论文部分内容阅读
【摘要】随着经济发展、社会生活水平提高以及城市规模扩大，我国的水资源供需矛盾日益突出，尤其是位于干旱半干旱地区的玛纳斯河流域（简称玛河流域）。玛河流域是典型的荒漠绿洲和灌溉农业区，农业生产完全依赖引水灌溉。长期以来，玛河流域大力发展灌溉农业，水资源开发利用程度很高，同时也带来了绿洲边缘生态环境脆弱、盐碱化严重等环境问题。为此，我收集玛河流域各灌区的资料，结合生产需要，针对玛河流域水资源短缺问题，开展了水资源优化配置系统的研究，旨在能够充分利用和管理玛河流域水资源，使其在现有的水工程条件下发挥更大的综合效益。
【关键词】玛纳斯河流域 优化配置 研究
一、 玛河流域概况
1.自然地理概况：玛河流域位于天山北麓准噶尔盆地南缘，地处天山北坡经济开发区核心地带，流域面积1.98 万km2。该流域远离海洋、气候干燥，属于典型的大陆性气候，光、热、水资源丰富，有利于农牧业生产的发展。玛河流域内有石河子市、昌吉州玛纳斯县、塔城地区沙湾县、克拉玛依市的16 个乡镇和农八师、农六师新湖总场的15 个大型国营农场。2.流域工程现状：玛河流域经过50 余年的开发治理，已形成引、蓄、输水设施比较完善的以农业灌溉为主，兼顾防洪、发电等多种功能的供水体系。河水、库水、井水和泉水一脉相通，是新疆乃至全国水资源利用率较高、灌溉管理水平较先进的灌区之一。玛河流域水利工程系统，由上游的引水枢纽、中游的平原水库、下游的输水渠系三部分组成。目前玛河上已建成拦河引水枢纽2 座，大中型平原水库6 座，设计总库容4.7 亿m。在玛河上已建成径流式梯级电站5座，总装机107MW，年发电量4.5 亿kW•h。一座装机123MW 的天山电力股份有限公司特大型火力发电企业，目前装机2×660MW 的四期空冷燃煤发电机组项目正在投入建设中。
二、 问题的提出及研究背景
1.从全球水资源危机来看，急需对国家和地区进行水资源可持续利用研究。当今世界面临着人口、资源与环境三大问题，水是人类赖以生存和发展不可替代的宝贵资源，是保障国民经济持续健康发展的重要基础。随着社会经济的发展，水资源短缺己成为全球性危机。中国是世界人口大国，但人均淡水资源却很贫乏，如何合理利用水资源已成为全球性问题，也是水资源领域当前和未来的重大课题。
2.从玛河流域水资源管理问题看，急需解决流域水资源综合配置问题。玛纳斯河在开发过程中取得了辉煌成绩，但也暴露出许多水资源管理中现存的问题，这些问题随着国民经济的快速发展而日益突出。玛河流域由于面积大，用水单位多，存在兵地、军地、地地的复杂用水关系，目前采用分级管理模式，即流域（河系）、市（县）、团场（乡）三级。虽然流域内现有较完整的引、蓄、调、泄水利工程，但作为水行政主管部门的玛河流域管理处，所辖工程只有1 座引水枢纽和1 条18km长的输水总干渠，水资源调控手段极为有限。流域机构在水资源管理的主体法律地位，执行起来十分困难，政令难以畅通，各自为政，形成“多龙治水、多龙管水”的局面。缺乏与时代相适应的管理机制，致使水利工程不能充分发挥作用。
3.水资源开发利用不合理，流域生态环境遭到严重破坏。玛河流域解放前耕地面积只有1.3 万hm2，经过了50 多年的建设，灌溉面积已发展为2008 年的26.7万hm2，农业灌溉用水量占全流域总用水量的90%以上。玛河灌区近年来大量采用了先进的节水灌溉技术，但节约下来的水又进行了土地开发，这种发展趋势必然会使资源性缺水日趋显现，并带来一系列不良后果。玛纳斯湖曾与罗布泊齐名，是独特的沙漠之湖，丰水期最大面积超过1000km2。玛纳斯湖的消失造成数十种珍稀的沙漠物种消失，使石河子绿洲边缘的生态环境日趋恶化，给邻近地区的工农业生产及人民生活造成了难以估量的损失。因而全面开展节水型建设，实现水资源的优化配置，成为整个流域建设和管理的当务之急。
因此，玛河流域通过工程手段、行政手段、经济手段和科技手段等措施，对流域内有限的水资源进行优化配置科學调度，使河水、水库联网运行，做到河水、库水、井水统一调配，最大限度解决流域内水资源时空分布不均和供需水之间的矛盾，这对协调流域生态建设、人民生活、工农业生产和水资源的关系，实现流域可持续发展，具有十分深远的意义。
三、供需水平衡分析
基于社会经济、生态环境及其水资源工程的发展目标，分析玛河流域水资源的供需状况，为水资源优化配置提供理论依据。我们对玛河流域各灌区的供水和需水进行了全面的分析，得出玛河流域保证率P=75%的供水量为14.969 亿m3，保证率P=50%的供水量为16.014 亿m3。玛河流域现状年需水量为18.604 亿m3，其中，生态需水0.700 亿m3，生活需水0.393 亿m3，工业需水1.056 亿m3，农业需水16.455 亿m3，占总需水量的88%，所占比例较大。从目前玛河流域的现状看，保证率P=75%的年份缺水量为3.635 亿m3，保证率P=50%的年份缺水量为2.590亿m3。因此应对流域内的水资源进行优化配置和科学调度，使有限的水资源能最大限度地满足生产、生活需要。
四、玛河流域水资源优化配置系统研究
1. 水资源系统组成：流域水资源的分配，是通过水资源配置系统完成的，它是水资源优化配置研究的关键环节。水资源配置系统一般由四个部分组成：水源系统、输水系统、用水系统、排水系统。水资源的配置过程可描述为：水资源配置系统根据系统输入的信息，水资源系统通过输水系统将水分配到各个用水部门，然后由用水系统和排水系统反馈信息给水资源分配系统。如此反复，直到得到最优配置结果。
2.水资源优化配置模型的选取。玛河流域内输水渠道与水库基本构成了一个调配水效率较高的配水系统。《玛纳斯河流域管理章程》则按行政隶属关系，将流域农业用户划分为农八师石河子市、玛纳斯县、新湖总场、沙湾县等四大用水单位。
3.水资源优化配置系统运行规则。为了合理开发和利用灌区水资源，综合考虑经济、环境、社会等诸多因素，制定如下供水系统运行规则：a. 系统安全运行规则。地表水库要在确保工程安全条件下运行，其蓄水位不得超过最高允许蓄水位的限制，汛期水库的蓄水位不得高于防洪汛限水位，对各种水利工程、河道的操作都必须控制在设计或规定的安全范围之内。b. 用水部门相互关系规则。需水要求满足的次序可以从需水的行业、时间、空间三方面来分析，从某种程度上看与供水高效性原则是相符的。在时间方面，农作物生长期需要的关键水要优先保障；在空间方面，用水效益高的地区要优先满足。c. 地表水与水库蓄水供水原则。先通过引水渠道引水，引水尽量从库外走水；首先满足灌区用水后，余水蓄库，亏水由水库放水补充。当来水大于需水时，水库满足需水后蓄余水；当来水小于用水时，水库放水以满足需水。d. 用水和供水原则。灌溉季节，先满足灌溉用水，再向水库蓄水。
4.水资源优化配置系统实现的功能。1）参数设置功能：a. 灌区参数设置。灌溉面积、渠道过水流量、闸口配水量、灌区利用系数、作物类别等。b. 模型参数设置。可进行玛河来水、灌区实际用水、电厂计划出力用水、城镇用水、工业机动水、冬引水、附加水等的设置。c. 年初水库水位。d. 灌溉制度编辑。编辑建立每年度、每个灌区的灌溉制度。2）查询功能：a. 地图查询。在地图上可查询显示灌区、水库、渠道的位置（居中、闪烁）。b. 流域基本情况查询。3）模型运行功能：参数设置好后，可选择计算年度，运行配水平衡模型，系统可自动进行计算。4）供需水分析功能：以水量分布图的形式显示某灌区逐年、逐月、逐旬供需水的情况。提供每个灌区的按旬分配的供需水情况。提供模型计算的各灌区供需水平衡情况。
五、 结束语
我们根据各用水部门依时空优化准则和水资源系统安全运行规则，通过水资源优化配置模型，以各分区优先级为基础，将水量在不同用户中间分配。同时以各分区用水制度为基础，将各分区的公共水源结合本地区的独立水源，在各时段进行最优配置，得出玛河流域水资源的时空配置结果，为科学调度提供了理论依据，从而实现有限水资源的效益最大化，为玛河流域水资源的可持续利用和社会经济的可持续发展提供了强有力的决策支持。
【关键词】玛纳斯河流域 优化配置 研究
一、 玛河流域概况
1.自然地理概况：玛河流域位于天山北麓准噶尔盆地南缘，地处天山北坡经济开发区核心地带，流域面积1.98 万km2。该流域远离海洋、气候干燥，属于典型的大陆性气候，光、热、水资源丰富，有利于农牧业生产的发展。玛河流域内有石河子市、昌吉州玛纳斯县、塔城地区沙湾县、克拉玛依市的16 个乡镇和农八师、农六师新湖总场的15 个大型国营农场。2.流域工程现状：玛河流域经过50 余年的开发治理，已形成引、蓄、输水设施比较完善的以农业灌溉为主，兼顾防洪、发电等多种功能的供水体系。河水、库水、井水和泉水一脉相通，是新疆乃至全国水资源利用率较高、灌溉管理水平较先进的灌区之一。玛河流域水利工程系统，由上游的引水枢纽、中游的平原水库、下游的输水渠系三部分组成。目前玛河上已建成拦河引水枢纽2 座，大中型平原水库6 座，设计总库容4.7 亿m。在玛河上已建成径流式梯级电站5座，总装机107MW，年发电量4.5 亿kW•h。一座装机123MW 的天山电力股份有限公司特大型火力发电企业，目前装机2×660MW 的四期空冷燃煤发电机组项目正在投入建设中。
二、 问题的提出及研究背景
1.从全球水资源危机来看，急需对国家和地区进行水资源可持续利用研究。当今世界面临着人口、资源与环境三大问题，水是人类赖以生存和发展不可替代的宝贵资源，是保障国民经济持续健康发展的重要基础。随着社会经济的发展，水资源短缺己成为全球性危机。中国是世界人口大国，但人均淡水资源却很贫乏，如何合理利用水资源已成为全球性问题，也是水资源领域当前和未来的重大课题。
2.从玛河流域水资源管理问题看，急需解决流域水资源综合配置问题。玛纳斯河在开发过程中取得了辉煌成绩，但也暴露出许多水资源管理中现存的问题，这些问题随着国民经济的快速发展而日益突出。玛河流域由于面积大，用水单位多，存在兵地、军地、地地的复杂用水关系，目前采用分级管理模式，即流域（河系）、市（县）、团场（乡）三级。虽然流域内现有较完整的引、蓄、调、泄水利工程，但作为水行政主管部门的玛河流域管理处，所辖工程只有1 座引水枢纽和1 条18km长的输水总干渠，水资源调控手段极为有限。流域机构在水资源管理的主体法律地位，执行起来十分困难，政令难以畅通，各自为政，形成“多龙治水、多龙管水”的局面。缺乏与时代相适应的管理机制，致使水利工程不能充分发挥作用。
3.水资源开发利用不合理，流域生态环境遭到严重破坏。玛河流域解放前耕地面积只有1.3 万hm2，经过了50 多年的建设，灌溉面积已发展为2008 年的26.7万hm2，农业灌溉用水量占全流域总用水量的90%以上。玛河灌区近年来大量采用了先进的节水灌溉技术，但节约下来的水又进行了土地开发，这种发展趋势必然会使资源性缺水日趋显现，并带来一系列不良后果。玛纳斯湖曾与罗布泊齐名，是独特的沙漠之湖，丰水期最大面积超过1000km2。玛纳斯湖的消失造成数十种珍稀的沙漠物种消失，使石河子绿洲边缘的生态环境日趋恶化，给邻近地区的工农业生产及人民生活造成了难以估量的损失。因而全面开展节水型建设，实现水资源的优化配置，成为整个流域建设和管理的当务之急。
因此，玛河流域通过工程手段、行政手段、经济手段和科技手段等措施，对流域内有限的水资源进行优化配置科學调度，使河水、水库联网运行，做到河水、库水、井水统一调配，最大限度解决流域内水资源时空分布不均和供需水之间的矛盾，这对协调流域生态建设、人民生活、工农业生产和水资源的关系，实现流域可持续发展，具有十分深远的意义。
三、供需水平衡分析
基于社会经济、生态环境及其水资源工程的发展目标，分析玛河流域水资源的供需状况，为水资源优化配置提供理论依据。我们对玛河流域各灌区的供水和需水进行了全面的分析，得出玛河流域保证率P=75%的供水量为14.969 亿m3，保证率P=50%的供水量为16.014 亿m3。玛河流域现状年需水量为18.604 亿m3，其中，生态需水0.700 亿m3，生活需水0.393 亿m3，工业需水1.056 亿m3，农业需水16.455 亿m3，占总需水量的88%，所占比例较大。从目前玛河流域的现状看，保证率P=75%的年份缺水量为3.635 亿m3，保证率P=50%的年份缺水量为2.590亿m3。因此应对流域内的水资源进行优化配置和科学调度，使有限的水资源能最大限度地满足生产、生活需要。
四、玛河流域水资源优化配置系统研究
1. 水资源系统组成：流域水资源的分配，是通过水资源配置系统完成的，它是水资源优化配置研究的关键环节。水资源配置系统一般由四个部分组成：水源系统、输水系统、用水系统、排水系统。水资源的配置过程可描述为：水资源配置系统根据系统输入的信息，水资源系统通过输水系统将水分配到各个用水部门，然后由用水系统和排水系统反馈信息给水资源分配系统。如此反复，直到得到最优配置结果。
2.水资源优化配置模型的选取。玛河流域内输水渠道与水库基本构成了一个调配水效率较高的配水系统。《玛纳斯河流域管理章程》则按行政隶属关系，将流域农业用户划分为农八师石河子市、玛纳斯县、新湖总场、沙湾县等四大用水单位。
3.水资源优化配置系统运行规则。为了合理开发和利用灌区水资源，综合考虑经济、环境、社会等诸多因素，制定如下供水系统运行规则：a. 系统安全运行规则。地表水库要在确保工程安全条件下运行，其蓄水位不得超过最高允许蓄水位的限制，汛期水库的蓄水位不得高于防洪汛限水位，对各种水利工程、河道的操作都必须控制在设计或规定的安全范围之内。b. 用水部门相互关系规则。需水要求满足的次序可以从需水的行业、时间、空间三方面来分析，从某种程度上看与供水高效性原则是相符的。在时间方面，农作物生长期需要的关键水要优先保障；在空间方面，用水效益高的地区要优先满足。c. 地表水与水库蓄水供水原则。先通过引水渠道引水，引水尽量从库外走水；首先满足灌区用水后，余水蓄库，亏水由水库放水补充。当来水大于需水时，水库满足需水后蓄余水；当来水小于用水时，水库放水以满足需水。d. 用水和供水原则。灌溉季节，先满足灌溉用水，再向水库蓄水。
4.水资源优化配置系统实现的功能。1）参数设置功能：a. 灌区参数设置。灌溉面积、渠道过水流量、闸口配水量、灌区利用系数、作物类别等。b. 模型参数设置。可进行玛河来水、灌区实际用水、电厂计划出力用水、城镇用水、工业机动水、冬引水、附加水等的设置。c. 年初水库水位。d. 灌溉制度编辑。编辑建立每年度、每个灌区的灌溉制度。2）查询功能：a. 地图查询。在地图上可查询显示灌区、水库、渠道的位置（居中、闪烁）。b. 流域基本情况查询。3）模型运行功能：参数设置好后，可选择计算年度，运行配水平衡模型，系统可自动进行计算。4）供需水分析功能：以水量分布图的形式显示某灌区逐年、逐月、逐旬供需水的情况。提供每个灌区的按旬分配的供需水情况。提供模型计算的各灌区供需水平衡情况。
五、 结束语
我们根据各用水部门依时空优化准则和水资源系统安全运行规则，通过水资源优化配置模型，以各分区优先级为基础，将水量在不同用户中间分配。同时以各分区用水制度为基础，将各分区的公共水源结合本地区的独立水源，在各时段进行最优配置，得出玛河流域水资源的时空配置结果，为科学调度提供了理论依据，从而实现有限水资源的效益最大化，为玛河流域水资源的可持续利用和社会经济的可持续发展提供了强有力的决策支持。