基于生態(tài)水文閾值調(diào)控的內(nèi)陸干旱區(qū)水資源多維均衡配置研究

李麗琴，王志璋，賀華翔，馬真臻，謝新民，魏傳江

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 水資源研究所，北京 100038；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院 水資源研究所，北京 100044；3.中國水利水電科學(xué)研究院 信息中心，北京 100038；4.清華大學(xué) 水利水電工程系 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084）

1 研究背景

我國內(nèi)陸干旱區(qū)地處E73°39′～E106°35′，N34°18′～N47°19′之間，主要分布在新疆、甘肅、寧夏、青海和內(nèi)蒙等省區(qū)，總面積為336.23萬km2［1-2］，約占全國土地面積的1/3，而地表水資源和地下水資源分別僅占全國的3.3%和5.5%，10%的綠洲資源養(yǎng)育了85%的人口和93%的GDP產(chǎn)出。從水資源系統(tǒng)特征分析，該區(qū)域主要分布在降雨線400 mm以下的干旱和半干旱區(qū)，干旱少雨，水資源緊缺；從經(jīng)濟社會系統(tǒng)特征分析，該區(qū)域是我國的農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)之一，農(nóng)業(yè)灌溉對水具有高度依賴性，同時該區(qū)域石油礦產(chǎn)資源相對較為豐富，對水具有強烈需求性；但從生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)分析:該區(qū)域生態(tài)環(huán)境本底脆弱，生物多樣性相對較低，這種典型的特征使得內(nèi)陸干旱區(qū)的城市發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護具有強烈的互斥性［3-4］。從現(xiàn)階段內(nèi)陸干旱區(qū)水土資源開發(fā)失衡、水鹽關(guān)系失調(diào)、生態(tài)環(huán)境退化、水資源供需矛盾突出等一系列水問題可以看出，內(nèi)陸干旱區(qū)的水資源-經(jīng)濟社會-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)發(fā)展演化處于無序和失衡狀態(tài)。隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略和“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，如何保障內(nèi)陸干旱區(qū)水資源安全是當前的熱點之一［5］。因此，將水資源-經(jīng)濟社會-生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)作為整體進行多維均衡配置是解決這些問題的關(guān)鍵所在。

目前，關(guān)于內(nèi)陸干旱區(qū)水資源配置主要是針對水資源開發(fā)利用中存在的水生態(tài)問題展開，水資源配置從水量分配逐漸發(fā)展到協(xié)調(diào)考慮經(jīng)濟、環(huán)境和生態(tài)各方面需求的流域水量綜合調(diào)控，隨著生態(tài)演變作用機理研究的深入，關(guān)于內(nèi)陸干旱區(qū)的水資源配置研究也隨之多樣化，重點是優(yōu)化算法的修正和生態(tài)需水的計算［6-11］，以往研究多局限于某個側(cè)面或某個環(huán)節(jié)而基于生態(tài)水文過程調(diào)控的全過程和全鏈條水資源多維均衡配置系統(tǒng)研究卻相對較少。因此，本文在整體識別內(nèi)陸干旱區(qū)水資源-經(jīng)濟社會-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)耦合作用機理上，量化生態(tài)水文關(guān)鍵調(diào)控指標，以水資源-經(jīng)濟社會-生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)的均衡發(fā)展為目標，構(gòu)建基于生態(tài)水文閾值調(diào)控的水資源多維均衡配置模型，通過多循環(huán)迭代技術(shù)，水資源配置結(jié)果將不斷被優(yōu)化，直到生態(tài)水文指標達到閾值要求。

2 水資源-經(jīng)濟社會-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)耦合作用機理

基于內(nèi)陸干旱區(qū)“自然-社會”二元水循環(huán)特征及其伴生的生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律［12］，研究和解析內(nèi)陸干旱區(qū)二元水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)演變耦合作用機理，并構(gòu)建二者之間量化響應(yīng)關(guān)系。具體研究框架見圖1。

圖1 二元水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)演變耦合作用機理研究框架

2.1 水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)演變耦合作用機理內(nèi)陸干旱區(qū)水資源系統(tǒng)獨特，山區(qū)降水集流、綠洲集約轉(zhuǎn)化、荒漠耗散消失的二元水循環(huán)過程，形成了高山冰川—山地涵養(yǎng)林—平原綠洲—河流尾閭湖泊構(gòu)成的內(nèi)陸水文系統(tǒng)和相伴而生的生態(tài)系統(tǒng)［13-14］。在人類活動影響和強擾動作用下，內(nèi)陸干旱區(qū)二元水循環(huán)過程和結(jié)構(gòu)、通量發(fā)生了深刻變化，社會水循環(huán)強烈改變了平原盆地水循環(huán)過程和分配機制，使人工綠洲取用耗水通量大大增加，導(dǎo)致天然綠洲萎縮和荒漠面積擴大及其蒸發(fā)通量大幅減少，這種改變使中游水分垂向循環(huán)加強，蒸發(fā)和下滲通量加大甚至引發(fā)土壤次生鹽漬化［15］；而下游水平方向徑流通量減少，天然綠洲、綠洲-荒漠過渡帶生態(tài)水量大幅減少，造成隨上游人工綠洲對水資源開發(fā)、利用和消耗程度的不斷提高，下游河道斷流、湖泊萎縮、濕地消失、天然綠洲萎縮、綠洲-荒漠過渡帶退化、尾閭湖泊干涸或永久消失［16］；反過來，這種生態(tài)系統(tǒng)演變格局又維系著與其息息相關(guān)的二元水循環(huán)過程，二者之間既相互依存又相互制約、相互影響，構(gòu)成了內(nèi)陸干旱區(qū)獨特的二元水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)演變耦合作用機理。

我國內(nèi)陸干旱區(qū)，尤其是塔里木河流域、吐魯番盆地和黑河流域，過去因大規(guī)模開荒和擴大灌溉面積，社會水循環(huán)通量無節(jié)制增大、自然水循環(huán)通量急劇衰減，這種此消彼長和不健康、不健全的二元水循環(huán)導(dǎo)致其伴生的生態(tài)系統(tǒng)演變格局發(fā)生根本性改變，人工綠洲盲目擴大、天然綠洲嚴重萎縮和土壤鹽漬化、河道斷流、湖泊萎縮、荒漠化加劇等生態(tài)系統(tǒng)演變嚴重失衡現(xiàn)象，造成了嚴重的生態(tài)災(zāi)難和大量生態(tài)移民。當前，迫切需要透過現(xiàn)象，重新認識和抓住問題本質(zhì)，研究和構(gòu)建二元水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)演變之間的量化響應(yīng)關(guān)系，為調(diào)整和優(yōu)化水資源配置格局并解決生態(tài)系統(tǒng)演變失衡問題提供理論依據(jù)。

2.2 水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)演變響應(yīng)關(guān)系基于內(nèi)陸干旱區(qū)二元水循環(huán)獨特性及其伴生的生態(tài)系統(tǒng)演變過程，依據(jù)二元水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)演變耦合作用機理，以歷史觀測資料和試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析水循環(huán)對生態(tài)系統(tǒng)演變的驅(qū)動作用；并結(jié)合野外調(diào)查和勘探結(jié)果，分析和建立內(nèi)陸干旱區(qū)二元水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)演變之間的量化響應(yīng)關(guān)系，為進一步確定和明晰內(nèi)陸干旱區(qū)生態(tài)水文調(diào)控指標及其閾值奠定基礎(chǔ)。

（1）河流及尾閭湖泊下泄來水量多寡對其沿岸區(qū)域地下水位變化過程影響密切，二者之間存在顯著的響應(yīng)關(guān)系。如塔里木河流域河道下泄水量（Q）與橫向上地下水位響應(yīng)范圍（X）兩者存在顯著二次函數(shù)關(guān)系，隨著河流下泄水量減少和尾閭湖泊來水量衰減甚至斷流干涸，其沿岸區(qū)域地下水側(cè)向補給量急劇減少、遠離河道及尾閭湖泊區(qū)域地下水位抬升幅度逐漸減弱或呈現(xiàn)出地下水位持續(xù)下降的態(tài)勢［17-20］。

（2）地下水位與人工綠洲、天然綠洲、綠洲-荒漠過渡帶天然植被分布、組成和長勢息息相關(guān)，存在明顯的響應(yīng)關(guān)系［21-28］。若地下水位h小于產(chǎn)生土壤鹽漬化或沼澤化臨界水位Hmin，則因潛水蒸發(fā)強烈、土壤積鹽增強，就會發(fā)生鹽漬化或沼澤化，不利于天然植被生長；若地下水位h大于潛水蒸發(fā)或植被自然死亡臨界水位Hmax，則潛水蒸發(fā)停止或毛細管水不能達到植被根系層去補給天然植被生長需求，引起植被衰敗。因此，如何合理調(diào)控地下水生態(tài)水位閾值:Hmin≤h≤Hmax，對內(nèi)陸干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境保護至關(guān)重要；人工灌區(qū)地下水生態(tài)水位閾值一般為1.0和2.8 m［29］，塔里木河流域地下水水位與胡楊枝徑生長量相關(guān)性分析顯示，胡楊枝徑生長量（Y）與地下水潛水埋深（X）兩者存在顯著負相關(guān)關(guān)系:Y=0.003X4-0.078X3+0.688X2-2.854X+6.695，R2=0.868，對函數(shù)求二階導(dǎo)數(shù)可得到胡楊枝徑生長量變化率與地下水埋深的關(guān)系，當?shù)叵滤宦裆钤?.5～4.5 m時，胡楊枝徑生長量呈現(xiàn)遞增趨勢，地下水位埋深在4.5～8.5 m時，胡楊枝徑生長量呈現(xiàn)增長緩慢，地下水位埋深在8.5 m時，胡楊枝徑停止生長。因此，塔里木河流域胡楊林地下水生態(tài)水位閾值定為0.5和8.5 m。

（3）在河道來水量一定的情況下，輸水時間的不同對天然綠洲、綠洲-荒漠過渡帶天然植被的生長有顯著影響關(guān)系。當輸水時間與植被種子成熟、萌發(fā)期相一致時，輸水的生態(tài)效應(yīng)達到最大［30］，以塔里木河流域為例，胡楊林一般成熟、萌發(fā)期為8—9月份。

（4）灌區(qū)積鹽狀態(tài)向脫鹽狀態(tài)的轉(zhuǎn)變?nèi)Q于臨界排灌比的選取，以塔里木河流域渭干河灌區(qū)為例，灌區(qū)排灌比（X）與累積儲鹽量（Y）呈二次函數(shù)相關(guān)關(guān)系:Y=0.78X2-36.07X+263.53，R=0.96，排灌比是一個動態(tài)變量，臨界排灌比的選取與耕地的初始含鹽量等諸多因素相關(guān)，其中長期排灌且鹽漬化相對較低的灌區(qū)排灌比在5%～10%之間，由荒漠生態(tài)系統(tǒng)新開墾的灌區(qū)由于歷史殘留鹽分過多，要適當加大灌排力度，一般為15%～30%之間［31-34］。

（5）渠井灌溉適宜用水比及節(jié)水灌溉方式等對人工綠洲生態(tài)系統(tǒng)演變至關(guān)重要。在農(nóng)田灌溉需水量一定的情況下，渠井灌溉用水比例越高，地下水埋深減小越明顯，基于地下水埋深變化最小的原則，確定適宜的渠井灌溉用水比例，平水年（P=50%）為2.9左右，枯水年（P=75%）為3.1左右［35-36］；節(jié)水灌溉通過減少渠系和田間的滲漏損失，而降低因地下水位上升而引起的次生鹽漬化風險；但是從生態(tài)良性循環(huán)角度，節(jié)水灌溉是存在上限的，內(nèi)陸干旱區(qū)渠系利用率的節(jié)水上限應(yīng)為0.5～0.6。因此，節(jié)水灌溉與防治土壤鹽漬化的產(chǎn)生重點是在田間節(jié)水灌溉工程中，適宜節(jié)水灌溉可減少土壤耕作層的淋洗周期。

3 基于生態(tài)水文閾值調(diào)控的水資源多維均衡配置模型

基于生態(tài)水文閾值調(diào)控的水資源多維均衡配置模型［37］，是基于流域/區(qū)域/計算單元的“自然-社會”二元水循環(huán)過程調(diào)控，涉及水資源、社會、經(jīng)濟、生態(tài)和環(huán)境等多目標的決策問題，將水資源系統(tǒng)、經(jīng)濟社會系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)作為有機整體，以水資源-經(jīng)濟社會-生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)的有序良性演化為總目標，以優(yōu)化配置模塊為核心，以生態(tài)水文調(diào)控指標為抓手，以多重循環(huán)耦合迭代技術(shù)為手段，最終實現(xiàn)水資源-經(jīng)濟社會-生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)的均衡有序發(fā)展。

3.1 優(yōu)化配置模塊水資源優(yōu)化配置模塊主要由數(shù)據(jù)輸入、模型參數(shù)、目標函數(shù)、平衡方程、約束條件和結(jié)果輸出等部分組成，利用世界銀行和美國GAMS公司研制的通用數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)對該模型進行求解計算。其中，目標函數(shù)主要包含社會系統(tǒng)目標、經(jīng)濟系統(tǒng)目標和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)目標三類目標函數(shù)；平衡方程和約束條件主要包含計算單元、水庫、節(jié)點、外調(diào)水工程等水量平衡方程，水庫、渠道、污水回用、地下水、當?shù)匚纯貜搅鳌⒑础竦亍⒑拥馈⑥r(nóng)業(yè)“寬淺式破壞”等的約束條件。

（1）社會系統(tǒng)目標。實現(xiàn)水資源在不同行業(yè)及不同地區(qū)間的供水公平，是水資源配置社會子系統(tǒng)的最終目標。因此，運用供水基尼系數(shù)概念［38-39］，通過優(yōu)化有限水資源在不同行業(yè)和不同流域間的分配方式，以最小化供水基尼系數(shù)實現(xiàn)社會系統(tǒng)的均衡調(diào)控。

式中:F1、F2分別為行業(yè)供水基尼系數(shù)和行政分區(qū)供水基尼系數(shù)，其值越小，表明水資源配置在各行業(yè)和各行政分區(qū)間的公平性越好；Wijtk、Dijkt分別為t時段第i個子流域j行政分區(qū)內(nèi)k行業(yè)的供水量和需水量；k、k′分別為第k、k′行業(yè)，包含城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)生態(tài)、農(nóng)村生態(tài)；K為行業(yè)個數(shù)；αk為第k個行業(yè)的供水優(yōu)先序參數(shù)；Wijtk′、Dijkt′、αk′涵義依此類推；Mijt為t時段第i個子流域j行政分區(qū)全部行業(yè)供水量與需水量比值之總和；Mit為t時段第i個子流域全部行政分區(qū)供水量與需水量比值之和；Witj為t時段第i個子流域部行政分區(qū)j總供水量；Ditj為t時段第i個子流域部行政分區(qū)j總需水量。

（2）經(jīng)濟系統(tǒng)目標。水資源配置經(jīng)濟子系統(tǒng)的主要功能是盡量滿足河道外需水要求，因此，選用供水量最大化，實現(xiàn)對經(jīng)濟子系統(tǒng)的均衡調(diào)控。

式中:F3為流域供水總量，其值越大，表明流域水資源優(yōu)化配置的經(jīng)濟效益越好；αsur、αdiv、αgrd、αrec分別為地表水、外調(diào)水、地下水及再生水的供水權(quán)重系數(shù)；XCSCijt、XCSIijt、XCSEijt、XCSAijt、XCSRijt、XCSVijt分別為第t個時段第i個子流域內(nèi)第j個行政單元地表水供城鎮(zhèn)生活、工業(yè)、城鎮(zhèn)生態(tài)、農(nóng)業(yè)、農(nóng)村生活和農(nóng)村生態(tài)供水量。外調(diào)水、地下水及再生水對各用水戶供水依此類推；再生水僅對工業(yè)、城鎮(zhèn)生態(tài)農(nóng)業(yè)及農(nóng)村生態(tài)供水；T為總的計算時段，以月為單位；I為子流域個數(shù)；J為行政分區(qū)個數(shù)。

（3）生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)目標。西北內(nèi)陸區(qū)河流尾閭河岸林荒漠化嚴重，基于2.2節(jié)水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)演變的耦合量化響應(yīng)關(guān)系，保證流域重要控制斷面最小下泄水量是實現(xiàn)內(nèi)陸干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)良性循環(huán)的關(guān)鍵措施。因此，選用最大化斷面最小生態(tài)環(huán)境水量滿足程度實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的均衡調(diào)控。

式中:F4為河道生態(tài)環(huán)境滿足度系數(shù)，其值越大，表明河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水滿足程度越高；Wlte、De分別為第t時段第l個河道斷面的河道生態(tài)環(huán)境下泄量和河道生態(tài)環(huán)境需水量；α代表第t時段河ltt段下泄量敏感系數(shù)，基于生態(tài)水文調(diào)控指標閾值中輸水時間與植被種子成熟、萌發(fā)期相關(guān)性設(shè)置敏感參數(shù)。

（4）綜合目標。水資源優(yōu)化配置作為多目標優(yōu)化問題，求解過程中通常采用權(quán)重賦值將多目標問題從形式上轉(zhuǎn)化為單一目標問題。全面考慮其水資源及生態(tài)環(huán)境承載能力，對不同子系統(tǒng)的供水效益目標賦予合理的權(quán)重系數(shù)，使其水資源配置的綜合目標達到最優(yōu)。

其中，λ1、λ2、λ3分別為社會系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的權(quán)重參數(shù)。

3.2 生態(tài)水文調(diào)控指標及閾值通過識別內(nèi)陸干旱區(qū)“自然-社會”二元水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)之間的量化響應(yīng)關(guān)系，根據(jù)二元水循環(huán)及其伴生的生態(tài)系統(tǒng)演變格局，尤其是生態(tài)失衡問題，定量刻畫面向內(nèi)陸干旱區(qū)生態(tài)保護的生態(tài)水文調(diào)控指標及其臨界閾值，為水資源多維均衡配置提供依據(jù)。具體指標的選取主要依據(jù)2.2節(jié)確定，其中關(guān)鍵控制斷面生態(tài)水文調(diào)控指標及其閾值主要選取河流關(guān)鍵控制斷面下泄流量/水量和時間，其臨界閾值，需要根據(jù)長系列觀測資料和具體保護目標等通過綜合分析后確定；關(guān)鍵控制區(qū)域生態(tài)水文調(diào)控指標及其閾值主要包括:（1）地下水生態(tài)水位；（2）灌區(qū)臨界排灌比；（3）渠井灌溉用水比例。

3.3 多重循環(huán)迭代算法在水資源配置模塊牽引下，通過目標函數(shù)引導(dǎo)及約束條件所限定的可行域內(nèi)，基于生態(tài)水文閾值調(diào)控指標逐次迭代尋優(yōu)計算，實現(xiàn)不同時空尺度、不同水源、不同行業(yè)等多維度水資源系統(tǒng)-經(jīng)濟社會系統(tǒng)-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的“六大平衡”均衡發(fā)展。具體計算流程如下（圖2）:

（1）第一步（S1）:初始參數(shù)數(shù)據(jù)輸入，輸入流域分區(qū)模型關(guān)鍵參數(shù)、行政分區(qū)模型關(guān)鍵參數(shù)、計算分區(qū)模型關(guān)鍵參數(shù)（地下水初始可開采量W0，并置j=0），通過流域?qū)用?行政區(qū)層面-計算單元層面逐次協(xié)調(diào)迭代運算，確定第j次水資源配置結(jié)果；

（2）第二步（S2）:以流域分區(qū)為單元的水資源系統(tǒng)迭代計算，尋求流域?qū)用婧乃偭亢偷叵滤裳a是否平衡；S21:判斷是否滿足流域?qū)用婧乃胶庖螅ǜ鶕?jù)流域出境水量判斷流域間（上、中、下游）水量分配方案是否合理，是否滿足維持下游經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境用水要求），若不滿足則采取調(diào)整措施（如增大外調(diào)水、非常規(guī)水源供水量等）后，轉(zhuǎn)向S1重新輸入復(fù)合系統(tǒng)關(guān)鍵控制參量，并置j=j+1；若滿足則轉(zhuǎn)入S22:判斷流域地下水是否滿足采補平衡要求，將各水源供水、各行業(yè)用水等相關(guān)量輸入地下水均衡模型，得出地下水可開采量Wj（j為迭代次數(shù)，j=1，2，…，n），判斷是否滿足流域地下水采補平衡要求，若滿足則轉(zhuǎn)入S3；若不滿足則采取調(diào)整措施（調(diào)整灌區(qū)渠井灌溉用水比例等）后轉(zhuǎn)入S1重新輸入復(fù)合系統(tǒng)關(guān)鍵控制參量，并置j=j+1，重復(fù)前一次迭代過程，直至滿足條件；

（3）第三步（S3）:以行政分區(qū)為單元的經(jīng)濟社會系統(tǒng)迭代計算，尋求行政區(qū)層面水量和水土是否平衡；S31:判斷是否滿足行政區(qū)層面水量平衡要求（是否滿足用水總量、供需、國民經(jīng)濟耗水要求），若不滿足則采取調(diào)整措施（調(diào)整各行業(yè)發(fā)展規(guī)模、種植結(jié)構(gòu)、灌溉面積或節(jié)水水平等或約定允許破壞深度）后，轉(zhuǎn)入S1重新輸入復(fù)合系統(tǒng)關(guān)鍵控制參量，并置j=j+1；若滿足則轉(zhuǎn)入S32:判斷是否滿足水土平衡要求（水土平衡基尼系數(shù)［40］是否在閾值范圍內(nèi)），若滿足則轉(zhuǎn)入S4；若不滿足則采取調(diào)整措施（調(diào)整水土資源結(jié)構(gòu)，若灌溉面積大于基本農(nóng)田面積，則適當退減灌溉面積，否則實施更節(jié)水灌溉方式）后，轉(zhuǎn)入S1重新輸入復(fù)合系統(tǒng)關(guān)鍵控制參量，并置j=j+1，重復(fù)前一次迭代過程，直至滿足條件；

圖2 水資源多維均衡配置多重循環(huán)迭代算法框圖

（4）第四步（S4）:以河道關(guān)鍵控制斷面和灌區(qū)為單元的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)迭代計算，尋求河道關(guān)鍵控制斷面水生態(tài)平衡和灌區(qū)的水鹽平衡，S41:判斷河道關(guān)鍵控制斷面是否滿足生態(tài)環(huán)境用水保證率要求，若不滿足則采取調(diào)整措施（微調(diào)國民經(jīng)濟用水定額、發(fā)展指標及河道輸水時間）后，轉(zhuǎn)入S1重新輸入復(fù)合系統(tǒng)關(guān)鍵控制參量，并置j=j+1；若滿足則轉(zhuǎn)入S42:判斷是否滿足灌區(qū)水鹽平衡要求，若不滿足則采取調(diào)整措施（調(diào)整灌區(qū)排灌比等）后，轉(zhuǎn)入S2重新輸入復(fù)合系統(tǒng)關(guān)鍵控制參量，并置j=j+1；若仍不滿足則轉(zhuǎn)入S1再次進行復(fù)合系統(tǒng)關(guān)鍵控制參量逐次協(xié)調(diào)，并置j=j+1，重復(fù)前一次迭代過程，直至滿足條件；

（5）第五步（S5）:輸出水資源配置結(jié)果。

4 實例應(yīng)用

4.1 流域概況塔里木河是我國最大的內(nèi)陸河，自西向東繞塔克拉瑪干沙漠北緣貫穿塔里木盆地，干流總長一千多公里，自身不產(chǎn)流，主要依靠九源流補給（目前只有四源流補給），作為鎖住塔克拉瑪干沙漠的“生態(tài)項鏈”對維持南疆地區(qū)各族人民生存發(fā)展和社會穩(wěn)定起著決定作用。2013年塔里木河流域總用水量為210.5億m3、社會經(jīng)濟耗水量為157.9億m3，相對2000年分別增加了62%和82%，社會經(jīng)濟耗水增長率明顯高于用水增長率，留給生態(tài)環(huán)境的可耗水量不斷下降。雖然塔里木河流域多年（2000—2013年）平均來水量增加33億m3，但多年平均生態(tài)耗水量總體呈現(xiàn)下降趨勢，下降最為明顯的巴州地區(qū)和阿克蘇地區(qū)，灌溉面積增加最為明顯。2013年塔里木河流域耕地面積比2000年增加了66%，鹽漬化面積占耕地面積的67%（其中輕鹽化面積占42%、中鹽化面積占37%、重鹽化面積占21%），林草地面積減少了13%，沙漠戈壁面積增加了3%。氣候變化驅(qū)動西北內(nèi)陸區(qū)水資源系統(tǒng)出山口徑流量的增加，而經(jīng)濟社會系統(tǒng)耕地面積大規(guī)模無序擴張導(dǎo)致水資源系統(tǒng)消耗的水資源量遠遠超過經(jīng)濟社會系統(tǒng)節(jié)水灌溉所節(jié)約的水資源量，迫使生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)所需的水資源量被大量擠占，從而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)失衡和惡性演變。

根據(jù)塔里木河流域水資源系統(tǒng)特點和現(xiàn)狀、規(guī)劃的水利工程情況以及水資源配置的要求等，將水資源系統(tǒng)中各類物理元素（重要水利工程、計算單元、河渠道交匯點等）作為節(jié)點，各節(jié)點間通過水資源傳播系統(tǒng)的各類線段連接，形成塔里木河流域水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，最終概化計算單元水資源三級區(qū)套縣（市）39個，水文控制站點、引水節(jié)點、排水節(jié)點、流域水資源分區(qū)斷面等45個節(jié)點，已建和規(guī)劃水庫34座，地表水供水渠道66條，河段140條，排水渠道42條。文中以阿克蘇流域為例進行演示（圖3）。

圖3 水資源配置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

4.2 生態(tài)水文調(diào)控指標及其閾值確定

4.2.1 關(guān)鍵控制斷面 塔里木河流域上游耗水量增大影響地表水文過程，導(dǎo)致現(xiàn)狀下游河道徹底斷流，荒漠河岸林植被嚴重退化衰敗，生態(tài)系統(tǒng)功能與服務(wù)價值下降。為切實保障塔里木河流域源流區(qū)水量河損及尾閭維持現(xiàn)狀天然植被需水量，干流上中游維持水量河損及下游恢復(fù)植被的維持水量、地下水恢復(fù)水量，根據(jù)文獻［41］確定流域生態(tài)保護目標需水量，通過河道綜合整治，保證下泄生態(tài)水量，關(guān)鍵控制斷面生態(tài)水文控制指標閾值如表1所示。

表1 關(guān)鍵控制斷面生態(tài)水文調(diào)控指標閾值 （單位:億m3）

4.2.2 關(guān)鍵控制區(qū)域 塔里木河流域粗放、低效用水模式及人工綠洲的快速擴張，導(dǎo)致用水矛盾加劇，灌區(qū)內(nèi)鹽漬化與灌區(qū)外圍天然植被退化并存，水環(huán)境惡化危及生態(tài)安全。未來關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)應(yīng)通過完善排水系統(tǒng)，降低地下水位，推行節(jié)水灌溉等措施緩解次生鹽漬和荒漠化。具體關(guān)鍵控制區(qū)域生態(tài)水文調(diào)控指標及其閾值見2.2節(jié)。

4.3 方案設(shè)置及比選

4.3.1 方案設(shè)置 規(guī)劃水平年塔里木河水資源配置應(yīng)注重以下幾個方面:（1）提高用水效率，抑制不合理需求，經(jīng)濟規(guī)模與用水規(guī)模要符合本流域水資源可持續(xù)利用要求；（2）進行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級改造，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，逐步退出高耗能高耗水產(chǎn)業(yè)，退減無序開荒擠占的生態(tài)用水；（3）新建污水處理廠和中水回用工程，增加中水回用量在供水結(jié)構(gòu)中的比例；（4）新建必要的山區(qū)型蓄水工程，提高供水保證率，減少工程型缺水；（5）加大外流域調(diào)水的力度，緩解資源型缺水，逐步退還占用的生態(tài)水量和地下水量。

來水系列:近年來，塔里木河流域來水量偏豐（2001—2013年系列比1956—2000年系列偏豐12.5%），氣候變化加劇了塔里木河流域水循環(huán)過程的復(fù)雜性和水資源的不安全性，因此采用偏理想（2000—2013年）和偏保守（1956—2000年）兩時段逐月徑流資料進行模擬計算。

需水方案:需水方案有3種，分別為:方案Ⅰ（高增長和強化節(jié)水）、方案Ⅱ（適度增長和強化節(jié)水）和方案Ⅲ（高增長和適度節(jié)水）。塔里木河流域現(xiàn)狀年農(nóng)業(yè)用水量過大，在保持現(xiàn)狀灌溉面積條件下僅通過農(nóng)業(yè)節(jié)水措施而不退減灌溉面積的情況下，農(nóng)業(yè)用水需求仍超過用水總量控制紅線指標，因此，塔里木河流域未來規(guī)劃水平年必須采取節(jié)水和退地“兩條腿”才能走向可持續(xù)發(fā)展道路。鑒于節(jié)水退地具體實施的難度相對較大，農(nóng)業(yè)采取兩種發(fā)展方案:高發(fā)展方案嚴格按照用水總量控制要求加大力度節(jié)水、退地；2020年、2030年分別累計新增節(jié)水灌溉面積78.1萬hm2、85.1萬hm2，累計退減基本農(nóng)田外灌溉面積31.5萬hm2、41.5萬hm2。適度發(fā)展方案是分步實施，遠期達標放緩節(jié)水、退地力度；2020年、2030年分別累計新增節(jié)水灌溉面積66.1萬hm2、73.7萬hm2，累計退減基本農(nóng)田外灌溉面積26.3萬hm2、29.7萬hm2。通過來水方案與需水方案組合得到6種配置方案，具體組合情況見表2。

表2 配置方案集

4.3.2 方案比選 以2013年水資源開發(fā)利用情況為基準，進行1956—2013年58年長系列逐月供水模擬，對模型系統(tǒng)參數(shù)進行率定和校核，進而對規(guī)劃水平年進行調(diào)節(jié)計算。具體配置結(jié)果如下:規(guī)劃水平年不同方案水資源配置結(jié)果見表3。在相同需水方案下，來水偏理想（2001—2013年）系列明顯比偏保守（1956—2000年）系列缺水率小，即方案四缺水率＜方案一、方案五缺水率＜方案二、方案六缺水率＜方案三；在相同來水系列下，需水高方案缺水率明顯比需水低方案大，尤其是在偏枯和特枯水平年該現(xiàn)象更為顯著，即:方案一缺水率＜方案二＜方案三、方案四缺水率＜方案五＜方案六。

由表3計算結(jié)果分析可知，方案一是“以水定產(chǎn)、走自律式外延發(fā)展”道路，在保守來水條件下，對應(yīng)經(jīng)濟社會高速發(fā)展和強化節(jié)水，在確保流域基本農(nóng)田總量控制的基礎(chǔ)上，加大農(nóng)業(yè)節(jié)水和退地力度，全力支持工業(yè)的跨越式發(fā)展，且2020年和2030年用水總量完全控制在三條紅線用水總量控制指標內(nèi)，在特枯年份缺水率相對較小，且主要為農(nóng)業(yè)缺水，開源投資最小，既可保證經(jīng)濟社會快速發(fā)展，又可節(jié)約大量水資源，從而避免生態(tài)環(huán)境用水被國民經(jīng)濟發(fā)展用水大量擠占，對于構(gòu)建人水和諧的水生態(tài)文明社會十分有利，且在偏保守的來水條件下，水資源系統(tǒng)-經(jīng)濟社會系統(tǒng)-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)均衡發(fā)展程度最高。因此，在平枯水平年和外調(diào)水難度較大時，方案一是優(yōu)先推薦方案。

表3 不同方案多年平均供需平衡分析結(jié)果 （單位:億m3）

方案二是“以水定產(chǎn)、走內(nèi)涵式發(fā)展”道路，在保守來水條件下，對應(yīng)經(jīng)濟社會適度發(fā)展和強化節(jié)水，考慮到農(nóng)業(yè)節(jié)水退地的艱難性，采用適度節(jié)水和退地模式，且2020年和2030年用水總量完全控制在三條紅線用水總量控制指標內(nèi)，在特枯年份缺水率相對較大，調(diào)水規(guī)模達到14.9億m3，但調(diào)水工程調(diào)水管線投資大、涉及的問題和利益攸關(guān)方復(fù)雜，運行管理和維護難度大，且節(jié)水力度較大，開源投資較大，而經(jīng)濟發(fā)展水平適度，當?shù)刎斦a償負擔過重，在偏保守的來水條件下，水資源系統(tǒng)-經(jīng)濟社會系統(tǒng)-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)均衡發(fā)展程度適中。因此，對于決策者而言，在平枯水平年和外調(diào)水難度較大且近期退地難度較大時，方案二是次優(yōu)先推薦方案。

方案三是“近期走內(nèi)涵式發(fā)展，遠期走自律式發(fā)展”道路，在保守來水條件下，對應(yīng)經(jīng)濟社會高速發(fā)展和適度節(jié)水，加大農(nóng)業(yè)節(jié)水和退地力度，全力支持工業(yè)的跨越式發(fā)展，2020年突破三條紅線用水總量控制指標，但完全控制在《新疆水資源平衡論證》的指標內(nèi)，2030年完全按照當?shù)厝龡l紅線控制指標，但是由于節(jié)水力度較小，在特枯年份缺水率相對較大，調(diào)水規(guī)模達到17.42億m3，開源投資較大，生態(tài)環(huán)境用水被國民經(jīng)濟發(fā)展用水大量擠占，不利于構(gòu)建人水和諧的水生態(tài)文明社會，在偏保守的來水條件下，水資源系統(tǒng)-經(jīng)濟社會系統(tǒng)-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)均衡發(fā)展程度較低。因此，對于決策者而言，方案三不作為優(yōu)先推薦方案。

方案四、五、六分別與方案一、二、三發(fā)展模式類似，只是基于偏理想來水條件，近期、遠期水平年水資源系統(tǒng)-經(jīng)濟社會系統(tǒng)-生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)均衡發(fā)展程度都普遍比保守來水條件偏高，對決策者而言在豐水年或具有外調(diào)水源的平枯水平年，方案四是優(yōu)先推薦方案；方案五對于對決策者而言在豐水年或具有外調(diào)水源的平枯水平年且近期農(nóng)業(yè)退地難度較大時可作為次優(yōu)先推薦方案，方案六不作為優(yōu)先推薦方案。

基于保守考慮，本文優(yōu)先推薦方案一。在平枯水平年塔里木河流域通過累計新增節(jié)水灌溉面積85.1萬hm2，累計退減基本農(nóng)田外灌溉面積41.5萬hm2，累計退減國民經(jīng)濟用水量為75億m3，可實現(xiàn)該地區(qū)水資源-經(jīng)濟社會-生態(tài)環(huán)境復(fù)合系統(tǒng)的有序良性演化和高效均衡發(fā)展，

5 結(jié)論與展望

（1）鹽漬化和荒漠化，已成為我國內(nèi)陸干旱區(qū)所面臨的最突出、最尖銳、最難解決的資源環(huán)境問題。針對內(nèi)陸干旱區(qū)發(fā)展與保護中的特殊性，剖析和揭示內(nèi)陸干旱區(qū)“自然-社會”二元水循環(huán)與生態(tài)演變耦合作用機理，分析和建立內(nèi)陸干旱區(qū)二元水循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)演變之間的量化響應(yīng)關(guān)系；（2）立足于山水林田湖草是一個生命共同體的理念，從節(jié)水優(yōu)先、空間均衡的角度，構(gòu)建基于生態(tài)水文閾值調(diào)控的內(nèi)陸干旱區(qū)水資源多維均衡配置模型，為實現(xiàn)內(nèi)陸干旱區(qū)水資源多個維度上滿足“六大均衡”（耗水總量、地下水采補、水量、水土、水生態(tài)和水鹽）要求提供一種全新的模型工具；（3）最后以塔里木河流域為例具體闡述了內(nèi)陸干旱區(qū)水資源多維均衡配置模式在此流域的具體應(yīng)用，希望為我國其他內(nèi)陸干旱區(qū)的水資源多維均衡配置并以支撐可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)平衡、健康穩(wěn)定提供借鑒；（4）本次重點研究內(nèi)陸干旱區(qū)水資源多維均衡配置與生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定問題，未深入考慮水資源配置所涉及的低碳和生態(tài)效益等問題，這將是未來研究的重點之一。