流域水资源系统

4 1 1 水资源系统的划分

4 1 1 1 地表水流系统

黑河流域各河流汇水面积大于 100km2的有 19 条，年径流量超过 100×104m3的有 38 条; 流域内水系除个别小河流发源于流域东部的大黄山外，其他河流均发源于南部的祁连山区，其代表性的河流主要有黑河、梨园河、洪水坝河、北大河等。

黑河流域从整体上为一独立的地表水流系统，依据系统内地表水与地下水的水力联系及其归属，可分为东、中、西三个地表水流子系统 ( A、B、C) ———子水系 ( 图 1 1) 。

东部子水系 ( A) : 由黑河干流和梨园河及其左右 20 条小河组成，除梨园河供山前灌溉引水后尚有余水注入黑河外，其余各河出山后或被引灌或渗失于山前冲洪积扇均未注入黑河; 黑河干流从莺落峡出山后流经张掖、临泽、高台于正义峡穿越北山，过鼎新、东风场区、额济纳最终注入东、西居延海，全长约 800km。

中部子水系 ( B) : 为酒泉马营河—丰乐河诸小河流水系，为浅山短流，归宿于肃南裕固族自治县明花区—高台盐池盆地。

西部子水系 ( C) : 为酒泉洪水河—北大河等水系，亦为浅沟短流，只有洪水河和北大河可贯穿酒泉盆地，北大河经鸳鸯池水库进入北部金塔盆地，最后由盆地东北角的 “营盘”注入黑河干流，从而把西部子水系与干流水系联在一起; 但自 20 世纪 50 年代以来，营盘北大河断流，不再有地表水注入黑河，东、西部水系再无地表水力联系，故金塔盆地成了西部子水系的最后归宿。

4 1 1 2 地下水流系统与含水层系统

黑河流域从整体上也为一独立的区域地下水流系统，依据系统内地质构造、地下水的循环条件、水力性质、水化学与环境同位素和地下水位动态以及含水层结构 ( 图 1 6～图 1 32、图 4 1)等方面的差异，可分为上游山丘 ( 与沙漠) 区、中游南盆地和下游北盆地三个地下水流子系统( Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ) 和 16 个地下水流亚系统及单层与多层两个含水层系统 ( 表 4 1) 。

上游山丘区 ( Ⅰ) : 主要为南部的祁连山山区，包括中部的龙首山—合黎山、北山山体，以及北部的马鬃山山丘区，分布有基岩裂隙和碎屑岩类裂隙孔隙潜水含水层。地下水多以沟域为单元自成补径排系统，就地接受降水和冰雪融水的补给，顺沟势径流，最终排泄于沟谷之中参与河川径流。

中游南盆地 ( Ⅱ) : 包括大马营、张掖、盐池、酒泉东、酒泉西等五个盆地，盆地从山前向中部由单一的砾卵石孔隙潜水含水层渐变为多层的砂、砂砾石孔隙潜水－承压水含水层。盆地承接来至祁连山区降水、冰雪融水和地下水形成的河川径流，并形成山前河水大量下渗补给地下水、盆地中部地形低洼地地下水大片溢出成泉补给河水的水资源相互转换关系。

下游北盆地 ( Ⅲ) : 包括鼎新谷地、额济纳盆地和金塔盆地，水文地质特征与中游盆地基本类同，但在补给水源与含水层渗透性等方面较中游盆地明显变差。下游盆地主要接受中游盆地出境地表水的补给，由于中游盆地耗水量大，其流入下游盆地的地表水量大幅度减少，造成地下水补给量的不足，下游盆地的地下水主要耗散于蒸发蒸腾。

图 4 1 盐池盆地 ( 明海凹陷) 含水层基底与地下水位等值线图

表 4 1 黑河流域地下水流系统与含水层系统划分表

4 1 1 3 水资源系统

根据地表水流系统与地下水流系统的特征及其组合关系，黑河流域可表示为 3 个地表水流子系统 ( A、B、C) 与 3 个地下水流子系统 ( Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，及其 16 个亚系统) 的水资源系统 ( 图4 2、表 4 2) 。

图 4 2 黑河流域水资源系统

表 4 2 黑河流域水资源系统划分表

注: 编号组合 A－Ⅱ2———表示东部子水系－南盆地－张掖盆地水资源系统。

黑河流域水资源系统是由地表水流系统与地下水流系统叠置的二元结构水资源系统。中游盐池盆地内的明海凹陷与北部盐湖区的存在，以及地表水和地下水向盐湖径流排泄的水流特征 ( 图4 1) ，是中部子系统独立于东部子系统和西部子系统的重要标志; 下游金塔盆地的地表水自 20 世纪 50 年代以来不再注入黑河干流，以及鼎新谷地基底下陷而显著低于西侧金塔盆地基底的水文地质结构特征 ( 图 1 12) ，是分离东部子水系和西部子水系的重要佐证。各子系统内的地质构造( 图 1 6，如永固隆起、嘉峪关大断裂、哨马营基底隆起等) ，则是进一步划分亚系统的重要依据。

4 1 2 水资源系统的结构与功能

黑河流域是一个闭合的流域，水资源主要通过大气圈层与域外发生水汽交换，从年或多年的时间尺度平衡，这种域内、外水汽交换的净输入量或净输出量相对于域内的水资源总量是很小的。所以，黑河流域水资源系统可以视为一个 “封闭系统”，系统内的地表水和地下水是其组成部分，亦即水资源系统是由地表水流系统与地下水流系统组成的水资源流动系统。

水资源系统内部具有自组织、自协调、自修复等功能，表现为系统内水资源形成—运移—耗散的有序组织和协作功能，以及系统内水资源受到外部干扰后自我修复与调整的功能。因此，系统内水资源的形成与耗散，河水与地下水的相互转化，以及水资源开发利用引起的水资源时空再分配等，都具有明显的地域性和一定的宏观规律性。

4 1 3 系统内水资源的形成、耗散与循环

系统内的水资源主要形成于南部的祁连山区，主要耗散于南、北盆地; 水资源总体上由南向北运移，最终以北部的东西居延海为其归属地。因此，南部的祁连山区是系统内水资源的形成径流区，南、北盆地则为系统内水资源的径流耗散区。

祁连山区的冰川、地下水、河水的总补给源是大气降水，降水及泄入沟谷的地下水和冰川融水组成了河川的地表径流。山区的地表水径流和地下水径流进入平原后，约有 60%～70%水以蒸发蒸腾等形式耗散于中游盆地，剩余不足 40%的水流入下游盆地并耗散进入大气; 中游盆地水资源受到人为因素 ( 渠道引灌河水、井采地下水) 的强烈干扰，是其加速蒸发蒸腾耗散过程的重要原因之一。大气圈的水汽不断输往山区，并在山区以降水回落地面产生新的径流，从而形成了水资源系统内部的水循环过程。

4 1 4 系统内河水与地下水的相互转化关系

河水与地下水之间相互转化完全受地质构造、地形地貌条件的限制，系统内的水资源按照自然规律由南向北完成其水循环的过程中，河水与地下水也经历了多次相互转化 ( 图 4 3) ，其总特征如下。

图 4 3 黑河流域河水与地下水相互转化关系分带示意图

在祁连山区，受山麓丘陵阻滞地下水径流的控制及中高山地密集、深切的水文网影响，绝大部分地下水在中高山区排泄于河谷而转化为河水，地下水泄出量12 58×108m3/ a，约占出山河水总径流量 ( 37 69×108m3/ a) 的 33%。

在南盆地，山前洪积扇群带河流水位一般高出地下水水位 10～20m，河水流经洪积扇群带大量渗漏转化为地下水，河水总入渗量 7 72×108m3/ a，约占河水总径流量的 20%; 盆地中部洪积扇缘和北部细土平原，由于地形坡度变缓，含水层导水性减弱，地下水径流受阻使地下水位抬升而高于河流水位，地下水在低洼地带溢出地表汇集成泉及河水; 盆地最北端的走廊北山阻隔了地下水的径流，地下水在盆地北部除耗散于蒸发蒸腾 ( 6 96×108m3/ a) 外几乎全部溢出转化为河水，地下水总溢出量 12 04×108m3/ a，约占河水总径流量的 32%。

在北盆地，天然条件下河水与地下水之间的关系基本上是一个随河川径流河水逐渐渗入转化为地下水的过程，在河流量大的时期将有少量河水流入居延海，河流量小的时候则全部渗失于径流途中，河水总入渗量 6 49×108m3/ a; 盆地内地下水没有溢出，地下水的排泄几乎完全依赖于盆地北部大面积的蒸发蒸腾，地下水总蒸发量 11 42×108m3/ a。

河水与地下水之间的水力关系，以及河水与地下水之间在运动循环过程中反复、大量的转化现象，反映了系统内河水与地下水在成因上不可分割的联系，可以认为南北盆地的水资源主要是祁连山区水资源的重复。

4 1 5 系统内水资源时空再分配

系统内的水资源流经南北盆地，不仅表现为河水与地下水之间的相互转化关系，而且还受到渠道引灌河水、机井开采地下水等人为因素的强烈干扰，迫使盆地内的水资源在空间和时间上重新分配。

祁连山区进入盆地的河流及盆地内的地下水，由渠系、机井等引提水工程将河水和地下水引入灌区，渠系水与灌溉水于农灌期在灌区内大量渗漏补给地下水，渠田水总渗漏补给量达 10 47×108m3/ a，占到盆地地下水总补给量 ( 32 64×108m3/ a) 的 32%，其南、北盆地的比例分别为 39%和 14%。

自动控制系统（automatic control systems）是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化的主要手段。简称自控系统。
系统组成 自动控制系统主要由：控制器，被控对象，执行机构和变送器四个环节组成。
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1、传感器技术：这也是计算机应用中的关键技术。大家都知道，到目前为止绝大部分计算机处理的都是数字信号。自从有计算机以来就需要传感器把模拟信号转换成数字信号计算机才能处理。
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7 1 1 黑河干流水资源系统结构

黑河流域水资源系统由地表水系统与地下水系统组成，地表水系统可分为东、中、西 3 个子系统 ( A、B、C) ，地下水系统可分为上游山丘与沙漠区、中游南盆地和下游北盆地 3 个子系统( Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ) 和 16 个亚系统 ( 图 4 2、表 4 2) 。

黑河干流水资源系统属于流域东部地表水子水系 ( A) ，纵向跨越上游山丘与沙漠区 ( Ⅰ) 、中游张掖盆地 ( Ⅱ2) 、下游鼎新谷地 ( Ⅲ1) 和额济纳盆地 ( Ⅲ2) 等四个地下水流子 ( 亚) 系统; 系统内的河流与含水层以及灌区、渠道、水库、机井等是其主要组成部分，各部分的有机联系、相互作用构建起系统的层次结构并具有相应的功能。

7 1 2 黑河干流水资源规划模型建立的依据

黑河干流由祁连山区进入张掖盆地、额济纳盆地的河水及盆地内的地下水，在径流过程中发生着相互转化关系，沿途因灌区用水还受到渠道与水库引蓄河水、机井开采地下水等人为因素的强烈干扰，迫使干流内的水资源在空间和时间上重新分配。干流水资源空间上的重新分配，使得通过正义峡下泄流入额济纳盆地的水资源量不断减少; 时间上的重新分配，造成正义峡下泄水量非农灌期大于农灌期，特别是 4～8 月份正义峡下泄水量少且成为河道断流的高发期。

为了改善日益突出的水事矛盾和逐步恢复下游生态系统，经国务院审批，1997 年 12 月水利部转发 《黑河干流水量分配方案》 ( 水政资 〔1997〕496 号) 给甘肃省和内蒙古自治区人民政府执行，明确了黑河干流中、下游地区不同水平年的水量分配方案和年内水量分配方案 ( 表 7 1) 。2001 年 8 月国务院批复了 《黑河流域近期治理规划》 ( 国函 〔2001〕86 号) ，明确提出黑河流域综合治理要坚持以生态系统建设和保护为根本，以水资源的科学管理、合理配置、高效利用和有效保护为核心，上中下游统筹考虑，工程措施与非工程措施紧密结合，生态建设与经济发展相协调，科学安排生活、生产和生态用水等治理规划目标和任务。

批准实施的 《黑河干流水量分配方案》和 《黑河流域近期治理规划》及水资源开发利用历史与现状等，是本次水资源规划模型构建的重要依据。

表 7 1 黑河干流莺落峡—正义峡水量分配关系表

注: 11 月 11 日～3 月 10 日莺落峡来水量为 7 月 1 日～11 月 10 日的值，正义峡下泄水量为预测水量。

7 1 3 黑河干流水资源规划模型

7 1 3 1 水资源规划模型结构

黑河干流水资源规划模型是以水资源系统结构为基础，以河流为主线，以河水、地下水为水源，以灌区为主要用户，以干渠水库引蓄河水、机井开采地下水为纽带，结合黑河干流水量分配方案和黑河流域近期治理规划以及水土资源条件等构建的，其模型的组成元素及其相互关系见结构框图 ( 图 7 1) 。

7 1 3 2 0－1 多目标非线性混合规划模型

根据 《黑河干流水量分配方案》” ( 水政资 〔1997〕496 号) 和 《黑河流域近期治理规划》( 国函 〔2001〕86 号) ，黑河干流分水的主要控制性指标是正义峡下泄水量，要求当莺落峡多年平均来水 15 8×108m3时，正义峡下泄水量 9 5×108m3( 表 7 1) ，并控制鼎新片毛引水量在 0 9×108m3以内、东风场毛引水量在 0 6×108m3以内; 黑河流域治理的根本性目标是逐步恢复黑河生态系统，治理的核心内容是中游地区的高效用水、节约用水和科学用水等。因此，本次黑河干流水资源规划模型建在中游地区，以中游水资源的合理配置为规划对象，根据水土资源条件及经济技术和政策法规约束等，研究中游人工绿洲 ( 灌区) 用水量、正义峡下泄水量及其对灌溉需水和干流分水控制目标的满足程度，分析黑河干流水资源开发潜力、利用程度和效果，为黑河干流水资源规划和调配的宏观决策提供依据或参考。

黑河干流中游地区通过 60 多条干渠和分干渠向黑河两岸的 20 个人工绿洲 ( 灌区) 引水，考虑到存在多条干渠共同供给一个人工绿洲 ( 灌区) 的实际，模型中对干渠做了适当合并，将合并后的 25 条干渠置于河段引水口—人工绿洲 ( 灌区) 部位; 平原水库，考虑到规划的宏观性 ( 时段大) ，模型中没有设置; 地下水开采区与人工绿洲 ( 灌区) 重叠，共为 20 个开采区; 黑河草滩庄水利枢纽之下的大桥处是河水入渗变为地下水溢出的转折点，梨园河出山至汇入干流口为河水入渗段，山丹河与九眼泉沟均为地下水溢出带，根据河水与地下水补排关系并结合人工绿洲 ( 灌区)边界位置，干流中游河道共设置 15 个河流节点。

中游水资源规划模型结构及干渠与人工绿洲 ( 灌区) 的关系见图 7 2。模型为:

黑河干流中游水资源规划模型

———0－1 多目标非线性混合规划模型

( 1) 模型变量与参数标识

F、G ———人工绿洲 ( 灌区) 面积、定额 ( 灌区数 20 个) ;

U———干渠引水量 ( 干渠数 25 个) ;

W———地下水开采量 ( 井区数，即灌区数 20 个) ;

Q———河泉节点水量 ( 节点数 15 个) ;

图71 黑河干流水资源系统结构图

图 7 2 黑河干流中游水资源规划模型结构图

M、N、K ———权函数 ( 价值系数) ;

A、B、C ———变量的三个时段 ( 一年的春夏灌期、夏冬灌期、非灌期，见表 7 1) ;

D ———正义峡全年或季节下泄量能否满足分水方案的判定变量 ( 否 D = 0，能 D = 1) ;

O———变量的约束 ( 限定) 量 ( 已知) ;

L ———河流节点之间距离 ( 已知) ;

P ———两季灌溉 ( 春夏灌、夏冬灌) 比例系数 ( 已知) ;

X、Y ———渠系、井水利用系数 ( 已知) ;

Z ———约束量扩大系数 ( 已知，是约束量的倍数) ;

S ———河水单长渗失率 ( 已知，计算中取为两节点间的河水渗失率) ;

T ———地下水现状单长溢出量 ( 已知，计算中取为两节点间的地下水溢出量) ;

WQ———区段现状地下水开采量 ( 已知，计算中取为两节点间的灌区开采量) ;

H———单位增开量对泄出的影响系数 ( 已知) ;

R———西总干渠给沙河灌区、骆驼城灌区水量的分配系数 ( 已知) ;

说明: ①上述标识符可组合成新的标识符，如 QB 表示河泉节点夏冬灌期水量; ②1 条干渠供多个灌区增编下标，如 UAO42表示 4 号渠 2 分支春夏灌期引水量。

( 2) 目标函数

1) 多目标:

人工绿洲 ( 灌区) 灌溉面积最大:

西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例

正义峡下泄水量最大:

西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例

正义峡全年与季节下泄量最大可能同时满足分水方案:

西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例

2) 多目标问题的处理———加权法:

目标函数:

西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例

( 3) 约束方程

约束方程个数: 共 142 个方程，其中非线性方程 6 个;

决策变量个数: 共 197 个变量，其中 0、1 变量 2 个。

1) 人工绿洲 ( 灌区) 灌溉面积、灌溉水量方程:

a 人工绿洲 ( 灌区) 水量平衡方程

西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例

i = 1，2，…，20 ( 灌区数) ;

j = 1，2，…，Ji( 供给灌区的渠道数) 。

b 干渠引水量限定方程

西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例

j = 1，2，…，25 ( 干渠数) 。

c 地下水开采量限定方程

西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例

i = 1，2，…，20 ( 开采区数) 。

d 灌溉面积限定方程

西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例

i = 1，2，…，20 ( 灌区数) 。

2) 河泉水量方程:

a 河泉节点水量平衡方程

西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例

式中

k = 8，7，…，2 ( 黑河节点) ;

k = 10 ( 梨园河节点) ;

k = 13，12 ( 山丹河节点) ;

k = 15 ( 九眼泉节点) ;

j = 1，2，…，Jk( 河泉节点间的渠道数) ;

i = 1，2，…，Ik( 河泉节点间的开采区数) 。

说明: ①梨园河、山丹河、九眼泉的节点 ( k=10，13，15) 水量加入相应节点方程中; ②莺落峡—大桥河段河水渗失 ( SA1，…，SC2) 采用非线性方程 ( 见第 4 章内容) 。

b 正义峡下泄水量限定方程

西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例

3) 非负约束方程:

西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例

4) 0－1 变量定义:

@ BIN ( D1) ;

@ BIN ( D2) 。

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