楊翊辰，高仕春

（武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072）

1 研究背景

窟野河是黃河重要的一級(jí)支流，流域水資源總量不足，生態(tài)環(huán)境脆弱，是黃河粗泥沙的主要來(lái)源區(qū)之一，也是水土保持治理重點(diǎn)地區(qū)[1，2]。但流域內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，位于我國(guó)“呼包鄂榆”重要能源區(qū)域，在國(guó)家能源戰(zhàn)略中的地位十分突出，在我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)和西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的推動(dòng)下，工業(yè)保持快速發(fā)展態(tài)勢(shì)，區(qū)域經(jīng)濟(jì)強(qiáng)勁增長(zhǎng)[3，4]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，流域水資源短缺問(wèn)題日益突出。作為水資源本底條件較差的窟野河來(lái)說(shuō)，匱乏的水資源稟賦、變化的氣候特征、日益增加的人類(lèi)活動(dòng)給流域水資源的管理提出了更高的挑戰(zhàn)[5]，如何配置窟野河有限的水資源，對(duì)保證流域資源-環(huán)境-經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)，部分學(xué)者對(duì)窟野河流域展開(kāi)了多方面的研究。吳喜軍、郭巧玲和李舒等均關(guān)注了窟野河煤炭開(kāi)采的問(wèn)題，通過(guò)不同的方法及模型，研究了煤炭開(kāi)采對(duì)窟野河水文水資源的影響[6-9]。對(duì)于窟野河徑流演變特征及其影響因素問(wèn)題，王國(guó)慶等利用有序聚類(lèi)方法、郭巧玲等采用多種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法、白樂(lè)等通過(guò)SCRAQ法、蘇佳園等結(jié)合小波分析和M-K突變檢驗(yàn)多種分析方法對(duì)窟野河徑流變化特征及趨勢(shì)進(jìn)行了分析，并探究了氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流的影響作用[10-13]。桑非凡等分析了窟野河降水時(shí)空變化特征，判定了降水變化趨勢(shì)及其突變性[14]。韓振英等通過(guò)灰色機(jī)理模型，對(duì)窟野河徑流進(jìn)行了預(yù)測(cè)[15]。高健翎等利用遙感數(shù)據(jù)，分析了黃河中游多沙粗沙區(qū)窟野河水土流域變化特征[16]。高文永等研究了采礦坍塌對(duì)窟野河流域水沙條件影響[17]。王童、蔣曉輝等均分析了窟野河流域土地利用變化，探討了植被變化對(duì)氣候和非氣候要素的響應(yīng)[18，19]。李慧娟等通過(guò)多個(gè)統(tǒng)計(jì)方法分析了窟野河流域水沙變化特征，采用彈性系數(shù)法和雙累積曲線(xiàn)法評(píng)估了氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水沙變化的貢獻(xiàn)度[20]。畢早瑩等通過(guò)彈性系數(shù)法探究了窟野河植被變化對(duì)徑流演變的影響[21]。

綜上可知，現(xiàn)有成果還未針對(duì)干旱河流存在的多水源聯(lián)合調(diào)配問(wèn)題展開(kāi)研究。因此，以地處黃土高原地區(qū)的窟野河為研究對(duì)象，通過(guò)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境需水預(yù)測(cè)，探討流域可供水量，進(jìn)行流域水資源供需平衡分析，研究提出流域多水源聯(lián)合調(diào)配模式，并提出特殊干旱年份窟野河流域多水源應(yīng)急配置策略，以期為干旱河流的水資源配置、保護(hù)與管理提供參考。

2 研究區(qū)概況

窟野河發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市柴登鄉(xiāng)拌樹(shù)村，河流自西北流向東南，最后于神木縣賀家川鎮(zhèn)沙峁村匯入黃河，如圖1 所示?？咭昂恿饔蚩偯娣e8 706 km2，其中內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)4 635 km2、陜西省境內(nèi)4 071 km2；干流全長(zhǎng)242 km，其中內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)94 km、陜西省境內(nèi)148 km[22]。

圖1 窟野河流域概況與行政區(qū)劃

流域?qū)俦睖貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，干旱、風(fēng)大、降水少而集中、氣溫偏低、無(wú)霜期短等為主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)。多年平均氣溫為8.6℃，蒸發(fā)量約900～1 200 mm，降水量為368.2 mm，降水年內(nèi)分布不均，多以暴雨形式集中在7—9月，暴雨歷時(shí)短、強(qiáng)度大。平均河川天然徑流量為2.54億m3，地下水資源量為1.93億m3，水資源總量為3.00 億m3，人均水資源量為516 m3，僅為全國(guó)人均資源量1/4 左右。窟野河關(guān)鍵斷面溫家川徑流特征，詳見(jiàn)表1。同時(shí)，從各年代的徑流量可以看出，窟野河流域徑流量呈現(xiàn)出逐步減少的趨勢(shì)，從20世紀(jì)50年代的7.63億m3，逐步減少至21世紀(jì)的1.64 億m3。另外，從實(shí)際用水情況看，窟野河流域人均用水量為231m3，分別為黃河與全國(guó)平均水平的68%和51%，說(shuō)明窟野河流域水資源情勢(shì)不容樂(lè)觀。

表1 窟野河關(guān)鍵斷面徑流特征

3 多水源聯(lián)合調(diào)配模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

從流域水資源利用涉及的水資源高效利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展等多目標(biāo)出發(fā)，建立多目標(biāo)協(xié)調(diào)模型如下：

式中：f(x)為流域水資源決策的總目標(biāo)，是社會(huì)目標(biāo)S(x)、生態(tài)環(huán)境目標(biāo)E(x)、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)B(x)的耦和復(fù)合函數(shù)。

3.1.1 社會(huì)目標(biāo)S(x)

采用綜合缺水最小作為社會(huì)目標(biāo)，其表達(dá)式為：

式中：ωi為i 子區(qū)域?qū)δ繕?biāo)的貢獻(xiàn)權(quán)重，以其經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)、人口、經(jīng)濟(jì)規(guī)模、環(huán)境狀況為準(zhǔn)則，由層次分析法確定；n 為所有調(diào)水區(qū)和受水區(qū)的地區(qū)數(shù)量；分別為i 區(qū)域需水量和供水量；α（0＜α≤2，在此取1.5）為冪指數(shù)，體現(xiàn)水資源分配原則：α 愈大則各分區(qū)缺水程度愈接近，水資源分配越公平；反之，則水資源分配越高效。

3.1.2 生態(tài)環(huán)境目標(biāo)E(x)

選擇生態(tài)環(huán)境需水量滿(mǎn)足程度最高作為生態(tài)環(huán)境目標(biāo)，其表達(dá)式為：

式中：ES 為研究系列生態(tài)環(huán)境需水量滿(mǎn)足程度；Se(i)為i 區(qū)域生態(tài)環(huán)境水量；De(i)為i 區(qū)域適宜的生態(tài)環(huán)境需水量；N 為統(tǒng)計(jì)生態(tài)環(huán)境需水量的區(qū)域總數(shù)；Φi為區(qū)域i 的生態(tài)環(huán)境權(quán)重指數(shù)，λ(t)為第t時(shí)段區(qū)域生態(tài)環(huán)境缺水敏感指數(shù)。

3.1.3 經(jīng)濟(jì)目標(biāo)B(x)

選用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值最大作為經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，其表達(dá)式為：

式中：GDP(i,j)為流域國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值；j 為分區(qū)，j=1，2，…，n；i為經(jīng)濟(jì)部門(mén)，i=1,2,…,m。

3.2 約束條件

3.2.1 水量平衡約束

（1）節(jié)點(diǎn)水量平衡，其表達(dá)式為：

式中：Wsy為上游來(lái)水水量（萬(wàn)m3）；Wqj為區(qū)間入流水量（萬(wàn)m3）；Wxy為下游下泄水量（萬(wàn)m3）；Wu為用水量（萬(wàn)m3）；Ws為損失水量（萬(wàn)m3）。

（2）水庫(kù)水量平衡，其表達(dá)式為：

式中：VR(i,m + 1)表示第m+1 時(shí)段第i 個(gè)水庫(kù)末庫(kù)容（萬(wàn)m3）；VR(i,m)表示第m 時(shí)段第i 個(gè)水庫(kù)初庫(kù)容（萬(wàn)m3）；VRC(i,m)表示第m 時(shí)段第i 個(gè)水庫(kù)的存蓄水變化量（萬(wàn)m3）；VRX(i,m)表示第m 時(shí)段第i 個(gè)水庫(kù)的下泄水量（萬(wàn)m3）；VL(i,m)表示第m 時(shí)段第i 個(gè)水庫(kù)的水量損失（萬(wàn)m3）。

（3）河道回歸水量平衡，其表達(dá)式為：

式中：QRe(m,t)表示第t 時(shí)段河道上下斷面區(qū)間的回歸水匯入量（萬(wàn)m3）；QRel(i,t)表示第t時(shí)段河道上下斷面區(qū)間生活退水量（萬(wàn)m3）；QRea(i,t)表示第t時(shí)段河道上下斷面區(qū)間灌溉退水量（萬(wàn)m3）；QRei(i,t)表示第t時(shí)段河道上下斷面區(qū)間工業(yè)退水量（萬(wàn)m3）。

3.2.2 水庫(kù)庫(kù)容約束

式中：Vmin(m,t)為第t時(shí)段死庫(kù)容（萬(wàn)m3）；Vmax(m,t)為第t時(shí)段最大庫(kù)容（萬(wàn)m3）。

3.2.3 水資源開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)約束

（1）流域耗水總量小于可利用的水資源量，其表達(dá)式為：

式中：Qcon(n,t)表示流域第t 時(shí)段可消耗水資源量（萬(wàn)m3）；QY(n)表示流域可消耗的水資源量（水資源可利用量）（萬(wàn)m3）。

（2）地下水使用量約束，其表達(dá)式為：

式中：GW(n,t)表示第t 時(shí)段第n 計(jì)算單元的地下水開(kāi)采量（萬(wàn)m3）；GPmax(n)表示第n 計(jì)算單元的年允許地下水開(kāi)采量上限（萬(wàn)m3）；GWmax(n)表示第n計(jì)算單元的時(shí)段地下水開(kāi)采能力（萬(wàn)m3）。

（3）最小生態(tài)需水約束，其表達(dá)式為：

式中：QE(i,t)和QEmin(i,t)分別表示第t 時(shí)段第i 條河道實(shí)際流量和最小生態(tài)需求流量（m3/s）。

3.2.4 變量非負(fù)約束

模型采用NSGA-Ⅱ優(yōu)化算法進(jìn)行計(jì)算[23]。

4 流域水資源供需平衡分析

4.1 水資源需求預(yù)測(cè)

經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展用水需求預(yù)測(cè)。分行業(yè)采用不同方法進(jìn)行需水預(yù)測(cè)[24]，通過(guò)分析預(yù)測(cè)，窟野河流域河道外經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水量由2013 年的23 564 萬(wàn)m3增加到2030 年的41 600 萬(wàn)m3，年增長(zhǎng)率為3.4%，主要是工業(yè)園區(qū)需水增加較多。其中，2030 年流域陜西需水量為17 587萬(wàn)m3，內(nèi)蒙古需水量為24 013萬(wàn)m3。

河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水預(yù)測(cè)。根據(jù)流域生態(tài)保護(hù)目標(biāo)[25]，經(jīng)計(jì)算可知，窟野河河道內(nèi)汛期生態(tài)需水量為1.22億m3，汛期難于控制利用的洪水量為2.52億m3，取二者大值作為河道內(nèi)汛期需水量，為2.52 億m3；同時(shí)，考慮到河道內(nèi)非汛期生態(tài)需水量為0.50億m3，則窟野河河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量為3.02億m3。

節(jié)水預(yù)測(cè)?？紤]各類(lèi)節(jié)水措施后，2030 年可節(jié)約水量3 960 萬(wàn)m3，占現(xiàn)狀用水的19.0%，節(jié)水效果可觀。其中，陜西省節(jié)水量為1 633 萬(wàn)m3，占總節(jié)水量的41%；內(nèi)蒙古自治區(qū)節(jié)水量為2 327 萬(wàn)m3，占總節(jié)水量的59%。

4.2 可供水量分析

流域可供水量與水資源可利用量、供水工程供水能力、河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水以及各行業(yè)需水密切相關(guān)，合理確定可供水量是判別分析流域缺水狀況的重要環(huán)節(jié)。

依據(jù)前述分析的窟野河流域水資源條件和各行業(yè)需水預(yù)測(cè)成果，并考慮流域規(guī)劃建設(shè)的重要水資源配置工程，包括“鐙口引黃”“萬(wàn)家寨引黃”“大泉引黃”等引黃工程及“南水北調(diào)西線(xiàn)一期工程”等[26]，合理確定流域可供水量。

通過(guò)綜合分析，在不考慮南水北調(diào)西線(xiàn)一期工程的情況下，2030 年水平可供水量為33 235 萬(wàn)m3，其中當(dāng)?shù)氐乇硭晒┧? 447 萬(wàn)m3，占25.4%；地下水開(kāi)采量6 132 萬(wàn)m3，占18.5%；其他水源供水量7 077 萬(wàn)m3，占21.3%；引黃水量11 578 萬(wàn)m3，占34.8%。與基準(zhǔn)年相比，可新增供水量15 080萬(wàn)m3。

在考慮南水北調(diào)西線(xiàn)一期工程生效的情況下，2030 年水平可供水量為41 600 萬(wàn)m3，其中當(dāng)?shù)氐乇硭晒┧? 447 萬(wàn)m3，占20.3%；地下水開(kāi)采量6 132 萬(wàn)m3，占14.7%；其他水源供水量7 077 萬(wàn)m3，占17.0%；引黃水量11 578 萬(wàn)m3，占27.8%；西線(xiàn)一期工程調(diào)水量8 365 萬(wàn)m3，占20.1%。與基準(zhǔn)年相比，可新增供水量23 446萬(wàn)m3。

4.3 水資源供需平衡分析

基于2030 年水平，考慮南水北調(diào)西線(xiàn)一期工程生效與否2 種情況，按照二次平衡進(jìn)行長(zhǎng)系列分析計(jì)算。其中，一次供需平衡分析時(shí)，僅考慮流域內(nèi)當(dāng)?shù)厮┧?，主要包括?dāng)?shù)氐乇硭?、地下水、中水和煤炭疏干水等；二次供需平衡分析時(shí)，在充分利用當(dāng)?shù)厮幕A(chǔ)上，增加從黃河干流引水、南水北調(diào)西線(xiàn)一期工程調(diào)水等流域外供水，以盡可能減少用水不足。

4.3.1 一次供需平衡分析

2030 年窟野河流域需水量為41 600 萬(wàn)m3，僅考慮當(dāng)?shù)厮畷r(shí)，總可供水量為21 656 萬(wàn)m3，其中地表水8 447 萬(wàn)m3，占39.0%；地 下 水6 132 萬(wàn)m3，占28.3%；其他水源7 077 萬(wàn)m3，占32.7%。缺水量為19 944 萬(wàn)m3，缺水率為47.9%，缺水對(duì)象主要為工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)，缺水量達(dá)19 312 萬(wàn)m3，占總?cè)彼康?6.8%。結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 2030年水平一次供需平衡分析結(jié)果

4.3.2 二次供需平衡分析

（1）考慮引黃工程，不考慮南水北調(diào)西線(xiàn)一期工程。按“鐙口引黃”“萬(wàn)家寨引黃”“大泉引黃”等引黃工程生效考慮，新增引黃水量，盡可能地保障能源基地用水。與一次供需平衡分析相比，在需水量不變的情況下，由于引黃工程供水量的增加，年均增加供水量為11 578 萬(wàn)m3，流域缺水8 365 萬(wàn)m3，缺水率為20%，與一次供需平衡分析相比，缺水率減少了近28%。結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表3 2030年水平二次供需平衡分析結(jié)果（不考慮南水北調(diào)西線(xiàn)一期工程）

（2）考慮引黃工程和南水北調(diào)西線(xiàn)一期工程。進(jìn)一步考慮南水北調(diào)西線(xiàn)一期工程生效的情況下年均增加供水量為19 944 萬(wàn)m3，流域基本達(dá)到供需平衡。結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 2030年水平二次供需平衡分析結(jié)果（考慮南水北調(diào)西線(xiàn)一期工程）

4.3.3 枯水年份水資源供需平衡分析

來(lái)水頻率75%的中等枯水年份，窟野河流域地表水徑流量為38 462萬(wàn)m3。2030年水平，不考慮引黃工程、南水北調(diào)西線(xiàn)工程的情況下，總供水量為30 785萬(wàn)m3，缺水率為26.0%；引黃工程與西線(xiàn)工程均生效情況下，總供水量為39 150萬(wàn)m3，缺水率為5.9%。

來(lái)水頻率95%的特殊枯水年份，窟野河流域地表水徑流量為23 418 萬(wàn)m3。2030 年水平，不考慮引黃工程、南水北調(diào)西線(xiàn)工程的情況下，總供水量為28 504 萬(wàn)m3，缺水率為31.5%；引黃工程與西線(xiàn)工程均生效情況下，總供水量為36 869 萬(wàn)m3，缺水率為11.4%。

5 流域多水源聯(lián)合調(diào)配

5.1 調(diào)配思路

考慮窟野河流域水資源稟賦不足、生態(tài)環(huán)境脆弱、用水需求旺盛的實(shí)際情況，在水資源配置時(shí)，要堅(jiān)持節(jié)水優(yōu)先、生態(tài)優(yōu)先的發(fā)展理念，綜合考慮各類(lèi)水源和不同用水部門(mén)之間的匹配性，遵循多水源多用戶(hù)的聯(lián)合調(diào)配策略，合理確定水資源配置方案。

（1）確保生態(tài)水量。保障河流基本生態(tài)流量和重點(diǎn)河段河流廊道水流連續(xù)性，維持濕地基本生態(tài)功能、遏制濕地萎縮。

（2）強(qiáng)化節(jié)水意識(shí)。逐步實(shí)施農(nóng)業(yè)節(jié)水現(xiàn)代化技術(shù)，大力提升農(nóng)業(yè)節(jié)水水平；同時(shí)，對(duì)用水需求增加較快的工業(yè)，建議所有新建工業(yè)項(xiàng)目均進(jìn)入工業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有園區(qū)外企業(yè)逐步搬遷入園，污水實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一收集、處理與回用。

（3）科學(xué)利用多種水源。在全面節(jié)水的前提下，根據(jù)不同用戶(hù)的用水特點(diǎn)，充分利用當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水；加大中水回用、煤礦疏干水的利用力度；積極尋求外來(lái)水源，如從黃河干流引水、南水北調(diào)西線(xiàn)工程供水等。

5.2 調(diào)配方案

（1）不考慮南水北調(diào)西線(xiàn)一期工程。2030 年水平，不考慮南水北調(diào)西線(xiàn)一期工程，僅考慮增加“鐙口引黃”“萬(wàn)家寨引黃”“大泉引黃”等引黃水量，窟野河流域河道外各部門(mén)共配置水量33 235 萬(wàn)m3，入黃水量為3.27 億m3，流域內(nèi)缺水量為8 365 萬(wàn)m3，流域內(nèi)缺水率將達(dá)到20%左右，國(guó)家能源重化工基地的發(fā)展將受到一定程度的制約，詳見(jiàn)表5。

表5 2030年水平窟野河流域水資源配置（不考慮南水北調(diào)西線(xiàn)工程） 萬(wàn)m3

（2）考慮南水北調(diào)西線(xiàn)一期工程生效。在引黃工程和西線(xiàn)一期工程生效前提下，窟野河流域河道外各部門(mén)共配置水量41 600 萬(wàn)m3，入黃水量為3.27億m3。按水源分，地表水量為28 391 萬(wàn)m3，占總配置水量的68.2%；地下水6 132 萬(wàn)m3，占總配置水量的14.7%；其余水源（煤礦疏干水、中水等）7 077萬(wàn)m3，占總配置水量的17.0%。按用戶(hù)分，生活用水量為4 242 萬(wàn)m3，占總配置水量的10.2%；城鎮(zhèn)生產(chǎn)用水量為27 275 萬(wàn)m3，占總配置水量的65.6%；農(nóng)村生產(chǎn)用水量為8 481 萬(wàn)m3，占總配置水量的20.4%；生態(tài)用水量為1 602萬(wàn)m3，占總配置水量的3.9%，詳見(jiàn)表6。

表6 2030年水平窟野河流域水資源配置（考慮南水北調(diào)西線(xiàn)工程） 萬(wàn)m3

5.3 特殊干旱年多水源應(yīng)急調(diào)配策略

分析發(fā)現(xiàn)，2030 年水平窟野河流域缺水量為多年平均缺水量的1.2倍，特殊干旱年份缺水形勢(shì)將對(duì)流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深刻的影響。因此，綜合考慮流域特點(diǎn)，提出流域應(yīng)急水資源調(diào)配策略：壓縮需求、挖掘供水潛力、增強(qiáng)水資源應(yīng)急調(diào)配能力、制定應(yīng)急預(yù)案等[27]。

（1）壓縮需求。為保證居民生活和重要行業(yè)部門(mén)合理用水需求，在發(fā)生特殊干旱等極端事件時(shí)，通過(guò)采取適當(dāng)減少或暫時(shí)停止部分其他用戶(hù)的供水，同時(shí)減少河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水。

（2）挖掘供水潛力。適當(dāng)增加開(kāi)采淺層地下水和深層承壓水；利用供水工程在緊急情況下可動(dòng)用的水量，適當(dāng)增加黃河干流引水水量；對(duì)于水質(zhì)要求不高的用水部門(mén)，適當(dāng)調(diào)整新鮮水和中水、疏干水的供水比例，增加中水及疏干水供水量以替代新鮮水的供水量等。

（3）增強(qiáng)水資源應(yīng)急調(diào)配能力。推進(jìn)城鎮(zhèn)和重要工業(yè)園區(qū)雙水源和多水源建設(shè)；加強(qiáng)水源地之間和供水系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)，便于進(jìn)行聯(lián)合調(diào)配；積極安排與建設(shè)應(yīng)急儲(chǔ)備水源。

（4）制定應(yīng)急預(yù)案。制定特枯水年和連續(xù)枯水段等緊急情況下的供水量分配方案和水量調(diào)度預(yù)案，制定重要水庫(kù)與供水工程應(yīng)急供水調(diào)度預(yù)案。