 Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2013, 2, 255-259 http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2013.24036 Published Online August 2013 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html) The Water Resources Rational Allocation and High-Efficiency Use Technology in Southern Junggar Basin* Guang Yang1, Xinlin He1, Zhenhua Wang1, Jia Zhang2, Kai He2 1Key Laboratory of Modern Water-Saving, College of Water Conservancy and Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi 2Irrigation of the Xinjiang Production and Construction Corps, Shihezi Email: mikeyork@163.com Received: May 2nd, 2013; revised: May 16th, 2013; accepted: May 28th, 2013 Abstract: Based on the total water resources and trend analysis of the Southern Junggar Basin, we evaluated the water supply and demand balance and its development potential. Through th e regional natural vegetation conservation and artificial vegetation planting moisture regulation technology, unconventional water re- sources high-efficiency technology and regional water resources optimal allocation technology, we put for- ward the water resources rational allocation and high-efficiency use technology ideas and frameworks in southern Junggar Basin, whic h provides scientific basis for the realization of t he balance between exploitation of water resources with local economic development and the ecological environmental protection. Keywords: Moisture Regulation; Unconvention a l Water; Optimal Allocation; The Southern Edge of Junggar Basin 准噶尔盆地南缘水资源合理配置及高效利用技术研究* 杨 广1，何新林 1，王振华 1，张 佳2，何 恺2 1石河子大学水利建筑工程学院现代节水灌溉兵团重点实验室，石河子 2新疆生产建设兵团第八师水利局，石河子 Email: mikeyork@163.com 收稿日期：2013 年5月2日；修回日期：2013 年5月16 日；录用日期：2013 年5月28 日 摘 要：本文分析了准噶尔盆地南缘水资源供需平衡及开发潜力，通过区域自然植被保育和人工植被 建植水分调控技术、非常规水资源高效利用技术、区域水资源优化配置技术研究，提出了准噶尔盆地 南缘水资源合理配置及高效利用技术体系，为实现水资源开发利用与当地经济发展、生态环境保护之 间的平衡协调发展提供了科学依据。 关键词：水分调控；非常规水；优化配置；准噶尔盆地南缘 1. 引言 准噶尔盆地南缘是天山北坡与古尔班通古特沙漠 交界的东西狭长地带，包括以乌鲁木齐市为核心的天 山北坡经济带，是新疆现代农业、工业、文化、科教 的中心，是新疆社会经济发展最快的区域，其政治、 经济和文化地位极其重要。同时，区域也是新疆水资 源开发利用最充分、供需矛盾最突出的地区之一。由 于水资源的不合理开发利用，导致绿洲盐渍化面积日 *基金项目：国家自然科学基金项目(U1203282)(51269026)；973 计 划前期研究专项(2011CB411905)；兵团国际合作项目(2012BC004)； 石河子大学杰出青年项目(2012ZRKXJQ08)。 作者简介：杨广(1983-)，男，汉族，讲师，主要从事农业水资源高 效利用方向的研究工作。 Copyright © 2013 Hanspub 255  杨广，等：准噶尔盆地南缘水资源合理配置及高效利用技术研究 第2卷 · 第4期 益增加，河道断流，沙漠入侵，自然植被退化等生态 环境问题日趋严重，对区域经济发展、人民生活、政 治安定构成直接威胁，因此对区域有限水资源进行优 化配置和高效利用技术研究迫在眉睫。基于此，课题 组承担了国家“十一五”科技支撑计划项目《准噶尔 盆地南缘荒漠化生态系统恢复与重建技术研究与示 范》(2007BAC17B00)，围绕准噶尔盆地南缘荒漠化生 态系统恢复与重建“整体改善、局部优良”的总体目 标，研究准噶尔盆地南缘自然植被和绿洲防护林的生 态需水量，探索区域自然植被保育和人工植被建植水 分调控的方法；研究利用非常规水资源生态恢复与重 建的高效利用技术，建立非常规水资源安全性评价指 标体系；确定天然水循环通量和人工水循环通量的基 本比例；对区域水资源进行合理配置，研发准噶尔盆 地南缘水资源合理配置及高效利用技术，以实现水资 源开发利用与当地社会经济发展、生态环境保护之间 的协调关系。 2. 区域水资源开发利用现状及潜力分析 玛纳斯河流域在农业用水量大、工业用水持续 上升、供需矛盾突出等方面表现显著。流域内的农 八师垦区及沙湾、玛纳斯两县均处于天山北坡经济 带的核心区域，且玛纳斯河是准噶尔盆地南缘年径 流量最大的河流，近年来，该流域国民经济发展迅 速，水资源供需矛盾尖锐，因此选择农八师玛纳斯 河灌区(简称玛河灌区)作为准噶尔盆地南缘典型区 进行研究。 2.1. 水资源供需平衡分析 水资源供需平衡分析是在 P = 75%和P = 50%的 保证率下，在玛河渠首(将地下水也折算到渠首)按月 进行供需平衡计算(如图 1和图 2)。 2.2. 水资源开发利用潜力分析 玛河灌区水资源现状主要表现为资源型缺水。由 于水利工程的调蓄能力及水库调度手段限制，导致在 年供水量不足的情况下，在汛期有弃水，说明玛河灌 区存在工程型缺水；而单一的种植模式使水资源供需 矛盾更加尖锐。而种植结构的调整对日趋尖锐的供需 有缓解作用。 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月10月11月12月 缺水量：7868*10 4 m 3 水量 （10 4 m 3 ） 需水量 可供水量 Figure 1. Water supply and demand balance calculations in Manas River irrigation district of the eighth group (P = 75%) 图1. 农八师玛河灌区水资源供需平衡计算(P = 75%) 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月10月11月12月 缺水量：3916*104m3 水量 （10 4 m 3 ） 需水量 可供水量 Figure 2. Water supply and demand balance calculations in Manas River irrigation district of the eighth group (P = 50%) 图2. 农八师玛河灌区水资源供需平衡计算(P = 50%) 3. 植被生态需水分析 3.1. 研究方法与内容 研究方法采用小区定位观测与野外试验相结合。 主要分析天然降水及地下水对自然植被及绿洲防护 林的生态影响，包括荒漠灌木林地土壤水分时空变化 特征、人工种植梭梭、柽柳和沙怪枣的耗水规律及适 宜生态需水分析及防护林树种生长需水量研究。 3.2. 研究成果 研究结果表明，准噶尔盆地南缘由于有漫长的冬 季，冬季的低蒸发、高凝结特征，积雪在春季的集中 融化为春季自然植被提供了充足的水分，提高了自然 降水的有效性，同时梭梭等自然植被由于具有良好的 自集水功能(树干茎流、植株凝结水)以及低耗水特征 [1,2]，使得准噶尔盆地南缘依靠自然降水仍可以维持良 好的植被状况。基于以上结果，对准噶尔盆地南缘生 态需水的配置有如下认识： 1) 目前准噶尔盆地南缘自然植被群落的更新与 演替过程总体情况良好，自然植被处于正常生长状 Copyright © 2013 Hanspub 256  杨广，等：准噶尔盆地南缘水资源合理配置及高效利用技术研究 第2卷 · 第4期 态，生态需水的配置重点是农田维持水盐平衡的水量 以及防护林的用水。 2) 维持具有基本生态功能的绿洲内部和外围地 带性自然植被，只要采取封育措施，可以依靠天然降 水，不需要水利口径的水资源配置，但绿洲内部的防 护林需水以及绿洲外围人工种植的具有经济价值的 高盖度荒漠灌木植被需要从水利口径配置水资源、通 过灌溉方式补水。 3) 玛纳斯河流域农田防护林需水为0.5175 108 ~0.6900 108 m3，防护林需水约占流域地表水资源总 量的 7.02%~9.36%。对于林木灌溉建议采取管网输配 水，沟灌方法灌溉。 4. 非常规水资源化及高效安全利用技术 准噶尔盆地南缘水资源开发利用程度非常高，由 于资源性缺水和生产生活用水量不断增加以及不合 理的利用造成水资源供需矛盾十分突出，区域中河流 水资源开发利用程度高。据《新疆地下水资源》，分 布在准噶尔盆地南缘平原区的地下水资源总量 25.42 108 m3/a，其中矿化度在 1 g/L以上的有 2.304 108 m3/a，占区域地下水资源总量的 9.06%，2 g/L以上的 有0.26 108 m3/a。这些矿化度大于1 g/L的地下水资 源构成了区域主要的非常规水资源。因此，开发利用 非常规水资源用于生态恢复与重建，是实现区域水资 源进一步开发利用的新途径，开展非常规水资源化和 高效利用研究，为准噶尔盆地南缘生态恢复重建提供 技术支撑。 4.1. 试验方法 试验共分为野外监测和测坑试验。选择一年生胡 杨、红柳、梭梭荒漠植物，采用现场取土和美国 CPN503DR 中子仪测定相结合方法测定土壤含水率， 采用 L-6400 光合仪测定植株生理指标光合速率、气 孔导度和蒸腾速率，采用DDB-2 型便携式数字电导 率仪测定土壤盐分，同时测定植株生长指标株高、枝 长、径粗等。 4.2. 研究成果 1) 随灌溉水矿化度升高荒漠植被耗水量减小。在 土壤含水率为田间持水率的40%~45%，矿化度分别 为1 g/L、3 g/L、6 g/L条件下，梭梭耗水量分别为 338.5 mm、287 mm、264.2 mm；柽柳耗水量分别为458.5 mm、417.7 mm、401.7 mm。 2) 荒漠植物随灌水矿化度升高生长生理指标下 降，生态效应减弱。荒漠植被的生长和生理指标随矿 化度增大而呈减小趋势。梭梭、柽柳高矿化度处理下 分枝数、新枝长、冠幅等指标比低矿化度处理相应下 降15%~30%。在生长旺盛期，梭梭的光合速率、蒸 腾速率、气孔导度均随灌溉水矿化度的增大而显著减 少，而柽柳则呈先上升后下降趋势，在 3 g/L 达到最 大。 3) 梭梭土壤含水率下限指标为 5%(质量含水 率)，约占田间持水率的40%左右，灌水矿化度上限指 标为 12 g/L；柽柳和胡杨土壤含水率下限指标为 7%(质量含水率)，耐盐能力均比较强，在18 g/L矿化 度处理仍具有生态功能。 研究成果说明，准噶尔盆地南缘1 g/L 以上的地 下水非常规水资源可以用于梭梭、柽柳和胡杨等荒漠 植物补充灌溉使用，为区域生态恢复节约淡水资源。 5. 基于种植结构优化的水资源优化配置技术 农业灌溉节水的途径主要包括降低灌溉定额、提 高灌溉水利用系数、优化种植结构三个措施[3,4]。降 低 灌溉定额是指用现状的实际灌溉定额减去作物生育 期内有效降雨量和直接耗用的地下水，得到净灌溉定 额[5-7]；提高灌溉水利用系数可以通过和提高管理措施 及改善节水工程设施等方法实现[8]；在满足研究区水 量限制、经济需求、生活需求等条件下，以农业产出 的净效益最大为目标函数，建立非线性动态优化模型 来实现种植结构的优化。本文以准噶尔盆地南缘莫索 湾灌区 150 团为例，主要研究上述第三个措施的节水 潜力。 5.1. 种植结构优化模型 5.1.1. 目标函数 150 团种植结构优化的目的在于在保证灌区不缺 水的前提下，通过调整各作物的种植面积，以达到农 业产出的净收益最大，同时降低农业灌溉需水量。目 标函数为： 79 111 Max iij j ij fS ， (1) Copyright © 2013 Hanspub 257  杨广，等：准噶尔盆地南缘水资源合理配置及高效利用技术研究 Copyright © 2013 Hanspub 第2卷 · 第4期 258 其中， (i = 1,2,3,4,5,6,7)为第 i个支渠子灌区的面 积， i S ,ij (j = 1,2,3,4,5,6,7,8,9)为第i支渠第j种作物的 种植比例， j 第j种作物的单位面积的净收益。 8) 所有决策变量非负约束 式中， i S为第 i个支渠的子灌区的多年平均面积； ,DD 为地下水量的下限值和上限值， 为第 i个支渠子灌区的第k个时段的地下水的下限值和上 限值， k = 10,11,…,3 0； ,, D, ik ik D i f 为第 i个支渠子灌区供水量 偏差；为第 i个支渠子灌区第k个时段的供水量； ik G ik X 为第 i个支渠子灌区第 k个时段的最低需水量； 为灌溉保证率；,,ijk 为第 i个支渠子灌区的第 j种作 物的第 k个时段的种植比例；为第 i个支渠子灌区 的第 k个时段的灌溉定额； ,ik q ,ij 为第 i个支渠的子灌区 第j种作物的田间水利用系数；,ik s 为专项用水(生活 工业牲畜需水)；,ik x 是实际过水量；i,k x 为第 i个支渠 子灌区的第 k个计算时段的来水量； 是最大允许量； 为地下水量； i c ,ik Di 为第 i个支渠的渠道渗透系数。 5.1.2. 约束条件 1) 耕地面积约束 i SSi , ik (2) 2) 种植结构约束(公式见下) 3) 地下水约束： ,, ,ik ik ik DDDDDD 4) 供需水偏差约束 2 30 7 10 1 min iik ki fGX ， 9,, . , 1, iijkik iki k jij Sq X s 5.2. 优化结果 根据上述约束方程，选用MATLAB语言编程求解 程序。通过输入不同水平年下的数据资料，在微机上 运行模型求解程序，得到了在不同水平年下 150 团的 水资源的分配方案及相应的作物种植结构(如表 1)。 5) 150团来水约束： 1, 4, 5, 8, 9, 2, 3,9, 6, 7,8, kkkkk kk k kkk k x xxxxL xxx xxx 150团调整后总播种面积在调整前的基础上减少 了0.71%，春麦，苜蓿，葡萄，经济林，防护林，其 他林的面积相对于调整前都有所减少，防护林面积增 加的显著，因为调整前的防护林比例未达到占总播种 面积的 8%，模型计算之后达到规范要求；青贮和瓜 菜下降的比较多，分别达到了 10.49%和11.04%，棉 花为 6.01%。 6) 渠系安全约束： , 1,12,23,34,4 5, 56, 67, 78, 8 9, 9 2,3,9 6,7,8 0 ,,,, ,,, ; , ik i kkkk kkkk k kk kk xc , x cx cx cx c x cx cxcx c xc xxcxxc 5.3. 经济效益分析 7) 各月可用水量约束(可用地下水、水库水)，各 需水量约束(最低农业用水，工业用水、生活用水、牲 畜用水)。 ,, 1 ,,,,, , 1 m iijik j ikik ikiikik ij Sq GDxsX ; 现状年 P = 50%来水条件，在不计入防护林和其 他林经济效益的条件下，调整后经济效益下降 547.34 万元。调整前后防护林从9000 亩增加为 15,756 亩， 其他林从2140 亩增加为 2340 亩，防护林和其他林共 计增加 6956 亩，防护林和其他林的经济效益按照870 9 1 1 1 , 10%2,3,4,5,6 , 0.088%, 7,8,9 ij j i ij ij j j 粮食下限为固定值，与政策有关 在十一五规划比例上下 之间， 林为人工生态，占总种植面积的  杨广，等：准噶尔盆地南缘水资源合理配置及高效利用技术研究 第2卷 · 第4期 Table 1. Structure adjustment after planting (unit: mu) 表1. 调整后的种植结构(单位：亩) 分区 春麦 棉花 青贮 苜蓿 葡萄 瓜菜 经济林 防护林 其他林 各作物汇总 一营一支渠 320 6668 89 - 273 - 19 642 18 803 一营二支渠 1911 37,546 691 629 2002 191 458 3813 424 47,665 一营三支渠 114 7579 161 - 216 - 62 712 58 8903 二营一支渠 1692 23,991 451 320 1168 - 223 2439 207 30,492 团直二支渠 1791 32,460 395 420 1834 - 1112 3395 1036 42,442 三营四支渠 3701 35,679 554 573 1033 432 639 3757 596 46,964 三营三支渠 1375 9757 242 - 82 - - 996 - 12,451 全团 10,904 153,679 2583 1942 6608 623 2512 15,756 2340 196,948 元/亩来算，其经济效益为 605.172 万元，调整后经济 效益增加值为57.832 万元。 现状年 P = 75%来水条件，在不计入防护林和其 他林经济效益的条件下，调整后经济效益下降 581.94 万元。调整前后防护林从9000 亩增加为 15,713 亩， 其他林从2140 亩增加为 2336 亩，防护林和其他林共 计增加 6909 亩，防护林和其他林的经济效益按照870 元/亩来算，其经济效益为 601.083 万元，调整后经济 效益增加值为19.143 万元。 6. 结语 本文从准噶尔盆地南缘水资源供需平衡及开发 潜力分析出发，通过区域自然植被保育和人工植被建 植水分调控技术、非常规水资源高效利用技术及区域 水资源优化配置技术研究，提出了准噶尔盆地南缘水 资源合理配置及高效利用技术体系，并对优化配置后 的种植结构及经济效益进行了深入分析，论证了水资 源优化配置的合理性，研究结果为实现水资源开发利 用与当地经济发展、生态环境保护之间的平衡协调发 展提供了科学依据。 参考文献 (References) [1] CERMAK, J., KUCERA, J. and NADEZHDINA, N. 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