基于節(jié)水優(yōu)先和工程布局調(diào)整的塔里木河流域節(jié)水潛力

白 濤,劉 東,李 江,黃 強(qiáng),巨 馳,洪良鵬

(1. 西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室,陜西 西安 710048；2. 新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局,新疆 烏魯木齊 830000)

中國是一個人口眾多的發(fā)展中大國,特殊的自然地理、水文氣候和特定的發(fā)展階段,使得水安全已成為決定當(dāng)前及今后一段時期中國經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)等重大戰(zhàn)略成敗的關(guān)鍵之一[1]。受制于水資源稟賦條件和不合理的開發(fā)利用方式等影響,中國水安全保障存在的不均衡、不協(xié)調(diào)、不充分、不可持續(xù)等問題十分突出,部分流域和區(qū)域水資源水環(huán)境承載能力達(dá)到瓶頸,河湖生態(tài)環(huán)境惡化問題凸顯[2]。針對上述問題,中國以“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水思路為指導(dǎo),系統(tǒng)謀劃水資源開發(fā)利用格局,優(yōu)化水庫調(diào)度和水資源配置的分區(qū)對策,全面保障新發(fā)展階段水利事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展[3]。

針對節(jié)水優(yōu)先和水安全保障,國內(nèi)外學(xué)者開展了諸多水庫調(diào)度和水資源配置研究。國外針對水庫生態(tài)調(diào)配的研究始于20世紀(jì)70年代。1977年,Schluter[4]提出了水庫在滿足人類社會經(jīng)濟(jì)用水的同時,需要兼顧河流的生態(tài)多樣性；1987年,美國田納西河流域管理局推動了一項流域水庫綜合評估項目,通過對流域內(nèi)20座水庫實行聯(lián)合調(diào)配,修正了原有以航運(yùn)、防洪、發(fā)電為目標(biāo)的田納西流域法案,開始兼顧水環(huán)境和棲息地等生態(tài)需求[5]；1996年、2004年、2008年,美國在科羅拉多河上開展了3次人造洪水試驗,通過格倫峽谷大壩調(diào)度制造人造洪水過程,將河床中的泥沙搬運(yùn)并沉積至被嚴(yán)重沖刷的下游河灘和沙洲,重新塑造了大峽谷內(nèi)河道的自然地貌特征和生態(tài)環(huán)境功能,促進(jìn)了河谷林草生長和魚類繁殖[6- 8]。國內(nèi)從20世紀(jì)80年代起開始圍繞防洪[9- 11]、灌溉[12]、航運(yùn)[13]、發(fā)電[14- 15]和生態(tài)[16- 17]等目標(biāo),開展水庫生態(tài)調(diào)配研究。針對黃河泥沙淤積嚴(yán)重、水沙關(guān)系[18- 19]不協(xié)調(diào)等問題,從2002年起,以小浪底水庫為主,聯(lián)合三門峽、故縣、陸渾和萬家寨等水庫開展了調(diào)水調(diào)沙聯(lián)合調(diào)配,改善了河道的水沙條件,增加了濱河濕地和河口三角洲的泥沙補(bǔ)給量和生態(tài)補(bǔ)水量,促進(jìn)了黃河下游的生態(tài)修復(fù)[20- 21]；圍繞長江流域魚類種群保護(hù),從2011年起,三峽水庫開展了“四大家魚”生態(tài)調(diào)度試驗,通過加大泄量營造長江中游河段持續(xù)漲水過程,促進(jìn)了魚類自然產(chǎn)卵繁殖[22- 23]；針對額爾齊斯河和塔里木河植被修復(fù)與保護(hù),鄧銘江等[24]和白濤等[25]分別提出了生態(tài)系統(tǒng)漓漫灌溉技術(shù)和汊滲輪灌技術(shù),構(gòu)建了水庫調(diào)配與生態(tài)灌溉耦合的新模式,為中國北方干旱區(qū)流域生態(tài)修復(fù)提供了重要的理論支撐和應(yīng)用范例[26]。

干旱缺水是南疆地區(qū)的現(xiàn)狀,水資源嚴(yán)重短缺加劇了南疆生產(chǎn)用水與生態(tài)用水之間的矛盾,大大限制了當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)發(fā)展,嚴(yán)重威脅著新疆“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)”的生態(tài)文明建設(shè),開源節(jié)流成為南疆地區(qū)發(fā)展的核心。因此,本文以塔里木河流域三源流阿克蘇河、葉爾羌河、和田河及其干流(以下簡稱“三源一干”)為研究對象,建立塔里木河流域水庫群大尺度聯(lián)合調(diào)配模型,揭示水庫群聯(lián)合調(diào)配規(guī)律,探討干流平原水庫群布局調(diào)整的可行性,挖掘節(jié)水潛力與河道外生態(tài)供水潛力,以期為保障南疆地區(qū)水安全和生態(tài)安全提供理論與技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域概況及生態(tài)問題

1.1 研究區(qū)域概況

本文以塔里木河流域為研究區(qū)域,如圖1所示。塔里木河是中國第一大、世界第五大內(nèi)陸河,流域總面積約106萬km2,占中國國土總面積的9.41%,由47%的山區(qū)、22%的平原和31%的沙漠組成,干流全長1 321 km,年均降水量僅為60 mm,年均蒸發(fā)量3 000 mm以上,地處極端干旱區(qū),生態(tài)系統(tǒng)脆弱。

圖1 塔里木河流域概況Fig.1 Overview of Tarim River basin

1.2 重大工程布局規(guī)劃

(1) 灌溉工程布局規(guī)劃。2019年現(xiàn)狀水平年,干流高效節(jié)水灌溉面積共8 267 ha,綜合灌溉水利用系數(shù)0.39,農(nóng)業(yè)灌溉總需水量10.35億m3。2035年遠(yuǎn)景水平年,高效節(jié)水灌溉面積達(dá)到38 667 ha,三級渠道防滲基本完成,綜合灌溉水利用系數(shù)達(dá)到0.55,農(nóng)業(yè)灌溉總需水量6.18億m3,比現(xiàn)狀水平年減少4.17億m3。

(2) 水利工程布局規(guī)劃。2019年現(xiàn)狀水平年,源流區(qū)已建的大型山區(qū)水庫有葉爾羌河的AETS水庫和和田河的WLWT水庫；2035年遠(yuǎn)景水平年,源流區(qū)新增的大型山區(qū)水庫有阿克蘇河的DSX水庫和AK水庫,和田河的YLKS水庫和PNZ水庫。在不同水平年,干流區(qū)平原水庫群規(guī)模均維持不變,總調(diào)節(jié)庫容為2.00億m3。干流平原水庫主要包括結(jié)然力克、大寨、其滿、帕滿、喀爾曲尕和塔里木等水庫。

1.3 主要生態(tài)問題

20世紀(jì)50年代以來,隨著水利工程建設(shè)和大規(guī)模農(nóng)業(yè)開發(fā),塔里木河流域水資源時空分布格局已發(fā)生顯著改變,干流來水急劇減少,下游河道大范圍斷流,地下水水位持續(xù)下降、礦化度不斷上升,尾閭臺特瑪湖嚴(yán)重萎縮,胡楊、檉柳大面積枯亡,生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞。同時,由于徑流年內(nèi)和年際變化大,干流區(qū)極端干旱、蒸發(fā)強(qiáng)烈,導(dǎo)致部分年份平原水庫和臺特瑪湖水域面積過大,大量寶貴的生態(tài)水被無效地蒸發(fā)滲漏,水資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。

針對流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水?dāng)D占生態(tài)用水、干流生態(tài)系統(tǒng)退化以及水資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問題,亟需開展基于節(jié)水優(yōu)先的塔里木河流域水庫群聯(lián)合調(diào)配和平原水庫布局調(diào)整研究,對流域水資源開發(fā)利用進(jìn)行科學(xué)、可持續(xù)的頂層設(shè)計,優(yōu)化流域尺度內(nèi)的生活- 生產(chǎn)- 生態(tài)“三生空間”格局,改善和修復(fù)流域生態(tài)系統(tǒng),提高生態(tài)水的利用效率,實現(xiàn)水資源綜合效益的最大化。

2 水庫群聯(lián)合調(diào)配模型的建立與求解

2.1 聯(lián)合調(diào)配依據(jù)

水庫群聯(lián)合調(diào)配需綜合考慮水庫自身的調(diào)配任務(wù)和干流各行業(yè)需水要求。對于源流區(qū)山區(qū)水庫群,優(yōu)先通過“以需定供”方式進(jìn)行調(diào)配,向干流供水；若水庫群庫容不足,則在保證安全運(yùn)行的前提下,最大程度地為干流提供水量。對于干流各供水區(qū)間,首先滿足工業(yè)生活需水(設(shè)計保證率95%),其次滿足河道內(nèi)生態(tài)基流(設(shè)計保證率90%)以及大西海子水庫多年平均下泄3.50億m3的生態(tài)水量要求,然后滿足農(nóng)業(yè)灌溉需水(設(shè)計保證率75%),最后滿足河道外生態(tài)需水(設(shè)計保證率50%)。如果來水量大于需水量,多余水優(yōu)先充蓄各源流區(qū)山區(qū)水庫,再充蓄各干流平原水庫,若平原水庫都充滿則多余水用于生態(tài)供水。水庫群中長期聯(lián)合調(diào)配以1958年5月至2019年4月共61 a為調(diào)配期,以月為計算時段。

2.2 流域系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點圖構(gòu)建

以流域內(nèi)重要水利工程和關(guān)鍵控制斷面為節(jié)點,確定了“三源一干”水庫群聯(lián)合調(diào)配格局,繪制了塔里木河流域水庫群調(diào)配節(jié)點圖,如圖2所示。

圖2 塔里木河流域水庫群調(diào)配節(jié)點Fig.2 Node diagram of the operation and allocation of reservoir group in Tarim River basin

2.3 基本資料

塔里木河流域“三源一干”水庫群生態(tài)調(diào)配研究所需資料包括工程資料、徑流資料和需水資料等。工程資料主要包括DSX、AK、AETS、PNZ、WLWT、YLKS等山區(qū)水庫以及結(jié)然力克水庫、大寨水庫、其滿水庫、帕滿水庫、喀爾曲尕水庫和塔里木水庫等干流平原水庫的水庫特征參數(shù)。

所有資料均由新疆塔里木河流域管理局提供,包括徑流資料、需水資料、河道和水庫群損失系數(shù)資料等，其中，徑流資料主要有阿克蘇河協(xié)和拉、沙里桂蘭克，葉爾羌河卡群、伊爾列黑、庫魯克欄桿、玉孜門勒克(江卡)，和田河同古孜洛克、烏魯瓦提等水文站1958—2019年共61 a月尺度徑流資料；需水資料包括2019年現(xiàn)狀水平年和2035年遠(yuǎn)景規(guī)劃水平年的工業(yè)、生活、農(nóng)業(yè)灌溉、河道外生態(tài)及生態(tài)基流的需水資料,各水平年塔里木河干流區(qū)間行業(yè)需水見表1；河道和水庫群損失系數(shù)見表2。

表1 各水平年塔里木河干流區(qū)間行業(yè)需水

表2 河道和水庫群損失系數(shù)

2.4 調(diào)配模型的建立與求解

在滿足流域水資源綜合利用的原則下,兼顧工業(yè)生活、農(nóng)業(yè)灌溉、河道內(nèi)生態(tài)基流及河道外生態(tài)供水等目標(biāo),建立塔里木河“三源一干”水庫群中長期模擬和優(yōu)化調(diào)配模型。

2.4.1 模擬模型

以流域內(nèi)水量平衡為原則,建立兼顧工業(yè)生活、農(nóng)業(yè)灌溉、河道內(nèi)生態(tài)基流及河道外生態(tài)供水等綜合利用目標(biāo)的中長期模擬調(diào)配模型,旨在獲得各綜合利用目標(biāo)合理的供水量及其供水保證率。水資源調(diào)配的模擬模型以流域水量平衡方程為基礎(chǔ):

(1)

式中:WC(n,t)、WR(j,t)、WG(i,t)、Wout(j,t)、ΔW(m,t)、ΔV(n,t)分別為水庫出庫水量、支流來水量、各行業(yè)的供水量、斷面下泄水量、河段損失水量和水庫蓄放水量,億m3；n為水庫編號；m為支流編號；i為用水單元編號；j為斷面編號；t為調(diào)配時段編號。

約束條件:

(1) 水庫水量平衡約束

WL(n,t)=WG(n,t)±WXF(n,t)+WS(n,t)

(2)

(2) 庫容約束

Vmin(n)≤V(n,t)≤Vmax(n)

(3)

(3) 供水約束

用水行業(yè)QG(i,t)≤QX(i,t)

(4)

生態(tài)基流QGS(t)≤QXS(t)

(5)

(4) 出力約束

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

(6)

(5) 變量非負(fù)約束

式中:WL(n,t)、WG(n,t)、WXF(n,t)、WS(n,t)分別表示水庫來水量、供水量、蓄放水量和水庫損失水量,億m3；Vmin(n)、Vmax(n)分別為水庫的最小庫容和最大庫容,億m3；QG(i,t)、QX(i,t)分別為供水量、需水量,億m3；QGS(t)、QXS(t)分別為生態(tài)基流供水量、需水量，億m3；kele(n)、Qele(n,t)、Hele(n,t)分別為水電站出力系數(shù)、發(fā)電流量、發(fā)電水頭；Nmin(n)和Nmax(n)分別為水電站出力的下限和上限。工業(yè)生活、農(nóng)業(yè)灌溉、河道外生態(tài)供水量、河道內(nèi)入流水量均為非負(fù)值。

按照水資源調(diào)配依據(jù),采取人機(jī)對話模擬優(yōu)化算法[27]求解模型。模型求解思路如下:

(1) 輸入流域基本資料,包括長系列徑流資料、水庫特征參數(shù)資料、水資源綜合利用資料等。

(2) 根據(jù)水庫運(yùn)行規(guī)則和供水優(yōu)先次序進(jìn)行某一年的模擬計算。

(3) 若來水量滿足流域的用水需求,多余水量優(yōu)先充蓄各源流區(qū)山區(qū)水庫,再充蓄干流各平原水庫,若平原水庫都充滿則多余水用于生態(tài)供水；若來水量不能滿足流域的用水需求,按照水庫運(yùn)行規(guī)則有序進(jìn)行蓄泄水量補(bǔ)充各行業(yè)供水；若還不能滿足流域用水需求,則按照供水優(yōu)先次序,從后往前進(jìn)行破壞。

(4) 檢測約束條件是否滿足,再進(jìn)行下一年計算,重復(fù)上述步驟(2)、步驟(3)。

(5) 統(tǒng)計長系列計算結(jié)果,判別調(diào)度目標(biāo)及其保證率,若不滿足,重新回到水庫群模擬調(diào)度計算步驟進(jìn)行計算,直到滿足所有目標(biāo)、約束為止。

(6) 輸出最終統(tǒng)計值,計算結(jié)束。

2.4.2 優(yōu)化模型

以流域內(nèi)損失水量最小為目標(biāo)函數(shù),建立兼顧工業(yè)生活、農(nóng)業(yè)灌溉、河道內(nèi)生態(tài)基流、河道外生態(tài)供水等綜合利用目標(biāo)的中長期優(yōu)化調(diào)配模型。

(7)

式中:Wloss為干流損失水量；Wh，i，t為河道過水量；Kh,i,t為河道損失系數(shù)；Wk,n,t為水庫蓄水量；Kk，n，t為水庫損失系數(shù)。優(yōu)化模型的約束條件與模擬模型一致,不再贅述。

該優(yōu)化模型所涉及的水庫數(shù)目多、時間尺度長,屬于大規(guī)模、多約束、非線性的復(fù)雜優(yōu)化問題。因此,本研究采用人工智能算法中應(yīng)用較為廣泛的遺傳算法[28]求解水庫群長系列優(yōu)化調(diào)配模型。

2.5 聯(lián)合調(diào)配方案設(shè)置

考慮到塔里木河“三源一干”水庫群的調(diào)蓄能力、模型及其計算方法的不同,本文在2019年現(xiàn)狀水平年和2035年遠(yuǎn)景水平年需水情景下分別設(shè)置了3種不同情景的調(diào)配方案進(jìn)行研究,情景設(shè)置如表3所示。

表3 水庫群調(diào)配方案設(shè)置

3 調(diào)配結(jié)果分析

將1958年5月至2019年4月共61 a長系列徑流資料輸入水庫群聯(lián)合調(diào)配模型,基于3種水庫群調(diào)配情景和不同水平年干流需水方案,開展水庫群長系列聯(lián)合調(diào)配研究。由于恰拉至大西海子水庫區(qū)間缺少年內(nèi)需水?dāng)?shù)據(jù),該區(qū)間僅按照紅線引水量進(jìn)行多年平均供水量計算,不參與干流水資源配置。

3.1 2019年現(xiàn)狀水平年

經(jīng)過61 a長系列水庫群聯(lián)合調(diào)配計算,2019年現(xiàn)狀水平年塔里木河干流各行業(yè)供水保證率和損失水量情況如表4所示,干流多年平均生態(tài)供水情況如表5所示。

表4 現(xiàn)狀水平年塔里木河干流各行業(yè)供水保證率和損失水量情況

表5 現(xiàn)狀水平年塔里木河干流河道外生態(tài)供水量和大西海子下泄水量

由表4和表5可知:

(1) 現(xiàn)狀水平年各情景聯(lián)合調(diào)配結(jié)果均不理想,除大西海子水庫下泄(年均下泄3.50億m3)和工業(yè)生活供水滿足設(shè)計要求外,生態(tài)基流、農(nóng)業(yè)灌溉、河道外生態(tài)等的供水保證率均存在部分區(qū)間不滿足設(shè)計要求。

(2) 與情景一相比,情景二中干流損失水量減少0.49億m3,河道外生態(tài)供水總量增加0.23億m3,且生態(tài)基流、農(nóng)業(yè)灌溉、河道外生態(tài)等供水保證率均有提高,即山區(qū)水庫的修建運(yùn)行緩解了農(nóng)業(yè)用水?dāng)D占河道外生態(tài)用水問題,提高了塔里木河干流水資源配置結(jié)果。

(3) 與情景二相比,山區(qū)水庫群與干流平原水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)配(情景三)可以進(jìn)一步提高干流水資源配置結(jié)果。其中,生態(tài)基流、農(nóng)業(yè)灌溉、河道外生態(tài)等供水保證率均小幅度提高,干流損失水量減少0.16億m3,河道外生態(tài)供水總量增加0.08億m3,可以看出優(yōu)化調(diào)配對干流水資源配置結(jié)果的影響有限。

綜上所述,在2019年現(xiàn)狀水平年,由于干流農(nóng)業(yè)需水量大,雖能滿足大西海子水庫多年平均下泄3.50億m3生態(tài)水量要求,且隨著山區(qū)水庫的修建運(yùn)行和調(diào)配方式的改變,調(diào)配結(jié)果有所提高,但水資源配置情況均不理想,農(nóng)業(yè)灌溉用水?dāng)D占河道外生態(tài)用水現(xiàn)象嚴(yán)重。原因有二:一是農(nóng)業(yè)灌溉需水量大；二是源流區(qū)山區(qū)水庫總調(diào)節(jié)庫容較小,對干流的調(diào)節(jié)能力有限。因此,亟需修建更多大型山區(qū)水庫,提高對流域水資源的綜合調(diào)控能力,并大力推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉,緩解農(nóng)業(yè)灌溉用水?dāng)D占生態(tài)用水的現(xiàn)象,推進(jìn)塔里木河流域生態(tài)保護(hù)與生態(tài)文明建設(shè)。

3.2 2035年遠(yuǎn)景水平年

到2035年遠(yuǎn)景水平年,塔里木河干流區(qū)擴(kuò)大了農(nóng)業(yè)節(jié)水規(guī)模,且源流區(qū)山區(qū)水庫均建設(shè)完成并投入運(yùn)行。由61a長系列水庫群聯(lián)合調(diào)配結(jié)果可得,遠(yuǎn)景水平年塔里木河干流各行業(yè)供水保證率和損失水量情況如表6所示,干流多年平均生態(tài)供水情況如表7所示。

表6 遠(yuǎn)景水平年塔里木河干流各行業(yè)供水保證率和損失水量情況

表7 遠(yuǎn)景水平年塔里木河干流河道外生態(tài)供水量和大西海子下泄水量

由表6和表7可知:

(1) 相較于干流平原水庫群調(diào)配(情景一),山區(qū)水庫群參與調(diào)配(情景二和情景三)可明顯增加干流河道外生態(tài)供水量,并能有效控制大西海子水庫下泄保持在3.50億m3生態(tài)供水要求附近,避免大量生態(tài)水注入尾閭臺特瑪湖形成無效的蒸發(fā)滲漏損失。

(2) 在情境一中,與現(xiàn)狀水平年相比,農(nóng)業(yè)灌溉和河道外生態(tài)供水保證率均大幅度提高,河道外生態(tài)供水總量增加0.67億m3,緩解了農(nóng)業(yè)灌溉用水與生態(tài)用水之間的矛盾；但仍存在部分區(qū)間生態(tài)供水被破壞的現(xiàn)象,說明僅靠實施高效節(jié)水灌溉是無法徹底解決塔里木河干流生態(tài)供水短缺的問題。

(3) 在情景二和情景三中,通過山區(qū)水庫參與調(diào)配與實施高效節(jié)水灌溉,干流各區(qū)間各行業(yè)的供水保證率均滿足設(shè)計要求,損失水量大幅減少,河道外生態(tài)供水總量顯著提高,體現(xiàn)了山區(qū)水庫群顯著的調(diào)控性能和“節(jié)水優(yōu)先”治水方針的合理性及可靠性。

綜上所述,在2035年遠(yuǎn)景水平年,通過流域水庫群聯(lián)合調(diào)配與實施農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉,在滿足各行業(yè)供水設(shè)計要求的前提下,合理調(diào)控了大西海子水庫下泄水量,大幅增加了河道外生態(tài)供水量,實現(xiàn)了流域水資源的科學(xué)調(diào)控與高效利用,為優(yōu)化平原水庫工程布局提供了可行性和調(diào)整空間。

3.3 節(jié)水潛力分析

考慮干流損失水量的減少量和源流區(qū)水庫群蓄水量的增加量,各調(diào)配情景下多年平均節(jié)水量如表8所示。從2019年現(xiàn)狀水平年到2035年遠(yuǎn)景水平年,干流損失水量明顯增加,主要原因在于農(nóng)業(yè)高效節(jié)水工程建設(shè)使得干流總需水量大幅減少,同時平原水庫群調(diào)節(jié)庫容有限、無法完全存蓄多余水量,導(dǎo)致河道中部分水量無法被有效利用,進(jìn)而增加了損失水量。但是,從情景一到情景三,干流損失水量逐漸下降,山區(qū)水庫群蓄水量逐漸增加,體現(xiàn)了山區(qū)水庫群調(diào)配的節(jié)水作用。

表8 不同情景、水平年的水庫調(diào)度節(jié)水效果比較

在2019年現(xiàn)狀水平年,由于大型山區(qū)水庫數(shù)量較少且調(diào)控能力有限,節(jié)水效果不明顯,相較于干流平原水庫群調(diào)配(情景一),源流與干流水庫群模擬(情景二)和優(yōu)化(情景三)調(diào)配下的節(jié)水量分別僅為0.49億m3和0.69億m3。到2035年遠(yuǎn)景水平年,由于源流區(qū)山區(qū)水庫群已具備較強(qiáng)的調(diào)控能力,相較于干流平原水庫群調(diào)配,源流與干流水庫群模擬和優(yōu)化調(diào)配下節(jié)水量分別為1.83億m3和2.46億m3,山區(qū)水庫群調(diào)配的節(jié)水效果突出；并且優(yōu)化調(diào)配比模擬調(diào)配的節(jié)水量多34%,優(yōu)化調(diào)配充分挖掘了源流區(qū)水庫群的節(jié)水潛力；同時,在2.46億m3的節(jié)水潛力中,僅4%的節(jié)水量來自于水庫群蓄水量的增加量,而96%的節(jié)水量來源于干流損失水量的減少量,表明節(jié)水的關(guān)鍵在于降低干流河道內(nèi)、平原水庫庫區(qū)和大西海子水庫下泄中無效的蒸發(fā)滲漏損失水量。

3.4 山區(qū)水庫替代平原水庫策略

2035年遠(yuǎn)景水平年,通過山區(qū)水庫群和平原水庫群的聯(lián)合調(diào)配,塔里木河干流工業(yè)生活供水保證率達(dá)到100%、生態(tài)基流保證率超過90%、農(nóng)業(yè)灌溉供水保證率超過80%、河道外生態(tài)供水保證率超過67%,完全滿足各行業(yè)供水的設(shè)計保證率要求,論證了山區(qū)水庫部分替代或完全取代平原水庫的可行性。

針對塔里木河干流的結(jié)然力克、大寨、其滿、帕滿、喀爾曲尕和塔里木6座平原水庫,采用山區(qū)水庫部分替代平原水庫調(diào)蓄功能的方案,削減部分平原水庫興利庫容,減少平原水庫的蒸發(fā)損失,實現(xiàn)節(jié)水目標(biāo)。通過對平原水庫庫容削減比例進(jìn)行優(yōu)化計算,得到平原水庫布局優(yōu)化調(diào)整方案及其節(jié)水量,如表9所示。

表9 塔里木河干流平原水庫布局優(yōu)化調(diào)整方案

經(jīng)優(yōu)化計算,在2035年遠(yuǎn)景水平年條件下山區(qū)水庫替代平原水庫布局調(diào)整與未調(diào)整結(jié)果對比如表10所示。

表10 替代平原水庫的布局調(diào)整與未調(diào)整結(jié)果對比

由表10對比可知,干流平原水庫布局調(diào)整后相較于干流各區(qū)間農(nóng)業(yè)灌溉供水雖整體減少,保證率下降,但仍滿足75%的供水設(shè)計保證率要求；干流各區(qū)間河道外生態(tài)供水量均增加,保證率整體上升,損失水量下降,與“節(jié)水優(yōu)先”治水方針相呼應(yīng),因此平原水庫替代方案具有可行性,從調(diào)度計算結(jié)果來看具有可靠性,在2035年遠(yuǎn)景水平年條件下山區(qū)水庫替代平原水庫布局調(diào)整方案如下:

(1) 阿拉爾—新其滿:結(jié)然力克、大寨、其滿水庫的興利庫容均削減17%；

(2) 新其滿—英巴扎:帕滿水庫的興利庫容削減33%；

(3) 英巴扎—阿其克:喀爾曲尕和塔里木水庫興利庫容削減100%,可完全取代。

阿拉爾—新其滿區(qū)間,結(jié)然力克、大寨、其滿3座平原水庫是三源流來水匯入干流的關(guān)鍵調(diào)節(jié)工程,在干流聯(lián)合調(diào)配和水資源配置中發(fā)揮著重要作用,故這3座水庫的庫容削減比例小,僅為17%；新其滿—英巴扎區(qū)間,該地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉和河道外生態(tài)用水量巨大,帕滿水庫的庫容大且供水任務(wù)重,故庫容削減比例較小,為33%；英巴扎—阿其克區(qū)間,喀爾曲尕和塔里木水庫的庫容較小且供水任務(wù)較輕,其調(diào)蓄功能可被源流區(qū)山區(qū)水庫完全取代,故這2座水庫的庫容削減比例為100%。若采用該工程布局調(diào)整方案,可在滿足干流各行業(yè)供水設(shè)計要求和大西海子水庫3.50億m3下泄水量要求的前提下,有效減少平原水庫的蒸發(fā)損失,多節(jié)約水資源0.21億m3。

在上述平原水庫工程布局調(diào)整下,以塔里木河干流農(nóng)業(yè)灌溉供水量最大和河道外生態(tài)供水量最大為目標(biāo),開展“三源一干”水庫群長系列多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)配研究,獲得干流農(nóng)業(yè)灌溉與河道外生態(tài)之間的供水脅迫關(guān)系,挖掘河道外生態(tài)供水潛力,如圖3所示。

圖3 干流農(nóng)業(yè)灌溉與河道外生態(tài)間的供水脅迫關(guān)系Fig.3 Water supply tradeoffs between agricultural irrigation and off river ecology in the mainstream

由圖3可知,塔里木河干流農(nóng)業(yè)灌溉供水與河道外生態(tài)供水間存在明顯的線性脅迫關(guān)系。在滿足其他行業(yè)供水基本要求的前提下,農(nóng)業(yè)灌溉(或河道外生態(tài))供水總量每增加1個單位,河道外生態(tài)(或農(nóng)業(yè)灌溉)供水總量就需要相應(yīng)減少約1個單位。其中,農(nóng)業(yè)灌溉最大可供水量為6.146億m3,河道外生態(tài)最大可供水量為15.220億m3,充分挖掘了干流河道外生態(tài)供水的潛力。

4 結(jié) 論

本文以塔里木河流域“三源一干”為研究對象,考慮源流區(qū)山區(qū)水庫群、干流區(qū)平原水庫群以及各行業(yè)用水需求,建立了塔里木河流域水庫群大尺度長系列聯(lián)合調(diào)配模型,揭示了水庫群聯(lián)合調(diào)配規(guī)律,探討了山區(qū)水庫替代平原水庫布局調(diào)整的可行性,挖掘了節(jié)水潛力與河道外生態(tài)供水潛力,主要結(jié)論如下:

(1) 在2019年現(xiàn)狀水平年,由于山區(qū)水庫群規(guī)模小而干流農(nóng)業(yè)需水量大,3種調(diào)配情景下水資源配置情況均不理想,農(nóng)業(yè)灌溉用水?dāng)D占河道外生態(tài)用水現(xiàn)象嚴(yán)重,亟需建成已規(guī)劃的源流山區(qū)水庫群并進(jìn)一步推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉。

(2) 到2035年遠(yuǎn)景水平年,流域水庫群聯(lián)合調(diào)配在滿足干流各行業(yè)用水需求的同時,增加了河道外生態(tài)供水量,合理調(diào)控了大西海子水庫下泄水量,大幅降低了干流損失水量,體現(xiàn)了山區(qū)水庫群顯著的調(diào)控性能和“節(jié)水優(yōu)先”治水方針的合理性及可靠性。

(3) 在遠(yuǎn)景水平年規(guī)劃水平下,流域水庫群聯(lián)合調(diào)配的節(jié)水潛力為2.46億m3,其中節(jié)水量的96%來自干流損失水量的減少量,表明節(jié)水的關(guān)鍵在于降低干流河道內(nèi)、平原水庫庫區(qū)和大西海子水庫下泄中無效的蒸發(fā)滲漏損失。

(4) 針對塔里木河干流平原水庫群,制定了山區(qū)水庫替代平原水庫布局調(diào)整方案,即結(jié)然力克、大寨、其滿、帕滿、喀爾曲尕和塔里木等6座平原水庫的庫容分別削減17%、17%、17%、33%、100%、100%。在保證水資源配置要求的前提下,該方案可有效減少平原水庫的蒸發(fā)損失,多節(jié)約水資源0.21億m3,并最多可向干流河道外生態(tài)供水15.220億m3,達(dá)到河道外生態(tài)需水總量的94%。