湟水河谷多水源空间均衡配置研究

王 煜，刘柏君，贺丽媛，李福生，赵 焱

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州 450003）

0 背 景

多水源空间均衡配置是近年来水资源管理领域中的难点与热点问题，是一个综合了运筹学、战略管理、信息技术以及各种专门知识的交叉学科，是针对水资源开发利用决策与生态调控保护的重要研究［1，2］。随着国家调水工程的规划与实施，如何均衡配置流域外调水、当地地表水和地下水、非常规水，已成为国内外研究热点。例如，Wang等［3］研究了气候变化与人类活动影响下的城市供水问题，提出了基于两阶段随机规划的多水源供水配置，并将其利用到乌鲁木齐地区，并对配置结果进行风险分析。Davijania 等［4］分别采取粒子群算法和遗传算法，对伊朗干旱地区农业和农业用水水资源配置方案进行了优化，在考虑当地水价、供水设施、供水成本及效益等因素的条件下，实现了区域农业和工业用水的社会经济效益最大化。王偲等［5］在充分考虑地表水、地下水、外调水、雨水等不同水源开发利用潜力的基础上，构建了基于“三条红线”控制指标的多水源联合调控模型。张静等［6］综合考虑城市供水调度系统中存在的不确定性与复杂性，利用随机规划算法，构建了多水源联合供水调度优化模型，模拟出地表水源、地下水源、外来水源的多水源联合供水过程。章燕喃［7］等在考虑南水北调入京的情况下，以充分保证供水和弃水量最小为调度目标，研究了北京市多水源调度过程，为水厂水资源配置提供技术参考。朱彩琳等［8］基于水资源-社会经济-生态环境三大子系统之间的协调关系，构建了面向空间均衡的水资源优化配置模型，计算得到盐城市2020年75%保证率下的水资源配置结果。左其亭、郦建强等［9，10］在总结了国内外有关“空间均衡”的研究与实践的基础上，从理论、方法和应用3 个方面对水资源空间均衡展开了说明与研究。目前，关于多水源均衡配置主要是针对城市供水、空间均衡概念和理论等方面开展，水资源配置从水量分配逐渐发展到协调考虑经济、社会各方面需求的均衡调控，随着调水工程的建设和山水林天湖草的优化布局，关于流域大范围内的多水源均衡配置研究也愈发多样化，重点在于配置目标优化选择和流域大系统多水源空间配置模型构建。以往研究多局限于某个侧面或某个环节而基于流域范围内供水多目标、用水多水源的流域水资源空间均衡配置研究较少。

因此，本文以青海省湟水河谷为研究对象，通过分析湟水河谷社会经济发展、生态保护等目标要求，构建包含经济社会缺水量最小、多水源调水生态效益最大、调水经济效益最大的多目标水资源配置均衡模型，综合提出湟水河谷引黄-引大-湟水等多水源空间配置方案，以期为水资源空间均衡配置理论发展、大型引调水工程论证、流域多水源均衡配置、区域节水与生态保护提供技术支撑。

1 研究区概况

湟水属黄河上游一级支流，由干流及其支流大通河组成，流经青海、甘肃两省，流域面积为32 863 km2，其中青海省29 060 km2。湟水干流发源于青海省海晏县大坂山南麓，自西向东流经青海省的海晏、湟源、湟中、西宁、大通、平安、互助、乐都、民和等县（市）和甘肃省兰州市红古区、永靖县，于永靖县上车村入黄，干流全长374 km，天然落差2 635 m，平均比降为7.05%，流域面积177 33 km2，其中青海省16 120 km2。湟水干流两岸支沟发育，水系呈树枝状分布，北岸主要有哈利涧河、西纳川、云谷川、北川河、沙塘川、哈拉直沟、红崖子沟和引胜沟等，南岸主要有药水河、南川河、小南川、岗子沟、巴州沟和隆治沟等（如图1所示）。

引黄济宁工程是青海省规划的东部地区战略性水资源配置工程，涉及范围包括湟源、湟中、西宁、大通、平安、互助、乐都、民和等县（区）湟水干流部分，总面积13 958 km2，占青海省湟水干流面积的87%，工程具有覆盖范围大、供水能力强、保障程度高、服务期长远等特点。工程开发目标一是为西宁-海东城市群供水，打造西宁-海东湟水河谷城市群和产业带；二是为湟水河谷山水林田湖草生态带供水，构建城市群两岸绿色长廊；三是实施河湖水系连通，置换被挤占生态用水，打造湟水生态河、惠民河。

2 多水源空间均衡配置模型研究

2.1 多水源空间均衡配置思路

湟水河谷属于缺水地区，经济、社会、生态和环境等多类用水协调十分困难。流域水资源配置时空跨度大，涉及地表水、地下水、非常规水源和跨区域调水等多种水源，包括湟水河谷、大通河流域、黄河干流3个水资源复杂系统；生活、工业、农业与生态等多类用户，众多水利水电工程，涉及不同地区和不同部门等利益相关的多决策群，涉及不同的利用方案和管理方式对区域经济、社会、生态环境等方面影响，并且涉及黄河干流、大通河的供水与生态保护等内容，是复杂的多目标问题。

空间均衡是根据流域或区域经济社会和生态环境用水需求的时空特征与水源条件的时空特征，考虑河湖连通等工程措施，综合分析技术、经济、环境、生态等方面因素，进行多水源空间优化配置，实现对流域或区域经济社会和生态环境在空间上的均衡供水保障［12-13］。对于严重缺水的湟水河谷来说，首先在强化节水的前提下，研究可能的外流域调水方案（引大济湟和引黄济宁）以实现水系河网连通，合理确定调入水量；在确定调水总量后，需要根据各调水方案（引大济湟和引黄济宁）时空特征，研究各调水方案对需水的满足程度以及调水影响，优化确定各调水方案的调水量；综合考虑引大济湟和引黄济宁的调入水量和湟水流域本地水，进行湟水河谷多源优化配置。由此，湟水河谷多水源空间均衡的总体思路：优化分析需外调水总量—优化确定调水工程调水规模—优化配置流域多水源，即将多水源-多流域-多需水的水资源配置问题分解为三个层次的优化问题：

第一层次：以流域（区域）经济社会缺水量最小为目标，挖掘水资源节约集约利用潜力，以当地地表水、地下水、中水等水源可利用量为约束控制，优化确定流域（区域）需外调水量。

第二层次：以调出区影响最小为目标，包括调水工程生态效益影响最小与调水工程影响发电减少最小，提出各调水工程的可调水量，优化确定各调水工程的调水规模。

第三层次：以水资源配置的经济性和节水性最大为目标，考虑从当地水与调入水量，优化提出各空间分区和部门的水资源配置方案。

2.2 多水源空间均衡配置网络概化

湟水河谷可利用水源包括当地水、大通河调水、黄河干流调水，涉及湟水河谷、大通河流域、黄河干流3个水资源系统，涉及到地表水、地下水、非常规水源和跨流域调水等多种水源，生活、工业、农业与生态等多类用户。通过对湟水河谷水资源配置系统各要素分析［14，15］，湟水河谷多水源空间均衡配置概化系统如图2所示。

2.3 湟水河谷多水源空间均衡模型构建

2.3.1 湟水河谷跨流域调水总量优选模型

第一层次优化模型选择湟水河谷经济社会缺水率最小作为湟水河谷跨流域调水总量优选模型目标函数：

式中：Obj1为第一层次目标函数；W-Needjkt为湟水河谷j分区k部门t时段的需水量；Res-Supijkt为i水源对湟水河谷j分区k部门t时段的供水量；αjk为湟水河谷j分区k部门相对于其他用水部门优先满足用水的重要程度系数。工程供水能力约束、河道节点取水量不超过节点来水量约束、水源供水量不超过取水许可指标的约束、水库调度过程中各时段库容在库容限制内的约束、水库泄流能力约束、河道生态基流满足约束、可供水量非负约束［16］。

第一层次优化模型采用协同遗传算法对本层模型进行求解计算，得到当地水源与外调水供水量。

2.3.2 湟水河谷多调水工程调水量优选模型

基于湟水河谷跨流域调水总量优化结果，以调水对调出区生态（大通河流域）与发电（黄河干流梯级电站）影响效益最小为目标，优化确定引黄济宁工程与引大济湟工程的调水规模。采用为维持河道生态流量用水而放弃的工农业生产生活所损失的机会成本来量化调水引起的生态效益损失。需要注意的是，湟水河谷多调水工程调水量优选模型计算结果应不大于湟水河谷跨流域调水总量优选模型计算结果。

选择调水对调出区影响最小作为湟水河谷多调水工程调水量优选模型目标函数：

其中，Loss1表示调水对大通河流域生态影响效益最小，即：

式中：Obj2为第二层次目标函数；EcoRes-Coejk为大通河流域生态用水效益相对于大通河流域j分区k用水部门用水效益的相对重要系数；DSup-BEjk为大通河流域j分区k用水部门用水经济效益；Dout-Voljk为引大济湟调水相对于大通河流域第j分区第k用水部门的供水损失量；DOut-J为引大济湟调水影响大通河用水的分区总数；DOut-K为引大济湟调水影响大通河用水各分区用水部门总数；Currenjk为j分区k部门用水效益的货币转换系数。

Loss2 表示调水对黄河干流梯级电站发电效益影响最小，即：

式中：Nm，t为黄河干流梯级电站发电平均出力；Δt为计算时段长度；YE_T为黄河干流长系列调度时段总长；YE_M为黄河干流梯级水库电站总个数；Currenn为发电量的货币转换系数。

该层优化模型约束条件包含：模型计算调水工程调水量小于等于跨流域调水优化总量值、大通河可调水量约束、取退水与汇水节点的水量平衡约束、工程对某用水户可供水量小于等于该用水户需水量约束、工程供水量不大于工程供水能力约束、河道节点取水量不超过节点来水量约束、水源供水量不超过取水许可指标的约束、水库调度过程中各时段库容在库容限制内的约束、水库泄流能力约束、河道生态基流满足约束、可供水量非负约束。

对第一层模型求解得到的外调水总量采用枚举法得到多个引大济湟和引黄济宁调水量的组合方案，将各方案代入本层次模型中，采用协同遗传算法对两目标函数和进行优化求解，计算得到各方案（Loss1+Loss2）值；找到（Loss1+Loss2）最小值对应的调水量组合方案，即为引大济湟与引黄济宁最优调水量方案。

2.3.3 湟水河谷多水源优化配置模型

在获得调水工程的优化调水规模后，以引黄济宁、引大济湟工程调水在受水区水量分配效益的经济值最大为目标，采用当地水资源→引大济湟调水→引黄济宁工程调水水资源利用优先序，优化提出受水区各空间分区和部门的水资源均衡配置方案。

选择各工程调水量在受水区取得的净效益最大作为湟水河谷水资源优化配置模型目标函数：

其中：

式中：Obj3为第三层次目标函数；HS_J为湟水河谷计算分区总数；HS_K为湟水河谷用水部门总数；HS_I为湟水河谷供水水源总数；Sup-BEijk为i水源向湟水河谷j分区k用水部门供水的效益；Sup-Costijk为i水源向湟水河谷j分区k用水部门供水的费用；Res-Supijkt为i水源对湟水河谷j分区k部门t时段的供水量；Currenjk为j分区k部门用水效益的货币转换系数。

该层优化模型约束条件包含：取退水与汇水节点的水量平衡约束、工程对某用水户可供水量小于等于该用水户需水量约束、工程供水量不大于工程供水能力约束、河道节点取水量不超过节点来水量约束、水源供水量不超过取水许可指标的约束、水库调度过程中各时段库容在库容限制内的约束、水库泄流能力约束、河道生态基流满足约束、可供水量非负约束。

本层模型采用协同遗传算法计算引黄济宁工程不同优化调水规模［17］，采用加权和模糊综合评价耦合法，从经济性与节水性两方面得到引黄济宁工程最优水量分配模式的经济性与节水性总评评估得分，通过得分优劣获得引黄济宁工程最优调水规模。其中，模型涉及到的水库调度问题依据水库供水过程均匀原则，基于大系统聚合分解理论，采用两时段滑动寻优算法求解水库调度模型［18］。

湟水河谷多水源空间均衡模型按照“湟水河谷规划水平年所需外调水总量优化→引大济湟与引黄济宁工程合理调水规模优化→引大济湟与引黄济宁工程调水量优化分配”的多目标分层进行协同优化求解（详见图3），即先对目标1 进行优化求解，随后，目标2 在目标1 求解的基础上再次进行优化求解，最后以目标1 和目标2 结果为约束，优化求解目标3，从而获得所需的优化结果。

3 结果与分析

3.1 多水源空间均衡配置方案

3.1.1 湟水河谷跨流域调水总量优选模型求解

优化计算结果显示，2030年湟水河谷总需水量17.25 亿m3，2040年各需水方案下湟水河谷总需水分别为22.9、21.23、20.69、19.33 亿m3。

该模型求解过程中通过对湟水河谷当地地表水、地下水、中水进行配置，根据缺水量及分布，分析引大济湟与引黄济宁工程的调水总量。模型通过对当地水源的配置，受水区2030年缺水为7.06 亿m3，通过分析需要外调水净水量为7.06 亿m3。

2040年缺水分别为12.66、11.15、10.63、9.4 亿m3，通过分析需要外调水净水量分别为12.66、11.15、10.63、9.4 亿m3。

同时，根据《引大济湟工程环境影响评价》成果，引大济湟工程2030年调水量确定为2.56 亿m3（河道外净配置水量2.18亿m3），因此，通过湟水河谷跨流域调水总量优选模型计算得到2030年引黄济宁工程净调水量为4.63 亿m3。

3.1.2 湟水河谷多调水工程调水量优选模型求解

湟水河谷多调水工程调水量优选模型考虑引大济湟调水对大通河生态效益影响最小、龙羊峡调水对黄河干流梯级发电量减少的影响最小两个目标。大通河生态效益计算采用机会成本法，采用为维持河道生态流量用水而放弃的工农业生产生活用水所损失的机会成本，来计算引大济湟调水所影响的生态用水效益，根据对湟水河谷工业生活效益、灌溉效益的分析，工业生活单方水效益采用13.6 元/m3，农田单方水综合灌溉效益为3.3 元/m3，河道生态补水单方水效益8.45 元/m3。黄河干流梯级发电减少量采用黄河水资源配置模型按照黄河水量调度相关要求计算。

通过枚举法得到的湟水河谷多调水工程调水量优选模型优化结果显示，2040年各需水方案下引大济湟净调水量分别为3.87、3.68、3.57、3.37 亿m3，引黄济宁净调水量分别为8.79、7.47、7.06、6.03 亿m3。

3.1.3 湟水河谷多水源优化配置模型求解

湟水河谷多水源优化配置模型通过经济性最大目标的优化得到各需水方案下引大济湟与引黄济宁工程调水量的优化配置结果，进而通过分析引黄济宁工程的经济性、受水区的节水性得到引黄济宁工程经济性、节水性最优的调水规模。

引黄济宁工程不同调水规模经济评价结果显示（详见表1），随着调水规模增大，引水隧洞洞径由5.3 m、5.5 m 逐渐增大到5.6 m、5.9 m，工程总投资由322.47 亿元、332.06 亿元逐渐增加到337.15 亿元、348.25 亿元；各方案经济内部收益率由7.97%、8.81%增加到9.06%、9.8%，当调水规模小于7 亿m3时，经济内部收益率低于8%，经济性相对较差；从经济比较结果看，调水规模越大，经济指标越好。

表1 引黄济宁调水规模经济指标分析Tab.1 Economic index analysis of different water diversion scales

以湟水河谷需水规模合理性、工程规模经济性、环境因素以及为今后发展适当留有余地作为评价指标，通过加权和模糊综合评价耦合法得到引黄济宁工程调水规模为7.9 亿m3，其中2030年调水规模5.11 亿m3。

模型优化配置结果显示，2030年引大济湟供水规模为2.56亿m3，湟水河谷配置河道外供水量17.0亿m3，按水源分，当地地表水5.74 亿m3，黑泉水库供水2.18 亿m3，引大济湟工程净供水2.18 亿m3，引黄济宁工程供水4.63 亿m3，配置地下水1.58 亿m3，其他水源0.68 亿m3。按用水部门分，生活供水3.35 亿m3，工业供水3.89 亿m3，农业供水8.89 亿m3，生态供水0.86 亿m3。

2040年，按高水高用原则，引大济湟工程调水量按满足湟水北岸用水需求考虑，包括农业灌溉、城镇生活和工业发展、生态环境用水，以及置换北岸支沟被挤占的生态用水。根据供需平衡分析，2040年引大济湟毛调水量4.18 亿m3，与最大可调水量4.52 亿m3相比余留0.34 亿m3，作为湟水北岸未来经济社会发展用水需求增长之用。

2040年湟水河谷配置河道外供水量20.69 亿m3，按水源分，当地地表水5.58 亿m3，黑泉水库供水2.18 亿m3，引大济湟调水3.57 亿m3，引黄济宁供水7.06 亿m3，地下水1.33 亿m3，其他水源0.97 亿m3。按用水部门分，生活用水4.6 亿m3，工业用水5.62 亿m3，农业用水9.5 亿m3，生态用水0.97 亿m3。湟水河谷2030与2040年多水源空间均衡配置结果详见表2。

表2 湟水河谷2030与2040年多水源空间均衡配置结果 万m³Tab.2 Multiple water resources spatial equilibrium allocation plans in 2030 and 2040

3.2 湟水河谷多水源空间均衡配置方案分析

采用支付意愿法、分摊系数法等方法分析引黄济宁工程调水的经济效益：①工业生活2030年、2040年供水效益分别为299 269、392 389 万元；②农田灌溉效益为37 030 万元，工程调水将根本解决湟水南岸浅山干旱区灌溉水源，还为发展高原特色农业、设施农业等农民致富产业创造先决条件；③引黄济宁工程灌溉林地面积为4.3 万hm2，其中经济林0.67 万hm2，生态林3.67 万hm2，工程灌溉效益为12 495 元/hm2，灌溉年总增产效益为45 837 万元；④工程置换挤占的湟水南岸河道内生态水量主要用于补充农业用水挤占的河道生态水量，其供水效益采用农业单方水效益计算，约为3.55 元/m³，年生态补水效益为24 684 万元。综上可知，本文构建的湟水河谷多水源空间均衡模型可行，获得的水资源优化配置方案经济且合理。

4 结论和展望

针对湟水河谷具有的经济-社会-生态-环境-水资源复合系统均衡发展需求，本文通过构建湟水河谷多水源空间均衡模型，采用分层优化求解思路，分别构造了湟水河谷跨流域调水总量优选模型、湟水河谷多调水工程调水量优选模型与湟水河谷多水源优化配置模型，得到了2030年和2040年湟水河谷多水源空间均衡配置方案，为湟水河谷本地水、引大济湟调水、引黄济宁调水等三个水源的空间配置与优化组合以及引黄济宁工程经济合理调水规模等问题的解决提供了理论支持与模型支撑。研究成果丰富了流域水资源空间均配配置理论，也为流域生态保护、节水、保障水安全等技术进步方面提供良好的推动作用。

然而，考虑到调水工程规模大、调水线路长、影响范围广，其运行管理涉及部门多、利益关系复杂，调水工程安全运行与优化调度是未来需要关注的重点问题。因此，未来研究可从以下方面开展：①面向生态的湟水流域水库群调度研究。在考虑外调水和本地水的联合运用下，如何通过湟水流域水库群调度增加河川流态多样性，增加物种生境多样性，增加水生态系统多样性值得进行深入研究。②多主体博弈下的协调补偿机制研究。研究可以考虑从多方博弈关系出发，分析有效的管理协调机制，从而探究更为优化的补偿机制，最终实现相应法律法规的优化。③工程运行动态水价研究。可以考虑利用协同学理论，研究工程良性运行、地方承受力、水价、生态保证程度四者间的协同关系，从而找到四者间的均衡点，以均衡点为控制指标，以期实现水价的动态调控。□