塔里木河干流水资源合理配置研究

1. 塔里木河干流水资源合理配置研究 报告人：黄 强 教 授 2013年7月20日

2. 主要内容 1 2 3 4 5 概述 塔里木河干流资料及节点图构建 塔里木河干流水资源配置模型建立及求解 塔里木河干流水资源配置成果分析及比较 结论

3. 1 概述 研究目的及意义 背景 塔里木河流域灌溉春旱缺水、生态环境脆弱、河道断流、难以向下游台特玛湖输水。因此，亟待研究塔里木河流域水资源合理配置。 目的 （1）向特玛湖多年平均下泄生态水量3.5亿m³； （2）提出塔里木河干流6个主要控制断面的水量控制过程，包括各灌区、生态区的水量控制过程，实现塔里木河干流流域水资源合理配置。 意义 对塔里木河流域的水资源管理和改善生态环境、促进社会经济可持续发展具有十分重要的意义。同时，对于其他内陆河流域水资源合理配置具有借鉴价值。

4. 1 概述 研究进展 国外较早开展了水资源调控与优化配置研究，国内起步较晚，但发展较快，并取得了丰硕的研究成果。

5. 1 概述

6. 1 概述 2.1塔里木河干流流域概况 塔里木河由叶尔羌河、和田河、阿克苏河和开都河-孔雀河4个源流组成，形成了“四源一干”的格局，是我国最长的内陆河流，干流全长1321km，从支流叶尔羌河源头算起，全长2486km，流域面积为25.86万km²。塔里木河远离海洋，地处中纬度欧亚大陆腹地，四周高山环绕，降水稀少，蒸发强烈，气侯干燥，日照时间长，太阳辐射能量多，降水量地区分布差异很大。 51mm 2380mm

7. 2 塔河干流资料及节点图构建 2 塔河干流资料及节点图构建 设计保证率 （1）生态基流保证率 P＝90%； （2）大西海子多年平均向台特玛湖下泄生态用水3.5亿m³，生态供水保证率 P＝50%； （3）农牧区人、畜供水保证率 P＝95%； （4）工业及城镇生活供水保证率 P＝95%； （5）灌溉供水保证率 P＝75%； （6）河道外生态供水保证率 P＝50%。 设计基准年和设计水平年 现状水平年2010年 规划水平年2020年 规划水平年2030年 近 期 远 期

8. 2 塔河干流资料及节点图构建 2 塔河干流资料及节点图构建 2.3 来 水 资 料 及 分 析 地下水资源 流域的工业和城乡生活用水由地下水来供给，剩余的地下水量将用作农业补水。 现状年2010年工业、城乡生活用水供需平衡分析 单位：108m3 流流域现状年地下水可供水量为1.0752亿m3，生活、工业需水量为0.10218亿m3，满足生活、工业用水后，剩余地下水量为0.97302亿m3。

9. 2 塔河干流资料及节点图构建 2.3 来 水 资 料 及 分 析 2 塔河干流资料及节点图构建 地下水资源 规划年2020年工业、城乡生活用水供需平衡分析 单位：108m3 地下水可供水量为1.0752亿m3，生活工业需水量为0.33264亿m3 ，满足生活工业用水后，剩余地下水量为0.74256亿m3 。

10. 2.3 来 水 资 料 及 分 析 2 塔河干流资料及节点图构建 地下水资源 规划年2030年工业、城乡生活用水供需平衡分析 单位：108m3 地下水可供水量为1.0752亿m3 ，生活工业需水量为1.096122亿m3

11. 2 塔河干流资料及节点图构建 2.3 来 水 资 料 及 分 析 2 塔河干流资料及节点图构建 2 塔河干流资料及节点图构建 地表水资源 和田河只在汛期有少量洪水进入塔河 和田河25.7% 叶尔羌河只在汛期有少量洪水进入塔河 叶尔羌河5.8% 开一孔河平均每年向塔河下游供水4.5亿m3。 阿克苏河全年有水进入塔河 阿克苏河68.5% 2.4 来水资料及分析

12. 2 塔河干流资料及节点图构建 节点划分 节点包括水源、需水和输水节点等。其中，水库、引水枢纽、地下水井等均为水源节点；城镇生活、农村生活、工业、农业、生态用水等均为需(用)水节点；河流、渠道的交汇点或分水点，行政区间断面、水资源分区断面、水汇等为输水节点。 5个行政区域：沙雅县、库车县、轮台县、尉犁县、农二师； 6个主要控制断面：阿拉尔、新其满、英巴扎、乌斯曼、阿奇克、恰拉； 7座平原水库：结然力克、大寨、其满、帕满、喀尔曲尕、塔里木河、恰拉水库。 5泵站：泰昌农场泵站、阿克雅苏克泵站、轮南镇泵站 49个生态闸：将生态闸聚合为5个生态闸群：生态闸群1、生态闸群2、生态闸群3、生态闸群4、生态闸群 8个用水单元和5个生态供水区：按河道南、北两岸，将干流流域划分为阿-新南、阿-新北、新-英南、新-英北、英-乌南、英-乌北、乌-阿北、阿-恰北等。

13. 2 塔河干流资料及节点图构建

14. 3 塔里木河干流水资源配置模型建立及求解 水资源合理配置原则： ①水资源综合利用、严格控制水资源开发利用总量; ② 充分利用地表水、合理开采地下水; ③ 采取节水与增水相结合的方式，坚持节约与保护; ④ 公平公正，地方与兵团、上中下游要统筹兼顾。

15. 3 塔里木河干流水资源配置模型建立及求解 塔里木河干流水资源合理配置的核心是，寻求水资源开发利用总量控制红线，即不同频率来水年6个主要控制断面、8个灌区和5个生态闸群的用水总量控制红线，确保多年平均向台特玛湖下泄3.5亿m3生态水量。

16. 3 塔里木河干流水资源配置模型建立及求解 目标：塔河流域水资源合理配置目标是，使社会、经济可持续发展，生态环境良性循环。具体目标可表达为缺水量最小、综合利用效益最大、非汛期生态供水量最大。 为便于模型求解，将多目标问题转化为单目标问题，采用缺水量最小为目标，其它目标作为模型的约束条件。

17. 3 塔里木河干流水资源配置模型建立及求解 缺水量最小目标函数： 式中： I为年数，i=1，21，52，I=52； J为以年为计算周期内的月时段数，j=1，21，12，J=12； N为断面区间数，n=1，21，N（N=5）； 为断面区间n在第i年j时段的需水量； 为在第n年j时段供给断面区间n的水量； 为第i年N个断面区间的总缺水量； 为灌溉保证率； 表示取括号里数值中较大的值。

18. 3 塔里木河干流水资源配置模型建立及求解 约束条件 (1)流域水量平衡约束 (2)水库水量平衡约束 (3)库容约束 (4)灌溉供水约束 (5)生态供水约束

19. 3 塔里木河干流水资源配置模型建立及求解 河道外生态供水量求解 河道外生态供水在7、8、9三个月集中供给。通过决策动态寻优自适应算法，对河道外生态供水量进行求解，方法如下： 迭代算法： 式中：W(i)代表第i年河道外生态供水总量；L代表河道外生态供水比例，Qk1(i,j)代表第i年j时段的来水量；X、Y、Z分别表示各年7、8、9三个月的供水比例。每一个i，三个月都会提供一部分河道外生态用水，但三个变量需要从0~1任意组合，如不设定限制，将有无数种组合。因此，这里限定X、Y、Z取值范围为0~1中步长为0.1的值，这样组合方式大幅度减少，便于计算，能快速寻求最优解。

20. 3 塔里木河干流水资源配置模型建立及求解 模型求解思路 以6个控制断面的灌溉、河道外生态和下泄台特玛湖生态水，以及生态基流为约束，假设各节点供水系数，当用天然径流供水不满足时，用平原水库和地下水补给，进行水资源合理配置。当长系列计算结束后，由输出的结果计算农业及生态保证率等，若结果不合理，再通过改变供水系数进行下一轮迭代计算，直到满意为止。

21. 3 塔里木河干流水资源配置模型建立及求解 计算步骤 (1)输入1958.6-2010.5共52年长系列径流，各节点灌溉需水量，断面7~9月生态需水水量，平原水库有效库容、损失，河道损失率等。 (2)若来水量满足需水要求，多余水充蓄平原水库；若平原水库充满，则多余水用于生态供水，7、8、9月集中供给生态。 (3)若水库不能满足灌区灌溉需水，用地下水进行补给。 (4) 若农业保证率没有达到要求，则适当改变供水系数，将生态水与灌溉水合理分配，进行下一轮迭代计算，直到满意为止。 (5)输出计算结果，结束。

22. 3 塔里木河干流水资源配置模型建立及求解 模型求解

23. 3 塔里木河干流水资源配置模型建立及求解 模型求解

24. 3 塔里木河干流水资源配置模型建立及求解 模型求解

25. 4 塔里木河干流水资源配置方案设置及成果分析 水资源配置方案设置 设置了2010年现状、2020和2030规划水平年水资源配置7种方案。 现状年2010年：方案一 规划水平年2020年：方案二、三、四 规划水平年2030年：方案五、六、七

26. 4 塔里木河干流水资源配置方案设置及成果分析 （1）2010现状水平年配置成果分析 资料：2010现状水平年情况下塔里木河干流流域灌溉面积为85.69万亩，农业总需水量10.3448亿m3，天然植被生态需水量为22.93亿m³，各断面河道内最小生态径流量分别为21.5亿m³、17.68亿m³、14.15亿m³、10.03亿m³、6.88亿m³和3.29亿m³，生活和工业需水量0.1022亿m3，流域地下水可开采量1.0752亿m3。 采用模型进行52年长系列计算，得到计算结果见下表。灌区农业保证率55.85%，灌区多年平均缺水0.53亿m3；河道外生态保证率39.62%，生态基流保证率65.09%，多年平均向台特玛湖下泄生态水2.9亿m3。由于生活和工业用水均由地下水供给，所以保证率均满足要求。但是，灌区农业、河道外生态、生态基流均无法得到满足。

27. 现状水平年流域水资源配置结果分析

28. 现状水平年流域水资源配置结果分析 台特玛湖生态水 1958~2010年向台特玛湖多年平均输生态水2.9亿m3，不能满足3.5亿m³生态需水要求。其中，1989~1993连续5年不足3.5亿m³；在1994年，台特玛湖几乎干枯。

29. 4 塔里木河干流水资源配置方案设置及成果分析 （2） 2020规划水平年配置成果分析 方案二河道外生态保证率未达到50%的要求；方案三、方案四各断面的生态基流、台特玛湖生态水量、农业均达到保证率要求。方案四与方案二相比，缺水量减少了0.743亿m3，方案四与方案三相比，缺水量减少了0.65亿m3。

30. 4 塔里木河干流水资源配置方案设置及成果分析 方案四缺水量最小，推荐方案四： (1) 多年平均向台特玛湖下泄水量3.5亿m3 (2)河道外生态保证率均大于50% (3)生态基流保证率为90~94%，高于设计要求90% (4)各灌区农业保证率为75~77%，高于设计要求75% 塔河干流50%来水频率年各断面灌溉、生态总量控制红线如配置结果图所示，塔河干流阿拉尔断面来水46.97亿m3。其中，灌溉供水控制总量为11.21亿m3，河道外生态供水控制总量为22.43亿m3，损失水量为13.33亿m³。

31. 2020年(75%) 灌溉供水控制总量为11.21亿m³，生态供水控制总量为15.38亿m³，损失水量为8.55亿m³。

32. 2020年(90%) 灌溉供水控制总量为9.94亿m³，生态供水控制总量为13.39亿m³，损失水量为6.14亿m³。

33. 4 塔里木河干流水资源配置方案设置及成果分析 （3）2030规划水平年配置成果分析 方案五生态基流保证率未达到90%的要求；方案六、方案七各断面河道外生态、生态基流、台特玛湖生态水量、农业均达到设计保证率的要求。方案七与方案五相比，缺水量减少了0.432亿m3，方案七与方案六相比，缺水量减少了0.302亿m3。

34. 4 塔里木河干流水资源配置方案设置及成果分析 方案七缺水量最小，推荐方案七： (1)大西海子多年平均向台特玛湖下泄水量3.5亿m3 (2)河道外生态保证率均大于50% (3)生态基流保证率为90~96%，高于设计要求90% (4)各灌区农业保证率为75~90%，高于设计要求75% 塔河干流50%来水频率年各断面灌溉、生态总量控制红线如配置结果图所示，塔河干流阿拉尔断面来水46.97亿m3。其中，灌溉供水控制总量为11.21亿m3，生态供水控制总量为22.43亿m3，损失水量为13.33亿m³。。

35. 2030年(75%) 灌溉供水控制总量为9.76亿m³，生态供水控制总量为12.38亿m³，损失水量为13亿m³。

36. 2030年(90%) 灌溉供水控制总量为8.86亿m³，生态供水控制总量为10.35亿m³，损失水量为10.26亿m³。

37. 5 结论 构建了塔里木河干流流域水资源调配的网络节点图，提出了干旱内陆河流域水资源合理配置的思路，建立了塔里木河干流水资源优化配置模型，设置了七种水资源配置方案，通过模型求解、方案比较，得出了2020和2030规划水平年水资源最优配置方案。 水资源最优配置方案体现了塔里木河流域水资源综合利用，社会、经济可持续发展、生态环境良性循环。因此，研究成果可为实现塔里木河水资源合理配置和水资源开发利用总量控制提供科技支承，也为内陆干旱地区水资源的合理配置提供参考。

38. 请各位同行批评、指正！