基于生态的新疆干旱灌区水资源的优化配置

彭飞，刘兵，张少博，张叶，何新林

（石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子832003）

基于生态的新疆干旱灌区水资源的优化配置

彭飞，刘兵，张少博，张叶，何新林*

（石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子832003）

针对新疆干旱灌区水资源匮乏、降雨稀少、生态环境脆弱的现实，本文建立了基于生态水资源优化配置的基本原则、优化配置模型流程图和以生态需水满足度最大为生态目标、区域经济效益最大为经济目标、各子区域人均净效益变化率的均方差最小为社会目标的多目标水资源优化配置模型，在此基础上以阿拉尔灌区为研究区，建立灌区节点图，并根据数学模型进行归一化处理，加权求得综合配置目标，采用MATLAB软件计算出该灌区水资源优化配置方案，最后得到阿拉尔灌区的供水及配水方案：灌区地表水、地下水、其他可利用水供水比例为92.1∶6.4∶1.5，生态、生产、生活配水量比例为27∶71.1∶1.9。计算结果与实际值基本吻合，表明上述优化配置模型可靠可为同类地区生态环境保护及水资源优化配置提供参考。

干旱灌区；生态需水；多目标优化；配置模型；阿拉尔灌区

区域水资源优化配置是在水资源生态经济复合系统内，按照可持续性、有效性、公平性和系统性的原则，遵循生态规律和经济规律，对特定流域内不同形式的水资源，通过各种工程和非工程措施，以单位产值的水资源消耗最小，生态系统提供的服务最大为目标，在生态与社会经济用水之间、区域之间、经济用水部门之间进行科学调配，尽可能提高流域整体的用水效率，促进流域水资源的可持续利用、生态系统的健康稳定和区域的可持续发展[1-2]。因此，在进行水资源优化配置的同时要将生态需水纳入进去，而生态需水的研究一方面可以将生态需水水质为研究重点[3-6]，另一方面可以将生态需水水量作为研究重点，而在水量研究中既可将其设置为约束条件[7-10]，又可将其设置为目标函数[11-15]。而国内大部分学者在进行水资源优化配置时仍将生态需水作为约束条件甚至不考虑生态需水，更多注重于经济收益[16-20]，这对于区域生态环境的保护是不足以及不利的。

新疆干旱灌区水资源匮乏、植被盖度低、沙丘活化、自然条件恶劣、生态环境脆弱、地区发展的基础条件薄弱，而且，由于灌区内部人工绿洲面积扩大，引水量增大，导致灌区外部荒漠植被退化，使灌区生态系统进一步退化[21-22]，因此，为了防止干旱区环境的恶化，对有限的水资源进行基于生态的优化配置是十分有必要的。本文以新疆典型干旱灌区为研究区，将生态需水作为目标函数，进行水资源优化配置研究，并提出针对于干旱灌区的优化配置模型，确定最优配水方案，以期为同类地区生态环境保护及水资源优化配置提供参考。

1 水资源优化配置

1.1 基本原则

基于生态的干旱区水资源优化配置应遵循生态补给最大化原则、效率最大化原则、公平性原则[11]。生态补给最大化原则是为了防止区域环境的退化，要保证生态环境所要满足的最小需水量，在此基础上，最大程度地对干旱区域进行水资源补给；效率最大化原则是为了防止水资源的浪费与过度消耗，保证水资源的充分利用；公平性原则是保证社会个体的用水净效益之间的差别最小。

1.2 水资源优化配置模型的建立

1.2.1 模型建立的思路

水资源优化配置模型建立的流程见图1。

图1 水资源优化配置模型建立流程图Fig.1 Flow chart of optimal allocation model of water resources

根据区域的社会经济、节水措施、供水工程以及为了改善环境所要达到的生态目标建立以经济收益最大为目标的经济模型，以生态供水最大为目标的生态模型与社会供水差异最小为目标的社会公平模型，通过MATLAB软件编程求解，并进行归一化处理，最终通过加权求得综合配置目标，输出区域最优配置方案。

1.2.2 目标函数

1.2.2.1 综合配置目标

生态目标、经济目标及社会目标相互竞争，可对各个目标设置权重，通过加权求和求得综合配置目标，其中，生态目标及经济目标需最大化，而社会目标需趋向最小化，因此，综合配置目标为：

上式中：α1、α2、α3分别为生态目标、经济目标、社会目标的权重；EWDSD为生态需水满足度；P为区域总净效益；MSD为总区域人均净效益与子区域人均净效益变化率的均方差。

1.2.2.2 生态目标

1）计算公式。

以区域生态需水的满足度最大化作为生态目标，目标函数为当生态用水小于生态需水下限时，生态需水满足度为生态用水与d的乘积除以生态需水下限值；当生态用水大于生态需水下限时，生态需水满足度为生态用水与生态需水下限的差值除以生态需水生态需水上下限差值并与（1-d）相乘，最后加上d的值。

式（2）中：EWDSD为生态需水满足度；EWD为区域生态需水总量；EWDU、EWDL分别为生态需水上、下限；d生态用水为生态需水下限时的满足度，一般可取0.5。

生态需水量上下限可通过潜水蒸发法[23]进行计算，计算公式为：

式（4）中：EWD为区域生态需水总量；ANx为第x类型生态植被的面积（Y为生态植被种类总数）；Wgx为第x类型植被在某一地下水位的潜水蒸发量；Kc为植被系数，常由实验确定。

潜水蒸发量 Wgx采用阿维里扬诺夫公式[23]计算：

式（5）中：a、b为经验系数；hmax为潜水蒸发极限深度；hx为第x类型植被的地下水埋深；E20为20 cm小型蒸发皿蒸发量。

2）约束条件。

（1）生态水位约束条件。

式（6）中：hx为第x类型生态植被的地下水埋深；hxmin、hxmax分别为第x类型生态植被生态水位下限及上限。

（2）非负约束条件。模型中各实际量不小于0。1.2.2.3 经济目标

1）计算公式。

以区域水资源使用净效益最大为经济目标，目标函数为区域总效益等于不同子区域不同作物种植面积与该作物收益的乘积。

式（7）中：P为区域总净效益；Ai,j为第 i子区域第j种作物的种植面积；Pi,j为第i子区域第j种作物的收益；j为作物种类（种类总数为Ni）；i为子区域（子区域总数为IM）。

2）约束条件。

（1）子区域耕地面积约束

式（8）中：MinAi为第i子区域种植面积下限；MaxAi为第i子区域总耕地面积。

（2）作物种植面积约束条件。

式（9）中：MinAi,j为第i子区域第j作物种植面积下限；MaxAi,j为第i子区域第j作物种植面积上限。

（3）子区域供水平衡约束条件。

式（10）中：Si,k为第i子区域第k旬供水量；Di,k为第i子区域第k旬需水量。

（4）子区域旬需水量

式（11）、（12）中：Di,k为第i子区域第k旬需水量；IWi,k为第i子区域第k旬作物灌溉需水量；NIWi,k为第i子区域第k旬非灌溉需水量；DDi,j,k为第i子区域第第j作物第k旬需水量。

（5）子区域旬供水量。

式（13）中：Si,k为第i子区域k旬供水量；Wm,k为第m渠道第k旬输水量（包含Wm’,k、Wm’’,k、Wm’’’,k、Wm’’’’,k）；WCm,k为第 m渠道第 k旬水利用系数；OWi,k为第 i子区域第k旬其他可利用水量。

（6）子区域地下水开采量约束条件。

式（14）中：Gi,k为第i子区域第k旬地下水开采量；MGi,k为第i子区域第k旬地下水亩可开采量；MinGi,k为第i子区域第k旬地下水最小开采量，一般不低于区域生活和牲畜用水之和。

（7）分、汇水点水量平衡约束条件。

式（15）中；Wm',k为进点前渠道k旬输水量；WCm',k为进点前渠道第k旬水利用系数；Wm'',k为出点后渠道第k旬输水量。

（8）水库水量平衡条件。

式（16）中：SWx,k-1为x水库第k-1旬旬末蓄水量，k-1=0时为初始蓄水量（计算年年初）；EQx,k为x水库第 k旬蒸发损失；LQx,k为 x水库第 k旬渗漏损失；SWx,k为x水库第k旬旬末蓄水量；Wm''',k为入库前渠道第 k旬输水量；WCm''',k为入库前渠道第 k旬水利用系数；Wm''',k为出库后渠道第k旬输水量。

（9）水库蓄水量约束条件。

式（17）中：MaxSWm,k为第m水库第k旬蓄水量上限，一般为水库死库容与兴利库容之和；MinSWm,k为第m水库第k旬蓄水量下限，一般为水库死库容。

（10）非负约束条件。模型中各实际量不小于0。

2.2.4 社会目标

1）计算公式。

以实现区域内各子区域用水净效益的差别最小为社会目标，目标函数为不同子区域人均净效益变化率的均方差。

式（19）中：MSD为总区域人均净效益与子区域人均净效益变化率的均方差；为区域人均净效益；PCNBi为i子区域人均净效益；Pi为i子区域区总净效益；POPi为i子区域区人口数。

2）约束条件。

（1）子区域最低产值约束条件。

式（20）中：MinPi为子区域收益下限；Pi为 i子区域区总净效益。

（2）非负约束条件。模型中各实际量不小于0。

2.2.5 归一化处理

应对上述目标函数分别归一化处理，因为生态目标与社会目标已在[0,1]区间内，因此仅对经济目标进行归一化处理。

3 实例计算与分析

3.1 研究区概况

阿拉尔灌区东部临近沙雅县，西部紧靠柯坪县，南部与塔克拉玛干沙漠相接，北部起与天山南麓，东经80°30′-81°58′，北纬40°22′-40°57′。灌区包括七团至十六团等11个子灌区，水资源主要通过塔里木河流域补给。其地理位置图如图2所示。

图2 阿拉尔灌区地理位置图Fig.2 The map of the location of Alar irrigation area

阿拉尔灌区属于暖温带极端大陆性干旱荒漠气候[24]，因此，其降水量少而蒸发量大[25]，并且降雨无法形成有效的地表径流，可忽略不计，地下水依靠侧向补给和灌溉水补给[26]。阿拉尔灌区可利用水资源主要是地表水、地下水和少量再生水，2013年灌区地表水量为18.8亿m3、地下水量为1.19亿m3，再生水供水量为0.33亿m3，总供水量为20.32亿m3。

为了便于建立阿拉尔灌区模型，首先应建立灌区节点图，图中包括灌区各个主要渠道，各子灌区，以及上游水库、多浪水库、胜利水库等等。其中十一团灌区、十三团灌区、十四团灌区、十五团灌区水利关系相似，可整合为C28控制区。阿拉尔灌区节点图见图3。

图3 阿拉尔灌区节点图Fig.3 Node graph of Alar irrigation area

3.2 阿拉尔灌区水资源优化配置

3.2.1 阿拉尔灌区水资源优化配置模型的建立

根据图3中各个灌区、渠道、水库的水利关系，按照上述多目标优化配置模型，通过其水利关系及率定的参数，建立阿拉尔灌区的优化配置模型，并以MATLAB软件为计算工具，进行优化配置方案的求解。

3.2.2 确定可行方案

确定的阿拉尔灌区优化配置可选方案见图4。

图4 可选方案图Fig.4 The chart of alternative plans

运用MATLAB软件，以净效益为目标函数，通过以一定效益时灌水量最小为目标的linprog线性优化算法求得各个子灌区作物的优化种植结构，进而确定灌区种植业产值上下限，分别为Pmax、Pmin，将Pmax-Pmin定为总灌区预期收益调整范围，将收益步长比率设为0.1（考虑到程序计算耗时及计算精度需求），然后在程序循环中依次将总灌区产值赋值为 Pmin+n*0.1（Pmax-Pmin），再以灌区水量损失最少为目标的fmincon非线性优化算法从1-12月进行优化求解水库群的调度情况。

若12月时可以满足输出条件，则输出结果，若不能满足输出条件，则将步长修改为原步长0.1倍进行优化，以此方法优化直至步长低于0.0001*（Pmax-Pmin）（误差容许范围），最终的得到不同效益下的生态、生活、生产用水量的14种可选方案。

3.2.3 确定最优方案

通过专家咨询法得到阿拉尔灌区的生态目标、经济目标及社会目标的权重分别为 0.30、0.34、0.36，进行归一化处理后，得到各个方案的综合配置目标值，见表1。

由表1可知，方案4的综合配置目标最大。因此，方案4为最优方案。

表1 阿拉尔灌区各方案的水资源配置目标Tab.1 The goal of water resources allocation in Alar irrigation area of each scheme

3.2.4 最优配置方案的分析

根据最优化配置方案4可知：阿拉尔灌区总供水量13.88亿m3，根据优先利用地表水，其次开采地下水（地表水供水达到供水上限），最后利用再生水（地表地下水达到供水上限）的原则，在75%供水保证率下。

通过程序优化，地表水供水量为12.78亿m3,地下水供水量为0.89亿m3,其他水可利用量为0.21亿m3,供水比例为92.1∶6.4∶1.5。由此可见，阿拉尔灌区水资源主要来源于地表水，少量的地下水以及其他可利用水。

各子灌区及总灌区供水量分配见表2。阿拉尔灌区各子灌区的配水量见表3。

表2 阿拉尔灌区供水量表(万m3)Tab.2 Water supply scale of Alar irrigation area(万m3)

由表1中方案4和表2、表3可知：

（1）阿拉尔灌区生态用水量、生产用水量、生活用水量分别为12398.78万m3、32715.45万m3、867.5万m3，分配比例为27∶71.1∶1.9；

（2）供水量可满足灌区需水要求；

（3）地下水可以满足生活用水的需求，剩余部分可用于生态及农业灌溉用水；

（4）生态用水占总用水量的27%，可满足生态需求。

表3 阿拉尔灌区水量分配表 万m3Tab.3 Water allocation scale of Alar irrigation area

4 结论与讨论

（1）本文遵循水资源优化配置生态补给最大化原则、效率最大化原则、公平性原则，建立了以生态需水满足度最大为生态目标、区域经济效益最大为经济目标、各子区域人均净效益变化率的均方差最小为社会目标的多目标水资源优化配置模型。该模型既能保证生态需水的要求，又能满足社会及经济效益的最大化，对于干旱地区的水资源优化配置，该模型具有一定的合理性。

（2）对阿拉尔灌区水资源优化配置的最优方案表明：地表水仍是该灌区的主要供水来源，在此基础上应合理利用地下水及其他可利用水；生态配水比例为27%，表明应注重生态供水，可以通过建立生态闸门等工程措施满足生态的需水要求。

（3）水资源优化配置是一个多目标优化问题，没有唯一解，只能求出满意解或者非劣解，因此，优化配置结果很大程度上受到专家偏好的影响。本文建立的模型中生态目标、经济目标、社会目标可根据不同的权重求得综合配置目标，这反映了专家的偏好，直接影响优化配置结果。为了进行水资源的合理配置，在以后的配置过程当中，应注重不同用水户对目标权重的影响，加强公众协商参与。

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Optimal allocation of water resources in the arid irrigation area of Xinjiang based on ecology

Peng Fei,Liu Bing,Zhang Shaobo,Zhang Ye,He Xinlin*
(College of Water Conservancy＆ Architectural Engineering/Key Laboratory of Water-Saving Irrigation of Xinjiang Production Construction Group,Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832003,China)

There were water resources shortage,low rainfall and fragile ecological environment in the Xinjiang arid irrigation area, in view of the above problems,this paper expounded the basic principles of water resources optimal allocation and flow chart of model was established and a multi-objectives evaluation function of water resources allocation was established,in which the ecological objective was described as to satisfy the maximum ecological water requirement,economic objective was maximal net benefit,and social equity objective was minimum mean square error of variability of per capita net benefit for each calculating element,on this basis,Alar irrigation area was regarded as the study area,area node graph was set up and according to the mathematical model,the normalized processing and weight sum,the comprehensive configuration goal was obtained and the irrigation optimization scheme was exported,finally the water supply and water allocation scheme of Alar irrigation area were gotten,namely water ratio of surface water,groundwater and other available water of the irrigation area was 92.1∶6.4∶1.5,water ratio of ecological water,production water and living water was 27∶71.1∶1.9.The results can provide reference for the ecological environment protection and optimal allocation of water resources in the same area.

arid irrigated area;ecological water requiremen t;multi objective optimization;optimal allocation model;Alar irrigation area

TV213

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.01.007

1007-7383(2017)01-0039-07

2016-03-25

国家自然科学基金项目（U1203282，51469028），国家科技支撑项目（2014BAC14B01，2015BAD20B03）

彭飞（1993-），男，硕士研究生，专业方向为水文水资源。

*通信作者：何新林（1966-），男，教授，博士生导师，主要从事水文水资源方向的研究工作，e-mail：hexinlin2002@163.com。