水利水电技术 第 !"卷 #$$!年第 #期
左其亭等!博斯腾湖水资源可持续利用调度系统水利水电技术 第 !"卷 #$$!年第 #期
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收稿日期：!""!#"$#!%
基金项目：国家重点基础研究发展规划项目（&’(((")*+",），河南省科
技攻关计划项目（"!!)%%""*"），河南省!""!年软科学基金
项目（"!’*"’"(""），河南省!"""年杰出青年基金资助项目-
作者简介：左其亭（’(%$—），男，河南固始人，工学博士，副教授-
!摘 要" 从博斯腾湖实际出发，以可持续发展为原则，分析了博斯腾湖调度问题，包括兴利调节、洪
水调节以及优化调度等；确定了该湖泊合理运行的特征水位和特征库容，包括死水位、正常蓄水位、防洪
限制水位、非常洪水位等；绘制出常规调度图，研究了湖泊优化调度问题，探讨满足水资源可持续利用的
调度途径和方案，确定出湖泊优化调度函数，实现了湖泊水资源可持续利用；开发出博斯腾湖水资源可
持续利用调度系统软件-
!关键词" 博斯腾湖；可持续利用水资源；调度系统；调节计算；优化调度
中图分类号：./!’*（!)+） 文献标识码：0 文章编号：’"""#",%"（!""*）"!#"""’#")
博斯腾湖水资源可持续利用调度系统
左其亭’，夏 军!，邵民诚*，陈跃滨*
（’-郑州大学 环境与水利工程学院，河南 郑州 )+"""!；!-武汉大学 水利水电学院，湖北 武汉 )*""$!；
*- 新疆维吾尔自治区 巴州水利局，新疆 库尔勒 ,*"""’）
博斯腾湖是目前我国最大的内陆淡水湖泊，自
!""" 年 + 月到 !""! 年 ’" 月，成功实现了“博斯腾湖
向塔里木河四次输水”的任务，共输水 ’$-,1’", 2*- 下
游断流 *!" 32的塔里木河现在已开始恢复生机- 博斯
腾湖向塔里木河紧急输水，成为干旱区水资源合理配
置、生态环境保护、跨区域输水的典范，在干旱区具有
普遍的指导意义，也得到国内外专家的肯定- 博斯腾湖
是一个湖泊，在某种意义上，又具备一般水库的作用，
是一个不完整的天然调节水库- 它不但要保持作为湖
泊的水文生态作用，还要承担像一般水库那样具有水
资源调节、供水、防洪、发电等功能- 在这种复杂条件
下，如何科学调控该湖泊水资源就成为一个难点问题-
! 概 况
博斯腾湖位于天山南麓，焉耆盆地的东南，属中生
代断陷湖，见图 ’，该湖泊水域辽阔，东西长达 ++ 32，
南北平均宽 !" 32- 在水位 ’ "),-$+ 2时，水面面积为
’ ""!-) 32!，容积为 ,,1’", 2*- 在水位 ’ "),-$+ 2 时，
平均水深为 ,-, 2，最深为 ’$ 2，湖盆呈深碟状- 湖区
深居欧亚大陆中心，光照充足，热量丰沛，空气干燥，雨
量稀少，为强烈内陆沙荒漠气候- 湖区多年平均降水
量为 %,-! 22，年蒸发量为 ’ ,""4! """ 22-
博斯腾湖分为大、小两个湖区，大湖区是湖体的主
要部分- 流入博斯腾湖的河流有开都河、黄水沟、清水
河等，常年性河流只有开都河- 开都河发源于西部积
雪的高山（天山中部），由冰雪融水补给，也是天山南坡
水量丰富的河流之一，全长 +’* 32，集水面积达 !-!1
’") 32!，平均年径流量为 *)-’!1’",2*- 在宝浪苏木处，
该河流又分为东、西两支，东支注入博斯腾湖大湖，西
支注入博斯腾湖小湖- 博斯腾湖出流汇入孔雀河，是
孔雀河的源头- ’(,* 年博斯腾湖西泵站投入运行以
来，孔雀河口被封堵，大湖水通过西泵站扬水输入孔雀
河，小湖水通过达吾提闸流入孔雀河- 孔雀河是库尔
勒市和尉犁县的主要水源，并肩负着向孔雀河下游生
态输水的任务-
" 调度的目标和原则
"#! 保护博斯腾湖生态环境
博斯腾湖及其滨湖地区盛长芦苇，在 %" 年代初
期，曾位居全国四大苇区之首- 据 ’(%+4’(%% 年调查
芦苇总蕴藏量约 )"1’") 5， ’(,’ 年普查已减至 *’-%1
’") 5，面积和产量仍在不断萎缩，品质也在下降- 然而，
博斯腾湖芦苇不仅有很高的工业价值，而且对整个湖
区生态系统乃至整个流域都有重要的影响作用- 博斯
!
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左其亭等!博斯腾湖水资源可持续利用调度系统
腾湖芦苇区是自然的湿地保护区，从生物多样性保护
的角度来看，应控制沼泽芦苇面积、芦苇总产量在一定
水平以上!
!"! 承担湖泊兴利调节和防洪调节的任务
博斯腾湖入湖水量在年内和年际有明显的变化，
湖泊水位也有较大的变化! 为了充分发挥湖泊的作用，
满足下游生产、生活和生态用水的要求，博斯腾湖作为
天然水库，应对来水量进行人工调节! 另外，在某些年
份和某些月份，由于上游来水量过大，导致来水河渠超
过防洪标准，湖泊水位明显增加，对周边地区带来洪水
灾害! 为了减小洪水灾害，需要做好该湖泊的防洪调节!
!"# 实现水资源可持续利用
博斯腾湖是一个十分宝贵的湖泊，其水资源的合
理开发和可持续利用对新疆巴音郭楞蒙古自治州社会
经济可持续发展起决定性作用! 如何实现该湖泊水资
源的可持续利用，是本湖泊调度的主要目标和原则!
# 可持续利用水资源管理决策方案
由于博斯腾湖的特殊地位，更加迫切需要科学合
理地开发利用该湖泊水资源! 然而，对博斯腾湖科学、
合理地管理上还存在着不被人们所解决的问题! 比如，
如何控制大湖水位为最佳？如何控制宝浪苏木东、西支
分水比才能既经济又有利于大湖水的淡化？如何保护
湖泊生态环境，维护芦苇面积和产量？如何协调该区工
业、农业发展与生态环境保护的关系？目前该区发展态
势如何？采取什么样的措施，才能保证走可持续发展道
路？等等，这些都是至今未能解决的难点! 针对这些问
题，我们联合开展了“博斯腾湖流域可持续水资源管理
应用研究”! 首先进行水文学、生态学基础研究、社会
经济系统动态变化系统研究，得到全流域水量水质生
态耦合系统模型和社会经济发展预测模型；其次针对
博斯腾湖流域，提出一套可持续发展定量研究方法，包
括量化准则、量化指标、量化方
法等；最后建立了博斯腾湖流域
水资源优化配置模型，在此基础
上，制定了该流域水资源管理决
策，如表 " 所列! 详细的理论研
究成果和应用研究成果可参见
文献［#，$，%］!
$ 特征水位和特征库容的
确定
为了选择湖泊合理的调度
方案，把博斯腾湖看成一个水
库来研究 ! 另外，大湖区是湖
泊主体部分，也是该湖泊作为水库调节的主要湖
区；小湖区面积较小，且水浅，是调节的次要湖区，
常被视为大湖区的泄洪区 ! 因此，确定的特征水位
和特征库容仅针对大湖区 !
$"% 死水位（!死）和死库容（"死）
针对博斯腾湖，当湖泊达到死水位时，应使其所对
应水域的芦苇种植面积和产量在临界可承载范围内；
应使大湖水质（矿化度）在允许范围内；应使大湖出湖
水量满足向孔雀河下游正常输水的最低要求! 综合这
些方面，参考可持续水资源管理应用研究的成果，选择
!死&" ’($ )，对应"死& $#!*"+ ’,"’-)#!
$"! 正常蓄水位（!蓄）和兴利库容（"兴）
兴利库容或调节库容用于调节径流，提高枯水时
的供水量! 对于湖泊，当把它看成水库使用时，可以按
水库进行兴利调节计算! 兴利调节计算的基础条件是
要预先确定入库水量、用水量和损失量以及死水位和
死库容! 再通过常规的兴利调节计算方法，得到 "兴，
在库容曲线上，查 "兴."死对应的水位，即正常蓄水位（!蓄）!
针对博斯腾湖，本文研制的调度系统软件包括兴利调
节计算模块，根据该软件可以计算任意频率下的兴利
库容和正常蓄水位! 通过计算，根据用水要求，参考可
持续利用水资源管理应用研究成果，选择 -$/频率对
应的兴利库容和正常蓄水位，即选择 "兴&+(!*"#*,"’-)#，
!蓄&" ’(*!$ )!
$"# 防洪限制水位（!限）
防洪限制水位是水库汛期防洪运用时的起调水
位! 其拟定关系到水库防洪与兴利的结合问题，一般
有三种情况：第一种，防洪限制水位与正常蓄水位重
合；第二种，设计洪水位与正常蓄水位重合，防洪限制
水位低于正常蓄水位；第三种，防洪库容与兴利库容部
分结合! 根据博斯腾湖实际情况，考虑到该湖泊汛期
图 % 博斯腾湖流域
!
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洪水变化不稳定、库容较大，又是一个多年调节水库，
一般在汛期希望多蓄水，选择防洪限制水位与正常蓄
水位重合的情况，也就是说 !限!" #$%&’ (&
!"! 防洪高水位（!防）和防洪库容（"防）
关于!防和"防的确定，需要针对防洪标准进行洪水
调节计算& 关于这一计算过程也是本文作者研制的调
度系统软件的一个计算模块，根据该软件可以计算不
同洪水频率下的防洪库容和防洪高水位& 经计算选择
#! #&’)，!防!" #$*&# (，"防! ’&+,* -."#*(-&
!"# 非常洪水位（!非常）和调洪库容（"调洪）的选择
由于博斯腾湖对水工建筑物设计标准没有严格的
确定，按照当地对最高洪水位认识的习惯，本次计算只
选定某一频率，计算对应的非常洪水位& 非常洪水位相
当于校核洪水位的概念，是水库非正常运用情况下允
许达到的临时性最高洪水位，并把非常洪水位与防洪
限制水位之间的库容称调洪库容& 关于!非常和 "调洪的
计算，也是采用洪水调节计算模块，经计算，选择 # !
#&")，!非常!" #$*&- (，"调洪! ,&/++ %."#*(-&
# 运行调度
#"$ 按常规水库调度图运行
水库调度可根据水库调度图来实现，首先，针对博
斯腾湖径流量系列，选择枯水年系列的第一年为 ",%’
年 - 月0",%+ 年 / 月（按调节年）、最后一年为 ",*% 年
- 月0",** 年 / 月& 蓄水期为 - 月0* 月，供水期为 ,
月0次年的 / 月& 接着，对枯水系列第一年份自蓄水期
正常水位，逆时序倒算（逐月计算）至蓄水期初的年消
落水位& 再自供水期末从年消落水位倒算至供水期初
相应的正常水位& 这样就得到典型年的水库蓄水指示
线，取这些指示线的上包线，即得上基本调度线& 同样
的方法，对枯水系列最后一年，供水期末自死水位开始
逆时序运算至蓄水期初又回到死水位为止，求得各年
逐月水库蓄水指示线，取这些指示线的下包线，即得下
基本调度线&
防洪调度线的绘制，与前面确定防洪高水位的步
骤类似，它也是根据设计洪水过程、下泄水量特征以及
库容关系，通过调节计算得到& 经对典型年（",,, 年 -
月0/### 年 / 月）调节计算和修正计算，得到防洪调度
线（防弃线）&
#"% 优化运行调度
博斯腾湖优化运行调度的特点是：（"）博斯腾湖
优化调度是社会、经济、环境、资源复杂大系统的多
目标决策问题，其运行调度应按照水资源可持续利
用原则，以保护生态环境为基础，与环境、资源的可
承载能力相协调，以经济、社会、环境综合效益最大
为目标，并使发展状态处于可持续的良性发展态势；
（/）该调度系统结构复杂，内控变量多，具有多目标、
多功能，随机、动态等特点，是一个复杂系统的湖泊
调度问题，在设计湖泊优化调度模型时，必须考虑与
其他模型的联系与衔接，应与已有模型和软件保持
一致与协调；（-）博斯腾湖水域辽阔，容积大，可作为
多年调节运用，但因水域开阔，水位变幅小，可调性
相对较小；（$）湖泊有别于水库，其调度也不能完全
套用水库调度，必须针对湖泊调度的特点，探讨其优
化调度的模型和方法，并编制可指导湖泊运行调度
的优化调度方案&
根据博斯腾湖运行调度的特点，其优化运行调度
模型拟采用“隐随机优化调度函数模型”& 其基本点是
表 $ 博斯腾湖流域可持续利用水资源管理决策
控 制 变 量 控 制 值
经济结构调整
（"）工业
（"）增加工业投资（包括增加引水量），提高工业产值& 在 /#/# 年以
前，在现有用水效率下，以 "&-)的年增率增加工业引水量
（/）农业
（/）在 /#/# 年以前，以 "&")的年减率减少农业引水量（包括改善
农业用水结构、提高农业用水效率、减小灌溉面积等措施）
保护湖泊生态措施
（"）进行人工育苇 （"）/ +++ 1(/
（/）大湖水位 （/）调节水位为 " #$’0" #$%&’ (，平均水位为 " #$+ (
（-）宝浪苏木东西支分水比 （-）++ 2 -$0+* 2 -/
协调上下游灌区用水结构 3 "#*(-·45"
（"）开都河流域农田引水量 （"）近期（/### 年）为 ,&-0*&’；远期（/#/# 年）为 ’&*
（/）近期（/##’ 年）为 -；远期（/#/# 年）为 -0’
（-）"-0"*
（/）焉耆盆地地下水开采量
（-）向孔雀河总输水量（包括灌区引水
和向下游、塔里木河生态调水）
博斯腾湖流域主要河流———开都河源流区生态环境保护措施
（"）维持现有牧畜规模（因现状生态较好）
（/）在规划水平年，增加的牧畜，一方面移至中游，另一方面通过
提高草产量和圈养来解决
&
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左其亭等!博斯腾湖水资源可持续利用调度系统
依据“博斯腾湖可持续水资源管理应用研究”成果，得
到不同来水和湖泊水位情况下的最佳调水方案，再建
立优化调度函数模型，用优化调度函数模型来指导实
际调度! 其关键问题是：（"）要建立可持续利用目标下
的湖泊优化调度模型；（#）要根据优化调度模型研究成
果，建立优化调度函数模型! 可持续利用目标下的湖
泊优化调度问题，是一个多目标、多阶段决策问题! 其
基本模型可以引用可持续水资源管理优化模型，关于
该模型的详细建立过程可参见文献［$，%，&］!
根据对博斯腾湖调度的详细分析，考虑：（"）博斯
腾湖实际运行调度图；（#）调度函数线性关系（即出湖
水量与大湖库容、来水量）；（$）博斯腾湖可持续水资源
管理优化方案研究成果；（’）最小需水、最大过水等要
求，来建立实际调度函数!
设：!代表 "，#，⋯，"#月份!
（"）最小需水量、最大过水能力! 根据实际情况，
需要预先按月给出最大过水能力 "()*（!）和最小需水
量 "(+,（!）! 一般要求
"(+,（!）""""()*（!） （"）
当 "-"()*（!）时，预示“流量过大，需要采取防洪措施”；
当 "."(+,（!）时，预示“出现缺水，要么要动用死库容，
要么要节约用水，增加入库水量，减小出湖水量”!
（#）考虑水库调度图的限制! 设：下基本调度线函
数为 # 下（!）；上基本调度线函数为 #上（!）；防洪调度线
函数为 #防洪（!）! 当 # 下（!）"#（!）"# 上（!）时，可按计算
值进行调度! 其中，#（!）为湖泊在 !月水位；当 #（!）-#上（!）
时，要加大向下游输水，并随着水位的抬高，而增加输
水量；当 #（!）.# 下（!）时，要减小向下游输水，并随着
水位的降低，而减小输水量!
（$）考虑线性关系! 定义调度函数为
"（!）/ $"! % 0#（!）12% 0# 下（!）1% 0# 防洪（!）12% 0#下（!）1（"()*32"(+,3）4
"(+,3"4$# &（!）2&(+,&()*2&(+, （"()*32"(+,3）4"(+,3# $
/ ’（!）%（!）4(（!）&（!）4)（!） （#）
"(+,""（!）""()*
式中，’（*），(（!），)（!）是待求的参数，与调度时刻所在
的月份 ! 以及当年和来年的丰平枯水平年有关；"()*3，
"(+,3分别为水位在防弃线和下基本调度线时对应的最
优出湖流量估计值；&()*，&(+, 分别为 "()*3，"(+,3 对应的
入湖流量! 经对优化模型的随机模拟试验并识别出参
数："()*3/’5!%&% ($ 6 7，"(+,3/$"!5" ($ 6 7，&()*/%%!’8# ($ 6 7，
&(+,/5#!#89 ($ 6 7，$"/3!&，$#/3!’!
当 "（!）-"()*或 "（!4"）-"()*或 #（!）-# 非常时，"（!）
/ "()*，并警示“防洪”! 拟采取的措施之一是提高孔雀
河过水能力，增加下泄；之二是把小湖作为临时性泄洪
区! 当 "（!）."(+,或 "（!4"）."(+,或 #（!）.# 极死时，"（!）
/ "(+,，并警示“抗旱”! 拟采取的措施之一是减少开都
河灌区引水；之二是减小向孔雀河输水量；之三是动用
部分备用库容!根据建立的优化调度函数，计算最优输
水量，就可以指导水库运行!
! 博斯腾湖水资源可持续利用调度系统软件
基于博斯腾湖水资源可持续利用调度系统研究理
论成果，面向对象、面向可视化，应用 :+7;)< =)7+>&!3
和数据库 ?>>@77技术，建立辅助决策者解决水资源调
度中半结构化决策问题的人机交互式计算机软件系
统! 主要功能包括三大部分：一是对水资源管理基础
信息的整理与分析；二是开发与水资源调度有关的基
础计算模块；三是完成湖泊调度任务的计算模块! 具
体功能包括：（"）资料的浏览、数据添加、数据修改和查
询；（#）水文频率计算，针对径流量、降水量、蒸发量进
行统计分析；（$）洪水过程分析，包括洪水频率计算、典
型洪水过程曲线确定、洪水演进过程预测；（’）特征水
位确定，包括兴利调节计算、洪水调节计算；（%）水资源
系统变化预测，包括湖泊水位、矿化度、下泄水量计算
等；（&）湖泊调度，包括常规调度图、优化调度以及调度
方案的制定等!
参 考 文 献
［"］ 夏 军 ! 可持续水资源系统管理研究与展望［A］! 水科学进展，
"885（"#）!
［#］ 程其畴! 博斯腾湖研究［B］! 南京：河海大学出版社，"88%!
［$］ 左其亭，王中根! 现代水文学［B］!郑州：黄河水利出版社，#33#!
［’］ 左其亭，夏 军! 陆面水量C水质C生态耦合系统模型研究［A］! 水
利学报，#33#（"）!
［%］ 左其亭，张浩华，欧军利! 面向可持续发展的水利规划理论与实践
［A］! 郑州大学学报，#33#（’）!
［&］ D+) A;,，E;F G+H+,I，J),I A+,K;! L,<+IMH@,(@,H F, 7;7H)+,)N<@
(),)I@(@,H FO K)H@P P@7F;P>@7 OPF( Q)7H QP)>H+>@7 +, HM@ =F7+H@,I
R)S@ N)7+,，D+,T+),I，UM+,)［V］! V@I+F,)< B),)I@(@,H FO W)H@P
V@7F;P>@7! X?YZ J;N<+>)H+F,! [F!#&9，#33"!
［5］ =P;,\H<),\ ] Y，@H )<! ^;P >F((F, O;H;P@，V@QFPH FO HM@ WFP<\
UF((+77+F, F, L,_+PF,(@,H ),\ ‘@_@<FQ(@,H［B］! RF,\F,：^*OFP\
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［9］ AFP\)), A，@H )<! ? P@7@)P>M )I@,\) OFP 7;7H)+,)N<@ \@_@<FQ(@,H FO
K)H@P P@7F;P>@7 K)H@P +, F;P >F((F, O;H;P@［V］! UF((+HH@@ F,
W)H@P V@7@)P>M，U^W?V，a[LZU^，J)P+7! "88$!
［8］ c;,\d@K+Fd W EN+I,+@K! W)H@P P@7F;P>@7 OFP 7;7H)+,)N<@ \@_@<FQ(@,H
［A］! Yb\PF<FI+>)< Z>+@,>@7，"885，’#（’）!
（责任编辑 聂建平）
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O+’6-4,#6 #’’14#$ -, 8’ (+2-&’2 6-+14’1 "2’ "36, 92,9,6’1， 6+5& "6 -&’ :"-’2I6"#1 6’24’6 ,( 9&/645"3 C,1’3， 69’54"3 5,#14-4,#6 ,(
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=)% 0&1$8：E&2’’ F,2$’6 G’6’2<,42；8"5D:"-’2 5&"#$’I"2’"；8’1 3,"1；6’14C’#- 1’9,64-4,#
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