**基于多水库联合调度的干旱区高输水损失流域水资源配置：效率与公平的权衡**

《Ecological Indicators》：Water allocation leveraging multi-reservoir operation for arid basins with high conveyance losses: Trade-off between efficiency and equity

　　

干旱区水资源是制约社会经济发展和生态保护的决定性因素。与湿润和半湿润地区相比，干旱流域的水资源配置表现出更鲜明的特征和更大的复杂性。有限的水资源导致严重的供需失衡和用户间的激烈竞争，因此需要在水资源配置中仔细权衡效率与公平。同时，干旱区河流具有高蒸发和显著渗漏的特点，长距离输水过程中产生大量输水损失（conveyance losses）。以公平为导向的配置方案需向更远的下游用户输水，这进一步放大了这些损失并降低了整体用水效率。因此，干旱区水资源配置的一个核心挑战在于，如何有效利用水库调蓄能力，在考虑高输水损失的条件下，实现效率与公平之间的平衡。为此，研究人员开发了一个集成的水资源配置框架，利用多水库优化调度（multi-reservoir optimal operation）来平衡高输水损失干旱流域的效率与公平。该模型量化了三种配置情景下效率、公平和输水损失之间的相互作用：效率优先（efficiency-prioritized）情景、公平优先（equity-prioritized）情景以及兼顾两者的平衡（efficiency-equity balanced）情景。研究人员选取塔里木河流域（Tarim River Basin, TRB）作为研究案例，该流域是中国最大的内陆河流域，具有典型的干旱条件和高输水损失特征。

研究背景、问题与研究动机：干旱区覆盖全球约41%的陆地面积，承载着全球38%以上的人口和约44%的农田，其中约90%的人口生活在中低收入国家。水资源是制约干旱区社会经济发展和生态保护的决定性因素。与湿润和半湿润地区相比，干旱流域水资源配置面临两大突出挑战。第一，有限的水资源导致严重的供需失衡和用户间激烈竞争，需在水资源配置中权衡效率与公平。第二，干旱区河流以高蒸发和显著渗漏为特征，长距离输水过程中产生大量输水损失；以公平为导向的配置方案需要向距离更远的下游用户供水，这会进一步加剧输水损失、降低整体用水效率。因此，一个核心挑战在于如何有效利用水库调蓄能力，在考虑高输水损失的条件下，实现效率与公平之间的平衡。已有研究虽然在水资源配置模型构建和多目标权衡方面做出了重要贡献，但对效率与公平权衡的分析主要集中在初始水权、需水满足程度和经济效益等角度，尚未从河道输水过程中产生的输水损失这一视角来解析效率与公平的权衡关系。为此，研究人员聚焦塔里木河流域——中国最大的内陆河流域、世界第五大内陆河流域，流域面积1.02 × 10⁶ km²，灌溉农田面积3.0 × 10⁴ km²，平原区年均降水量仅116.8 mm，潜在蒸散发量高达1200–2200 mm，河道年均输水损失达88.49 × 10⁸ m³，具有典型的干旱条件和高输水损失特征。

研究内容与意义：研究人员构建了基于多水库联合调度的效率-公平水资源配置模型，包含多水库调度模块和多用户配置模块两个核心组成部分，将水资源配置的效率和公平作为引导多水库调度运行的主要目标。通过设计效率优先、公平优先以及效率-公平平衡三种配置情景，量化了不同情景下效率、公平与输水损失之间的相互作用，揭示了高输水损失干旱流域水资源配置中效率与公平的权衡机制，并提出相应的管理建议。该研究为全球干旱内陆河流域的水资源管理提供了方法学参考和可推广的分析框架。

主要技术方法：（1）采用混合整数线性规划（Mixed-Integer Linear Programming, MILP）方法构建水资源配置模型，并使用Gurobi优化求解器进行求解，保证了高计算效率和强求解可靠性。（2）对于效率-公平多目标模型，采用min–max归一化消除两个目标量纲差异后，使用线性加权和法（linear weighted-sum method）以0.1为步长设置11组权重组合，将多目标问题转化为一系列单目标MILP问题求解，形成表征效率-公平权衡的帕累托最优集（Pareto-optimal set）。（3）采用欧氏距离法（Euclidean distance method）在归一化目标空间中计算各候选解到理想点的距离，据此从帕累托最优集中筛选出效率-公平平衡解。（4）数据来源方面，研究使用当地水文部门审核提供的1972–2021年共50年（600个月）的月径流数据，灌溉需水和生态需水数据由当地水资源管理部门根据社会经济发展和生态环境保护需求综合确定，所有输水损失系数由当地水文部门校核提供。

研究结果：

效率优先情景下的水资源配置结果：在此情景下，全流域灌溉年均总缺水为6 × 10⁸ m³，灌溉缺水率总体较低，为3.6%，但各河段间差异显著。塔里木河干流（TarimMS）和开孔河（Kaikong）灌区缺水率分别高达30.6%和6.7%。塔里木河干流缺水主要源于缺乏本地径流，依赖源流远距离输水导致供给有限；开孔河缺水则因该河段还需满足干流末端农业用户和生态用户的需求。灌溉缺水随与水源距离增加而递增，上游灌区缺水率极低，下游缺水严重，终端台特玛湖（Taitema Lake）年均入湖流量0.4 × 10⁸ m³，主要由车尔臣河（Qarqan River）补给。全流域河道年均输水损失为62.01 × 10⁸ m³，占总来水量的24%；平原水库（含博斯腾湖，Bosten Lake）蒸发损失相对较小，年均16.58 × 10⁸ m³。

公平优先情景下的水资源配置结果：在公平优先情景下，叶尔羌河、阿克苏河、和田河、开孔河、车尔臣河及塔里木河干流灌区的年均缺水率全部均等，均为6.1%，实现了全流域供水公平。但全流域灌溉年均总缺水增至10.18 × 10⁸ m³，较效率优先情景增加4.18 × 10⁸ m³；河道年均输水损失增至67 × 10⁸ m³，增加4.99 × 10⁸ m³。下游缺水的缓解以上游灌区供水减少为代价，阿克苏河和叶尔羌河灌区缺水增幅最大。在源流向干流的汇入方面，阿克苏河因输水损失系数相对较低，年均汇入干流水量增加最多，达3.16 × 10⁸ m³，占全流域汇入增量62.7%。塔里木河干流段输水损失增幅最大，年均增加2.43 × 10⁸ m³，占全流域输水损失总增量的46.9%。

效率-公平平衡情景下的水资源配置结果：帕累托前沿呈明显内凹形态，表明效率与公平之间存在显著的非线性权衡与协调关系。通过欧氏距离法确定的平衡点P对应的效率-公平平衡解，其效率目标权重为0.6、公平目标权重为0.4。在平衡情景下，全流域灌溉年均总缺水仅比效率优先情景增加0.93 × 10⁸ m³，干流缺水从3.14 × 10⁸ m³降至0.99 × 10⁸ m³，各源流输水损失年增幅均控制在0.2 × 10⁸ m³以内。当公平目标权重从0增至0.4时，最大缺水率差异降低21.5%，而总缺水和输水损失仅小幅增加；当公平权重超过0.8时，虽实现供水绝对公平，但输水损失升至67 × 10⁸ m³，占总来水26%，进一步加剧全流域缺水。输水损失系数的敏感性分析显示，将各河段输水损失系数分别调整为基准值的90%和110%后，帕累托前沿分布趋势总体一致，平衡点P均位于对应帕累托最优集中部，输水损失系数变化仅影响配置结果的具体数值，不改变效率-公平权衡的基本格局。

总结与讨论：在有限天然来水条件下，优先向靠近水源的灌区供水可缩短输水路径、降低输水损失并提高流域整体配置效率，但会拉大上下游灌区间供水差距。随着公平目标权重增大，需向更远的下游和干流灌区输送更多水量，导致输水路径延长、输水损失增大的效应进一步凸显，最终削减农业灌溉可用水量。因此，在高输水损失干旱流域，提升供水公平往往伴随一定的效率损失。研究提出的效率-公平平衡情景可在维持全流域缺水和输水损失处于较低水平的同时，有效缩小灌区间的供水差距，实现效率与公平的兼顾。对输水路径差异的分析进一步表明，输水距离和河道输水损失率是影响用户有效供水的关键因素，据此提出管理建议：各用户应优先就近取水以减少输水损失，多水源用户应优先利用输水损失率较低的河流。

研究结论：本研究聚焦塔里木河流域五条源流和干流组成的水资源系统，建立了基于多水库联合调度的效率-公平水资源配置模型，揭示了高输水损失干旱流域水资源配置中效率、供水公平和河道输水损失三者之间的权衡关系。结果表明，在有限天然来水条件下，优先向距水源较近的灌区供水虽可缩短输水路径、减少河道输水损失并提高流域配置效率，但会加大上下游灌区的供水差距。公平优先情景可实现各灌区供水公平，但输水距离的延长和输水损失的增大导致有效灌溉水量减少。利用欧氏距离法确定的平衡配置方案可在维持较低流域缺水和输水损失的同时，缩小灌区间供水差距，实现效率与公平的兼顾。未来研究方向应聚焦于枯水年流域水资源调度的效益补偿机制，特别是因配合整体效率调度而承受损失的下游用户的经济补偿机制，并将动态经济补偿变量纳入水资源优化配置模型。