干旱區(qū)水資源供需平衡分析方法研究
——以新疆哈密市伊州區(qū)為例

阿哈提·克力木，曾俁杰，劉德地

（1. 哈密市伊州區(qū)水管總站，新疆 哈密 839000； 2. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430072）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人口的快速增長，社會對水資源的需求越來越大，對供水保證率的要求日益提升［1，2］。干旱區(qū)水資源稀缺，水資源系統(tǒng)承載能力不足，已經(jīng)成為制約其社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因子，在干旱區(qū)展開合理水資源供需平衡分析已成為必然需求［3-5］。目前圍繞干旱區(qū)不同來水頻率下的水資源供需平衡分析已經(jīng)形成了大量研究。何英等［6］以水資源二次平衡理論為基礎(chǔ)，探求了烏魯木齊市在50%、75%、95%3 種來水頻率下水資源短缺情況。金菊良等［7］在計算不同來水頻率下可利用水資源量的基礎(chǔ)之上展開水資源供需分析，評估了安徽省各市的抗旱能力。馬素英等［8］以河北省南水北調(diào)受水區(qū)為研究對象，分析了供受水區(qū)不同來水頻率組合下的水資源優(yōu)化調(diào)配方案，以保障區(qū)域供水安全。上述研究為干旱區(qū)的水資源供需平衡提供了技術(shù)支撐，為維持干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。然而，他們大多是聚焦于不同頻率下的來水對于干旱地區(qū)的水資源系統(tǒng)的影響，而欠缺對未來變化需水的考慮。而隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，需水增長迅速，僅僅考慮基于歷史社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的需水情景可能給水資源的規(guī)劃帶來潛在風(fēng)險。因此，預(yù)測不同規(guī)劃水年條件下的需水，對于保障干旱地區(qū)用水，指導(dǎo)干旱地區(qū)水資源合理規(guī)劃，具有十分重要的意義。目前已經(jīng)有不少研究，在干旱地區(qū)構(gòu)建了不同來水與需水組合情景，展開了水資源供需平衡分析。Ouda 等［9］對比分析了沙特阿拉伯在3 種不同需水情景下的水資源供需平衡，為當(dāng)?shù)氐乃Y源規(guī)劃提供了技術(shù)支撐。劉晶等［10］基于系統(tǒng)動力學(xué)方法，構(gòu)建了48 個需水情景和3 個再生水回用情景，圍繞義烏市2020-2050年水資源供需平衡展開了分析。郭毅［11］采用系統(tǒng)動力學(xué)方法對郁江流域不同頻率下的來水與不同節(jié)水模式下的需水進(jìn)行組合，探求了郁江流域的缺水情況。上述研究充分考慮了未來的需水情景，為當(dāng)?shù)氐乃Y源規(guī)劃提供了技術(shù)支撐。然而，他們常以天然歷史徑流為來水條件，缺少了對水庫運行調(diào)度的考慮，進(jìn)而增加了供水的風(fēng)險。水資源配置，通過結(jié)合一系列工程措施與非工程措施，同時考慮了水庫端的運行調(diào)度過程與用水端的配水用水過程，已經(jīng)成為了人類管理水資源重要手段［12-15］。將水資源配置納入干旱區(qū)水資源供需平衡計算中是提高水資源利用效率的必然需求。

研究以新疆哈密市為例，采用定額法預(yù)測2030近景規(guī)劃水平年與2040 遠(yuǎn)景規(guī)劃水平年情景，在分析水資源系統(tǒng)供、用、耗、排基本環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)之上，采用IRAS 模型展開了水資源合理配置，為保障研究區(qū)域用水安全，維持社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究方法

研究方法包含兩個模塊:需水預(yù)測模塊與水資源配置模塊。需水預(yù)測模塊以定額法為基礎(chǔ)，預(yù)測不同規(guī)劃水平年下各用水部門的需水量。水資源配置模塊以規(guī)劃水平年需水、歷史來水為輸入，在充分考慮水利工程與用水戶之間水力聯(lián)系的基礎(chǔ)之上，采用水資源配置模型展開水資源合理配置。模型框架圖如圖1所示。

圖1 規(guī)劃水平年需水下水資源配置框架圖Fig.1 Framework for water resources allocation with water demand in planning year

1.1 需水預(yù)測模塊

需水可劃分為社會經(jīng)濟(jì)需水與河道內(nèi)生態(tài)需水，其中社會經(jīng)濟(jì)需水可根據(jù)用水部門進(jìn)一步劃分為生活需水、工業(yè)需水與農(nóng)業(yè)需水。

社會經(jīng)濟(jì)需水采用定額法進(jìn)行預(yù)測［16］，具體步驟為:分析影響用水的主要因素發(fā)展趨勢，確定用水指標(biāo)及用水定額；根據(jù)用水定額和用水指標(biāo)（如人口或工業(yè)產(chǎn)值等）計算出規(guī)劃水平年的需水量。根據(jù)確定的用水戶分類口徑，在分析各部門的用水影響因素（如人口、工業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值等）及用水定額的基礎(chǔ)上分別預(yù)測各部門的需水量?？傂杷考礊楦鞑糠种?。定額法計算公式如下:

河道內(nèi)生態(tài)需水采用Tennant 法進(jìn)行預(yù)測［17］，其計算公式如下:

1.2 水資源配置模塊

水資源配置模塊采用由康奈爾大學(xué)開發(fā)的Interactive River-Aquifer Simulation（IRAS）模型。該模型因其建模靈活性好，模擬精度高，在全球范圍內(nèi)得到了廣泛地應(yīng)用［18-20］。IRAS模型的原理圖如圖2所示。

圖2 IRAS模型流程圖［20］Fig.2 Framework for IRAS water resources allocation model

IRAS模型以概化的水資源系統(tǒng)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，展開水資源合理配置。其中用水節(jié)點與供水節(jié)點與直接與水資源系統(tǒng)的用水端與供水端相關(guān)聯(lián)，是水資源配置模型的計算核心［12］。

對于用水節(jié)點，當(dāng)用水戶的用水需求高于來水條件時，采用公式（3）、（4）計算用水戶的缺水量:

以水庫與用水戶之間的水力聯(lián)系為基礎(chǔ)，按照水資源配置公平性、有效性與可持續(xù)性原則，確定水庫對用水戶的供水比例，將用水戶的缺水分解，并加以累積，得到水庫的擬放水量:

圖3 IRAS模型水庫放水量計算示意圖Fig.3 Diagram for water release of reservoirs in the IRAS model

對于供水節(jié)點，水庫的放水量根據(jù)水庫實時庫容及其運行調(diào)度規(guī)則確定，其線性插值計算公式為（6）～（12）:

2 哈密市伊州區(qū)水資源配置模型構(gòu)建

2.1 自然地理與水資源利用概況

哈密市伊州區(qū)位于新疆東部，地跨東天山南北，區(qū)域總面積8.08 萬km2，東與甘肅省酒泉市為鄰，南接巴音郭楞蒙古自治州，西與昌吉回族自治州、吐魯番市毗鄰，北與巴里坤縣和伊吾縣接壤，設(shè)有國家一類口岸—老爺廟口岸，是新疆與蒙古國發(fā)展邊貿(mào)的重要開口岸之一，是哈密市政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心［21，22］。哈密市地理位置如圖4所示。

圖4 哈密市伊州區(qū)地理位置Fig.4 Location of Yizhou district in Hami city

哈密市伊州區(qū)位于典型的溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，干旱少雨，年平均降雨量36 mm，年均蒸發(fā)量3 000 mm，屬于典型的干旱地區(qū)。水資源總量少，且時空分布不均，是制約研究區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因子。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，研究區(qū)域內(nèi)的用水需求日漸增長，且各行業(yè)用水保證率要求逐年提高，其水資源供需矛盾日益嚴(yán)峻。因此，在哈密市伊州區(qū)展開需水預(yù)測，進(jìn)行合理水資源配置，對于保障當(dāng)?shù)毓┧M(jìn)而維持當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)穩(wěn)健發(fā)展具有十分重要的意義。

2.2 模型輸入

2.2.1 水平年及計算步長

以2021 年為基準(zhǔn)年，分別選取2030、2040 為近景、遠(yuǎn)景規(guī)劃水平年，計算步長為月。

2.2.2 來水條件

研究區(qū)域可利用水資源量由地表水和地下水構(gòu)成。地表水的主要來源為天山南部的石城子河、四道溝、大小天生圈和2座中型和4座小一型水庫在內(nèi)的18條河流及坎兒井水，2020年供水量為1.022 億m3、2021 年為1.046 億m3。地下水的主要類型是潛水，其補(bǔ)給來源主要以天山冰川雪水深入補(bǔ)給。2020年地下水供水量為2.45 億m3、2021 年為2.58 億m3。研究區(qū)域及水庫的逐月來水過程采用2021 年實測徑流資料。地下水可利用量采用多年平均取水量2.77 億m3。

2.2.3 需水條件

規(guī)劃水平年的需水長序列，由需水預(yù)測模塊計算得到?；鶞?zhǔn)年的社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下:人口為46.1 萬人，GDP 為727 億元，耕地面積為43 000 hm2；用水定額如下:生活用水為190.5 L/（人·d），工業(yè)用水為 m3/萬元，農(nóng)業(yè)用水為6 177 m3/hm2。

2.2.4 水利工程數(shù)據(jù)

研究區(qū)域一共考慮了6 座中小型水庫，各水庫的特征參數(shù)見表1。

表1 水庫特征值 萬m3Tab.1 Characteristics of reservoirs

2.3 情景設(shè)置

來水采用2021 年逐月實測徑流資料。需水以2021 年為基準(zhǔn)年，2030 年為近景規(guī)劃水平年，2040 為遠(yuǎn)景規(guī)劃水平年。將來水與需水條件進(jìn)行組合，一共設(shè)置3個情景，如表2所示。

表2 情景設(shè)置Tab.2 Scenarios setting

3 結(jié)果討論

3.1 需水預(yù)測

3.1.1 社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)預(yù)測

經(jīng)統(tǒng)計歷史數(shù)據(jù)計算得到伊州區(qū)人口與GDP 的多年平均增長率為0.003 與0.09。根據(jù)《哈密市用水總量控制分解實施方案》要求截止2025 年灌溉面積退減指標(biāo)為2 267 hm2，并維持穩(wěn)定。綜上，可以預(yù)測得到2030 與2040 規(guī)劃水平年的各項社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，結(jié)果見表3。

表3 社會經(jīng)濟(jì)變量預(yù)測Tab.3 Socioeconomic variables in the planning years

研究區(qū)域人口緩慢增長，由基準(zhǔn)年的46.1萬增加至2030規(guī)劃水平年的47.4 萬與2040 規(guī)劃水平年的48.8 萬，增幅并不顯著。伊州區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度迅速，GDP 從基準(zhǔn)年的727 億元增加至2030 規(guī)劃水平年的1 579 億元與2040 規(guī)劃水平年的3 738億元。而耕地面積，在水量控制的政策的推進(jìn)下，從基準(zhǔn)年43 000 hm2減少至2030 規(guī)劃水平年的40 733 hm2，并在2040 規(guī)劃水平年中保持穩(wěn)定。

3.1.2 不同水平年各用水部門需水

結(jié)合社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)預(yù)測成果與各用水部門用水定額，通過定額法預(yù)測了伊州區(qū)2021 現(xiàn)狀水平、2030 與2040 規(guī)劃水平的生活需水、工業(yè)需水與農(nóng)業(yè)需水，如表4所示。

表4 需水預(yù)測 萬m3Tab.4 Water demand in the planning years

總體上來看，研究區(qū)域需水增加顯著，由現(xiàn)狀水平年的37 502 萬m3增加至2030 規(guī)劃水平年的39 717 萬m3與2040 規(guī)劃水平年的48 756 萬m3；從不同的用水部門來看，工業(yè)需水的增加最為明顯，是總體需水增加的主要來源，由3 010 萬m3增加至6 537 萬m3與15 476 萬m3；生活需水緩慢增加，相比于基準(zhǔn)年，2030 與2040 水平年的需水增幅僅為88 萬m3與188 萬m3；農(nóng)業(yè)需水略有減少之后保持穩(wěn)定，由現(xiàn)狀水平年的26 560 萬m3減少至2030規(guī)劃水平年的25 160 萬m3，并保持穩(wěn)定。

為了進(jìn)一步分析需水的組成，圖5 展示了各用水部門需水量的占比情況。

圖5 用水部門需水比例Fig.5 Percentage of water demand for different users

盡管農(nóng)業(yè)需水不再增長，其占比有所下降，但其一直是研究區(qū)域最大的用水部門，在2021 現(xiàn)狀、2030、2040 水平年中分別占比71%、58%與49%。占比增長最快的是工業(yè)需水，從現(xiàn)狀水平年的8%增加至近景規(guī)劃水平年2030 的17%與遠(yuǎn)景規(guī)劃水平年2040的29%。生活需水與生態(tài)需水占比變化較小，均在2%以內(nèi)。

因此，盡管在水量控制的政策下，農(nóng)業(yè)用水有所下降，但是隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，研究區(qū)域的需水仍將有顯著上升，且增加的需水主要來源于工業(yè)需水。由于工業(yè)用水部門較農(nóng)業(yè)用水部門擁有更高的用水權(quán)，工業(yè)需水的增長意味著研究區(qū)域內(nèi)的用水保障率要求也會日益上升。綜上，在社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景之下，哈密市伊州區(qū)的水資源供需矛盾將會進(jìn)一步加劇，開展水資源合理配置是研究區(qū)域的必然需求。

3.2 水資源配置結(jié)果

根據(jù)構(gòu)建的水資源配置模型，對哈密市伊州區(qū)的用水、供水進(jìn)行了模擬計算，分析了各用水部門2021 現(xiàn)狀水平年、2030與2040 規(guī)劃水平年的水資源供需情況。各個用水戶的總體缺水狀況如表5所示。

表5 水資源配置結(jié)果 萬m3Tab.5 Results of water resources allocation

總體上來看，缺水率隨著規(guī)劃情景的推移而增加，從情景Ⅰ的2.78%增加至情景Ⅱ的4.20%與情景Ⅲ的15.46%。這是因為隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，研究區(qū)域的需水增加迅速，由情景Ⅰ的37 502 萬m3增加至情景Ⅱ與情景Ⅲ的39 717 萬m3與48 756 萬m3。增長的用水需求逐漸超過了當(dāng)?shù)厮Y源系統(tǒng)的承載能力，用水缺口逐漸變大，從情景Ⅰ的1 041 萬m3增加至情景Ⅱ的1 668 萬m3與情景Ⅲ的7 540 萬m3。為了進(jìn)一步分析不同用水部門的缺水情況，圖6展示了各用水部門在情景Ⅰ、Ⅱ與Ⅲ下的缺水率。

圖6 用水部門缺水率Fig.6 Water shortage rates of different users

盡管農(nóng)業(yè)需水有所下降（由現(xiàn)狀水平年的26 560 萬m3減少至2030、2040 規(guī)劃水平年的25 160 萬m3），農(nóng)業(yè)用水部門仍然是缺水的主要來源。且隨著規(guī)劃情景的推移，農(nóng)業(yè)缺水率顯著增加，情景Ⅰ的3.92%增加至情景Ⅱ的6.63%與情景Ⅲ的22.15%。一方面，隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，需水總量迅速增加，尤其是工業(yè)需水，由現(xiàn)狀水平年的3 010 萬m3增加至2030 規(guī)劃水平年的6 537 萬m3與2040 規(guī)劃水平年的15 476 萬m3；另一方面，供水的優(yōu)先權(quán)順序為生活、生態(tài)、工業(yè)與農(nóng)業(yè)用水戶，具有優(yōu)先供水級別的工業(yè)需水增加迅猛，直接影響了較低供水級別的農(nóng)業(yè)部門的供水，農(nóng)業(yè)缺水日趨顯著。與此同時，過量增長的需水，明顯超過了當(dāng)?shù)厮Y源系統(tǒng)的承載能力。在情景Ⅰ的與情景Ⅱ中，需水尚在水資源系統(tǒng)承載能力以內(nèi)，生活、河道內(nèi)生態(tài)與工業(yè)用水部門的需水均能得到充分滿足，社會經(jīng)濟(jì)仍可持續(xù)發(fā)展。而在在情景Ⅲ中，由于需水的迅猛增長，供水壓力顯著增加，出現(xiàn)了來自生活、河道內(nèi)生態(tài)與工業(yè)的缺水，缺水率分別為0.78%、8.37%與9.98%。2040遠(yuǎn)景規(guī)劃水平年的需水超過了水資源系統(tǒng)的承載能力，各個部門均出現(xiàn)了不同程度的缺水，社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。

4 結(jié) 論

研究以2021 為基準(zhǔn)年，2030 為近景規(guī)劃水平年、2040 為遠(yuǎn)景規(guī)劃水平年，在分析水資源系統(tǒng)中供、用、耗、排等主要環(huán)節(jié)中所涉及的要素和相互連接關(guān)系的基礎(chǔ)上，以干旱地區(qū)哈密市伊州區(qū)為例，建立了水資源配置模擬模型，研究了哈密市伊州區(qū)在不同規(guī)劃水平下的水資源供需平衡關(guān)系，得到如下研究結(jié)論。

社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展將直接帶來需水的迅速增加。哈密市伊州區(qū)的需水由現(xiàn)狀水平年的37 502 萬m3增加至2030 規(guī)劃水平年的39 717 萬m3與2040規(guī)劃水平年的48 756 萬m3。其中工業(yè)需水增長最為迅速，需水占比從現(xiàn)狀水平年的8%增加至2030 規(guī)劃水平年的17%與2040 規(guī)劃水平年的29%。水資源配置能夠通過水庫運行調(diào)度，有效保障供水，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。盡管2030 規(guī)劃水平年的需水有所增加，研究區(qū)域的生活、生態(tài)與工業(yè)用水仍然能夠通過水資源合理配置得到充分保障。然而當(dāng)需水持續(xù)增長，超過水資源系統(tǒng)承載能力時，各用水部門均將出現(xiàn)不同程度的缺水，2040規(guī)劃水平年下生活、生態(tài)、工業(yè)與農(nóng)業(yè)用水戶的缺水率分別達(dá)到了0.78%，8.37%，9.98% 與22.15%，給社會經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展帶來不可忽視的挑戰(zhàn)。

針對上述問題，提出以下建議:①進(jìn)一步強(qiáng)化水資源剛性約束，以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)，堅定走綠色可持續(xù)的高質(zhì)量發(fā)展之路，合理規(guī)劃社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展節(jié)奏，嚴(yán)格控制需水在水資源系統(tǒng)承載能力以內(nèi)；②加強(qiáng)節(jié)水型社會建設(shè)，提高水資源利用效率，推廣節(jié)水工業(yè)、農(nóng)業(yè)模式，有效控制用水定額；③完善水利工程建設(shè)系統(tǒng)，興建引水工程；④積極開展水資源優(yōu)化配置，進(jìn)一步提高水資源利用效率。