基于WEAP模型的叶尔羌河流域需水量模拟※

(新疆塔里木河流域管理局， 新疆 库尔勒 841000)

基于WEAP模型的叶尔羌河流域需水量模拟※

周海鹰

(新疆塔里木河流域管理局， 新疆 库尔勒 841000)

本文以叶尔羌河流域为研究对象，基于WEAP模型对流域现状需水量进行了模拟。结果表明：干旱年，研究区总需水量为60.71亿m3，缺水10.597亿m3； 重度干旱年，总需水量为56.559亿m3，缺水14.749亿m3； 极端干旱年，总需水量为55.164亿m3，缺水16.143亿m3。造成缺水的主要原因是：河川径流年内年际分配不均，缺乏山区控制性水利工程，平原水库蒸发，渗漏损失较大及河道沿程损失大。研究结果为该流域水资源的可持续利用提供了科学依据。

水资源配置； WEAP模型； 需水量计算； 叶尔羌河流域

1 引 言

需水量的模拟与预测是掌握区域需水规律及特征的重要手段[1]，在水资源规划、水资源系统模拟、供水风险分析等方面广泛应用[2]。许多发达国家从20世纪60年代就开始重视对国民经济各部门需水量的预测，我国从20世纪80年代末开始对需水量预测进行了深入研究[3]。目前常用的预测方法主要有趋势分析法、时间序列法、定额法以及回归分析法[4]等，为了减少不确定性，一些非线性理论，如灰色系统理论、混沌理论、人工神经网络、小波理论等[5-6]被引入到需水量模拟中。

本文以WEAP(water evaluation and planning system) 理论为基础，以叶尔羌河流域为研究对象，对流域现状需水量进行模拟，以期实现流域水资源的优化调配。

2 WEAP模型介绍

WEAP模型是由瑞典斯德哥尔摩环境研究所开发的将供水、水质和生态系统保护背景之下考虑水资源开发的综合模型[7-8]。模型以月为时间步长计算系统中“节点”和“连接”的水量和污染物的质量平衡。近年来，WEAP系统已广泛用于流域未来水资源供需平衡评估和气候、决策驱动的水资源管理情景分析等。

2.1 系统构成要素

WEAP模型基于水资源系统节点对水资源利用情况进行规划和管理。它主要由12个要素组成，分别为：需求点、集水盆地、水库、地下水、河流、分流、输送连接、回流、流量要求、流量测站、过水河流发电、废水处理厂，通过对它们的组合连接，实现对水资源系统的模拟[9]。

2.2 模型运算流程

2.2.1 系统定义

主要包括以下内容[10]：

a.设置时间跨度。主要包括时间范围、时间步长和水文年起始。

b.设置空间界限。主要包括研究区域所在的地理范围。

c.建立水资源系统概化节点网络图。

2.2.2 现状基准设置

现状基准是对现状基准年的水资源系统数据和运行情况的准确描述，主要包括研究的第一年逐月的供给和需求数据的详细说明。模型通过现状基准年的详细数据，预设模型参数。

2.2.3 情景预案设计

情景预案设计是WEAP模型的核心，WEAP模型可以生成并比较预案，以评价不同情景预案的需水、成本和环境影响。如：人口增长和经济发展模式发生变化，需水量会发生多大变化？若大量开发利用地下水，水环境和生态环境会发生怎么样变化？实施高效的节水灌溉技术后，生产成本、产量与需水量间关系会发生什么变化？产业结构调整和农作物构成发生变化时，土地利用方式及生态环境会如何变化？

2.3 运算法则

WEAP模型采用线性规划方法求解能最大化满足需求点的最优解，以月为间隔计算系统中每个节点和连接的水和污染物质量平衡，受需求优先顺序、供给择优顺序、质量平衡和其他限制约束。

WEAP模型均以月为时间间隔(步长)运算，从现状基准年的第一个月计算到预案最后一年的最后一个月，每个月都独立于前面的一个月。因此，在一个月中，所有进入系统的水(如源头来水、地下水补给、河道径流)或者储存在潜水层或水库中、或者在月末之前离开系统(例如：河流末端的出流、需求点消耗、水库或河段蒸发、输送及回流损失)。由于时间尺度相对较长(月)，所有流量被假定瞬时出现。因此，一个需求点可以从河流取水，消耗一部分，将其余部分返回到废水处理厂加以处理或返回到河流。该回流可为下游需求点在同一个月所用。

每个月计算遵循以下步骤：

a.需求点和流量要求的年需求和月供给要求。

b.集水盆地径流和下渗，假定没有灌溉入流。

c.系统中每个节点和连接的水的入流和出流，这包括计算从供水水源取水以满足需求和分派水库存水。该步骤由线性规划(LP)求解，试图优化需求点和河道内流量要求满足度，受需求优先顺序、供给择优顺序、质量平衡和其他限制。

d.需求点产生的污染物，污染物的量和处理，受体水体负荷，河流中浓度。

e.水力发电。

f.资本和运行成本及收入。

2.3.1 连接规则

在WEAP模型中，需求点按需求优先顺序和供给择优顺序配水。

2.3.2 质量平衡约束

质量平衡方程是WEAP模型中水的月收支计算的基础，质量平衡按式(1)计算：

∑QZI=∑QZO-∑QZX

(1)

式中QZI——月总入流,m3/s；

QZO——月总出流,m3/s；

QZX——月总消耗,m3/s。

2.3.3 满足度

满足度是指需求被满足的百分比，是为每个需求点生成的一个新的线性规划变量。WEAP模型的目标是最大化所有需求点的满足度。在没有足够水量满足优先顺序相同的所有需求时，WEAP模型以其需求的相同百分比满足所有需求。计算式为

∑QI=QXSβ

(2)

式中QI——入流量，m3/s；

QXS——需水量，m3/s；

β——满足度，%。

3 叶尔羌河流域的WEAP模型构建

根据叶尔羌河流域内水资源调配的实际，基于流域内的水源条件和引用水关系，结合流域行政分区，将水资源系统中的主要要素、水源以及用户进行概化，将研究区划分为叶城、泽普、莎车、麦盖提、巴楚、岳普湖和前海7个计算子分区，分区水源主要是河道水源、水库水源和地下水源。考虑到地表供水实际情况，将部分分区分开概化，得到叶尔羌河流域水资源系统概化图，如下图所示。

叶尔羌河流域灌区WEAP模型概化图

叶尔羌河流域灌区共概化23个水库、57个需求点、7个地下水和4条河流。

a.水库：分别是保拉水库、宗郎一二水库(合并)、白来克其亚水库、苏盖提水库、桑水库、米吉东水库和墩巴克水库(合并)、吉仁力玛水库、汗克尔水库 、塔合其水库、色里勿衣水库、艾力西湖水库、东方红上下库、邦克尔水库、卫星水库、红海子水库、草龙水库、苏库恰克水库、小海子水库、永安坝水库和依干其水库。

b.需求点：总计57个需求点，分别是叶城灌区1、叶城灌区2、泽普灌区、莎西灌区、莎东灌区1、莎东灌区2、麦西灌区、麦东灌区1、麦东灌区2、麦东灌区3、岳普湖灌区、巴楚北灌区、巴楚南灌区、前进灌区、小海子灌区、叶城城乡、叶城工业、叶城牲畜1、叶城牲畜2、叶城渔业1、叶城渔业2、泽普城乡、泽普工业、泽普牲畜、泽普渔业、莎车城乡、莎车工业、莎西牲畜、莎西渔业、莎东牲畜1、莎东渔业1、莎东牲畜2、莎东渔业2、麦盖提城乡、麦盖提工业、麦西牲畜、麦西渔业、麦东牲畜1、麦东渔业1、麦东牲畜3、麦东渔业3、岳普湖城乡、岳普湖工业、岳普湖牲畜、岳普湖渔业、巴楚城乡、巴楚工业、巴楚北牲畜、巴楚北渔业、巴楚南牲畜、巴楚南渔业、农三师、前海工业、前进牲畜、前进渔业、小海子牲畜和小海子渔业。

c.地下水：7个地下水分别是叶城地下水、泽普地下水、莎车地下水、麦盖提地下水、岳普湖地下水、巴楚地下水和前海地下水(各地下水节点用来储存对应灌区内的水库、河道、渠系渗漏水量)。

d.河流：4条河流分别是叶尔羌河、提孜那甫河、柯克亚河和乌鲁克河。

用水关系根据水资源供给现状进行概化。模型的输入包括需水量、入流量和有关参数，其中需水量包括农业、城乡、工业、牲畜、渔业需水量；入流量包括河流来水量；有关参数包括水库库容、河道损失、供给优先顺序等。

3.1 河流来水量

河流来水量指的是在不同干旱等级下进入研究区的水量，见表1。

表1 叶尔羌河流域不同干旱等级下的月河道来水量

3.2 需求点概化

叶尔羌河流域分为叶城灌区、泽普灌区、莎车灌区、麦盖提灌区、麦东灌区1、岳普湖灌区、巴楚灌区、前海灌区。

各灌区包含若干需求点，为方便模型运行和考虑实际情况，将莎车灌区，麦盖提灌区，巴楚灌区和前海灌区分别分成莎西灌区、莎东灌区1、莎东灌区2，麦西灌区、麦东灌区1、麦东灌区2、麦东灌区3，巴楚北灌区、巴楚南灌区，前进灌区、小海子灌区。

4 结果及分析

4.1 基准年模拟结果

WEAP模型运行结果见表2。

由表2可知，现状年(2012年)叶尔羌河流域总需水量为71.31亿m3，通过模型对不同干旱等级水资源供需计算得：干旱年，灌区全年总供水量为60.71亿m3，缺水10.597亿m3，开采地下水10.22亿m3(含泉水1.605亿m3)；重度干旱年，灌区全年总供水量为56.559亿m3，缺水14.749亿m3，开采地下水10.22亿m3(含泉水1.605亿m3)；在极端干旱年，灌区全年总供水量为55.164亿m3，缺水16.143亿m3，开采地下水10.22亿m3(含泉水1.605亿m3)。

表2 不同干旱等级下叶尔羌河流域供需平衡模拟成果

4.2 结果分析

从水资源供需分析结果可知，研究区现状年干旱情况下缺水较为严重，不同干旱等级下的缺水量分别为10.597亿m3、14.749亿m3和16.143亿m3，分别占总需水量的14.86%、20.68%和22.64%。缺水主要集中在春季3—6月，为农业灌溉季节性缺水。

通过分析，其主要原因如下：

a.叶尔羌河径流年内分配不均，干旱年来水总量极小，现状又缺乏山区控制性水库，干流和支流来水得不到有效调控，汛期水量得不到充分利用，造成春季农业灌溉严重缺水。

b.平原水库蒸发、渗漏损失较大。研究区平原水库多年水库损失为2.3亿m3，约占水库需水总量的30%左右，成为流域内缺水的一个重要原因。

c.河道损失水量很大。在不同干旱等级下，叶尔羌河和提孜那甫河的天然来水总量分别为63.365亿m3、56.638亿m3和53.855亿m3，但在扣除河道损失后，灌区内的供水量仅有51.758亿m3、46.135亿m3和44.364亿m3，沿程损失水量分别达11.607亿m3、10.503亿m3和9.491亿m3，全年河道损失水量占河道来水量的18%。

5 结 论

本文基于WEAP模型对叶尔羌河流域现状水量配置进行了模拟，结果表明，不同干旱等级下研究区均存在缺水现象。缺水主要集中在春季3—6月，为农业灌溉季节性缺水。造成缺水的主要原因是河川径流年内、年际分配不匀，缺乏山区控制性水利工程，平原水库蒸发、渗漏损失较大及河道沿程损失大。

[1] 彭飞,刘兵.基于生态的新疆干旱灌区水资源的优化配置[J].石河子大学学报(自然科学版),2017(1):291-297.

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[3] 李承红,姜卉芳,何英.基于WRMM模型的水资源配置及方案优选研究[J].水资源与水工程学报,2016(3):32-38.

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[5] 吴丹,王士东.基于需求导向的城市水资源优化配置模型[J].干旱区资源与环境,2016(2):31-37.

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WaterdemandsimulationofYarkantRiverbasinbasedonWEAPmodel※

ZHOU Haiying

(XinjiangTarimRiverBasinAdministration,Korla841000,China)

In the paper, Yarkant River basin is adopted as a research object for simulating river basin current (2012) water demand on the basis of WEAP model. The results show that total water demand in the study area is 6.071 billion m3during drought year, and water deficiency is 1.0597 billion m3. Total water demand was 5.6559 billion m3in the severe drought year, and water deficiency is 1.4749 billion m3. Total water demand is 5.516.4 billion m3in extreme drought year, and water deficiency is 1.6143 billion m3. The main reason for the water shortage is shown as follows: uneven interannual distribution in the river runoff year, no controllable water conservancy project in mountainous area, evaporation of plain reservoir, great leakage loss and large loss along the river. The research results provide scientific basis for sustainable utilization of water resources in the river basin.

water resources allocation; WEAP model; calculation of water demand; Yarkant River basin

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.12.004

水利部公益行业科研专项经费(201501059)资助

TV214

A

2096-0131(2017)12-0012-05