國家自然基金“黑河流域重大研究計劃”重點支持項目（91325201）

成果介紹

本項目以國家自然基金黑河重大計劃“黑河生態水文過程”諸多研究成果為基礎，開展基于水庫群多目標調度的黑河流域復雜水資源系統配置研究，為黑河流域水資源綜合管理提供科技支持。項目依據不同水平年的生態保護和社會經濟發展需求，創建了由水資源供需平衡模擬模型與水庫調度模型、地下水均衡模型等耦合形成的黑河流域水資源合理配置模型，應用于黑河流域地表水與地下水頻繁轉化復雜水資源系統。通過對黑河“97”分水方案適應性評價和化研究的基礎上，在不同豐枯條件省際分水目標約束下，提出黑河流域經濟社會和生態協調發展的水資源調控措施，合理調配黑河中游地區各縣（區）的用水量，提出縣級分水的地表水與地下水總量控制指標和各灌區的配水過程；合理配置下游水量，給出關鍵控制斷面與各生態恢復保護區的地表水分水指標和配水過程，為國家已經確定的流域生態目標和經濟目標的全面實現提供技術支撐。

本項目研究內容主要有：（1）通過黑河水資源調配指標體系研究，提出黑河流域經濟社會需水指標體系、水資源總量控制指標體系及黑河下游生態恢復指標體系，為水資源管調度和合理配置提供基礎；（2）黑河上游梯級水庫群多目標調度方式研究；（3）流域尺度的多水源、多用戶、多工程的水資源配置模型及配置方案研究；（4）“97”分水方案的技術特點研究，不同來水組合條件下分水方案實現可能性論證， “97”分水方案進一步完善和優化研究。

項目自2013年年底啟動以來，項目組先后在黑河流域進行了6次野外考察調研，收集了近10年黑河中游甘臨高及下游的社會經濟、水利工程等基礎數據，黑河流域2011年水利普查數據（工程、灌溉面積、各行業用水等），張掖市和額濟納2001～2015年的水利管理年報，以及黑河東部水系主要水文站日徑流數據，并在黑河下游進行了樣方調查。所獲取數據為項目順利完成提供了堅實的數據基礎。項目在進行過程中，先后進行了6次年度和年內咨詢。

通過4年的研究，完成了項目所有的研究內容，按數據匯交計劃完成了所有的數據的提交，發表論文22篇,其中SCI論文10篇（1篇已錄用待刊），專著1部（已與科學出版社簽訂出版合同）。

一、取得的主要成果

本項目針對黑河水資源管理的重大需求，以水庫群調度和水資源配置為主線，集成并耦合經濟社會生態需水模型、地下水均衡模型、中游閉口模型等，建立流域水資源調配評價指標體系，優選出科學合理的流域水資源配置方案，分析評價了“97”分水方案的適應性，完善了“97”分水方案，提出了基于黑河流域經濟社會與生態環境可持續發展的水資源調控措施，為黑河流域水資源管理提供技術支撐。主要研究成果如下：

（1）預測了不同水平年黑河流域經濟社會和生態需水。

基于用水零增長的理念，以“三條紅線”為約束，建立了基于經濟社會發展預測的黑河中下游經濟社會需水模型，對現狀年和不同水平年經濟社會和生態需水進行了預。研究結果表明，通過產業結構調整和節水型社會的建設，黑河中游需水總量由現狀年的13.7億m3減少到2030水平年的11.2億m3；同時農田灌溉需水比重由現狀水平的58%減小到2030水平年的49%左右；而生態需水比重則有現狀水平的25%增加到2030年水平的39%，中游各部門的需水結構趨于合理，實現中游需水的零增長或負增長。

（2）分析了“97”分水方案實施前后水資源在中下游分配格局的變化及實施效果。

分水方案實施后水資源配置更合理，在優先滿足流域生活用水的同時，合理安排了中下游地區的生產和生態用水。正義峽和狼心山兩斷面年均下泄水量較20世紀90年代分別增加了2.41億和1.88億m³，下游東居延海連續13年不干涸，最大水面面積達到42.8km²。中游生態整體改善；下游額濟納綠洲生態惡化趨勢得到初步遏制，綠洲面積由4825 km²增加到4920 km²。水資源支撐了流域經濟社會生態環境的持續發展，匹配度總體較好。

（3）分析評價了“97”分水方案的適應性。

分水方案實施前后黑河中游背景條件發生了較大變化，黑河中游經濟社會變化對水資源的需求不斷增加，區間支流已基本與黑河干流失去地表水聯系，支流來水情勢變化已與分水曲線當初考慮不適應。背景條件的變化嚴重影響了分水方案的實施，調度16年來已累計欠下游水量24億m³?；谏鲜兰o80年代中期黑河經濟社會和水文條件的97分水方案與黑河現狀存在一定不適應性。

（4）提出了“97”分水方案優化方案。

在統籌考慮黑河中下游經濟社會和生態環境協調發展的基礎上，完善了“97”分水方案，即中游退耕至2000年水平，在鶯落峽來水大于19億m³時，超過19億m³的水量按照中游分配40%、下游分配60%。同時，為了保持鶯落峽多年平均來水15.8億m³，正義峽下泄9.5億m³，鶯落峽來水小于12.9億m³時，小于12.9億m³的水量按照中游分配60%、下游分配40%。

（5）構建了基于經濟社會目標和生態目標的黑河流域水資源配置模型。

構建了包括水庫群調度模型、地下水均衡模型、閉口優化模型和中下游水資源配置的黑河復雜水資源系統調配模型，采用了并行粒子群算法，對模型進行求解計算。提出了基本宏觀和微觀目標的水資源調配調配目標，實現流域生態環境保護和社會經濟發展兩大系統之間以及兩大系統內部用水的協調關系，完成不同水平年中游和下游用水的時程分配，以及中游地區和下游地區內部各用水戶之間具體分配，以流域水資源的可持續利用支撐和實現流域社會經濟的可持續發展，實現社會經濟效益和生態環境效益的最大化。

（6）構建了水資源調配方案集和綜合評價方法，優選出了不同水平年水資源合理配置方案。

根據流域發展可持續性、經濟技術可行性等原則和《黑河流域近期治理規劃》、《黑河流域水資源綜合規劃》等依據，從不同水平年水資源調配供水側和需水側的發展狀態出發，建立了黑河流域水資源調配方案集，構建了黑河流域水資源調配方案評價指標體系，采用5種綜合評價指標和均衡優化度對黑河流域不同水資源調配方案進行評價和優選。通過對現狀年、2020水平年和2030水平年不同配置方案的評價，選出不同水平年水資源調配優選方案?，F狀年為方案2，該方案下耕地退耕至2000年水平，分水方案采用“97”分水方案優化方案3；2020水平年優選方案為方案12，該方案下耕地退耕至2000年水平，分水方案采用“97”分水方案，節水強度中等，有黃藏寺水庫；2030水平年優選方案為方案12，該方案下耕地退耕至2000年水平，分水方案采用“97”分水方案，節水強度中等，有黃藏寺水庫。

（7）提出了基于流域經濟社會生態協調發展的水資源調控措施。

根據優選的水資源調配方案，分析提出了有無黃藏寺水庫中游地表水和地下水運用策略、中游閉口策略、狼心山以下水資源配置策略，并對不同來水年有黃藏寺水庫運用方式和大流量集中泄水方案進行了研究，研究成果可為黑河水資源管理提供技術支撐。

（二）取得的主要創新成果

（1）構建了黑河流域“模擬—調度配置－評價－措施”為基本環節的流域水資源調配體系，為流域水資源調配研究提供較為完整的研究框架。流域水資源形成和演化依存于水循環，流域水循環過程模擬是水資源調配的科學基礎。在水循環模擬的支持下，構建了從上游梯級水庫群調度、中下游水資源配置的一體化多目標模型，采用了基于流域經濟社會和生態環境協調發展的水資源綜合評價方法，對水資源配置方案進行了評價，基于優選配置方案，提出了經濟社會生態環境協調發展的水資源調控措施，形成了水資源調配研究完成的框架體系，可為其它西北內陸河研究提供范例。

（2）分析評價了黑河“97”分水方案的適應性，提出了“97”分水方案的優化方案?！?7”分水方案是黑河水資源管理的基礎和依據，對提高用水效率、促進區域水資源配置趨于合理高效方面有著不可替代的作用。根據“97”分水方案實施以來存在的問題，本研究首次對“97”方案的適應性進行了詳盡的研究，得出“97”方案存在一定不適應性的結論，并根據黑河經濟社會和生態發展的特點，通過多種方案模擬，提出了“97”分水方案優化方案，該成果為“97”分水方案完善和黑河水資源管理提供技術支撐。

（3）在水資源調配方案評價的基礎上，提出了現狀年和未來不同水平年黑河經濟社會生態協調發展的水資源調控策略。

黑河流域處于不斷的變化之中，上游水庫的建設、中游經濟社會的發展及下游生態用水的需求，都對黑河水資源管理提出重要挑戰。本項目基于黑河經濟社會和生態的協調發展，提出了不同水平年中游閉口策略、地表水和地下水聯合運用策略、下游水資源配置策略、主要斷面水量總量控制方案，以及黃藏寺水庫運行方式和集中下泄方案，為黑河水資源管理提供重要支撐。

黑河水資源調配模型框架體系

黑河水資源調配網絡圖

中游地下水均衡模塊

干流水文情勢變化