卢晓杰，张克斌，李瑞

(1.上海勘测设计研究院，上海200434;2.北京林业大学水土保持学院水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京100083)

水资源作为一种可再生的自然资源，由于自身的特殊性，涉及到社会、经济、生态环境及资源系统的各个方面，其配置是一个复杂的理论实践过程。现有的水资源配置理论主要有4种:“以需定供”[1]、“以供定需”[1]、基于宏观经济[2-3]和可持续发展的水资源优化配置[4-7]。这些水资源配置理论为解决我国水资源供求矛盾，促使水资源高效安全利用和社会经济的发展做出了很大的贡献。

当前国际上水资源系统规划优化配置的发展趋势，一是对水资源系统结构、供求关系的描述更深入和具体，更多地采用水文长系列分析方法;二是从区域社会、经济、环境及生态持续发展的动态角度研究水资源布局与供需平衡[8]。自20世纪80年代初以来，国内外开展了一系列大型水资源项目，有力地推动了水资源系统分析理论方法和模型技术的发展和应用[9-13]。目前，多目标优化模型较为成熟，应用也较为广泛，陈守煜等[14]以大连市水资源利用与宏观经济协调发展为研究对象，建立了多目标群决策模型与方法;蔡喜明等[15]研究了基于宏观经济的区域水资源多目标集成系统;王丽婧等[16]采用基于IMOP进行了流域环境与经济系统的规划。这些都是成功的研究与应用实例。

随着我国西部干旱区经济的发展和人口的快速增长，水资源的消耗越来越多，经济活动所依赖的生态环境质量在不断遭到严重破坏，在这种严峻态势面前，寻求合理的水资源利用方式或合理的组合与配置方式，显然有其紧迫性和必要性[17-18]。在西部干旱区，由于经济与生态对水资源的双重依赖，水与生态问题密切相关[19]。如何协调和解决经济与生态环境之间的关系是水资源配置需要重点研究和解决的关键问题[20]。

本文以“以供定需”和“可持续发展”的水资源配置理论为基础，在分析区域水资源供需关系的基础上研究了青海都兰香日德绿洲开发过程中的水资源合理配置问题。所用模型是在中国水利水电科学研究院研制的水资源配置模型基础上根据研究区实地情况加以修正的，它反映的因素相对比较全面，全面考虑了生活、生产和生态环境的需水要求。本研究制定了高、中、低3个配置方案，并对3个方案进行了综合评价，研究结果对青海香日德绿洲开发过程中的水资源合理开发利用具有十分重要的理论意义和实际应用价值。

1 研究区概况

香日德绿洲在青海省海西蒙古藏族自治州都兰县南部，柴达木河上游，北距都兰县城察汗乌苏60 km ，其地理位置为 35°52′53″-36°07′06″N ，97°45′28″-98°00′58″E 。在行政上包括香日德镇 、香加乡灌区，总面积为18万hm2。研究区具有典型高寒大陆性荒漠气候特征，属高原大陆性气候。年平均气温4℃左右，寒冷、干燥、富日照、太阳辐射强、多风。年均降水132.8 mm，年均水面蒸发量1 475.4 mm，干燥系数为11.11。本区内主要的河流有察汗乌苏河、香日德河、诺木洪河和夏日哈河。这些河流在其下游汇入柴达木河，流入南、北霍鲁逊湖。发源于阿拉克湖、冬给措纳河的香日德河，自东南向西北斜穿香日德绿洲，河流总长250 km，多年流量13.8 m/s，多年平均径流量4.352亿m3，是该区主要地表水源。区内的主要湖泊为南、北霍鲁逊湖，湖泊总面积为182.7 km2，为盐湖。在昆仑山地河流的源头有几个淡水湖，其中以托索湖和阿拉克湖最大。该区的主导产业以农牧业为主，全区总产值6 314.8万元，其中农牧业总产值5 426.09万元，所以该区的产业耗水主要为农牧业耗水，其他产业耗水量较小。

香日德地区以旱生、超旱生及盐生植物为主。盆地内草地类型有:温性草原草地类、高寒草原草地类、低地草甸草地类、高寒草甸草地类。以温性荒漠草地类为主，植物类型以小灌木骆驼刺等荒漠植被居多。

2 研究方法

(1)通过现场典型调查结合以往的研究成果，采用统计学、气象学等相关学科的知识，结合区域经济社会的发展现状及发展趋势，分析研究区水资源开发利用现状和水资源供需平衡。

(2)以计算作物蒸发蒸腾量(参考作物蒸散量)ET0的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式计算天然草地生态需水量，如式(1)所示。

式中:ET0——参考作物蒸发蒸腾量(mm/d);Δ——温度-饱和水汽压关系曲线在 T处的切线斜率(kPa/℃);T——平均气温(℃);ea——饱和水汽压(kPa);Rn——净辐射〔MJ/(m2◦d)〕;ed——实际水汽压(kPa);G——土壤热通量〔MJ/(m2◦d)〕;γ——湿度表常数(kPa/℃);U2——2 m 高处风速(m/s)。

(3)以人口、资源、环境和经济协调的可持续发展为目的，采用多目标规划模型，分高、中、低3个方案进行研究区水资源优化配置，建模的具体步骤为:

①决策变量及模型参数的确定。研究区用水部门主要集中在生活、生产和生态环境三大模块。将生活用水和生态用水作为定量，在此基础上选择决策变量和参数。

②建立目标函数。其目标有:A首先保证生活用水和基本的生态环境用水(作为定值);B尽量降低供水费用;C通过控制地下水的开采量，控制地下水水位，达到地下水资源补采平衡;D地表水用水量控制在可供水量范围内。

③变量的上下限约束。根据基准年和近期水平年用水需水情况以及供水情况，限定各决策变量的上下限约束。

④模型求解。多目标规划模型都要转化成单目标进行求解，将目标进行归一化，求出非劣解集，产生决策方案，最后进行决策，得到优选方案的非劣解-多目标模型最优解，又称最佳权衡解或伯力图(Pareto)最优解。

3 研究区水资源供需平衡分析

3.1 需水量预测

3.1.1 生态需水量预测 生态需水指天然生态系统为维持其正常结构和功能所需的水量。其供给既可以是直接的降水供给，也可以是降水转换的地表径流或地下径流的供给。

本文根据彭曼-蒙蒂斯法估算研究区各月参考作物蒸发蒸腾量，然后据此计算天然草地、林地及河道湖泊的生态需水量。

根据香日德地区实测资料，利用彭曼-蒙蒂斯公式，计算结果如表1所示。

表1 研究区参考作物多年平均蒸发蒸腾量计算结果

根据多年平均蒸发蒸腾量计算结果，各种类型生态需水量的预测值如表2所示。

表2 研究区2020年生态需水量预测值

天然草地年生态需水量=草地年蒸发蒸腾量(m)×草地面积(m2)

天然林年生态需水量=每1 hm2每年天然林蒸散量(m3)×天然林地面积(hm2);

河道湖泊年生态需水量=年均水面蒸发量(m)×河道湖泊面积(m2)。

3.1.2 各行业(工农牧业及生活)需水量预测 需水量除受人口、经济等因素影响之外，还与水资源条件和需水特性、节水水平和节水潜力、需水管理方式等密切相关。此外，在市场经济作用下，水价因素也会影响需水的发展趋势。

根据2020年规划纲要，到2020年项目区总人口21 912人，第二产业和第三产业总产值预计分别为838.71万元和50万元，大、小牲畜将分别发展到1.39万头和27.99万头，灌溉耕地面积为8 978.5 hm2。项目区第二产业、第三产业用水定额最低方案分别为118 m3/万元、60 m3/万元，生活用水定额预计为65 L/(人◦d)，大牲畜用水定额为5 L/(头◦d)，小牲畜用水定额为2.5 L/(头◦d)，水浇地灌溉定额预计为7 290 m3/hm2。

3.2 可供水量的预测

本地区生态环境脆弱，随着绿洲开发规模的增大和全球气候变暖对水资源的影响，绿洲水资源利用的供需失调日益严重。毛军等在“柴达木盆地香日德绿洲灌溉对地下水的影响及生态响应研究”一文中根据地下水位与天然植被的对应关系和天然植被的保护目标对水资源开发方案进行了评估。研究认为，香日德地区绿洲灌溉引水在1～1.5亿m3是引水危险区，可能使地下水位和下游泉水出露带无法维持现状，导致下游地下水埋深面积发生变化。

3.3 供需平衡分析

本区年用水量超过1.5亿m3将导致下游地下水位下降，致使绿洲面积呈缩小趋势。用水量在1～1.5亿m3的范围属于危险用水范围，本区用水必须保证年引水量低于1.5亿m3，尽量使用水量不超过1亿m3。到2020年研究区预计年累计需水量1.24亿 m3，超出安全用水范围0.24亿m3。

为实现区域水资源的可持续利用，使该区未来的发展不致于因水问题而出现停滞现象，本文对全区水资源进行优化配置。

4 水资源优化配置模型的建立及求解

根据研究区社会发展和经济规划的要求，将优化配置选为近期水平规划年2020年。

4.1 变量的设置

本模型中主要的决策变量分为3类:

(1)第一产业。X1:灌溉草场面积(hm2);X2:灌溉林地面积(hm2);X3:天然草场面积(hm2);X4:天然林地面积(hm2);X5:河道湖泊面积(hm2);X6:耕地面积(hm2)。

(2)第二产业。X7:工业和建筑业产值(万元)。

(3)第三产业。X8:第三产业产值(万元)。

4.2 参数的确定

根据研究区2020年近期规划目标，并对本区实际用水情况实地调查后，本着首先满足生活用水，保证生态向良性方向发展的同时，追求用水量最小和供水费用最低原则，确定模型参数值。各参数值如表3所示:

表3 研究区2020年目标规划参数值

耕地灌水定额为各作物种类综合净灌水定额，其中小麦种植比例51.76%，灌溉定额6 300 m3/hm2;青稞种植比例9.41%，灌溉定额5 700 m3/hm2;豆类种植比例8.24%，灌溉定额4 800 m3/hm2;油菜种植比例25.88%，灌溉定额4 800 m3/hm2;马铃薯种植比例4.71%，灌溉定额4 050 m3/hm2;生活用水定额参照青海省人民政府办公厅转发的省水利厅关于青海省用水定额规定，并根据研究区实地情况和发展预期做了适当修正。

4.3 约束和目标分析

供水费用约束和目标:各行业供水总费用F为:

式中:ni——各变量的用水定额;λi——各变量供水成本费;Xi— —各用水变量 ;δ f+i——各行业总供水费用的正偏差变量，等价于最小化总供水费用，目标函数为:

水资源约束:地表水使用不得超过供水能力，地下水的抽水总量不能大于其可开采资源量，用水量约束可表示为:

式中:XSi——各变量用水量;XS供——研究区可供水量。

变量的上下限约束:根据基准年和近期水平年用水需水情况以及供水设施情况，限定各决策变量的上下限约束。

由各变量、参数和变量的上下限约束组成的研究区水资源多目标优化配置模型，用运筹学专业软件Lindo 6.1进行求解，得出研究区各用水单元的最佳分配方案。

4.4 模型运行方案

本研究确定计算机模拟模型运行方案共3个。运行方案按高、中、低3种方案进行研究区水资源优化配置，运行结果见表4。

表4 研究区2020年水资源优化配置方案成果

5 水资源配置结果分析

5.1 水量分析

尽管优化模型对水资源进行了优化调度和合理配置，但由于研究区总水资源量相对较少，使得多半用水单元存在不同程度的缺水。优化总用水量高、中、低方案分别为 1.09亿 m3、1.14亿 m3、1.21亿m3，均控制在可供水量和可开采量范围内，优化方案保证了全区的生活用水和基本生态用水。其中，生态用水和耕地灌溉用水是研究区的主要用水单元，占总用水量的95%以上。

研究区第二、三产业由于产业不发达，耗水较少。在配置中优先保证了二、三产业的充足用水，以促进本区的经济发展。耕地用水耗水量大，占研究区总用水量的50%以上，且用水效率不高，后期应着重搞好节水灌溉措施，将节约的水用于其它产业的发展。

5.2 供水费用分析

根据优化结果和供水价格，计算出研究区高、中、低方案总供水费用分别为403.96万元、338.33万元、266.54万元，三套方案供水费用皆偏低，其中单位供水成本与全国其它地区相比相对偏低，这一方面是因为该区经济发展水平较低;另一方面，为鼓励本区经济发展，第二三产业的水价定值略低一些，以促进产业发展。

另外，由于地下水的供水成本相对比地表水低得多，加之地下水水质较好，因而各单位都倾向于多用自备井开采地下水，产业用水类型的趋向对控制地下水开采量是不利的，同时也造成了供水价格较难控制。后期应采取措施提高部分供水价格以提高供水效率，减少水资源浪费。

5.3 高、中、低方案比较分析

从低方案到高方案，考虑节水技术的进步和用水效率的提高，对各用水单元的用水配额逐渐减少，配水总量从1.21亿m3递减到1.09亿m3，可有效缓解研究区用水压力，有利于当地水资源的良性循环。同时，考虑到地区经济的发展和节水需要，供水成本价格相对提高，在总用水量相对减少的情况下，总供水费用相对提高，年用水成本从 266.54万元提高到403.96万元，如果用水效率提高到相应水平同时经济条件允许，则选取高方案是明智之举。

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