祁连山空中云水资源开发利用效益预测与评估，本文主要内容关键词为：水资源论文,开发利用论文,效益论文,祁连山论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
祁连山是我国著名高大山系之一，东起乌鞘岭，西止当金山口，由7条大致平行的走向为北西南—南东东的高山和谷地组成，长约1200km，宽250～300km，面积为
。在海拔4000m以上的许多地区，终年积雪，孕育着现代冰川，祁连山冰雪、降水和地下水所形成的径流，每年有72.7×10[8]m[3]的出山水通过石羊河、黑河、疏勒河三大内陆河水系，灌溉着 70×10[4]hm[2]商品粮基地，养育着400×10[4]河西人民[2]。
祁连山出山径流主要由冰雪融水、降水和地下水形成，其中，地下水和冰雪融水补给形式实质上也是大气降水经过特殊产汇流条件转化[3]。因此，祁连山区大气降水对于祁连山出山径流形成有着要作用，对于完全依靠祁连山出山径流维持和发展的山前河西走廊地区更有着举足轻重的作用。
祁连山处于青藏高原北缘，受高原的影响，不断有来自孟加拉湾的暖湿气流向高原输送，这一水汽输送带为祁连山区提供了大量的富含水云层，使这一地区云水资源异常丰富[4]。因此，对该区进行云水资源开发利用将对山前走廊的社会经济产生巨大的效益。目前，甘肃省正在进行祁连山云水资源开发利用工程，对该工程产生的影响和效益进行合理的预测和评价对于进一步在干旱地区进行高效有益的水资源开发，缓解当地水资源严重匮乏现状具有重要意义。
1 河西走廊概况
河西走廊为夹峙于祁连山和走廊北山之间的狭长平原，面积约
，分为石羊河、黑河和疏勒河互不相连的3个内陆河流域区。走廊地区为祁连山出山径流的主要消耗区，灌溉农业发达，是我国重要的商品粮食基地，但也是全国最干旱的内陆区之一[5]，目前随着水资源的过度开发利用，水资源短缺日益严重，已成为制约河西走廊地区社会经济发展的关键因素之一。由于河西走廊水资源主要由祁连山区出山地表径流及地下径流构成[3]，因此，在祁连山区积极开发云水资源，对河西走廊地区社会经济发展具有重要作用。河西走廊各流域水资源及社会经济状况见表1，资料源于2003-2004年甘肃统计年鉴及水文站资料。
2 空中云水资源开发利用效益评价指标体系
2.1 评价指标选择建立原则
空中云水资源开发利用是一个复杂的多层次系统，仅仅用一个指标无法正确地进行评价，必须综合分析评价目标，选用多个指标才能全面反映，这就涉及到多指标综合评价研究，对于此类问题，一般首要的是构建指标体系，而指标体系建立则必须遵循综合性、主导性、易操作的原则。
2.2 空中云水资源开发利用效益评价指标体系
空中云水资源开发利用效益主要包括生态效益、经济效益和社会效益，因此，评价指标体系也从这几方面建立。目前对水资源开发利用效益进行系统合理评估方面的研究较少，因此，本文在系统分析祁连山空中云水资源开发利用所产生的影响后，参考相关研究成果[6]，建立了包括25项指标的评价指标体系。
2.3 指标的无量纲化处理
由于评价中各指标大小及量纲差异悬殊，因此须进行无量纲化处理，指标无量纲化有多种方法，在此，根据评价目标及数据结构选择“极小化”处理方法[7]对各指标数据进行无量纲化处理，即
2.4 指标权重的确定
指标体系建成后，各指标权重系数的确定对于最后的评价具有重要作用，用于指标赋权的方法很多，主要有灰色关联度法、层次分析法、人工神经网络法等。其中，由美国运筹学家T.L.Saaty提出的层次分析法[21]，由于能够把复杂的问题分解为不同的组成因素，将因素按不同层次聚集、组合，形成一个多层次的分析结构模型，最后把系统分析归结为最低层相对于最高层的相对重要性权值的确定，因此得到广泛应用，其具体步骤包括建立指标的递结层次结构（图1）、构造两两比较判断矩阵、计算指标权重及进行一致性检验[8]。
图1 空中云水资源开发利用效益评价指标体系
Fig.1 Synthetic beneficial assessment index system of cloud and air water resource exploitation
3 祁连山空中云水资源开发利用效益评价
3.1 祁连山空中云水资源开发利用对河西走廊水资源及社会经济的影响
空中云水资源开发主要通过人工增雨作业实现，使空中水转化为山区降水。人工增雨作业从开展以来，逐渐成为各国缓解当地干旱的主要途径，我国也从1958年开始展开人工增雨试验，均取得显著成果。目前，国内外进行的人工增雨试验降水效果在10%～25%之间[9～11]，祁连山区附近及祁连山区进行的人工增雨作业试验效果也在15%～26.4%[4]。
有关通过人工增雨对出山径流的影响方面的研究较少，但国内通过利用不同的模式讨论气候变化（包括气温和降水量的变化）对径流影响的研究较多[12～19]，即运用不同的气候模式，在不同的气候情景条件下对出山径流未来的变化趋势进行预测和判断，因此此处可借助这一方面的研究成果估测人工增雨对出山径流的影响。另外，由于区域自然地理概况和径流形成过程间的差异，不同的流域径流对气候变化的响应也存在差异，因此本文采用康尔泗有关西北干旱区内陆河流域径流对气候变化的响应模拟结果[15,20,21]。
康尔泗根据中国西北干旱区流域径流形成过程和特征，应用改进后的HBV概念性水文模型，建立了用以模拟西北干旱区内陆河流域出山月径流量对气候变化响应的模型，并以河西走廊黑河山区流域为例，对不同的年平均气温和年降水量的变化趋势条件下出山径流的响应进行了模拟计算。结果表明，黑河流域若气温保持不变，当降水增加10%，径流量将增加5.27%，降水量增加20%，径流量将增加12.35%[15,20,21]。由于石羊河流域和疏勒河流域同黑河流域地理位置、气候背景及径流形成过程较为相似，因此，本文将这一结果应用于整个流域。
根据康尔泗的结果，本文分别估计祁连山通过人工增雨作业降水量将增加10%时和 20%时，出山径流的增加对河西走廊社会经济的影响（表2）。
由于河西走廊独特的地质条件，形成了地表水和地下水间的频繁的转换关系，其水资源总量主要是出山径流形成[3]，因此，在此可根据祁连山区降水量和出山径流量的增加，估算祁连山区人工增雨后河西水资源总量。
另外，水资源主要通过工农业用水、生活用水及生态环境用水三种用途被消耗。据统计，近年河西地区这三种水资源消耗方式比例分别为河西49.5:1:1.8，其中疏勒河88.4:1:5.4、黑河79.0:1:2.8、石羊河37.7:1:1，将各流域增加的水资源量依次比例分配至工农业、生活及生态环境用水中，即可分别估算各流域及整个河西地区增加的工农业用水、生活用水及生态环境用水；河西地区工农业用水比例为河西1:22.52、疏勒河1:15.69、黑河1:28.11、石羊河1:22.32，依此比例可分别估算河西地区增加的工业用水及农业用水，然后可根据河西地区工农业耗水定额（表1）估算相应流域增加的工业总产值和农田面积。河西地区农村生活用水与城镇生活用水比例依次为河西1.71:1、石羊河2.51:1、黑河2.07:1、疏勒河0.56:1，按照各流域目前人口及前面估算的生活用水增加量，在祁连山云水资源开发后，则农村生活用水和城镇生活用水定额也将增加。其他如林草面积、人均收入、粮食产量、农产品占有量、人均水资源量等也均依上述方法进行估算预测，在此，为了计算方便，人均收入以工农业总产值和人口的比值表示，农产品人均占有量以粮食产量和人口的比值表示，最终结果如表2所示。
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3.2 祁连山空中云水资源开发利用效益指标体系和指标权重确定
由于资料获取和对开发后影响预测的限制，在前文建立的空中云水资源开发利用效益评价指标体系中仅选取了11项指标作为评价祁连山空中云水资源开发利用效益的指标体系（表3），并采用层次分析法确定了各级指标的权重值（表3），在计算各指标权重过程中所建立的两两比较判断矩阵均符合一致性要求。
3.3 各类评价指标数据无量纲化
按照公式(1)对表1及表2所列出的目前河西走廊地区水资源和社会经济状况数据及祁连山空中云水资源开发后的各指标预测数据进行无量纲化处理，其数据矩阵如下：
其中，
指目前、降水增加10%和20%的情况，i为指标。
3.4 祁连山空中云水资源开发利用效益评价
采用加权求和模型对祁连山空中云水资源开发利用效益进行评价，其具体计算公式[22]如下：
式中，E[,j]为云水资源开发前后效益；y[,ji]为指标无量纲化后的数据；W[,i]为指标权重。据此，祁连山空中云水资源开发利用效益评价结果如表4。
通过祁连山云水资源开发效益量化评价（表4）可见，随着云水资源开发，对山前走廊的社会、经济、生态效益均显著增加。当祁连山区通过人工增雨，降水增加10%时，预估河西地区综合效益提高了5.3%，降水增加20%时，预估各流域综合效益提高了12.5%。
4 结论与讨论
本文通过对空中云水资源开发利用效益进行系统分析，从经济效益、社会效益和生态效益角度建立了评价云水资源开发利用效益的指标体系、指标无量纲化方法及评价模型，同时依据前人研究成果对祁连山区通过人工增雨方式对径流的影响作了阐述，在此基础上，按照目前水资源分配比例和社会经济结构对云水资源开发利用后山前走廊各流域水资源状况、社会经济状况进行了预测，并继而对祁连山空中云水资源开发利用效益进行了评价。结果显示祁连山空中云水资源开发对山前走廊水资源及人民收入、工农业产值均有显著增加。目前，云水资源开发利用的主要方式就是人工增雨，未来，随着社会科学技术发展，人工影响天气技术越来越成熟，祁连山云水资源的开发对于山前走廊地区必将发挥越来越重要的作用。
另外，本文建立了评价云水资源开发利用效益的指标体系，基本上涵盖了包括社会、经济、生态效益共25项指标。由于资料和预测方法的限制，在评价祁连山空中云水资源开发利用效益时仅选用了11项指标，但云水资源的开发利用对其它方面（如反映生态效益的土壤、气象状况等指标和反映社会效益的部分指标）也必然产生直接或间接的影响，由于这些指标的变化还受到其它如政策调控、人为因素等影响，因此在此无法准确预测云水资源开发利用后的状况。以后，随着研究的深入和预测方法的改进，云水资源开发利用对生态环境及社会经济的影响及影响大小将逐渐明确，对祁连山空中云水资源开发利用效益会进行更完善、更准确的评价，这还需要进一步探讨。