安全评价综合运用：厦门水资源安全评价

水是人类生存的基本要素。一个地区水资源安全与否, 直接关系到该区域社会稳定和人们身体健康。保障区域水资源和饮用水安全, 是实现建设小康社会目标、构建社会主义和谐社会的重要内容,是把以人为本真正落到实处的一项紧迫任务。

区域水资源安全评价是人们了解本区域水资源状况, 采取行之有效措施来保障饮用水安全的前提和基础。水资源安全可以从水资源数量、水资源质量、水资源开发利用状况等方面进行评价。水资源数量评价是在地表水和地下水资源评价的基础上进行的, 主要通过对降水、地表水和地下水的关系分析, 然后由地表水资源量和地下水资源量相加扣除重复计算量而得; 水资源质量评价主要针对水资源污染状况进行; 水资源开发利用评价内容则包括供水基础设施现状、供水现状、供用水效率和水资源综合评价等内容。

厦门河流水系及水库概况

厦门市水系均属山区短小河流, 发源于本区域境内, 流域面积小, 流程短, 坡度大, 水量随季节变化大。本岛地表水系不发育, 多为短小溪流, 呈放射状独流出海, 岛外部分水系发育较为完善, 主要河流有东西溪、九溪、官浔溪和后溪等, 流域总面积939.25 km2, 占全市土地总面积的69%。流域面积大于100 km2 的只有同安西溪和集美后溪两条, 50～100 km2 的河流有九溪、官浔溪。

全市现在中型水库5 座, 小型水库103 座,2004 年总库容24301 万m3。中型水库有: 石兜水库、汀溪水库、溪东水库、竹坝水库、杏林湾水库; 主要小( Ⅰ) 型水库有: 溪头水库、坑内水库、坂头水库、曾溪水库、湖边水库、小坪水库、河溪水库和石宅水库。

对厦门市供水具有特殊意义的河流还包括九龙江。九龙江是福建省第二大河流, 其干流由北溪、西溪和南溪组成。厦门引水的北溪是九龙江的主干流, 发源于龙岩市梅花山, 经由龙岩市新罗区、漳平市流入漳州市华安县、长泰县、纳下浙溪、龙津溪后注入漳州平原, 在龙海市福河与西溪相汇。

厦门水资源数量评价

1、厦门水资源数量

厦门市地处南亚热带季风气候带, 属亚热带海洋性气候, 多年平均降水量1533.3 mm, 折合年降水总量24.06 亿m3。降水及径流时空变异较大, 年内年际分配不均, 汛期( 4～10 月) 降水量占全年的80%, 径流占85%以上, 年降水量是最小年的3.2 倍。降水量分布由西北往东南逐渐减少, 西北山区2000mm 以上, 沿海及厦门岛年降水量为1100mm左右。

厦门市当地多年平均地表水资源量为11.80 亿m3,地下水资源量1.36 亿m3, 重复计算量0.81m3, 多年平均水资源总量12.35 亿m3。按户籍人口统计, 厦门市人均水资源占有量仅为871 m3, 约为全国平均水平的40%, 福建省平均水平的25%, 若考虑暂住人口, 人均水资源量为576 m3, 属水资源严重缺乏地区。

九龙江流域2004 年年降水量1325.3mm, 折合降水总量是195.36 亿m3, 地表水资源量78.05 亿m3, 折合径流深529.5 mm, 当年厦门市从九龙江北溪引水量为1.97 亿m3。

2、厦门生活饮用水源数量

厦门市生活饮用水源主要包括北溪引水、石兜- 坂头水库、汀溪水库( 上李水库功能现已调整为景观用水) 。备用水源包括湖边水库和杏林湾水库。其中, 北溪引水是厦门市主要供水水源, 约占总取水量的近80%。各水源保护区饮用水源供给情况见下表。

厦门水资源质量现状评价

1、厦门主要河流水质概况

根据厦门市2004 年水资源公报, 厦门主要河流水质受不同程度的污染, 其中:

( 1) 同安西溪为厦门第一大河流, 包括上游的莲花溪、澳溪、汀溪和东溪等支流。东溪控制河段五显桥控制断面水质为劣Ⅴ类, 水体受到严重污染,河长占东溪支流的34.1%; 澳溪、莲花溪合流段的崎坑大桥控制断面水质为Ⅳ类, 水体受到轻度污染,河长占西溪水系的44.3%; 西溪干流段新西桥控制断面水质为Ⅴ类, 水体受到较重污染, 河长占西溪水系的21.4%; 西溪控制河段双溪大桥控制断面水质为劣Ⅴ类, 水体受到严重污染, 占西溪水系总河长11.3%。主要超标项目为总磷、溶解氧、五日生化需氧量、氨氮等, 属有机污染。

( 2) 集美后溪是本市第二大河流, 包括上游的苎溪和许溪支流。后溪控制河段水质为Ⅴ类, 水体已受到较重污染, 河长占该水系的22.6%。主要超标项目为总磷、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮等, 属有机污染。

( 3) 九溪控制河段水体受到有机污染物的污染, 水质为Ⅴ类, 河长占该水系的67.7%, 主要超标项目为总磷、五日生化需氧量等。

( 4) 官浔溪控制河段水质为Ⅴ类, 水体受有机污染物的污染, 河长占该水系的58.0%, 主要超标项目为总磷、氨氮、高锰酸盐指数、五日生化需氧量等。

2、厦门生活饮用水源水质概况

根据2005 年市环境监测站的监测结果, 全市各水库水质均未能全面达到环境功能区要求, 这是由被污染的主要水库周边的城市污水、城镇居民生活污水、农村畜禽养污水、水库汇水区内土壤裸露所形成的地表径流等面源污染造成的。

( 1) 北溪引水 北溪引水为特殊保护水域, 执行GB3838- 2002《地表水环境质量标准》中的Ⅱ类水质标准( 以下坂头- 石兜水库、汀溪水库、上李水库执行标准同) 。2005 年北溪引水水质基本符合Ⅱ类水质标准, 出现的超标项目有总磷、高锰酸盐指数、溶解氧等; 水质达标率为50.0%。与2004 年同期相比出现的超标项目基本相同, 水质达标率有所上升。北溪引水仍有超标项目出现, 主要原因是由于九龙江中上游随着经济的发展出现许多工业园区或居住小区, 而沿岸工业园区和居住小区的增加以及大量发展的畜禽养殖所带来的工业废水、生活污水和养殖废水未能得到及时有效的控制与治理所造成的。

( 2) 坂头- 石兜水库 2005 年坂头- 石兜水库水质基本符合Ⅱ 类水质标准, 水质达标率是91.67%, 除总磷、总氮两项指标浓度均值超标, 其余项目均符合Ⅱ类水质标准, 水质较2004 年有所好转。坂头- 石兜水库水质得到改善的主要原因是加大了库区农业面源污染控制, 特别加大了对库区畜禽养殖的禁养管理力度。

( 3) 汀溪水库 2005 年汀溪水库基本符合Ⅱ类水质标准, 水质达标率是75.0%; 出现的主要超标项目有高锰酸盐指数、总磷、总氮等; 与2004 年相比,水质明显恶化, 其主要原因是水库上游畜禽养殖得不到有效遏止, 养殖污水未经过任何处理就直接排入水库, 造成水体污染, 出现富营养化现象。

( 4) 湖边水库 2005 年湖边水库水质符合Ⅳ类水质标准, 功能区水质达标率为零。主要污染项目是总氮、总磷、五日生化需氧量; 与2004 年相比,水质有所好转。湖边水库水质有所好转的主要原因是开展了湖边水库综合整治工作, 计划关停保护区内所有畜禽养殖场和重点污染源。

( 5) 杏林湾水库 2005 年杏林湾水库水质仅符合Ⅴ类水质标准, 功能区水质达标率为8.33%;其主要污染项目是总氮、总磷、五日生化需氧量, 与2004 年相比, 水质达标率略有提高。

厦门水资源开发利用现状评价

1、供水基础设施现状

厦门市主要供水工程有坂头石兜水库、汀溪水库群、祥溪策槽引水、小型地表水供水工程及北溪引水工程。北溪引水是厦门城市的主要供水工程,坂头石兜水库是厦门城市供水的重要补充调节水源, 汀溪水库群及其相关供水工程则对同安、翔安的城镇与农业供水具有重要意义。

2、供用水现状

根据厦门市2004 年水资源公报, 厦门市2003年全市供水总量为6.08 亿m3 ( 不含海水供应量) ,地表水供水量为5.13 亿m3, 地下水源供水量为0.87 亿m3。当地水资源供水量占总供水量的67.6%, 跨流域引水量为1.97 亿m3, 占供水总量的32.4%。整体水资源开发利用水平较为适中, 全市水资源开发利用率为30.4%, 其中, 地表水资源开发利用率为36.3%, 地下水资源开采率为42.6%。地下水开发利用程度偏高, 超出警戒线, 需引起注意。2004 年全市用水中农业、生活与工业用水总量分别占总用水量的44.9%、25.6%与29.7%。

3、供用水效率

人均综合用水定额、万元GDP 用水量与农田灌溉定额等指标既综合反映一个城市的用水水平、节水水平、水资源管理水平, 也与经济发展水平、科技进步有密切的联系, 其数值体现了水资源开发利用的合理程度。总体上看, 厦门市各项指标与福建省及沿海其它城市相比, 处于相对水平( 如下图) , 尤其是万元工业产值耗水量与万元GDP 耗水量两项用水效率指标, 远低于上海、福州、漳州、三明、莆田、大连、宁波、青岛及深圳水平。

4、水资源供需分析

南京水利科学研究院对厦门市水资源供需平衡进行了系统的分析研究, 研究中预测了全市及各行政区的用水需求。在农田灌溉用水保证率达95%的情况下, 到2010 年, 全市总需水量为8.9941 亿m3,按现状供水条件, 即厦门市北溪引水流量14m3/ s, 石兜与汀溪水库按现在调度方式运行, 全市各分区其它蓄、引、提小型水利工程的供水量为2.1 亿m3, 污水处理回用与海水回用量4450 万m3, 同安与厦门本岛子系统均会出现不同程度的缺水现象, 供需平衡缺口较大, 尤其在干旱年份。2020 年, 全市总需水量11.32 亿m3, 如北溪引水维持在14 m3/ s 的规模, 石兜水库以蓄补引, 其它小型水利工程供水量保持在2.1 亿m3, 即使全市污水处理回用量和海水利用量增大到0.76 亿m3, 则供需平衡缺口也会比较大, 缺水会比较严重。

保障厦门水资源和饮用水安全的对策措施

1、保证水资源的供需平衡

根据以上对厦门水资源数量评价和水资源开发利用现状分析, 虽然厦门市人均综合用水定额、万元GDP 用水量与农田灌溉定额等指标, 与福建省及沿海其它城市相比, 处于相对水平, 但厦门属水资源严重缺乏地区, 水资源仍是厦门市发展的主要资源瓶颈。

要保障厦门供水安全, 首先需要从水资源数量上予以保证。据南京水利科学研究院对厦门市水资源供需进行的研究: 2010 年, 在北溪引水流量达14 m3/ s情况下, 石兜水库以蓄补引, 同时修建莲花水库, 则全市水资源供需平衡。如北溪引水14 m3/ s, 石兜水库以蓄补引, 北溪引水流量在非枯水期按实际需水增大, 全市水资源可达供需平衡。2020 年, 如北溪流量增加到20 m3/ s, 在石兜水库“以蓄补引”运用方式情况下, 建设枋洋枢纽工程, 供需才能保持平衡。因此, 近期, 在不改变厦门和漳州分水协议的情况下, 充分利用北溪引水工程的引水能力, 北溪引水流量在非枯水期按实际需水要求增大, 石兜坂头水库的调度运用方式改变为“以蓄补引”方式, 在此基础上考虑北溪供水系统向同安、翔安联网供水, 供水规模为25～30 万m3/ d。在此期间, 应筹备建设龙津溪枋洋枢纽一期工程并使之在2010 年前后投入运营。中远期, 在以上基础上, 加强厦门子系统与同安子系统的联网供水能力, 使供水规模增加到40～50 万m3/ d, 2015 年前后积极筹建枋洋二期工程, 同时根据水资源供需情况考虑莲花水库建设问题。在各规划期, 应积极调整产业结构, 节约用水, 增加海水利用、雨水利用与污水回用量, 减少对外来水源的依赖, 降低水资源供应风险。

2、保证水资源, 特别是饮用水源的水质

从目前厦门水资源的水质状况看, 情况不容乐观, 全市河流水系大部分达不到功能区的要求, 饮用水源目前虽然基本可以达到饮用水水质要求, 但仍有部分指标超标。因此,厦门水资源水质安全需从以下几个方面予以保障。

( 1) 继续开展流域综合整治, 改善河流水质

为有效治理东、西溪水环境污染问题, 市政府于2005 年初开展了东西溪流域环境污染综合整治, 提出用三年的时间, 实现“水清、岸绿、景美”的目标。通过一年来各部门开展对工业、畜禽养殖、城镇生活污水等污染源整治以及河道清淤和护岸整治等方面工作, 综合治理取得较好成效: 工业废水基本实现达标或零排放; 沿溪禁养区畜禽养殖场全部拆除和关闭, 其他畜禽养殖场实现了生态零排放; 城区部分生活污水已纳入污水处理厂处理; 两岸景观逐步改善, 东西溪生态环境明显好转。目前,除总磷、总氨和粪大肠杆菌超标外, 其余指标基本上达到GB3838- 2002《地表水环境质量标准》中的III 类水质标准要求。下一步需要加大对沿溪企业的综合执法力度, 增强群众参与、主动配合意识, 推进各项工作的开展, 并形成一种长效的流域管理机制。同时, 流域污染综合整治工作可进一步向其它流域推进, 全面保护河流的生态环境和水资源的生态安全。

( 2) 进一步推动九龙江流域污染综合整治

随着九龙江流域社会经济的发展, 进入九龙江的生活、工业、农业等污染日益增多, 九龙江水质急剧恶化。这一状况引起各级政府的高度重视, 1999年, 省政府提出了开展九龙江流域污染与生态破坏综合整治, 厦门、漳州、龙岩等市开展了整治行动,经过三、四年的努力, 整治取得了明显的成效, 沿江各断面的水质均有较大的好转。但从2003 年开始,水质出现下滑的趋势, 其主要原因是沿岸畜禽养殖业快速发展及沿岸人口增长, 使进入九龙江的养殖废水和生活污水迅速增加, 水质中的氮、磷超标严重, 厦门北溪引水水质受到影响。为保证北溪引水水质, 厦门市需加强九龙江流域三地市的交流与协调, 在厦、泉、漳三市联盟和与龙岩的“山海协作”的基础上, 通过污染整治资金补助等生态补偿机制,进一步推动九龙江流域各地市积极开展九龙江污染综合整治, 及时完成省里制定的年度整治任务。本市也应继续完善城市环境保护基础设施建设, 进一步削减污染物排污总量, 积极推进海域环境综合整治, 推动畜禽养殖业污染治理, 并将厦门生态养殖、发酵养殖等经验向九龙江上游区域推广, 减少流域的养殖污染排放。

( 3) 加强饮用水源地保护, 保证饮用水源安全

通过划定北溪引水、石兜坂头水库、汀溪水库和上李水库水源保护区, 保护厦门市生活饮用水地表水源水质、水量及集水区内植被和自然环境。目前, 厦门市饮用水源保护区划定方案已经省政府批复。与此同时, 厦门市在2005 年完成了北溪引水改造工程和石兜坂头水库、汀溪水库水源保护区的综合整治工作; 对汀溪水库辖区内的畜禽散养农户,大力推广家庭户用型沼气池和发酵式养殖; 开展了湖边水库综合整治, 完成自来水改造工程、安湖支渠补水调水一期工程、水库蔡塘段的截流工程, 并投入资金在周边村庄铺设污水管道。加大对可能影响水库水源安全的工业污染源监管和查处力度。

在保障现有饮用水源安全的基础上, 积极开展第二水源的调查工作。厦门市有关部门已着手此项工作, 前往漳州市长泰县调研第二水源生态环境,与长泰县就进一步加强合作进行了探讨, 为共同做好第二水源生态环境保护工作建立了良好的工作基础。

注1 : 生活用水与综合用水定额单位为L/d, 农田灌溉定额单位为m3/ 亩, 万元GDP 与万元工业产值用水量为m3/ 万元。

一、水资源与开发利用现状概况

奎屯河流域地处位于新疆天山北坡经济带西缘的“金三角”地带，流域内年平均地表水资源量为16.21×108 m3，地下水天然补给量1.62×108 m3，水资源总量为17.83×108 m3。平原区地下水总补给量8.41×108 m3，其中转化资源量6.79×108 m3，占总补给量的81%。地下水可开采量为6.25×108 m3，2003年实际开采量3.39×108 m3。

2003年奎屯河流域总用水量为14.65×108 m3，其中生活用水量为0.34×108 m3，占总用水量的2%；生产用水量11.28×108 m3，占总用水量的77%，而其中的农业用水量为10.54×108 m3，占总用水量的72%；人工生态用水1.8×108 m3，占总用水量的12%。

奎屯河流域总用水量为水资源总量的82%，地表水资源利用率70%，几条主要河流奎屯河、四棵树河、古尔图河的引水率均超过了80%，水资源利用程度明显偏高，造成国民经济用水挤占生态用水，致使本区生态状况呈恶化趋势。因此，必须调整用水结构，强化节水，充分考虑生态用水的基本需求，促使奎屯河流域社会、经济与生态的协调发展。

二、水资源利用效率分析

在奎屯河流域，农业用水占全部用水量的70%以上，用水量水消耗系数为7.87 m3/kg，远远超过了全国平均水平（1.102 m3/kg），农业水资源利用效率系数仅为0.13kg/m3。工业用水的重复利用率为40%左右，流域除独山子区工业万元产值用水量24 m3，其他地区万元产值耗水量平均165 m3，比全国平均水平高60%以上。

以单位用水量产出的GDP衡量用水效率，2003年奎屯河流域平均用水效率为5.6元/m3，仅为2000年全国平均水平的34%，水资源有效利用率仅为54%。

三、水资源开发利用中存在的问题

随着流域人口增加和经济、社会的发展，奎屯河流域水资源开发利用程度不断提高，流域出现了典型的资源性缺水现象，致使进入下游水量急剧减少，导致河流下游断流。从而，一方面造成流域灌区内部地下水位升高，土壤盐渍化，作物减产，土地弃耕；对于非耕地亦造成草木生长稀疏，林木退化；流域下游区域地下水位下降，甘家湖天然林保护区及艾比湖流域生态环境恶化河流中下游断流，地下水位持续下降。流域下游地区环境恶化。

四、奎屯河流域水资源优化配置的指导思想

为遏止奎屯河流域生态环境恶化的趋势，要以生态建设为根本，以水资源的科学管理、优化配置、高效利用和有效保护为核心，上、中、下游统筹规划，工程措施和非工程措施相结合，生态效益与经济效益兼顾，协调生活、生产和生态用水，充分运用法律、行政、经济、科技、宣传、教育手段，进行综合治理的指导思想。从全局利益的高度着眼，以水资源的可持续利用促进当地经济社会可持续发展为目标，系统全面考虑流域较长时期的发展需求，调整产业结构和用水结构，进一步协调生活、生产和生态用水，逐步形成符合奎屯河流域特点的、完善的水资源统一管理和生态环境保护体系，实现流域人口、资源、环境与经济社会的协调发展。

五、奎屯河流域水资源优化配置目标

此确定奎屯河流域水资源优化配置的总目标为：通过合理调度地表水，优化开采地下水，在保证人民生活用水的前提下，维持艾比湖、甘家湖天然林保护区现状的基础上，合理分配工业、农业用水比例，逐步恢复古尔图河、四棵树河下游末端林地。其次是恢复奎屯河在保护区范围内的衰败林项，保障其需水量，使水资源开发获得最佳的经济、环境、社会效益，使区域经济向良性循环方向发展。

六、奎屯河流域水资源优化配置方案生成

根据奎屯河流域水资源优化配置目标、原则及具体问题，结合奎屯河流域规划、新疆“十一五”跨流域调水工程规划，主要从开源和节流角度拟定奎屯河流域水资源配置可行的方案集，如表9-26。

表9-26 奎屯河流域水资源配置可行方案设置表

在现状供水条件下，将各种可能的配置措施投入组合成其他的配置方案。其中挖潜，指对流域现有蓄、引、排工程挖潜改造；节水，包括工农业节水。通过工农业节水技术的实施，不同规划水平年高、中、低三种需水方案比现状条件下需水可减少2010年0.45×108～1.17×108m3、2020年1.53×108～2.85×108m3、2030年2.03×108～4.42×108 m3。污水回用，指城镇生活及工业用水排放量，给下游天然生态供水，规划不同水平年污水回用水量分别为：2010年0.63×108m3、2020年1.2×108m3、2030年1.88×108m3。地下水开采工程，按流域规划，统一开采地下水；山区调蓄工程，即流域规划奎屯河上的特门水库、将军庙水库、红山水库和四棵树河上的吉尔格勒水库，总库容1.95×108 m3；跨流域调水工程，从国际河流伊犁喀什河向奎屯河流域调水5.0×108m3。

七、奎屯河流域供需水分析

（一）奎屯河流域现状2003年供需平衡分析

奎屯河流域现状2003年需水量18.21×108 m3，其中生活、生产、生态需水分别为0.34×108 m3、13.48×108 m3、4.39×108 m3，各占总需水量的1.8%、74.1%、24.1%，而生产需水中，农业需水为12.74×108 m3，占总需水量的70%。依据统计资料，奎屯河流域2003年供水量为15.42×108 m3，其中地表水供水量为11.32×108 m3，地下水供水量为3.39×108 m3，侧向排入艾比湖0.42×108 m3，排入奎屯河下游排碱渠0.29×108 m3，缺水2.84×108 m3。详见表9-27。

表9-27 2003年供需平衡分析表（单位：108 m3）

由表中可以看出，现状条件下，奎屯河流域缺水2.79×108 m3，其中农业缺水0.91×108 m3，天然生态缺水1.88×108 m3。

（二）奎屯河流域不同水平年不同配置方案供需分析

1.现状可供水量分析

可供水量是指在不同水平年、不同来水保证率的情况下，通过各类水利工程设施可以为各行政区、各部门提供的水量。可供水量的大小与水资源的总量、水利工程的供水能力及用水水平有关，同时也受国家、地方或各用水户之间的分水方案制约，在用水水平、水资源总量一定的情况下，可供水量主要取决于水源工程的类别、数量、设计规模和运行方式等。

现状水利工程、用水水平、分水方案条件下，奎屯河流域不同来水保证率情况下的可供水量详见表9-28。

表9-28 奎屯河流域不同来水保证率时的可供水量表（单位：108 m3）

由表中可以看出，在来水保证率50%（平水年）时，可供水量为14.95×108 m3，其中地表水可供水量10.89×108 m3，地下水开采量3.39×108 m3，地下水侧向排入艾比湖0.40×108 m3，排入下游排碱渠0.27×108 m3。

2.现状条件下，不同规划水平年，来水保证率50%时供需分析

奎屯河流域2003年地下水开采量为3.39×108 m3，地下水可开采量为6.25×108 m3。由于现状地下水开采没有统一规划，在奎屯市、乌苏市、八十四户乡、甘河子乡等地开采较集中，开采量大，已成为超采区。奎屯河流域规划按地貌单元、水文地质条件，将奎屯河流域平原区分为控制开采区、调蓄开采区、禁止开采区（指自然生态单元）等地下水开发利用分区。规划到2010，地下水开采量为3.47×108 m3；到2020年，地下水开采量为4.41×108 m3；2030年，地下水开采量为6.25×108 m3。据此，不同规划水平年多年平均2010年、2020年、2030年可供水量分别为15.03×108 m3、15.97×108 m3、17.81×108 m3。

3.来水保证率50%、中等需水情况下，不同配置方案供需分析

由表9-29中可以看出，来水保证率50%时，不同规划水平年不同需水方案，均缺水。2010水平年缺水5.12×108～8.08×108 m3，2020水平年缺水5.99×108～11.1×108 m3，2030水平年缺水4.8×108～11.61×108 m3，缺水占总需水量比例均大于20%。偏旱年、干旱年缺水会更明显。

表9-29 不同规划水平年来水保证率50%年供需分析表

由表9-30中可以看出，中等需水情况下，各种配置方案除外流域调水方案6外均缺水。方案1现状配置条件下，2030年缺水达总需水量的48%，将严重影响国民经济发展和人民生活水平的提高。方案2在挖潜改造和工农业节水情况下，一方面可供水量增加；另一方面，需水量相对减少。此方案配置条件下，到2030年缺水仍达37%，比方案1缺水量占总需水量的比例减少11%。配置方案3污水回用后缺水减少，但缺水也达到需水量的26%～30%。配置方案4实行地下水开采工程，缺水有逐步减少的趋势，到规划水平年2030年仅缺水18%。配置方案5修建山区调蓄水库后，可有效地缓解缺水情况。只有在配置方案6外流域调水情况下，可供水量大于流域内需水量，可向艾比湖供水0.14×108～1.55×108 m3，有利于改善该区的生态环境现状。由此，随着人口增加和经济的快速发展，奎屯河流域缺水将日渐严重。为实现奎屯河流域生态、社会和经济的可持续发展，必须采取工程和非工程措施，对有限的水资源进行优化配置。

八、奎屯河流域水资源优化配置模型建立及求解

（一）模型规划

1.管理区的划分

根据奎屯河流域的地理特征、水资源条件、灌区分布、生态环境现状、行政区划及发展规划，可将流域划分为若干子区（图9-2）。子区划分遵循以下原则：

1）尽量按照流域地形、地貌条件划分，以便计算可利用水资源量；

2）尽可能与行政分区一致，以方便资料收集整理，增加实施的可能性；

3）分区要与水资源调查评价中的分区相协调，以便采用水资源评价的成果。

依据以上原则可将奎屯河流域划分为Q个子区，某个子区用l表示，l=1，2，…，Q，Q=12。在每个子区内结合地下水位埋深进一步划分次级单元，次级单元不同埋深用不同的编码表示。

2.水源类型

根据奎屯河流域的实际情况，其供水水源有当地地表水、地下水、回用水、跨流域调水四种类型。

3.用水部门

区域用水一般可分为生活用水、生产用水和生态用水三大类。根据奎屯河流域实际，每一类用水可分为若干具体的用水部门。如生活用水分城镇居民、农村居民（包括牲畜用水）生活用水；生产用水包括工业用水、农业用水；生态用水包括人工生态用水、天然生态用水等。

表9-30 不同配置方案平水年可供水量表（单位：108 m3）

（二）多目标优化配置模型构建

1.决策变量

通过操纵可控变量，对水资源系统进行调控，并使系统的目标最终达到最优，该可控变量即为决策变量。根据奎屯河流域实际情况，水资源优化配置模型的决策变量是不同水源分配给不同用水部门的水量。分别用下式表示，即

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式中：为i水源供给l子区j部门的水量。

图9-2 奎屯河流域水资源优化配置分区图

依据奎屯河流域实际，考虑到各用水部门的季节性及水源类型的差异，作如下说明：①生活用水考虑到用水的便利性、清洁性及用水习惯，全部使用地下水；②工业用水考虑到集中供水及处理方便等因素，全部使用地下水；③农业用水由地表水和地下水共同提供；④生态用水只考虑用地表水灌溉的植被面积，而对地下水维系的生态系统通过约束地下水位调控。

2.目标函数

奎屯河流域水资源优化配置的目标是在维持水资源可持续利用的条件下，实现区域经济、社会和生态环境综合效益最大。其中涉及经济目标、社会目标、生态目标等，而反应经济、社会、生态效益的指标非常多，且部分社会效益和生态效益指标不易量化，所以建立水资源优化配置模型时尽量选择能定量、有代表性的效益指标构造优化模型的目标函数。

（1）经济效益目标选择

在经济学中反应效益的目标众多，如产值、利润、国民经济总产值和国内生产总值等。本次计算选用工农业产值最大作为经济目标。

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式中：为l子区j部门的工业、农业用水量；为l子区j部门单位水量产值系数；对工业用水部门可用万元产值用水定额推求，干旱区没有灌溉就没有农业，对农业用水部门用灌溉定额、灌溉面积和农业产值推求；为i水源分配给l子区j用水部门的水量。

工农业生产总值最大，反映了同等水量在不同用水部门间优化配置后取得的经济效益，但是，一方面，同一部门的水量来自不同的水源时，由于单位供水成本存在差异，从不同水源获得同等量供水的费用不同；另一方面，为满足经济社会对水资源需求，实现水资源可持续利用和经济社会协调发展，在工农业产值最大的情况下，要求水量消耗最少，且水资源配置系统的总投入费用最小作为经济效益目标。依据奎屯河流域实际情况，不同水源间以优先使用当地地表水、地下水、回用水，最后使用外调水。

水资源消耗量最小目标：

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式中：W为流域消耗的总水量，108 m3；为i水源分配给l子区j用水部门的水量，108 m3。

（2）社会目标选择

社会目标极其广泛，包括社会稳定、生活质量、就业率、文化教育等。建模时，首先保证城市和农村的生活用水，作为保障生活质量的间接反映，并作为约束条件处理。另一方面，从社会发展的角度讲，粮食供应是社会稳定的主要影响因素之一，可选择粮食产量作为社会目标的表征指标。据此，根据规划水平年的人口发展，确定粮食种植面积，保证自给自足。

（3）生态目标选择

水资源优化配置的生态目标是维持现有生态系统平衡、恢复或改善生态系统等。从水资源利用的角度讲，生态供水量是生态平衡状态的间接度量。据此，选择在基本保证生态需水的前提下，水量的分配。

3.约束条件

（1）资源约束

1）地表水约束。各子区不同用水部门引用地表水量之和应小于可供地表水量。

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2）地下水约束。考虑到地下水维系天然植被的功能，各子区不同用水部门引用的地下水量应小于允许开采量。

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3）目标约束。最大程度地满足人民生活及各种经济活动对水资源的需求。

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式中：需水量（min）=α×需水量（max），α为基本用水系数，α=1，表示生活用水及天然生态需水必须保证；0.5＜α＜1.0，表示生产（工业、农业）用水可适量减少；0.6＜α＜1.0，表示人工生态用水应尽量保证。

（2）地下水位约束

为防止由于地下水位过高或地下水位过低，导致土壤盐渍化和沙漠化，必须将灌区地下水位调控在一定的范围内。鉴于奎屯河流域下游平原区地下水以垂向交换为主，因此，在忽略单元之间水平方向水量交换的前提下，第l单元地下水位约束可用如下不等式表示：

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（3）非负约束

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（三）多目标优化配置模型求解

1.计算方法概述

本次采用MATLAB 遗传算法优化工具箱对上述模型进行求解。

2.遗传算法基本原理

生物的进化是一个奇妙的优化过程，它通过选择淘汰，突然变异，基因遗传等规律产生适应环境变化的优良物种。遗传算法是根据生物进化思想而启发得出的一种全局优化算法。

遗传算法的概念最早是由Bagley J D在1967年提出的；而开始遗传算法的理论和方法的系统性研究的是1975年，这一开创性工作是由Michigan大学的J.H.Holland所实行。当时，其主要目的是说明自然和人工系统的自适应过程。

3.遗传算法的求解步骤

遗传算法提供了一种求解复杂系统优化问题的通用框架，它不依赖于问题的领域和种类。对一个需要进行优化计算的实际应用问题，一般可按下述步骤来进行遗传算法求解。

图9-3 遗传算法的基本流程

1）确定决策变量及其各种约束条件，即确定出个体的表现型和问题的解空间。

2）建立优化模型，确定出目标函数的类型，是求目标函数的最大值还是求最小值，并确定目标函数的数学描述形式或量化方法。

3）确定表示可行的染色体编码方法，也即确定出个体的基因型及遗传算法的搜索空间。

4）确定解码方法，即确定出由个体基因型到个体表现型的对应关系或转换方法。

5）确定个体适应度的量化评价方法，即确定出由目标函数值到个体适应度的转换规则。

6）设计遗传算子，即确定出选择运算、交叉运算、变异运算等遗传算子的具体操作方法。

7）确定遗传算法的有关运行参数，即确定出遗传算法的群体规模、最大迭代代数、选择算子、交叉算子、变异算子等参数。具体详见图9-3。

4.参数选择

（1）各目标权重系数

通过对各个目标进行加权，并不断调整各目标的权重值以达到一个较理想的规划方案，最终确定多目标模型中水资源节约目标的权重系数为0.6，工农业经济目标权重系数各为0.2。生态环境方面由于目标难以定量化，所以把它考虑在生态环境需水量和地下水位约束条件中。

（2）可供水量

可供水量包括地表水可供水量和地下水可供水量。不同的来水频率和配置方案，可供水量不同。通过水利工程挖潜改造，工农业节水，污水回用及地下水开采工程的实施，可有效缓解奎屯河流域缺水，但缺水仍达20%以上。修建山区调蓄水库和外流域调水是从根本上解决奎屯河流域缺水的必要措施，因此本次主要计算在来水50%（多年平均）保证率、中等需水情况下，充分利用当地水资源即配置方案5的水量分配。

（3）需水量

不同水平年需水量、农业用水定额、工业万元产值用水量，在需水预测计算时已详述。

（4）地下水位约束

奎屯河流域存在的生态环境问题与地下水位密切相关，因此，确定合理的地下水位，对于奎屯河流域生态环境保护至关重要，而地下水位的高低直接受控于地下水资源的开发利用模式。因此，为遏止奎屯河流域生态环境恶化，必须采用合理的地下水开发利用模式，协调生活、生产和生态用水，实现流域人口、资源、环境与经济社会的协调发展。

1）山前洪积砾质倾斜平原区。该区地下水位要有利于地下水水库调蓄，获得最大的地下水水库库容，从而发挥地下水含水层的最大调蓄能力。

2）冲积平原灌区。自溢出带至一二六团，该区是奎屯河流域的农业灌溉区。该区地下水位主要研究如何控制地下水位，使得灌溉期前，有利于灌溉水入渗补给地下水，灌溉期后又不造成土壤盐渍化。根据观测资料，对灌区地下水生态水位在灌溉期前控制在4～6 m，灌溉期后，控制在3～5 m，以形成最大的地下库容，且土壤不产生盐渍化。

3）冲湖积平原甘家湖天然林保护区。根据调查研究，天然植被的生长状态与地下水埋深关系详见表9-31。

表9-31 准噶尔盆地南缘主要植被生长状态与地下水埋深关系表

根据调查研究成果，该区地下水位控制在1.5～7 m，天然植被生长较好。为此，在维持现状的基础上，应考虑逐步改善该区的生态环境现状，规划各水平年2010年、2020年、2030年进入甘家湖地区的水量分别为1.92×108 m3、3.13×108 m3、3.54×108 m3。

九、水资源优化配置模型求解结果及分析

（一）计算结果

采用MATLAB 遗传算法优化工具箱对上述模型进行求解，其结果详见表9-32～表9-35。

（二）结果分析

1.现状水平的水资源优化配置成果及分析

现状水平，奎屯河流域水资源总量为17.83×108 m3，其中地表水资源16.21×108 m3，山前侧向补给资源1.11×108 m3，降水补给0.51×108 m3。奎屯河流域总需水量18.21×108 m3，其中生活需水量0.34×108 m3，工业需水量0.74×108 m3，农业需水量12.74×108 m3，人工生态需水1.80×108 m3，天然生态需水2.59×108 m3。生活用水占总用水量2%，工业用水占5%，农业用水占的77%，生态用水占16%。

按乌苏市与农七师分水协议，采用水资源优化配置模型进行现状水平水资源优化配置计算，见表9-32，流域平均总供水量15.37×108 m3，其中地表水供水量11.27×108 m3，地下水供水量4.1×108 m3，总缺水量2.84×108 m3，缺水率15.6%。缺水分布为：中游农田灌溉缺水0.91×108 m3，下游天然生态缺水1.88×108 m3，无地表径流进入甘家湖区。

地下水开采比例在细土平原区地下水埋深1～5 m区，农业开采地下水比例在20%～30%，盐渍化严重；在水位埋深5～10 m区农业开采地下水比例在15%～25%。在山前倾斜砾质平原水位埋深大于50 m区，农业未开采地下水。

2.2010年水平水资源优化配置成果及分析

2010年水平，奎屯河流域水资源总量为17.83×108 m3，其中地表水资源16.21×108 m3，山前侧向补给资源1.11×108 m3，降水补给0.51×108 m3。奎屯河流域总需水量22.44×108 m3，其中生活需水量0.71×108 m3，工业需水量1.18×108 m3，农业需水量10.6×108 m3，人工生态需水7.36×108 m3，天然生态需水2.59×108 m3。生活用水占总用水量3%，工业用水占5%，农业用水占的47%，生态用水占45%。

按配置方案5及乌苏市与农七师分水协议，采用水资源优化配置模型进行现状水平水资源优化配置计算，见表9-33，流域平均总供水量17.52×108 m3，其中地表水供水量13.38×108 m3，地下水供水量4.14×108 m3，总缺水量4.7×108 m3，缺水率22%。缺水分布为：中游农田灌溉缺水2.71×108 m3，人工生态缺水2.21×108 m3，有1.92×108 m3地表径流进入甘家湖区。

表9-32 2003年奎屯河流域水资源优化结果表（单位：104 m3）

表9-33 2010年奎屯河流域水资源优化结果表（单位：104 m3）

地下水开采比例在细土平原区地下水埋深1～5 m区，农业开采地下水比例在16%～30%之间；在水位埋深5～10 m区农业开采地下水比例在13%～20%之间，详见图9-4。在山前倾斜砾质平原水位埋深大于50 m区，农业未开采地下水。

3.2020年水平水资源优化配置成果及分析

2020年水平，奎屯河流域水资源总量为17.83×108 m3，其中地表水资源16.21×108 m3，山前侧向补给资源1.11×108 m3，降水补给0.51×108 m3。奎屯河流域总需水量24.11×108 m3，其中生活需水量0.95×108 m3，工业需水量2.42×108 m3，农业需水量9.39×108 m3，人工生态需水7.55×108 m3，天然生态需水3.80×108 m3。生活用水占总用水量4%，工业用水占10%，农业用水占的39%，生态用水占47%。

按配置方案5及乌苏市与农七师分水协议，采用水资源优化配置模型进行现状水平水资源优化配置计算，见表9-34，流域平均总供水量19.17×108 m3，其中地表水供水量14.09×108 m3，地下水供水量5.08×108 m3，总缺水量4.94×108 m3，缺水率21%。缺水分布为：工业缺水0.62×108 m3，中游农田灌溉缺水2.39×108 m3，人工生态缺水1.93×108 m3，有3.13×108 m3地表径流进入甘家湖区。

图9-4 奎屯河流域灌区地下水开采所占比例等值线图

地下水开采比例在细土平原区地下水埋深1～5 m区，农业开采地下水比例在20%～35%；在水位埋深5～10 m区农业开采地下水比例在16%～25%，农业开采地下水比例增加。在山前倾斜砾质平原水位埋深大于50 m区，农业未开采地下水。

4.2030年水平水资源优化配置成果及分析

2030年水平，奎屯河流域水资源总量为17.83×108 m3，其中地表水资源16.21×108 m3，山前侧向补给资源1.11×108 m3，降水补给0.51×108 m3。奎屯河流域总需水量25.27×108 m3，其中生活需水量1.18×108 m3，工业需水量4.15×108 m3，农业需水量8.32×108 m3，人工生态需水7.41×108 m3，天然生态需水4.21×108 m3。生活用水占总用水量5%，工业用水占16%，农业用水占的33%，生态用水占46%。

表9-34 2020年奎屯河流域水资源优化结果表（单位：104 m3）

按配置方案5及乌苏市与农七师分水协议，采用水资源优化配置模型进行现状水平水资源优化配置计算，见表9-35，流域平均总供水量21.21×108 m3，其中地表水供水量14.28×108 m3，地下水供水量6.93×108 m3，总缺水量4.06×108 m3，缺水率16%。缺水分布为：工业缺水1.18×108 m3，中游农田灌溉缺水1.52×108 m3，人工生态缺水1.36×108 m3，有3.54×108 m3地表径流进入甘家湖区。

表9-35 2030年奎屯河流域水资源优化结果表（单位：104 m3）

地下水开采比例在细土平原区地下水埋深1～5 m区，农业开采地下水比例在25%～41%；在水位埋深5～10 m区农业开采地下水比例在20%～30%，农业开采地下水比例增加。在山前倾斜砾质平原水位埋深大于50 m区，农业未开采地下水。

各水平年优化结果中生活、生产、生态用水比例，详见表9-36。由表中可以看出，生活用水比例不断增加，由现状的2%，增加到2030年的6%；生产用水比例不断减少，由现状的82%，减少到2030年的50%，而其中的农业用水比例减少，工业用水比例增加；生态用水比例由现状的16%，增加到44%。由现状无地表径流进入甘家湖区，到2030年有3.5×108 m3地表径流进入甘家湖区，将逐渐改善该区及艾比湖的生态环境现状。

表9-36 奎屯河流域不同水平年各用水部门用水比例优化结果表

5.流域内不同水平年地表水与地下水利用量优化结果

2003年地下水用水量占总用水量的27%，地表水占73%；2010年地下水用水量占总用水量的32%，地表水占68%；2020年地下水用水量占总用水量的23%，地表水占67%；2030年地下水用水量占总用水量的32%，地表水占68%，见表9-37。这表明流域内以引用地表水为主，开采地下水为辅；各规划水平年地下水用水比例保持在32%左右，对现状灌区盐渍化有明显的改善。

表9-37 奎屯河流域不同水平年用水优化结果中地表水、地下水用水量表

总之，优化结果基本体现了生态保护与国民经济发展，人民生活水平提高与节约水资源相协调的原则。