模擬個(gè)供水與實(shí)測(cè)對(duì)比

除此之外，圖4將實(shí)際月流量與該模型計(jì)算的紅崖山水庫(kù)2000年的旬來(lái)水統(tǒng)計(jì)進(jìn)行了比較驗(yàn)證。結(jié)果表明，2000年紅崖山水庫(kù)模擬入庫(kù)水量為1.14 億m3，實(shí)際入庫(kù)水量為1.34 億m3，年錯(cuò)誤率為0.57%。該結(jié)果說(shuō)明模擬模型的計(jì)算結(jié)值與實(shí)測(cè)值基本一致。

圖4 紅崖山斷面實(shí)測(cè)與模擬來(lái)水對(duì)比

（3）地下水位檢驗(yàn)。在現(xiàn)狀條件下將各觀測(cè)孔的地下水位計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比較，根據(jù)收集的2001年各觀測(cè)孔水頭動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，將模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。對(duì)應(yīng)的模型驗(yàn)證時(shí)段觀測(cè)孔水頭絕對(duì)誤差值統(tǒng)計(jì)如表1所示，對(duì)應(yīng)的模擬水頭與實(shí)測(cè)水頭的關(guān)系如圖5所示。

表1 觀測(cè)孔模擬水頭與實(shí)測(cè)水頭的絕對(duì)誤差值統(tǒng)計(jì)表

圖5 模型驗(yàn)證時(shí)段觀測(cè)孔水頭分布

誤差統(tǒng)計(jì)表明，模型驗(yàn)證時(shí)段ΔH≤1.0 m 的占總對(duì)比數(shù)的56.02%，ΔH≤1.2 m 的占62.39%，總的來(lái)說(shuō)，擬合效果是較好的，模型可信。

3 流域水資源合理配置

3.1 流域現(xiàn)狀水資源分配分析評(píng)價(jià)

根據(jù)水資源多次轉(zhuǎn)化的自然特征，石羊河流域形成了水資源多次利用的模式，但是當(dāng)下暫且沒(méi)有系統(tǒng)的水量分配方案。具體來(lái)說(shuō)，在石羊河上游，通過(guò)修建山水水庫(kù)，將地表水引用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，與此同時(shí)，在這個(gè)過(guò)程中，渠道系統(tǒng)的滲漏和回水又反過(guò)來(lái)補(bǔ)充了地下含水層；石羊河中游平原采用泉水灌溉、井灌和井泉混灌，其滲流與上游余水匯合，再結(jié)合民勤地下水開(kāi)采，實(shí)施地下水和地表水的混合灌溉。利用模型對(duì)上述情況現(xiàn)狀水資源利用水平模擬分析發(fā)現(xiàn)，石羊河上游社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)石羊河水資源開(kāi)發(fā)利用達(dá)到了相當(dāng)高的水平，在多年的平均情況下，中游地表水基本枯竭，流域地下水嚴(yán)重透支，特別是下游。在上、下游地表水和地下水過(guò)度開(kāi)采情況下，石羊河水資源滿足了各縣區(qū)工業(yè)、生活和基本生態(tài)用水的，未出現(xiàn)缺水現(xiàn)象，但各農(nóng)業(yè)區(qū)依然出現(xiàn)缺水現(xiàn)象，反映了流域上下游供水仍不均衡。

從表2中可以看出，在優(yōu)先供水的原則下，流域內(nèi)的生活用水、工業(yè)用水和基本生態(tài)用水需求都可以得到滿足。在超采條件下，流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)缺水率仍為12.3%，且缺水率分布在上游較高，而下游較低；在東、西部地區(qū)，呈現(xiàn)流域東部缺水率低，西部缺水率高的現(xiàn)象。如果將區(qū)域超采量扣除，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)缺水率將高達(dá)46.7%，且分布規(guī)律與未扣除區(qū)域超采量時(shí)相反。即呈現(xiàn)東部缺水率高、西部缺水率低、下游缺水率高，而上游缺水率低的特征。除此之外，值得注意的是，在這種情況下，民勤盆地的缺水率將高達(dá)100%以上，金昌北盆地缺水率也將超過(guò)50%。從可持續(xù)性的角度來(lái)看，后者是真實(shí)的缺水率，這充分說(shuō)明當(dāng)前的上下游、東西水資源分配實(shí)際上是不公平的。在真缺水率高的地區(qū)，當(dāng)?shù)乇硭髁吭絹?lái)越少的時(shí)候，人們必然會(huì)采取抽地下水的方式來(lái)彌補(bǔ)水資源的短缺。這種不公平如果長(zhǎng)期得不到糾正，生態(tài)惡化將持續(xù)擴(kuò)大。

表2 石羊河流域現(xiàn)狀分區(qū)缺水及超采狀況凈水量，萬(wàn)m3

從生態(tài)學(xué)角度來(lái)看，除石羊河流域的周邊灌區(qū)外，地下水深度已無(wú)法支撐生態(tài)植被的生存，更不用說(shuō)發(fā)展和抵抗沙漠的入侵了。因此，為了阻止生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化，必須合理配置水資源，形成一個(gè)新的水資源利用模式，以此控制下游流域地下水的下降問(wèn)題。

在現(xiàn)有的水資源配置利用模式下，區(qū)域中上游社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展會(huì)導(dǎo)致民勤生態(tài)環(huán)境繼續(xù)惡化，下游水量持續(xù)減少，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展將受到生態(tài)環(huán)境制約，這一趨勢(shì)將逐步向區(qū)域中上游蔓延。

3.2 水資源合理配置原則

隨著流域水資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)象日益突出，石羊河流域水資源供需矛盾由于自然界可利用水資源的有限性和水資源的時(shí)空分布特征和，矛盾將日益尖銳。以可持續(xù)發(fā)展的總原則為基礎(chǔ)，通過(guò)工程措施和非工程措施，將有限的、不同形式的水資源科學(xué)合理地配置給用戶。石羊河流域合理配置有3個(gè)原則：①在水源上，要統(tǒng)籌考慮地表水和地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系和聯(lián)合運(yùn)用，考慮水資源利用過(guò)程的引、供、用、耗、排各個(gè)環(huán)節(jié)，綜合考慮跨流域調(diào)水的現(xiàn)實(shí)性和持續(xù)性，考慮污水處理與回用等，盡可能做到高水高用、好水好用、尾水生態(tài)用的配置格局；②在空間上，要統(tǒng)籌考慮流域上、中、下游和區(qū)域內(nèi)各行政區(qū)域的用水公平性，在區(qū)域間水資源效率最高、短缺差異最小的情況下，和保證基本生態(tài)用水以及生活用水的前提下，發(fā)揮不同區(qū)域間水資源的最佳優(yōu)化作用；③在結(jié)構(gòu)上，統(tǒng)籌考慮生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水3 個(gè)部分，根據(jù)重要性和原理，首先保障基本生態(tài)用水和生活用水，在此前提下最大程度滿足協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水以及其他生態(tài)用水，以實(shí)現(xiàn)水資源在保護(hù)環(huán)境安全和支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要作用。

石羊河流域水資源時(shí)空分布的不平衡性、自然水循環(huán)條件、供需矛盾和水資源利用格局嚴(yán)重扭曲了水資源配置的公平性，難以實(shí)現(xiàn)既保障流域綠洲安全，又支持區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的目標(biāo)，因此要求我們必須在水資源自然配置格局的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的人工配置，并通過(guò)合理的工程和管理的手段，協(xié)調(diào)和避免上下游之間的用水矛盾。□