葉爾羌河流域地下水水質(zhì)評價及高效利用綜合研究

余 姣

(新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700)

葉爾羌河流域位于塔里木盆地西南邊緣，總面積為9.89萬km2，跨越4個地州和12個縣市。葉爾羌河流域深處我國西北內(nèi)陸腹地，氣候干燥，降雨量稀少，同時徑流耗散損失和水資源蒸發(fā)量較大，導(dǎo)致水資源供需不平衡。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求大量占用生態(tài)環(huán)境的用水，進(jìn)而影響地下水的質(zhì)量和水量的穩(wěn)定性。因此，迫切需要研究適應(yīng)葉爾羌河流域的水資源優(yōu)化配置方案，提高水資源的利用效率，以適應(yīng)流域內(nèi)供需水的動態(tài)變化。同時，為了最大限度地保護(hù)有限的水資源，還需要提高地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。

1 葉爾羌河概況

葉爾羌河發(fā)源于喀喇昆侖山脈，屬于塔里木河的重要源流之一，全長1179km，地下水的天然補(bǔ)給量少，水資源以地表水為主，平原區(qū)不產(chǎn)流。葉爾羌河水系涵蓋的河流主要為葉爾羌河、提孜那甫河、烏魯克河、柯克亞河，流域水資源特點(diǎn)為：灌溉水利用系數(shù)低，水資源有限且未得到充分利用；年內(nèi)的月徑流量不均勻，洪枯季節(jié)的流量存在明顯差異；分布區(qū)域缺乏均勻性。

2 葉爾羌河流域水資源優(yōu)化配置模型

2.1 模型概念

本研究采用WEAP綜合模型，該模型基于水量收支平衡原則，并綜合考慮到水質(zhì)、生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)以及需求端問題等多個因素。模型以節(jié)點(diǎn)-連接結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)建立，并遵循質(zhì)量平衡方程式：

q入=q出+q損

(1)

式中，q入、q出—進(jìn)入、流出節(jié)點(diǎn)或連接的總水量；q損—節(jié)點(diǎn)或連接處的損失水量[1]。

建立聯(lián)立方程，用線性規(guī)劃法求解并進(jìn)行分配計算。通過WEAP盡可能使各需求點(diǎn)的滿足最大化，此時需進(jìn)行如下計算：

Q入=W需λ

(2)

式中，Q入—需求點(diǎn)的實際入流量；W需—需求點(diǎn)的需水總量；λ—需求點(diǎn)的滿足度系數(shù)。

將由生態(tài)效益滿意度、經(jīng)濟(jì)效益滿意度、社會效益滿意度組成的綜合效益滿意度作為研究的目標(biāo)函數(shù)，WEAP則是水資源優(yōu)化配置模型中不可或缺的部分。根據(jù)流域水資源現(xiàn)狀和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，提出水資源優(yōu)化配置流程，涵蓋WEAP模型、子目標(biāo)計算、權(quán)重計算等，如圖1所示。

圖1 水資源優(yōu)化配置流程圖

2.2 模型建立

流域可用水資源為沖積平原的地下水補(bǔ)給和山區(qū)冰雪融水的河道來水。根據(jù)流域內(nèi)水源條件和引用水關(guān)系，劃分出葉城、澤普、莎車、麥蓋提、巴楚、岳普湖和前海分區(qū)，并在此分區(qū)的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步分開概化處理，最終產(chǎn)生：1個河道流量要求、4條河流、7處地下水、9條分流、27個水庫、57個需求點(diǎn)及120條輸送連接。

2.3 目標(biāo)函數(shù)建立

根據(jù)社會經(jīng)濟(jì)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展原則優(yōu)化配置水資源，采用系統(tǒng)分析原理和優(yōu)化方法，協(xié)調(diào)流域內(nèi)生產(chǎn)、生活、生態(tài)的水資源分配，在保證社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的同時充分保障流域內(nèi)的生態(tài)效益，在多維度的優(yōu)化配置策略下，提升水資源在社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)三方面的綜合效益[2]。基于前述思路，引入綜合效益滿意度評價方法，利用三標(biāo)度法計算經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)效益的權(quán)重，再根據(jù)權(quán)重計算單個目標(biāo)的綜合滿意度，方法如下：

P=ω1P1+ω2P2+ω3P3

(3)

式中，P—綜合效益滿意度；ω1、P1—社會效益的權(quán)重、滿意度函數(shù)；ω2、P2—經(jīng)濟(jì)效益的權(quán)重、滿意度函數(shù)；ω3、P3—生態(tài)效益的權(quán)重、滿意度函數(shù)。

2.4 約束條件和優(yōu)先順序

(1)約束條件。分區(qū)用水量約束、可供水量約束、需水量約束、渠道輸水能力約束、河道下放水量要求、地下水開采量限制、水庫庫容限制等。

(2)優(yōu)先順序。秉承居民保障置于首位的原則，首先需要切實保障居民生活用水，在此基礎(chǔ)上則需保障生態(tài)用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水，整個優(yōu)先順序充分遵循民生至上、以人為本的原則。

2.5 計算時段和水文序列

以月為模型計算時段；基準(zhǔn)年為2018年，中期水平年為2030年，遠(yuǎn)期水平年為2040年；伊爾列黑、庫魯克蘭干站和玉孜門勒克站為代表水文站，來水?dāng)?shù)據(jù)取自于1957—2009年，分別選擇50%、70%、90%來水頻率對應(yīng)典型年份。

2.6 數(shù)據(jù)輸入

節(jié)點(diǎn)和連接有關(guān)參數(shù)的輸入是模型數(shù)據(jù)輸入的重要部分。節(jié)點(diǎn)的主要組成為：①需水點(diǎn)：用戶數(shù)量、單位用水量等；②地下水：補(bǔ)給水量和最大取水量；③河流有關(guān)參數(shù)：河道月?lián)p失和源頭月來水量；④水庫有關(guān)系數(shù)：總庫容、初始庫存、水庫損失等[3]。

2.7 發(fā)展方案的提出

根據(jù)因地制宜的原則，并考慮到流域水資源和社會經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀，制定發(fā)展方案，以期在滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的同時取得良好的節(jié)水效果。流域內(nèi)的用水類型分為第一產(chǎn)業(yè)和第二產(chǎn)業(yè)，分別對應(yīng)灌溉用水和工業(yè)用水。節(jié)水可采取適度節(jié)水和強(qiáng)化節(jié)水兩種方式，將工業(yè)節(jié)水和居民節(jié)水作為區(qū)域內(nèi)的重要節(jié)水途徑。在生態(tài)層面上，居民節(jié)水被視為主要突破口，強(qiáng)化居民的節(jié)水意識，從居民的實際用水需求出發(fā)，盡可能控制生活用水定額的增長速度，但不能影響居民的正常生活[4]。在強(qiáng)化節(jié)水條件下，預(yù)計到2030和2040年，流域內(nèi)農(nóng)村用水定額分別為105和110L/(人·d)，城鎮(zhèn)用水定額分別為200和205L/(人·d)。在工業(yè)領(lǐng)域，通過生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)型升級，逐步淘汰高耗能的水設(shè)備，利用先進(jìn)的設(shè)備和工藝提高水的重復(fù)利用率。因此，隨著時間的推移，工業(yè)用水定額將減少[5]?？紤]到流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平等因素，設(shè)置了低速增長和高速增長兩種葉爾羌河流域內(nèi)的工業(yè)發(fā)展模式。目前，流域內(nèi)工業(yè)的用水定額為200m3/萬元，在強(qiáng)化節(jié)水發(fā)展條件下，預(yù)計到2030和2040年的工業(yè)用水定額分別為90和50m3/萬元，即通過強(qiáng)化節(jié)水措施可以大幅度地減少工業(yè)用水定額。在適度節(jié)水發(fā)展條件下，也能夠減少工業(yè)用水定額，但減幅有限，預(yù)計到2030年為110m3/萬元，2040年為60m3/萬元?；谇笆龇治?，提出如下4項發(fā)展方案。

方案1：工業(yè)低增長+強(qiáng)化節(jié)水；方案2：工業(yè)高增長+強(qiáng)化節(jié)水；方案3：工業(yè)低增長+適度節(jié)水；方案4：工業(yè)高增長+適度節(jié)水。

3 結(jié)果分析

3.1 WEAP運(yùn)算結(jié)果

綜合考慮擴(kuò)大節(jié)水灌溉面積、提高灌溉水利用系數(shù)、建成山區(qū)水庫等流域內(nèi)的發(fā)展措施以及前述提及的4項發(fā)展方案，進(jìn)行水資源調(diào)配計算。計算通過WEAP進(jìn)行，考慮的條件是各規(guī)劃水平年和各來水頻率。在本次研究中，模擬50%來水概率的結(jié)果，合并結(jié)果后進(jìn)行分析。

3.1.1 社會效益滿意度

現(xiàn)狀流域缺水率為17.6%，缺水量為12.55億m3。在實施方案1、2、3、4后，預(yù)計2030年的缺水率分別為8.54%、8.90%、10.58%、10.83%，2040年分別為5.20%，6.15%，7.25%，8.21%，各方案的缺水率相比2030年均有降低。高發(fā)展方案的特點(diǎn)在于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但隨之增加流域需水量。對比分析各方案可知，相比方案1，方案2在2030、2040年分別多1312萬、5656萬m3，方案4分別比方案3多1604萬、6787萬m3。結(jié)合社會滿意度指標(biāo)，分析4項方案在2030、2040規(guī)劃水平年的需水量、供水量及社會效益滿意度，結(jié)果見表1(社會效益滿意度等于流域供水滿足度)。

表1 各發(fā)展方案在各規(guī)劃水平年的社會效益滿意度

3.1.2 經(jīng)濟(jì)效益滿意度

現(xiàn)狀年，地區(qū)總GDP組成中以第一產(chǎn)業(yè)的占比最高，超過60%。根據(jù)該產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，從各類產(chǎn)業(yè)中篩選出高效益的工業(yè)產(chǎn)業(yè)，為其投入相對更多的水資源，以滿足此類產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求，提高水資源利用水平的同時創(chuàng)造更加可觀的經(jīng)濟(jì)效益[6]。對于流域內(nèi)GDP期望值，在2030、2040年分別達(dá)到381億、955億元，并細(xì)分出各規(guī)劃年的第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值，計算經(jīng)濟(jì)效益滿意度，見表2。

表2 各發(fā)展方案的經(jīng)濟(jì)效益滿意度

3.1.3 生態(tài)效益滿意度

河床滲漏補(bǔ)給是河岸植被生態(tài)用水的主要來源途徑，葉爾羌河輸入塔里木河水量不應(yīng)少于3.3億m3(按50%來水頻率計算)，換算至艾里克塔木渠首斷面為8.26億m3。流域生態(tài)用水期望值在2030、2040年規(guī)劃水平年分別達(dá)到17.87億、18.41億m3，據(jù)此計算4項發(fā)展方案在各規(guī)劃水平年的生態(tài)效益滿意度，結(jié)果見表3。

表3 各發(fā)展方案在各規(guī)劃水平年的生態(tài)效益滿意度

3.2 方案的對比分析與選擇

目標(biāo)函數(shù)間各量綱存在差異，此條件下求解最優(yōu)解的難度較高。因此，在確定多目標(biāo)函數(shù)后，利用加權(quán)法轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)，再求解轉(zhuǎn)化后的函數(shù)，此時求解與分析的難度降低、結(jié)果可靠性有所提升。對于各子函數(shù)的權(quán)重，用三標(biāo)度法予以確定。根據(jù)前述思路進(jìn)行計算，確定效益滿意度的權(quán)重，考慮社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)三方面，分別為0.540、0.297、0.163，再綜合考慮前述表1—3給出的數(shù)據(jù)和公式(3)，結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，確定4項發(fā)展方案在2030、2040年2個規(guī)劃水平年的綜合效益滿意度，結(jié)果見表4。

表4 各發(fā)展方案在各規(guī)劃水平年的綜合效益滿意度

根據(jù)表4數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得知方案2在2030、2040年規(guī)劃水平年的綜合效益滿意度均高于其它方案，具有可行性，即“工業(yè)高增長+強(qiáng)化節(jié)水”的發(fā)展方案最適用于葉爾羌河流域的發(fā)展。

3.3 水資源配置結(jié)果及其分析

在確定方案2(工業(yè)高增長+強(qiáng)化節(jié)水)為最優(yōu)方案后，利用WEAP進(jìn)行水資源配置，此處以規(guī)劃水平年為2040年為例，50%來水頻率條件下的水資源配置結(jié)果，見表5。在聯(lián)合采取工業(yè)節(jié)水、農(nóng)業(yè)節(jié)水、生活節(jié)水、加強(qiáng)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)多項節(jié)水措施后，至2040年的灌溉節(jié)水量高達(dá)14.58億m3，缺水率為6.15%，相比原本的17.6%明顯降低，采取方案2后較為有效地緩解缺水問題，由此也說明“工業(yè)高增長+強(qiáng)化節(jié)水”的方案具有可行性[7-9]。

表5 發(fā)展方案2在2040年的水資源配置計算結(jié)果

4 結(jié)語

綜上所述，本研究通過利用WEAP建立了葉爾羌河流域水資源優(yōu)化配置模型，并提出了4個發(fā)展方案。經(jīng)過多目標(biāo)決策分析，確定了“工業(yè)高增長+強(qiáng)化節(jié)水”的方案，該方案在2040年的規(guī)劃水平年下具有顯著的水資源配置效果。該方案能夠降低流域的生產(chǎn)生活需水量，并且在50%來水頻率下有效減少缺水率，緩解了水資源緊缺問題，改善了供需矛盾。同時，該方案還有利于流域社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的綜合發(fā)展。然而，本研究還存在一些不足之處。首先，模型的建立依賴于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，因此在數(shù)據(jù)獲取和處理過程中可能存在一定的誤差。其次，本研究的結(jié)論和方案僅適用于葉爾羌河流域，其他流域的情況可能存在差異。因此，在今后的研究中，需要進(jìn)一步完善和優(yōu)化模型，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并探索適用于不同地區(qū)的水資源優(yōu)化配置方法，以更好地指導(dǎo)地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。