干旱评价指标选取及干旱等级划分

2　塔河流域极端旱情条件下水资源应急调配理论体系

2.1　干旱评价指标选取及干旱等级划分

塔河流域内大多数城市、县城的居民供水水源均为地下水水源，现有的城市工业供水大多也是通过城市居民供水管网取水，近几年新开发的独立工业园区也都进行了水资源论证，其供水保证率在97%以上。由于地下水均有多年动态调蓄的变化规律，加之目前城市居民和工业需水量相对不大的特点，在城市发生干旱的可能性一般不大。农村居民饮用水在居民集中的乡镇也大多采用机井抽水作为供水水源，分散的农村居民和牲畜饮用水的供水水源一般不是固定的水源，通常是与农业灌溉设施相连。塔河流域的农业是灌溉农业，没有灌溉就没有塔河农业，因此塔河流域干旱主要发生在农业灌溉区。塔河流域干旱研究主要针对河流来水量大小与农业灌溉受旱的关系。

2.1.1　干旱评价指标选取

干旱评价指标选取是衡量干旱程度的关键环节。由于干旱成因及其影响的复杂性，很难找到一种普遍适用的干旱评价指标，因此发展了应用于不同需求的各种干旱评价指标。归纳各种干旱评价指标，大致可分为四类：气象指标、水文指标、农业指标、社会经济指标。由于各个部门对干旱的定义不同：水文部门以径流量的丰枯等级来划分干旱程度，农业部门以土壤的干湿状况来确定干旱程度，气象部门则以降雨量的多少来确定干旱程度。因此，为了监测研究干旱及其变化，科学家们利用气温、降水量、径流量等水文气象要素，逐渐产生了大量的干旱评价指标。这些干旱评价指标包含了降水量、气温、蒸发量、径流、土壤含水量、湖泊水位、地下水位等众多的基础资料，最终形成一系列简单的指标数字。对于决策者和相关领域来说，干旱评价指标比原始观测资料更加直观，可利用性更强。

塔河流域降雨稀少、蒸发强烈，但平原区的降雨量变化并不能客观反映干旱规律性变化，河道天然来水量的变化才反映真实意义上的干旱变化波动。但河流径流补给来源于组成很复杂，有多种补给类型。对于以自然降水补给为主的河流，径流量与流域内山区降水多少有关，而对冰雪融水补给占一定比例的河流，其径流量与气温高低又有一定关系。塔河流域的河流大多是混合补给型，因此单一的气象因子与径流虽有相关关系，但只有少数站可以采用。绝大部分河流径流量不仅与流域平均高程有关系，还与流域地理位置和自然气候特点有关，因此采用河道出山口出的天然来水量的变化才能比较真实地反映塔河流域干旱时间与空间的变化规律。本书选取基于河川径流量的SRI（Standardized　Runoff　Index）作为干旱评价指标。

2.1.2　干旱等级划分方法

灌溉农业是塔河流域绿洲农业最显著的特点，而塔河流域大部分河流年际、年内水量分布极不均匀，目前流域内的水利工程设施尚不能完全满足农业灌溉对水资源供给适时适量要求的情况下，干旱在流域各地每年都有发生。有以下几个主要原因：

1）气温和降水是发生干旱的主要原因

由于春季时间短，一般平原区春季升温快、风大、降雨量相对偏少，而此时山区气温上升缓慢、融雪量小，因此春季发生气温回暖时间段且在北疆降雨量偏少的年份春旱是最为常见的旱情。

2）水利工程供水能力的限制加大了旱情

水库工程是塔河流域灌溉农业最主要的抗旱工程措施，目前塔河流域绝大部分灌区大多以平原水库蓄水，平原水库大多建于20世纪七八十年代，受地形和工程投资的限制，一般调节库容小，淤积严重，加之汛期蓄存的水量蒸发、渗漏损失量大，若遇到秋季河道来水量偏少年份，水库蓄水量少于一般年份，则供水量不足将会使干旱更加严重。另外，近年来流域引水工程和灌溉设施水毁较多，因资金欠缺，未修复或未完全修复的项目较多，只能采取临时措施，灌溉期引水量达不到原来的设计标准，直接影响到灌溉用水。同时，部分地区连年持续干旱，地表水短缺，抗旱机电井长时间使用，使地下水位下降，出现掉泵现象，提水量严重不足。还有相当一部分机电井老化失修，新打的机电井因资金短缺未能得到配套。

3）干旱随着农作物种植结构变化而更加突出

塔河流域棉花近年来种植比例非常高，而干旱情况下河道来水量不足和水利工程供水不能如正常年份供水，使灌溉供水集中期供水矛盾突出。且棉花作物在风沙、干热风频繁和土壤失墒、跑墒严重的季节极易受到危害，导致复灌率增加，加大了灌溉用水量，使流域旱情更加突出。

4）经济社会的快速发展加剧了旱情

塔河流域近几年社会经济发展速度极快，需水量逐年增加，加剧了旱情。

本书选取基于河川径流量［43］［44］的SRI［45］作为干旱评价指标。SRI是将偏态分布的径流量通过Box－Cox转换转化为标准正态分布，以进行不同时空尺度下的对比分析。

TuKey在1957年首先提出一个新思想——考虑某个变量Z的变换，在数据变换中引入一个新参数θ，且由数据集本身来估计这个参数。他提出的变换为：

其中：θ为待定系数。

由于式（2.1）中的Z（θ）关于参数θ并不是连续的，Box和Cox在1964年又提出了修正的幂变换见式（2.2）所示。公式（2.2）就是就是著名的Box－Cox变换，是一族幂变换，它包括了许多常见变换，诸如对数变换（θ＝0）、倒数变换（θ＝1）和平方根变换（θ＝1/2）等。

SRI的基本原理如下：

首先通过Box－Cox转换将径流量序列转化为正态分布：

将转换后的序列进行标准化：

式中，X——径流量；θ——Box－Cox转换系数；Z——经Box－Cox转换后的序列；－Z、σz——均值、标准差。干旱等级划分标准［45］如表所示。

表　干旱等级划分标准

分别计算塔河干流区、阿克苏河流域和叶尔羌河流域主要代表水文站长系列径流资料的SRI值。采用P－Ⅲ型曲线利对以上水文站长系列来水数据进行适线，对照找出SRI值分别为0、－1、－1.5和－2的来水年份及各年份对应的来水频率，从而划分不同干旱等级范围。

2.2　水资源系统及构成

水资源系统是在一定的时间、空间范围内，以水为主体构成的相互联系的统一体；是在一个区域中，由水源、供水工程、输水工程、用水户组成的相互关联的集合；是在一定范围或环境下，为实现水资源开发目标，由相互联系、相互制约、相互作用的若干水资源工程单元和管理技术单元所组成的统一体。

水资源系统是一个规模庞大、结构复杂、功能综合、影响因素众多的大系统，涉及社会、经济和生态等多个方面，既以水文循环为基础，又需要考虑社会经济的发展需求以及环境的维持与改善，具有确定性与不确定性特征。水资源系统既包括由流域地面水系、地下水、水文、地质、地貌、植被、土壤等自然要素组成的自然分系统，又包括由流域开发、蓄水、引水、灌溉、防洪、发电、水污染控制等因素组成的人工分系统，受水文系统及社会的双重影响，其所体现的不确定性更加复杂，仅用水部门就包括城市生活、工业、农村人畜、发电、灌溉、环境。

本研究中的水资源概化系统指以河流来水、地下水为水源，以水库为供水工程，以引水渠道为输水工程，以农业灌溉、城乡生活、工业、其他用水为用水户的水资源系统，包括水库、灌区、工业用水、城乡生活用水、引水渠道等要素。

2.2.1　水库

水库的作用在于从时间上调节径流过程。水库蓄水后，天然水流通道发生了变化，库水位上升，水面加宽，蒸发、渗漏损失增加，库区水深增大，入库段河道流速减缓、水流挟沙能力减小，出库水流携沙能力增强等等。同其他供水工程相比，其调度策略要复杂得多。水库的水位消涨与其蓄泄过程直接有关，其水量运行严格遵循水量平衡原理：t～t＋1时段内水库水量平衡方程为：

Wt＋1－Wt＝∑Wtin＋Wtp－∑Wte－Wtd－Wte－Wts　　（2.5）

式中，Wt＋1、Wt——t＋1、t时刻的水库蓄水量（m3）；∑Wtin——t时刻的入库总水量（m3）；Wtp——t时刻的水库库区降水量（m3）；∑Wte——t时刻的水库总用水量（m3）；Wtd——t时刻的水库放水量（m3）；Wte——t时刻的水库蒸发损失（m3）；Wts——t时刻的水库渗漏损失（m3）。

2.2.2　灌区

灌区是水资源系统中的重要组成部分。灌溉的用水量是指灌区内各种作物的需水量中，需要通过工程措施由水源取水供给作物的灌溉水量。它与作物品种、作物组成、作物田间需水量、灌溉制度、灌溉方式、灌溉水平、土壤、气候、水源及工程设施等具体条件有关。

1）作物需水量

农田水分消耗有三个方面：一是作物根系从上壤中吸收的水分。这部分水分绝大部分通过叶面不断的蒸腾进入大气，只有一小部分水量留在植物体内成为植物的组成部分，是植物进行生理活动所必需的水分消耗，称为植物蒸腾。二是作物植株之间土壤或水面蒸发的水分。这部分水用以调节和改善作物生长环境条件，称为棵间蒸发。植物需水量就是消耗于植物蒸腾、棵间蒸发两部分的水分之和。第三部分是田间渗漏的水量。目前尚不能从理论上对作物田间需水量进行精确的计算。确定作物田间需水量的方法有两种：第一、建立灌溉试验站，进行各种作物田间需水量的实验，求得适合当地条件不同年份的丰产需水量资料。第二、田间试验和调查所得的作物田间需水量，可作为本灌区改进灌溉用水量的基础，也可供拟建灌区规划设计时参考。对拟建灌区，一般参考条件比较接近的灌区的田间需水量进行本灌区田间需水量的估计。

2）灌溉制度

灌溉制度是指在一定的气候、水文地质、土壤等自然条件和一定的农业技术措施下，为使作物获得高额的产量所制定的一套田间灌水的制度。灌溉制度的内容包括旱作物播种前及全生育期内的灌溉次数、灌溉日期和灌溉定额。灌溉定额是播种前灌水定额和生育期各次灌水定额之和，以m3/亩或mm表示；灌水定额是单位灌溉面积的一次灌水量，以m3/亩表示。

2.2.3　工业用水

工业用水指工厂企业在生产过程中，用于制造、加工、冶炼、净化等方面的水量。这些水量，一方面在利用过程中通过不同途径进行消耗Q消耗（m3/s）；另一方面，又以废水的形式排入自然界Q排水（m3/s），参与正常水循环。

Q引水＝Q消耗＋Q排水　　　　（2.6）

2.2.4　城乡生活用水

居民生活用水一般包括城镇居民生活用水、农村居民生活用水、城镇公共用水等。随着人口的增加，公共设施的增多，生活水平的提高，用水标准的不断提高，生活用水不断增加，生活排水量也随之增大。虽然生活用水量在用水结构中占的比重较小，但生活缺水直接威胁人类的生存，并给居民生活带来很大不便，所以必须优先保证。

2.2.5　引水渠道

引水渠道在输水过程中有一部分水量因蒸发、渗漏因素而损失。渠道的水量平衡方程为：

Q引水＝Q需水＋Q损失　　　　（2.7）

式中，Q引水、Q需水和Q损失——渠道引水口引水量（m3/s）、渠道下游用水部门需水量（m3/s）和渠道损失量（m3/s）。渠道损失量与防渗长度、防渗形式、土壤质地类型等有关。

2.3　WEAP模型原理

WEAP（Water　Evaluation　and　Planning　System）模型［46］［48］，即水资源评估和规划系统，是由瑞典斯德哥尔摩环境研究所（Stockholm　Environmental　Institute）开发的一个将供水项目置于需求端问题、水质和生态系统保护背景之下来考虑水资源开发的综合模型。WEAP以月为时间步长计算系统中“节点”和“连接”的水和污染物的质量平衡。其中水被分配以满足河道内的和消耗性的要求，而分配则受需求优先顺序、供给择优顺序、水质平衡及其他因素的制约。WEAP模型基于水资源系统节点图对水资源利用情况进行规划和管理。

WEAP模型将水资源系统分为需求点、集水盆地、水库、地下水、输送连接、流量测站等若干个要素，通过对它们的组合连接，实现对水资源系统的模拟。该系统将供给与需求之间、水量和水质之间、经济发展与环境制约之间综合在一个全面的框架之下，其独特之处体现在把用户端（用水规律、设备效率、回用、价格和分配）与供给端（地表水、地下水、水库和调水），放在同等的地位来考虑，全面评估各种水资源开发和管理选择，并考虑水资源系统多元和互相竞争的利用方式。目前，WEAP模型已被世界各国有关部门广泛用于流域未来水资源供需平衡评估和气候、决策驱动的水资源管理情景分析等。

2.3.1　WEAP模型的水资源系统构成要素

WEAP模型基于水资源系统节点图对水资源利用情况进行规划和管理。它主要由14个要素组成，分别为需求点、集水盆地、水库、地下水、河流、分流、输送连接、回流、流量要求、流量测站、过水河流发电、废水处理厂等，通过对它们的组合连接，实现对水资源系统的模拟。

1）需求点（Demand　Sites）

需求点是一组共享一个有形分配系统的用水户，或者全部在一个特定的区域内，或者共用一个重要的取水供给点。用户也须决定是否将所有需求归在一起形成一个总和的需求点（如一个灌区），或者将主要用水分成单独的需求点（如一个污水处理厂）。整合程度一般由可用的用水数据的详尽程度决定。有时可能没有单个点的需求数据，但有较大的单位（如一个城市）的数据。此外，需求点的定义也依据所希望的分析的详尽程度而定。

WEAP利用层次结构分解需求数据。第一层对应于整个需求点；其次，可以根据数据的详细程度生成任意数目的层次。例如，在城乡用水需求点下面可以分为城镇人口生活用水和农村人口生活用水，也可以对这两个层次进行进一步划分。

WEAP中月需求计算方法主要有两种，一是直接输入月需求数据，二是通过年需求和月变化计算出每月需求量。

年需求＝∑（总活动水平×用水率）　　　　（2.8）

式中：年需求指需求点的年需水总量（m3）；总活动水平指需求点中某一分支的活动水平（如城市用热水器的人口数量）；用水率指对应分支的人均用水量（m3/人）。

WEAP允许对每月的用水比例进行设置，通过计算年需水量和每月用水比例的乘积来计算需求点的月需求量。

2）水库（Reservoir）

在WEAP模型中，水库以节点描述，通过输入总库容、初始库容、容量高程曲线、净蒸发和下渗量来确定物理条件。其中，水库的净蒸发（负值代表水量增加）用式（2.9）描述：

水库净蒸发＝水库水面蒸发－水库水面降水　　　　（2.9）

在WEAP模型中，水库库容被分为四个区，从下到上为：死库容、缓冲区（调蓄区）、保护区和防洪区，见图2.1。保护区和缓冲区一起构成水库的使用库容。WEAP将保证防洪区总是空的，即水库中的水量不能超过保护区顶。当库存水位在保护区上限以下时，水库将被像需求点一样对待，所以WEAP模型除为满足下游需求以外不会排水，并在有剩余地表水时试图为其充水。

图2.1　WEAP模型中的水库分区

3）地下水（Groundwater）

进入地下水节点的水量可以来自自然入流、集水盆地的入渗、需求点和废水处理厂回流、与河流的交互作用等。地下水供水节点可以与任何数目的需求点相连。用户指定到每个连接的择优顺序来安排取水。需求点和废水处理厂回流可以返回到地下水源。

WEAP模型可以通过水量平衡原则来追踪地下水储量的变化。在很多流域，地表水和地下水在水力上是连通的。根据潜水层地下水位的高低，一条河流可以补给地下水（“损失”型河流）或从地下水含水层获得补给（“补给”型河流）。地下水位对来自降水的天然补给做出响应，同时也可以受流域灌溉的影响。一部分灌溉用水补给到地下潜水中而非被所灌溉的作物利用。WEAP模型可以通过指定地下水流入特定河流或河段的量，或通过地下水位月河流湿深度（即河流的深度）之间的高程用模型模拟的方法来模拟地下水与地表水之间的交互作用。

模拟的第一个月的地下水节点储量作为数据指定，月末储量等于月初储量加上天然补给入流、需求点回流及河流河段的亚表层流，减去需求点取水和流入河流河段的亚表层流。

Q月末＝Q月初＋∑Q回＋W入－∑Q入－W出　　（2.10）

式中，Q月末——地下水月末储量（m3）；Q月初——地下水月初储量（m3）；Q回——需求点回流进入地下水的水量（m3）；W入——河道进入地下水的水量（m3）；W出——地下水进入河道的水量（m3）；Q入——输送连接进入地下水的水量（m3）。

为满足需求要求从潜水层取水的量是在系统中所有其他需求与供给的背景下决定的。可以设置从潜水层的最大取水量，来模拟井的月抽取能力，也可以设置其他可以限制取水的潜水层特点。

4）河流（River）

在WEAP模型中，可以指定河流的源流来确定河流的流量，河流的分支通过分流（Diversion）来表示，用水需求点可以在河流或分流上建立节点（River　Nodes）以连接获取地表水满足用水要求，同时可以设置最大流量来限制输送连接（Transmission　Links）的流量。在河流上，可以设置流量要求以限制河流最小流量，可以放置流量测站（Streamflow　Gauge）输入实际流量与模型模拟值进行对比以实现对模型的校准，也可以放置过水河流发电（Run　of　River　Hydropower）通过两端的落差运算发电量。河流和分流是水资源的主要载体，是WEAP模型模拟的物理基础。

源流的值可以指定为来自一个集水盆地，用FAO或土壤湿度方法计算；直接以水文年法、从文件读取方法、或表达式输入的数值。

5）输送连接和回流连接（Transmission　Links　and　Return　Links）

在WEAP模型中，节点与节点之间需要通过输送或者回流进行连接。两者都是以水流连接的方法表示。

在从供水水源到需求点的输送连接上，输到需求点的水量（即输送连接的出流）等于从水源的取水量（即输送连接的入流）减去连接内部的任何损失。

Q出流＝Q入流－Q损失 　　　　　　（2.11）

Q损失＝ξ×Q入流

式中，Q出流——输送连接的出流量（m3/s）；Q入流——输送连接的入流量（m3/s）；Q损失——输送连接的损失量（m3/s）；ξ——输送连接的损失量（m3/s）。(www.xing528.com)

需求点回流连接从需求点将废水输送到目的地废水处理厂或河流。流入该连接的量是需求点回流的一部分（出流减去至需求点回用的部分）。

Q出流＝Q入流－Q损失

Q入流＝α×Q总量

Q损失＝β×Q入流 　　　　　　　　（2.12）

式中，Q出流——需求点回流连接的出流量（m3/s）；Q入流——需求点回流连接的入流量（m3/s）；Q损失——需求点回流连接的损失量（m3/s）；Q总量——需求点回流总量（m3/s）；α——需求点回流比例；β——需求点回流连接损失率。

6）集水盆地（Catchments）

集水盆地是指降水的汇集处，会产生径流、下渗。WEAP模型中集水盆地以节点描述，根据指定降水、蒸发、土地利用、是否灌溉等情况对整个集水过程进行模拟。

对于一个集水盆地，可以选择三种不同方法计算用水（包括降雨和灌溉）、农业和其他土地覆被上的径流和入渗：

FAO作物需求法（雨养或灌溉）注重于作物生长，并假定简化的水力和农业水力过程（也可以包括非农业作物）。来自这些过程的径流可以转回河流或地下水节点。它是仅考虑灌溉需求的方法，利用作物系数计算集水盆地内蒸发蒸腾潜势，然后确定降雨无法满足的蒸发蒸腾需求部分需要的灌溉量，它不模拟径流或下渗过程。

土壤湿度法包括一个一维两层土壤湿度计量方案，用于计算流域单元的蒸发蒸腾、地表径流、亚表层径流（即层内流）和深层渗流。该法允许对土地利用或土壤类型对这些过程的影响进行描述。在深部土层中模拟到河流的基流和土壤湿度变化。土壤湿度法在模拟这些过程时要求更广泛的土壤和气候参数。

降雨径流法利用作物系数确定灌溉和雨养作物的蒸发蒸腾，降雨未被蒸发蒸腾消耗的剩余部分在模拟中成为到河流的径流，或被分为到河流的径流和通过集水盆地连接流入地下水的部分。

2.3.2　WEAP模型运算流程

WEAP模型主要实现供水、需水和水质的水资源系统模拟，综合考虑了水资源的需求端与供给端，在对水资源系统概化的基础上，进行计算与分析。WEAP的应用通常包括几个步骤：①系统定义设置时间跨度、空间界限、系统组分和问题结构；②现状基准提供系统的实际用水需求、污染负荷、资源和供给的当时情况；③关键假设可在现状基准中出现，用于代表政策、成本和影响需求、污染、供给和水文的因素；④预案设计建立在现状基准之上，用户可以此探寻可替代假设或政策对未来水的供应和使用情况的影响；⑤就水的充足程度成本和效益、与环境目标的兼容性及对关键变量不确定性的敏感程度对各预案进行评估。基本流程见图2.2。

1）系统定义

建立WEAP模型前，首先要对WEAP系统进行定义，主要包括设置时间跨度、空间界限，建立水资源系统的“节点”和“连接”，生成模型的框架。

图2.2　WEAP模型运行流程

（1）设置时间跨度：主要包括设置时间范围、时间步长和水文年起始。其中，时间范围是指现状基准年和预案的最后一年，WEAP模型将从现状基准年的第一个月到最后一年的最后一个月进行逐月分析；时间步长是指将一年分成若干个时间段，每个时间段的长度可以日历月为基础，也可进行手动设置；水文年起始是指一年的起点，可以是任一时间步长点，模型将以该步长点作为模型水文年的起始点。比如以2000年为现状基准年，预案的时间范围为2000年到2005年，每年分为12个时间步长，以日历月为基础，从1月份开始。

（2）设置空间界限：在进行水资源系统组分前，需要先设定整个研究区域所在的地理范围。

（3）建立模型节点图：将实际的水资源系统概化为由节点和相互关联的连线组成的网络。节点有需求点、地下水、水库等；输送连接通过各节点，代表着自然或人工渠道、水管等。

2）现状基准设置

现状基准代表水系统现状的基本定义，它是对现状基准年的水资源系统数据和运行情况的准确描述。现状基准是研究的第一年逐月的供给和需求数据的详细说明，包括水库、处理厂、产生的污染等，以及河流、渠系的系统损失、地下水补给入渗等数据。模型通过现状基准年的详细数据，预设模型参数。它是所有预案的基础。

3）情景预案设计

未来假设是基于政策、成本、技术进步和影响需求、污染、供给和水文的其他因素而提出的对未来情况的一种预测。情景预案是关于在特定的社会经济背景和一系列特定的政策和技术条件下，未来系统如何随时间演变的描述，它建立在一系列未来假设之上。

预案分析是WEAP的核心之处。WEAP可以生成并比较预案，以评价不同预案的需水、成本和环境影响。所有预案都从现状基准年起始，可以涉及范围广泛的“如果……那么……”问题，比如：如果人口增长和经济发展模式发生变化那么会发生什么？如果地下水被更充分地开发会怎么样？水库库容逐年减小会怎么样？实施高效的节水灌溉技术会发生什么？农作物构成发生变化时会怎么样？

2.3.3　运算法则

WEAP模型采用线性规划方法求解能最大化满足需求点的最优解，以月为间隔计算系统中每个节点和连接的水和污染物质量平衡。水被分派去满足河道内和消耗性要求，受需求优先顺序、供给择优顺序、质量平衡和其他限制约束。

WEAP以月为时间间隔（步长）运算，从现状基准年的第一个月计算到预案最后一年的最后一个月。每个月都独立于前面的一个月，水库和地下水储量除外。因此，在一个月中，所有进入系统的水（如源头来水、地下水补给或到河段的径流），或者储存在潜水层、水库中，或者在月末之前离开系统（例如，河流末端的出流、需求点消耗、水库或河段蒸发、输送及回流连接损失）。由于时间尺度相对较长（月），所有流量被假定瞬时出现。因此，一个需求点可以从河流取水，消耗一部分，将其余部分返回到废水处理厂加以处理，返回到河流。该回流可为下游需求点在同一个月所用。

每个月计算遵循以下次序：

①需求点和流量要求的年需求和月供给要求。

②集水盆地径流和下渗，假定（目前还）没有灌溉入流。

③系统中每个节点和连接的水的入流和出流。这包括计算从供水水源取水以满足需求和分派水库存水。该步骤由线性规划（LP）求解，试图优化需求点和河道内流量要求满足度，受需求优先顺序、供给择优顺序、质量平衡和其他限制。

④需求点产生的污染物，污染物的量和处理，受体水体负荷，河流中浓度。

⑤水力发电。

⑥资本和运行成本及收入。

1）连接规则

在WEAP模型中，需求点按需求优先顺序和供给择优顺序配水。WEAP可以对不同的需求点设定不同的用水优先级，也可以对具有多水源的需求点设定它对不同水源的偏好。在进行水资源分配时，WEAP首先根据各需求点的需求优先顺序配水。优先顺序最高的点首先得到供水，然后是优先顺序较低的点。该系统在水资源出现短缺的时期能够保证优先顺序最高的用水得到满足。当有足够的水满足所有需求时，需求优先顺序则不必要。当一个需求点与多个水源相连时，需要确定各种水源的供水构成。模型将尽可能从供给择优顺序高的水源取水来满足需求点的要求，仅在该水源水量不足时，才使用优先顺序较低的供给水源。

2）质量平衡约束

质量平衡方程是WEAP模型中水的月收支计算的基础：总入流等于总出流减去消耗。WEAP中的每个节点和连接都有一个质量平衡方程，在线性规划中形成质量平衡约束。

∑Q入流＝∑Q出流－∑Q消耗　　　　　　　　（2.13）

式中，Q入流——某一时段内进入节点的流量（m3/s）；Q出流——某一时段内流出节点的流量（m3/s）；Q消耗——某一时段内进入节点的过程中的损耗（m3/s）。

3）满足度

满足度是需求被满足的百分比，是为每个需求点生成的一个新的线性规划变量。WEAP的目标是最大化所有需求点的满足度。在没有足够的水满足优先顺序相同的所有需求时，WEAP试图以其需求的相同百分比满足所有需求。

∑Q入流＝Q需水×ω　　（2.14）

式中，Q入流——某一时段内进入节点的流量（m3/s）；Q需水——节点的需水量（m3/s）；ω——满足度，即满足节点需水量的比例。

2.4　极端旱情条件下水资源应急调配原则和目标

2.4.1　应急调配原则

为实现水资源的充分利用，并在保证满足生活用水需求的基础上，实现社会、经济和生态效益的最优，模型的建立原则为：

（1）极端干旱条件下，供水顺序首先为生活用水，其次是生产用水，最后是生态用水。

（2）根据现阶段农牧区的经济条件和灌区基础设施状况，把改进常规的地面灌溉方法作为主要的节水措施。

（3）将地表水天然径流量和地下水可开采量作为一次性分配水源，按照国民经济需水、河道内水量损耗、水库蒸发下渗损失和生态需水等进行一次性水量配置。

（4）塔河流域内生活用水和工业用水量不大，其总量在地下水可开采量范围内，这两项需水量均由地下水源供给满足。流域内天然植被主要由地下水供给，地下水开采以生活、工业供水为主，农业灌溉要从严控制对地下水的开发利用。塔河干流区则不再考虑生活用水、牲畜用水和工业用水量。

（5）实际情况表明，叶尔羌河已长期不向干流供水且供水时也无法满足下游

要求目标，干旱年时下游河道更是无水，为了保证特殊干旱年情况下的流域生活生产，生态环境需水量不再考虑。塔河干流来水以阿克苏河流域为主，叶尔羌河、和田河流域与开－孔河流域为辅助性供水。塔河干流区最小生态环境需水量要优先保障，包括河道内生态基流需水量与塔河干流区天然植被需水量。塔河干流地处沙漠边缘，生态环境十分脆弱，天然植被需水量能否得到满足将直接影响自然绿洲和沙漠化的发展。

2.4.2　应急调配目标

根据水资源优化配置的可持续发展原则，水资源优化配置既要注重经济发展，又要注重社会效益和生态效益［49］。因此，本次研究的目标函数有社会目标、经济目标、生态目标三个方面。

1）社会目标

各水平年各分区各需求点的满足度最大。

式中，k——分区数量；J（k）——第k分区的用水部门数量；i——供水水源数量；Dkj——区域在k分区第j用水部门的需水量（万m3），xijk——区域第i供水水源给第k分区第j用水部门的供水量（万m3）。

2）经济目标

各分区工业用水产生的直接经济效益最大

式中，m——工业万元产值（万元/m3）；xijk——区域第i供水水源给第k分区第j工业的供水量（万m3）。

3）生态目标

流域分区地下水开采量最小。

式中，Ci——第i分区的地下水全年开采总量（亿m3）。

2.5　应急调配方案评价模型

水资源调配方案优选，是一个多目标决策问题，就是要对各个调配方案作出详尽的分析，根据一定的评价准则进行比较、排序和择优。

本书水资源应急调配研究采用满意度［50］来评价各方案。满意度计算对应三个指标：满足度、工业产值和地下水开采量，其中，满足度和工业产值越大越好，而地下水开采量是有一定限度的，过度开采地下水会影响流域的生态环境，故地下水开采量越小越好。

设Pi（i＝1，2，3）为第i目标的满意度，其中，0≤Pi≤1。式中，Ex、Cx——生产总值、地下水开采总量的期望值。

为使有限的水资源获得社会、经济、生态环境三者之间的综合效益最大化，建立了综合效益满意度评价模型，将社会效益、经济效益和生态效益三个目标的满意度转化成一个单个目标的综合满意度，函数表达式如下：式中，ω1、ω2、ω3——社会效益、经济效益、生态效益的权重，且ω1＋ω2＋ω3＝1；P——综合效益满意度函数，P1、P2、P3分别表示社会效益、经济效益、生态效益满意度函数。

采用三标度法［51］确定社会效益、经济效益和生态效益的权重。三标度法是对传统的层次分析法的一种改进，使判断矩阵简化、使用简单，避免了层次分析法构建判断矩阵时权重选择的模糊性。三标度法计算权重步骤为：

（1）建立比较矩阵D＝（dij）3×3

（2）计算重要性排序指数ri

2.6　本章小结

综述了塔河流域干旱的特点并深刻分析了干旱的成因，选取了河川径流量的SRI作为干旱评价指标，划分了干旱等级标准。

系统阐述了水资源系统的基本概念及构成，详细介绍了WEAP模型的结构和计算流程。

明确了本书所采用的应急配置的原则和目标，建立了水资源应急调配方案评价模型。

从水库、灌区、工农业和城乡生活用水等方面系统阐述了水资源系统的基本概念及构成，详细介绍了WEAP模型的理论、结构、计算方法及应用前景；确定了本研究采用的应急调配原则与目标，建立了塔河流域应急调配方案评价模型。