讨赖河流域水资源演变及其合理配置研究

【摘要】： 气候变化和强烈的山区-绿洲-荒漠地域分异使干旱内陆河流域水文循环呈现极大的复杂性,地表-地下水交替转化频繁,人类活动影响强度日趋加重,而许多涉及水资源演变与时空分布异质性的科学认知还比较薄弱,一定程度上制约了干旱区有限水资源的合理配置和高效利用,干旱区水文学在理论研究和实践应用方面均面临着很大挑战,研究干旱区流域尺度气候变化下的水资源问题,对于理解水资源演化过程,缓解区域水资源危机,促进环境社会经济又好又快发展有十分重要的意义。 以讨赖河流域为研究靶区,通过地理学、水文水资源学和信息科学的交叉融合,首先在Mann-Kendall非参数检验法对讨赖河流域水文气候进行序列分析的基础上,采用分布式流域模型就气温降水等关键因子对出山径流的影响机制进行了拟合；其次以GIS技术与地下水FeFlow模拟相结合,对讨赖河流域地下水系统动态及其演变进行了模拟计算,通过高分辨率参数化在灌区尺度实现了地表-地下水交替的量化研究,界定了地下水开采风险的空间差异特征；最后通过水资源开发利用问题甄别,以流域农业水价核算为基础,建立了流域尺度的二元结构水资源配置模型,主要得到以下几个方面研究成果。 1.20世纪50年代中期以来,讨赖河流域气温呈总体上升趋势,山区与平原之间存在阶段性差异；降水在大多数时间增减趋势不明显,持续增加或减少的情形并不多见；气候因子周期性变化在山区和平原区之间也存在差异,总体上气温变化的11年和5年周期比较明显,与气温相比,降水呈现出更为复杂的周期多变性。气温升高使流域春、冬两季的径流量增加,夏、秋两季径流量减少,总体上呈现负效应；降水增加使流域径流量增加效应显著；在气温和降水均发生变化的情形下,降水对径流量的正效应和气温的负效应发生抵消,径流年内变幅趋于收敛。降水气温径流拟合结果表明在降水分别增加10%、20%和30%的情形下,讨赖河流域年径流总量相应增加13%、43%和1倍,而降水增加10%,气温分别升高0.5、1.5和2.5℃的情形下,年径流总量相应增加了6.70%、6.61%和5.80%。 2.基于有限元的Feflow模型在相对独立的水文地质单元-酒泉盆地得到应用,通过区域水文地质剖面和岩性柱状图进行Feflow三维立体划分,各源汇相过程采用经验或物理模式确定,代表性观测井实测数据和模拟水位对比显示出较好的趋势拟合度,模型水位与观测水位的绝对误差在0.5m以内的观测井位占到60%,误差在0.5—2m之内的观测井占总井数的20%,表明Feflow模型可以用于讨赖河流域中游地下水系统动态模拟。基于地下水系统动态模拟数据集进行再分析,得到酒泉肃州区灌区地下水动态过程空间分布,是地下水模拟由区域至灌区尺度的有效尝试,较好地揭示了区域地下水在灌区之间的空间数量构成。 3. FeFlow模拟结果表明,地下水系统源、汇项构成和水平交替对灌区水资源利用共同发生作用。在水资源用量大、用水矛盾突出的北部细土平原区,以清、临灌区源汇均衡方面为-1.4×108m3,但接受嘉北、讨南、讨北及洪水片区的水平交替补给总量为2.9x108m3,再考虑鸳鸯峡潜流排泄重复量和泉水引用的影响,总体补排盈亏为正值1.5×108m3,该结果可为区域地下水资源的合理利用和优化配置提供数据支撑。变差系数从一个侧面反映了地下水位变动的剧烈程度,间接反映着农灌开采量的强度变异,即CV值越大,开采地下水的风险越大,基于长观井多年平均埋深数据和埋深序列变差系数分别插值形成了区域面域专题图,进而划分出地下水开采风险示意图,对讨赖河中游不同区域地下水合理利用提出科学建议,有助于内陆河流域中下游荒漠生态系统的维持。 4.在水资源供求平衡计算基础上,通过实行合理的水价确定方式,制定了最优水价浮动范围,能达到优化配置水资源的目的。以资源水价、工程水价、环境水价、利润、税金和代际不均衡转移费为农业水价的基本构成,通过影子价格法和边际机会成本法综合计算,表明现状2005年地表水农业水价为0.13元/m3,地下水农业水价为0.15元/m3；预测水平年2015年地表水农业水价为0.16元/m3,地下水农业水价为0.18元/m3。 5.在水资源配置原则、方法和任务相关的概念体系理解分析的基础上,根据讨赖河流域水资源分布特征探讨水资源合理配置机制,采用一个二元结构流域水资源配置模型,以水量平衡方程为依据,以提高流域水资源有效利用率为目标,以流域内各用水单元“不满意程度最小”为衡量指标,优化得出流域水资源配置最佳方案。结果表明,2015年优化方案中总供水量为12.58×108m3,总需水量为12.62×108m3,该方案使生产需水量减少到10.37x108m3左右,能够从一定程度缓解流域水资源供需矛盾,实现社会经济、居民生活以及生态环保的协调发展,保证流域的生态供水。