干旱河流多水源聯合調配模式研究
——以窟野河為例

楊翊辰，高仕春

（武漢大學水利水電學院，湖北 武漢 430072）

1 研究背景

窟野河是黃河重要的一級支流，流域水資源總量不足，生態環境脆弱，是黃河粗泥沙的主要來源區之一，也是水土保持治理重點地區[1，2]。但流域內礦產資源豐富，位于我國“呼包鄂榆”重要能源區域，在國家能源戰略中的地位十分突出，在我國能源產業和西部大開發戰略的推動下，工業保持快速發展態勢，區域經濟強勁增長[3，4]。隨著經濟社會的快速發展，工業化和城鎮化進程加快，流域水資源短缺問題日益突出。作為水資源本底條件較差的窟野河來說，匱乏的水資源稟賦、變化的氣候特征、日益增加的人類活動給流域水資源的管理提出了更高的挑戰[5]，如何配置窟野河有限的水資源，對保證流域資源-環境-經濟社會的可持續發展有重要的現實意義。

近年來，部分學者對窟野河流域展開了多方面的研究。吳喜軍、郭巧玲和李舒等均關注了窟野河煤炭開采的問題，通過不同的方法及模型，研究了煤炭開采對窟野河水文水資源的影響[6-9]。對于窟野河徑流演變特征及其影響因素問題，王國慶等利用有序聚類方法、郭巧玲等采用多種數理統計方法、白樂等通過SCRAQ法、蘇佳園等結合小波分析和M-K突變檢驗多種分析方法對窟野河徑流變化特征及趨勢進行了分析，并探究了氣候變化和人類活動對徑流的影響作用[10-13]。桑非凡等分析了窟野河降水時空變化特征，判定了降水變化趨勢及其突變性[14]。韓振英等通過灰色機理模型，對窟野河徑流進行了預測[15]。高健翎等利用遙感數據，分析了黃河中游多沙粗沙區窟野河水土流域變化特征[16]。高文永等研究了采礦坍塌對窟野河流域水沙條件影響[17]。王童、蔣曉輝等均分析了窟野河流域土地利用變化，探討了植被變化對氣候和非氣候要素的響應[18，19]。李慧娟等通過多個統計方法分析了窟野河流域水沙變化特征，采用彈性系數法和雙累積曲線法評估了氣候變化和人類活動對水沙變化的貢獻度[20]。畢早瑩等通過彈性系數法探究了窟野河植被變化對徑流演變的影響[21]。

綜上可知，現有成果還未針對干旱河流存在的多水源聯合調配問題展開研究。因此，以地處黃土高原地區的窟野河為研究對象，通過經濟社會和生態環境需水預測，探討流域可供水量，進行流域水資源供需平衡分析，研究提出流域多水源聯合調配模式，并提出特殊干旱年份窟野河流域多水源應急配置策略，以期為干旱河流的水資源配置、保護與管理提供參考。

2 研究區概況

窟野河發源于內蒙古自治區鄂爾多斯市柴登鄉拌樹村，河流自西北流向東南，最后于神木縣賀家川鎮沙峁村匯入黃河，如圖1 所示。窟野河流域總面積8 706 km2，其中內蒙古自治區境內4 635 km2、陜西省境內4 071 km2；干流全長242 km，其中內蒙古自治區境內94 km、陜西省境內148 km[22]。

圖1 窟野河流域概況與行政區劃

流域屬北溫帶半干旱大陸性季風氣候，干旱、風大、降水少而集中、氣溫偏低、無霜期短等為主要氣候特點。多年平均氣溫為8.6℃，蒸發量約900～1 200 mm，降水量為368.2 mm，降水年內分布不均，多以暴雨形式集中在7—9月，暴雨歷時短、強度大。平均河川天然徑流量為2.54億m3，地下水資源量為1.93億m3，水資源總量為3.00 億m3，人均水資源量為516 m3，僅為全國人均資源量1/4 左右。窟野河關鍵斷面溫家川徑流特征，詳見表1。同時，從各年代的徑流量可以看出，窟野河流域徑流量呈現出逐步減少的趨勢，從20世紀50年代的7.63億m3，逐步減少至21世紀的1.64 億m3。另外，從實際用水情況看，窟野河流域人均用水量為231m3，分別為黃河與全國平均水平的68%和51%，說明窟野河流域水資源情勢不容樂觀。

表1 窟野河關鍵斷面徑流特征

3 多水源聯合調配模型

3.1 目標函數

從流域水資源利用涉及的水資源高效利用、生態環境保護和經濟社會持續發展等多目標出發，建立多目標協調模型如下：

式中：f(x)為流域水資源決策的總目標，是社會目標S(x)、生態環境目標E(x)、經濟目標B(x)的耦和復合函數。

3.1.1 社會目標S(x)

采用綜合缺水最小作為社會目標，其表達式為：

式中：ωi為i 子區域對目標的貢獻權重，以其經濟發展目標、人口、經濟規模、環境狀況為準則，由層次分析法確定；n 為所有調水區和受水區的地區數量；分別為i 區域需水量和供水量；α（0＜α≤2，在此取1.5）為冪指數，體現水資源分配原則：α 愈大則各分區缺水程度愈接近，水資源分配越公平；反之，則水資源分配越高效。

3.1.2 生態環境目標E(x)

選擇生態環境需水量滿足程度最高作為生態環境目標，其表達式為：

式中：ES 為研究系列生態環境需水量滿足程度；Se(i)為i 區域生態環境水量；De(i)為i 區域適宜的生態環境需水量；N 為統計生態環境需水量的區域總數；Φi為區域i 的生態環境權重指數，λ(t)為第t時段區域生態環境缺水敏感指數。

3.1.3 經濟目標B(x)

選用國內生產總值最大作為經濟目標，其表達式為：

式中：GDP(i,j)為流域國內生產總值；j 為分區，j=1，2，…，n；i為經濟部門，i=1,2,…,m。

3.2 約束條件

3.2.1 水量平衡約束

（1）節點水量平衡，其表達式為：

式中：Wsy為上游來水水量（萬m3）；Wqj為區間入流水量（萬m3）；Wxy為下游下泄水量（萬m3）；Wu為用水量（萬m3）；Ws為損失水量（萬m3）。

（2）水庫水量平衡，其表達式為：

式中：VR(i,m + 1)表示第m+1 時段第i 個水庫末庫容（萬m3）；VR(i,m)表示第m 時段第i 個水庫初庫容（萬m3）；VRC(i,m)表示第m 時段第i 個水庫的存蓄水變化量（萬m3）；VRX(i,m)表示第m 時段第i 個水庫的下泄水量（萬m3）；VL(i,m)表示第m 時段第i 個水庫的水量損失（萬m3）。

（3）河道回歸水量平衡，其表達式為：

式中：QRe(m,t)表示第t 時段河道上下斷面區間的回歸水匯入量（萬m3）；QRel(i,t)表示第t時段河道上下斷面區間生活退水量（萬m3）；QRea(i,t)表示第t時段河道上下斷面區間灌溉退水量（萬m3）；QRei(i,t)表示第t時段河道上下斷面區間工業退水量（萬m3）。

3.2.2 水庫庫容約束

式中：Vmin(m,t)為第t時段死庫容（萬m3）；Vmax(m,t)為第t時段最大庫容（萬m3）。

3.2.3 水資源開發利用與保護約束

（1）流域耗水總量小于可利用的水資源量，其表達式為：

式中：Qcon(n,t)表示流域第t 時段可消耗水資源量（萬m3）；QY(n)表示流域可消耗的水資源量（水資源可利用量）（萬m3）。

（2）地下水使用量約束，其表達式為：

式中：GW(n,t)表示第t 時段第n 計算單元的地下水開采量（萬m3）；GPmax(n)表示第n 計算單元的年允許地下水開采量上限（萬m3）；GWmax(n)表示第n計算單元的時段地下水開采能力（萬m3）。

（3）最小生態需水約束，其表達式為：

式中：QE(i,t)和QEmin(i,t)分別表示第t 時段第i 條河道實際流量和最小生態需求流量（m3/s）。

3.2.4 變量非負約束

模型采用NSGA-Ⅱ優化算法進行計算[23]。

4 流域水資源供需平衡分析

4.1 水資源需求預測

經濟社會發展用水需求預測。分行業采用不同方法進行需水預測[24]，通過分析預測，窟野河流域河道外經濟社會需水量由2013 年的23 564 萬m3增加到2030 年的41 600 萬m3，年增長率為3.4%，主要是工業園區需水增加較多。其中，2030 年流域陜西需水量為17 587萬m3，內蒙古需水量為24 013萬m3。

河道內生態環境需水預測。根據流域生態保護目標[25]，經計算可知，窟野河河道內汛期生態需水量為1.22億m3，汛期難于控制利用的洪水量為2.52億m3，取二者大值作為河道內汛期需水量，為2.52 億m3；同時，考慮到河道內非汛期生態需水量為0.50億m3，則窟野河河道內生態環境需水量為3.02億m3。

節水預測。考慮各類節水措施后，2030 年可節約水量3 960 萬m3，占現狀用水的19.0%，節水效果可觀。其中，陜西省節水量為1 633 萬m3，占總節水量的41%；內蒙古自治區節水量為2 327 萬m3，占總節水量的59%。

4.2 可供水量分析

流域可供水量與水資源可利用量、供水工程供水能力、河道內生態環境需水以及各行業需水密切相關，合理確定可供水量是判別分析流域缺水狀況的重要環節。

依據前述分析的窟野河流域水資源條件和各行業需水預測成果，并考慮流域規劃建設的重要水資源配置工程，包括“鐙口引黃”“萬家寨引黃”“大泉引黃”等引黃工程及“南水北調西線一期工程”等[26]，合理確定流域可供水量。

通過綜合分析，在不考慮南水北調西線一期工程的情況下，2030 年水平可供水量為33 235 萬m3，其中當地地表水可供水量8 447 萬m3，占25.4%；地下水開采量6 132 萬m3，占18.5%；其他水源供水量7 077 萬m3，占21.3%；引黃水量11 578 萬m3，占34.8%。與基準年相比，可新增供水量15 080萬m3。

在考慮南水北調西線一期工程生效的情況下，2030 年水平可供水量為41 600 萬m3，其中當地地表水可供水量8 447 萬m3，占20.3%；地下水開采量6 132 萬m3，占14.7%；其他水源供水量7 077 萬m3，占17.0%；引黃水量11 578 萬m3，占27.8%；西線一期工程調水量8 365 萬m3，占20.1%。與基準年相比，可新增供水量23 446萬m3。

4.3 水資源供需平衡分析

基于2030 年水平，考慮南水北調西線一期工程生效與否2 種情況，按照二次平衡進行長系列分析計算。其中，一次供需平衡分析時，僅考慮流域內當地水供水，主要包括當地地表水、地下水、中水和煤炭疏干水等；二次供需平衡分析時，在充分利用當地水的基礎上，增加從黃河干流引水、南水北調西線一期工程調水等流域外供水，以盡可能減少用水不足。

4.3.1 一次供需平衡分析

2030 年窟野河流域需水量為41 600 萬m3，僅考慮當地水時，總可供水量為21 656 萬m3，其中地表水8 447 萬m3，占39.0%；地 下 水6 132 萬m3，占28.3%；其他水源7 077 萬m3，占32.7%。缺水量為19 944 萬m3，缺水率為47.9%，缺水對象主要為工業、農業和生態，缺水量達19 312 萬m3，占總缺水量的96.8%。結果詳見表2。

表2 2030年水平一次供需平衡分析結果

4.3.2 二次供需平衡分析

（1）考慮引黃工程，不考慮南水北調西線一期工程。按“鐙口引黃”“萬家寨引黃”“大泉引黃”等引黃工程生效考慮，新增引黃水量，盡可能地保障能源基地用水。與一次供需平衡分析相比，在需水量不變的情況下，由于引黃工程供水量的增加，年均增加供水量為11 578 萬m3，流域缺水8 365 萬m3，缺水率為20%，與一次供需平衡分析相比，缺水率減少了近28%。結果詳見表3。

表3 2030年水平二次供需平衡分析結果（不考慮南水北調西線一期工程）

（2）考慮引黃工程和南水北調西線一期工程。進一步考慮南水北調西線一期工程生效的情況下年均增加供水量為19 944 萬m3，流域基本達到供需平衡。結果詳見表4。

表4 2030年水平二次供需平衡分析結果（考慮南水北調西線一期工程）

4.3.3 枯水年份水資源供需平衡分析

來水頻率75%的中等枯水年份，窟野河流域地表水徑流量為38 462萬m3。2030年水平，不考慮引黃工程、南水北調西線工程的情況下，總供水量為30 785萬m3，缺水率為26.0%；引黃工程與西線工程均生效情況下，總供水量為39 150萬m3，缺水率為5.9%。

來水頻率95%的特殊枯水年份，窟野河流域地表水徑流量為23 418 萬m3。2030 年水平，不考慮引黃工程、南水北調西線工程的情況下，總供水量為28 504 萬m3，缺水率為31.5%；引黃工程與西線工程均生效情況下，總供水量為36 869 萬m3，缺水率為11.4%。

5 流域多水源聯合調配

5.1 調配思路

考慮窟野河流域水資源稟賦不足、生態環境脆弱、用水需求旺盛的實際情況，在水資源配置時，要堅持節水優先、生態優先的發展理念，綜合考慮各類水源和不同用水部門之間的匹配性，遵循多水源多用戶的聯合調配策略，合理確定水資源配置方案。

（1）確保生態水量。保障河流基本生態流量和重點河段河流廊道水流連續性，維持濕地基本生態功能、遏制濕地萎縮。

（2）強化節水意識。逐步實施農業節水現代化技術，大力提升農業節水水平；同時，對用水需求增加較快的工業，建議所有新建工業項目均進入工業園區，現有園區外企業逐步搬遷入園，污水實現統一收集、處理與回用。

（3）科學利用多種水源。在全面節水的前提下，根據不同用戶的用水特點，充分利用當地地表水、地下水；加大中水回用、煤礦疏干水的利用力度；積極尋求外來水源，如從黃河干流引水、南水北調西線工程供水等。

5.2 調配方案

（1）不考慮南水北調西線一期工程。2030 年水平，不考慮南水北調西線一期工程，僅考慮增加“鐙口引黃”“萬家寨引黃”“大泉引黃”等引黃水量，窟野河流域河道外各部門共配置水量33 235 萬m3，入黃水量為3.27 億m3，流域內缺水量為8 365 萬m3，流域內缺水率將達到20%左右，國家能源重化工基地的發展將受到一定程度的制約，詳見表5。

表5 2030年水平窟野河流域水資源配置（不考慮南水北調西線工程） 萬m3

（2）考慮南水北調西線一期工程生效。在引黃工程和西線一期工程生效前提下，窟野河流域河道外各部門共配置水量41 600 萬m3，入黃水量為3.27億m3。按水源分，地表水量為28 391 萬m3，占總配置水量的68.2%；地下水6 132 萬m3，占總配置水量的14.7%；其余水源（煤礦疏干水、中水等）7 077萬m3，占總配置水量的17.0%。按用戶分，生活用水量為4 242 萬m3，占總配置水量的10.2%；城鎮生產用水量為27 275 萬m3，占總配置水量的65.6%；農村生產用水量為8 481 萬m3，占總配置水量的20.4%；生態用水量為1 602萬m3，占總配置水量的3.9%，詳見表6。

表6 2030年水平窟野河流域水資源配置（考慮南水北調西線工程） 萬m3

5.3 特殊干旱年多水源應急調配策略

分析發現，2030 年水平窟野河流域缺水量為多年平均缺水量的1.2倍，特殊干旱年份缺水形勢將對流域經濟社會發展和生態環境產生深刻的影響。因此，綜合考慮流域特點，提出流域應急水資源調配策略：壓縮需求、挖掘供水潛力、增強水資源應急調配能力、制定應急預案等[27]。

（1）壓縮需求。為保證居民生活和重要行業部門合理用水需求，在發生特殊干旱等極端事件時，通過采取適當減少或暫時停止部分其他用戶的供水，同時減少河道內生態環境用水。

（2）挖掘供水潛力。適當增加開采淺層地下水和深層承壓水；利用供水工程在緊急情況下可動用的水量，適當增加黃河干流引水水量；對于水質要求不高的用水部門，適當調整新鮮水和中水、疏干水的供水比例，增加中水及疏干水供水量以替代新鮮水的供水量等。

（3）增強水資源應急調配能力。推進城鎮和重要工業園區雙水源和多水源建設；加強水源地之間和供水系統之間的聯網，便于進行聯合調配；積極安排與建設應急儲備水源。

（4）制定應急預案。制定特枯水年和連續枯水段等緊急情況下的供水量分配方案和水量調度預案，制定重要水庫與供水工程應急供水調度預案。