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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