艾比湖流域水资源配置模型研究

艾比湖流域水资源配置模型研究

目前，《水法》中水资源的合理配置已被列入其中。随着水资源合理配置实践的不断深化,水资源合理配置的概念逐步明确,其内涵日益丰富,至今仍在发展之中。《全国水资源综合规划大纲》对水资源合理配置的定义是“在流域或特定的区域范围内,遵循有效性、公平性和可持续性的原则,利用各种工程与非工程措施,按照市场经济的规律和资源配置准则,通过合理抑制需求、保障有效供给、维护和改善生态环境质量等手段和措施,对多种可利用水源在区域间和各用水部门间进行的配置”。水资源优化配置的目标,是兼顾水资源开发利用的当前与长远利益、不同地区与部门间的利益、水资源开发利用的社会、经济和环境利益,以及兼顾效益在不同受益者之间的公平分配。国内外有关学者已提出社会净福利函数、生态环境成本和绿色GDP等概念和计算方法。1部艾比湖流域气候特点所选研究区地处新疆北部准噶尔盆地的西南缘,由博尔塔拉河、精河和奎屯河三个子水系组成。流域西、南、北三面环山,中间为谷地平原,东部艾比湖为流域的汇水中心,与准噶尔盆地连为一体。地貌为山区、博尔塔拉谷地、精河盆地、精河东部山前平原、湖泊五大地貌单元。流域地处欧亚大陆腹地,远离海洋,属大陆性北温带干旱气候,是北部光热量最丰富、无霜期最长的地区之一。气候特点是夏季炎热,冬季严寒水稀少,蒸发量大,空气干燥,年、日温差变化大。随着人类活动的加剧,整个流域的水资源供需矛盾日益突出,生态系统的动态平衡受到挑战。图12生态保护目标函数模型通过建立以水资源分区套行政区为基本计算单元的水资源供用耗排平衡方程、水利工程供水平衡方程以及各类约束方程,以供水净效益最大、损失水量最小以及生态保护目标期望值为目标函数构成数学规划模型,利用世界银行和美国GAMS公司研制的通用数学模型系统(GAMS)对该模型进行求解计算。在实施水资源供需平衡和耗水平衡分析模型各项任务的基础上,进行水资源配置分析并提出推荐方案,为艾比湖流域水资源综合规划决策提供合理的水资源配置依据。3模型的组合3.1基本元素组成系统集合表示组成系统的各类元素以及反映它们之间关系的所有元素的总称。基本物理元素、时间元素、分析元素等称为基本元素或基本集合。在系统集合的基础上可进一步定义参数和变量。参数是模型的外生变量,即模型的输入,由统计资料分析确定。变量是模型的内生变量和决策因子,由模型运行后求得。3.2运行评价模型水资源系统满足其全部约束条件限制的可行运行方式是无穷多的。为了从某一角度衡量这些可行运行方式的优劣,就需要制定评价的标准。在模拟模型中,所采用的评价运行方式优劣的标准由目标函数表示。当目标函数给定之后,模型求解软件对所定义的问题进行求解,即从所有可行解中找到使目标函数达到最高值(或最小值)的解。其物理意义便是满足系统的水平衡要求、运行要求、容量要求及其它要求后,使系统的经济效益(或水量损失,或按优先级)达到最好。模型具有三类目标函数:净效益最大调度原则、损失水量最小调度原则、水库蓄放水优先级,可用统一的数学结构表达。3.3平衡方程和限制条件3.1.1流域水均衡耗水项的计算艾比湖流域水资源循环转化平衡计算在博尔塔拉河、精河、奎屯河流域上进行。在水资源综合调查评价中,一般多给出区域的多年平均蒸发量,在水资源配置长系列计算时难以利用该值,也达不到计算精度要求。因此,模型只计算区域水均衡,利用精度较高的当地产水量长系列资料计算流域的耗水平衡。当前生态耗水量大多定义为径流补给的湖泊、洼地、湿地等的天然生态耗水、坡面植被盖度增加和面积增加导致多消耗的径流性水资源的天然生态耗水、城镇生态耗水、水源蒸发、排水蒸发等。经济耗水量是人类经济活动导致的输水蒸发、用水消耗的人工水资源消耗量。因此,将流域水均衡的耗水项概化为经济耗水和生态耗水两项。以年为计算时段进行流域的水平衡计算。主要平衡方程:流域单元水平衡方程、地下水平衡方程、地下水开采量约束条件等。3.3.1.1.流域内单元水量平衡方程3.3.1.2经济耗水率3.3.1.水资源耗水量坡面植被盖度增加和面积增加导致多消耗的径流性水资源量:这部分水量相当于水资源的衰减量,属于天然生态耗水范畴。根据目前生态环境研究成果,当降水在300mm以下时,需考虑该值,一般只考虑山区,平原区不考虑。3.3.1.4平原地下水平衡方程3.3.2主要平衡方程在计算单元上建立平衡方程,以月为计算时段。主要平衡方程:蓄水工程水量平衡方程、外流域调水工程水量平衡方程、节点水量平衡方程、水库约束条件、地表水和外调水渠道过水能力约束等。3.3.2.1.节水水设计3.3.2.2.当地节点的水量平衡方程包括引水和回水工程3.3.2.3.室外水库水量平衡方程3.3.2.4外调试节点平衡方程3.3.3计算单元水平衡量的方程主要平衡方程:生活用水平衡方程、工业用水平衡方程、灌溉用水平衡方程等。3.3.3.1.城市生活水平衡方程3.3.3.2.农村生活水平衡方程3.3.3.3.工业水平衡方程3.3.3.4农业水平衡方程3.3.3.5.城市生态水平衡方程3.3.3.6.地下水供水系统的制约3.3.3.7本地可使用流量平衡方程和限制条件河网槽蓄水量平衡方程:3.3.4计算单链经济耗水的方程输水渠道蒸发+城镇生活耗水+农村生活耗水+工业耗水+计算单元渠系水面蒸发+农作物和田间净耗水量=经济耗水。3.3.4.1.设计废水比考虑到模型的规模,暂时不给出通用约束方程,对具体工程进行特殊处理。3.3.4.排水有效系数及河道期望水限湖泊、湿地约束条件:至湖泊(或湿地)的河道下泄量×河道有效利用系数+至湖泊(或湿地)的排水×排水有效系数+湖泊(或湿地)缺水罚变量≥湖泊(或湿地)期望水量下限。河道内生态用水约束:河道非汛期下泄流量≥河道非汛期最小下泄流量。河道汛期下泄流量≥河道汛期最小下泄流量。3.3.4.3.农业缺水的限制农业缺水量/农业需水量≤最小缺水变量系数。3.4水量传播时间的影响建立在月内模型计算时段一般以月为单位,在特殊需求条件下也可以旬为单位。由于地表水传播时受河槽调蓄作用和水力压力传导的影响,一般对以月时段进行水资源供需平衡计算时不必考虑水量的传播时间的影响。对大流域的水资源调度,特别是跨流域调水工程,从水源到用户输水线路较长远、输水滞时超过一个计算时段时,水量的传播时间产生的影响将比较突出。此时,模型在进行地表水资源分配时需要专门考虑传播时间的不同所带来的影响,具体计算方法需在模型编制与分析过程中予以解决。4水资源供需平衡分析将流域系统网络图构成的水传输拓扑关系、需水数据、工程参数、调度规则、方案组合等作为模型的输入,采用世界银行和美国GAMS开发公司研制的通用数学模型系统(GAMS)进行求解计算。图2模型在确定现状水平年(2004年)、2015年和2030年的多个模拟计算方案及其参数设置后,对相应水平年的水资源供需平衡进行分析计算,对流域范围多年平均的缺水量、供水保证率进行分析并提出调水工程实施计划建议。以农业灌溉需水量为例,农业灌溉需水量是根据艾比湖流域各水平年灌溉面积发展,农业灌溉制度和作物种植结构,计算农作物在50%和75%保证率下的灌溉需水量。同时根据天然地表水1956~2004年系列中各年来水量值,计算出各计算单元历年逐月灌溉需水量。因此,农业需水量是一个长系列过程。其它需水量则根据各规划水平年的经济发展和人民生活水平的提高确定。全流域水资源总量约41.8×108m3,仅为全疆水资源量的5%,人均水资源量约4413m3,与全疆平均水平基本持平,平均水资源量不到1300m3/667m2,低于全疆平均水平,从总量和人均量看,该流域水资源不算少,但区内灌溉用水量大,所以艾比湖流域水资源相对不足,考虑到生态环境的合理用水要求,可用于国民经济发展的水资源更加有限,而目前农业占总用水量超过90%,因此必须要大力开展以提高灌溉用水利用系数为主要目的的农业节水工作,在节水中求生存、求发展。表1解决供需矛盾除进一步加大节水力度、提高节水水平、提高污水回用比例外,依靠外流域调水将是最终不可替代的解决途径。研究提出并采用的水资源合理配置模型具有可行性和推广应用价值。5水资源合理配置方案建议在艾比湖流域经济社会以及生态环境可持续发展的前提下,根据艾比湖流域经济社会发展现状、发展潜力、资源和环境状况,通过工程和非工程措施,合理调配水资源,通过运行艾比湖流域水资源合理配置模型,采用长系列模拟计算方法,就可以拟定艾比湖流域水资源配置方案集,并对各水资源配置方案进行水资源供需平衡分析,进而提出艾比湖流域水资源合理配置方案和建议。如:应率先建设节水型社会;加强以流域为基础的水资源统一管理;优先保障生态环境用水需求等合理化建议。水资源短缺是艾比湖流域水资源与生态环境诸多问题之中最关键性的问题。为了解决艾比湖流域水资源利用所面临的诸多问题,改变现有水资源利用落后状态,保障未来该地区经济社会可持续发展的用水需求,改善生态环境状况,遏制局部地区生态环境恶化趋势,应加快跨流域水工程建设步伐。建立节水型社会,兴办节水型工业,尤其是节水型农业,是实现新疆艾比湖流域水资源可持续利用的关键。如果研究区不采取节水和开源等措施,在未来的年份里,水资源会难以维持该地区的经济发展,更难以向艾比湖进行生态输水了。3.3.1.地下水开采量及水库消放量当地产水量+入境水量+深层承压水开采量+跨区调入水量-出境水量-跨区调出水量-经济耗水量-生态耗水量=流域单元蓄水变化量。由流域各计算单元的结果累加得到,经济耗水量=输水渠道蒸发量(输水蒸发)+用水过程的蒸发消耗量(用水蒸发)。生态耗水量=河道内生态耗水量+河道外生态耗水量河道内生态耗水量=河道蒸发量+地表水蓄、引、调过程蒸发量(水源蒸发)+湖泊、洼淀、湿地耗水量。河道外生态耗水量=排水过程的蒸发消耗量(排水蒸发)+坡面植被盖度增加和面积增加导致多消耗的径流性水资源量+城市生态耗水量+潜水蒸发量(非耕地、非人工经济林、非人工草场)。平原区地下水总补给量=降水入渗补给量+山前侧渗补给量+河道入渗补给量+水库入渗补给量+渠系入渗补给量+渠灌田间入渗补给量+井灌回归补给量。降水入渗补给量、山前侧渗补给量利用水资源调查评价成果;河道入渗补给量、水库入渗补给量、渠系入渗补给量、渠灌田间入渗补给量、井灌回归补给量由计算单元累加得到。平原区地下水总排泄量=地下水开采量+侧向径流排泄量+潜水蒸发量+河道排泄量。平原区地下水资源量=平原区地下水总补给量-井灌回归量。侧向径流排泄量、潜水蒸发量、河道排泄量利用水资源调查评价成果;地下水开采量由各计算单元累加得到。平原区地下水可开采量=可开采系数×平原区地下水总补给量。地下水开采量给条件:地下水开采量≤平原区地下水可开采量;地下水开采量≤山丘区地下水可开采量。水库区间来水量+水库上游计算单元的净排水量+上游水库(或节点)向下游水库经河道的净泄水量+月初库容-水库生活、工农业、城镇生态供水量-水库向下游河道的泄水量-(月初库容+月末库容)/2×水库月渗漏系数-(月初库面积+月末库面积)/2×水库月水面蒸发系数=当地水月末库容。节点区间来水量+节点上游计算单元的净排水量+上游节点(或水库)向下游节点经河道的净泄水量-节点生活、工农业、城镇生态供水量-节点向下游河道的泄水量=0。水库上游外调水净来水量+外调水月初库容-水库外调水生活、工农业、城镇生态供水量-水库下游外调水泄水量-(外调水月初库容+外调水月末库容)/2×水库月渗漏系数-(外调水月初库面积+外调水月末库面积)/2×水库月水面蒸发系数=外调水月末库容。节点上游外调水净来水量-外调水工程生活、工农业、城镇生态供水-外调水工程下游泄水量=0。水库库容上限约束:当地水月末库容+外调水月末库容≤正常库容。水库库容下限约束:当地水月末库容+外调水月末库容≥死库容。地表水和外调水渠道供工业水量+地表水渠道供农业水量+地下、地表水渠道供城镇生态水量≤地表水渠道过流能力。外调水渠道供城镇生活水量+外调水渠道供工业水量+外调水渠道供农业水量+外调水渠供城生态水量≤地表水渠道过流能力。外调水渠道供城镇生活水量+外调水渠道供工业水量+外调水渠道农业水量+外调水渠道供城镇生态水量≤外调水渠道过流能力。当地可利用水供城镇生活水量+地下水供城镇生活水量+地表水供城镇生活水量+外调水供城镇生活水量+城镇生活缺水罚变量=城镇生活需水量。当地可利用水供农村生活水量+地下水供农村生活水量+地表水供农村生活水量+外调水供农村生活水量+农村生活缺水罚变量=农村生活需水量。当地可利用水供工业水量+地下水供工业水量+回用水供工业水量+地表水供工业水量+外调水供工业水量+工业缺水罚变量=工业需水量。当地可利用水供农业水量+河网槽蓄供农业水量+地下水供农业水量+回用水供农业水量+地表水供农业水量+外调水供农业水量+农业缺水罚变量=农业需水量。当地可利用水供城镇生态水量+地下水供城镇生态水量+回用水供城镇生态水量+地表水供城镇生态水量+外调水供城镇生态水量+城镇缺水罚变量=城镇需水量。污水回用供工业约束:回用水供工业水量≤[(城镇生活需水量-城镇生活缺水罚变量)×城镇生活污水排放率×城镇生活污水处理率×城镇生活处理污水回用率+(工业需水量-工业缺水罚水量)×工业污水排放率×工业污水处理率]×处理污水供工业比重。污水回用供农业约束:回用水供农业水量≤[(城镇生活需水量-城镇生活缺水罚变量)×城镇生活污水排放率×城镇生活污水处理率×城镇生活处理污水回用率+(工业需水量-工业缺水罚变量)×工业污水排放率×工业污水处理率×工业处理污水回用率]×处理污水供农业比重。污水回用供城镇生态约束:回用水供农业水量≤[(城镇生活需水量-城镇生活缺水罚变量)×城镇生活污水排放率×城镇生活污水处理率×城镇生活处理