南陽渠灌區(qū)水資源優(yōu)化配置方案研究

南陽渠灌區(qū)水資源優(yōu)化配置方案研究

0農(nóng)村基層灌溉系統(tǒng)概況南陽運(yùn)河灌溉位于甘肅省東鄉(xiāng)族自治區(qū)，控制面積300公里。主要解決東鄉(xiāng)、河左市24個(gè)市的17.99萬人生活、灌溉和生態(tài)環(huán)境用水問題。這是甘肅省東鄉(xiāng)族自治區(qū)的扶貧項(xiàng)目。整個(gè)工程包括牙塘水庫水源工程和總干渠、干渠、支渠及田間配套等灌溉工程。牙塘水庫位于河政縣廣通河上游支流牙塘河柳眉灘附近,為接近年調(diào)節(jié)水庫,控制流域面積72km2,多年平均降雨量1000mm,蒸發(fā)量590mm,徑流量5046萬m3,總庫容1920萬m3,興利庫容1752.39萬m3。汛期5～9月,相應(yīng)的汛限水位為2509.28m,相應(yīng)庫容為1635.17萬m3。南陽總干渠全長(zhǎng)56.67km,控制灌溉面積81.4萬hm2,設(shè)計(jì)引水流量4.0m3/s。灌區(qū)內(nèi)夏禾以小麥、蠶豆為主,秋禾以玉米、洋芋為主。南陽渠灌區(qū)基本情況及灌溉系統(tǒng)概化網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示。受氣候變化與人類活動(dòng)的影響,東鄉(xiāng)族自治區(qū)干旱少雨,植被稀疏,水土流失嚴(yán)重,是國(guó)家級(jí)貧困縣。如何在保護(hù)生態(tài)環(huán)境條件下,提高當(dāng)?shù)厮临Y源利用率,促進(jìn)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,提高人民生活水平,維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定,則是興建南陽渠灌區(qū)的重要原因之一。本文采用水資源系統(tǒng)分析與節(jié)水灌區(qū)規(guī)劃相結(jié)合的方法,從牙塘水庫水資源優(yōu)化調(diào)度出發(fā),對(duì)灌區(qū)生態(tài)需水量與考慮公平與效率的水資源優(yōu)化配置方案進(jìn)行了探討。1優(yōu)化分配水資源灌區(qū)水資源優(yōu)化配置不僅直接關(guān)系到區(qū)域水資源和土地資源的高效合理利用,而且還可能影響到灌區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)等重大問題,需要以可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略為指導(dǎo),通過水資源時(shí)空變化規(guī)律的科學(xué)分析,在滿足最小生態(tài)環(huán)境需水量的前提下,提出不同用水部門和灌溉渠系之間的水資源合理分配方案,以及實(shí)現(xiàn)這些方案的工程和非工程措施,以達(dá)到灌區(qū)內(nèi)的人與水、水與經(jīng)濟(jì)、水與生態(tài)環(huán)境、水資源與土地資源的相互動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展。因此,灌區(qū)水資源優(yōu)化配置研究,既要充分利用水源水庫調(diào)節(jié)性能,通過水庫水資源優(yōu)化調(diào)度調(diào)整水庫來用水量的時(shí)間分布差異,提高水資源利用率,又要根據(jù)灌區(qū)內(nèi)部不同渠系之間的用水需求規(guī)律,對(duì)滿足最小生態(tài)環(huán)境需水量后的水庫供水量進(jìn)行優(yōu)化分配,以體現(xiàn)不同用水戶和渠系之間的水資源利用價(jià)值與土地利用價(jià)值,實(shí)現(xiàn)水資源分配的效率與公平原則。因此,本文先后建立了牙塘水庫水資源優(yōu)化調(diào)度模型和面向生態(tài)環(huán)境的灌區(qū)內(nèi)部不同用水戶與渠系水資源優(yōu)化分配模型,由此形成了南陽渠灌區(qū)水資源優(yōu)化配置的序列模型系統(tǒng)。1.1發(fā)展水資源提效技術(shù)牙塘水庫優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)就是要充分利用該地區(qū)非常有限的入庫徑流,最大限度地滿足下游最小生態(tài)環(huán)境需水量和灌區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的需求,提高水資源利用效率與用水效率,達(dá)到供水量最大、廢棄水量最小,生態(tài)環(huán)境最小需水量基本滿足該目的。據(jù)此,可擬定如下數(shù)學(xué)模型。1.1.1u3000廢棄水量考慮到在灌區(qū)需水量一定條件下可以缺水量最小為目標(biāo),而本次調(diào)度中要求生態(tài)環(huán)境最小需水量基本滿足,其缺水量為零,故可將經(jīng)濟(jì)用水目標(biāo)與生態(tài)環(huán)境用水目標(biāo)合并為F1=min∑k=1n[UL(k)?WL(k)](1)F1=min∑k=1n[UL(k)-WL(k)](1)式中F1——灌區(qū)總?cè)彼?UL(k)、WL(k)——灌區(qū)計(jì)劃用水量和實(shí)際供水量;k——時(shí)段序號(hào),按時(shí)間(月或旬)劃分;n——運(yùn)行期內(nèi)的總時(shí)段數(shù)。同時(shí),為滿足水庫未來時(shí)段或年份的用水要求,應(yīng)在運(yùn)行期水庫調(diào)度過程中充分利用水庫調(diào)蓄容積去調(diào)蓄天然來水量,使水庫廢棄水量最小。相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)為F2=min∑k=1n[DL(k)](2)F2=min∑k=1n[DL(k)](2)式中F2——水庫總棄水量;DL(k)——水庫時(shí)段棄水量。由于南陽渠灌區(qū)水資源量嚴(yán)重緊缺,因此在建立的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)中,應(yīng)優(yōu)先考慮目標(biāo)函數(shù)F2,使牙塘水庫廢棄水量最小,提高水資源利用率。在目標(biāo)函數(shù)F2得到滿足的情況下,進(jìn)而以目標(biāo)函數(shù)F1為目標(biāo),進(jìn)行灌區(qū)的水資源優(yōu)化配置。1.1.2合同規(guī)定1蒸發(fā)和滲漏損失水量Sk+1=Sk+Qk-Dk-Lk(3)式中Qk——k時(shí)段入庫徑流量;Lk——k時(shí)段水庫蒸發(fā)、滲漏損失水量;Dk——k時(shí)段水庫下泄水量,包括對(duì)灌區(qū)的供水量、水庫下游生態(tài)環(huán)境最小需水量約束,水庫棄水量3個(gè)部分;Sk,Sk+1——時(shí)段初、末水庫蓄水量。2水庫蓄水量設(shè)計(jì)各時(shí)段水庫蓄水量應(yīng)不低于水庫灌溉要求的最小蓄水量(本次研究中,取死庫容值20萬m3)。汛期:為了防洪安全需要,各時(shí)段水庫蓄水量應(yīng)不超過水庫防洪限制水位所對(duì)應(yīng)的庫容值1635.17萬m3;非汛期:各時(shí)段水庫蓄水量應(yīng)不超過水庫正常蓄水位所對(duì)應(yīng)的正常興利庫容1752.39萬m3。32水庫采區(qū)的解放包括水庫最大泄水能力與下游河道最小流量約束,灌區(qū)總干渠首引水能力4.0m3/s約束等。4其他限制其他限制如變量非負(fù)約束,灌區(qū)經(jīng)濟(jì)用水需求量約束,生態(tài)環(huán)境最小用水需求約束,政策約束等。1.2優(yōu)化灌溉1.2.1農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水分配機(jī)根據(jù)可持續(xù)發(fā)展理論,干旱半干旱地區(qū)的水資源優(yōu)化分配必須以滿足生態(tài)環(huán)境最小需水量為前提。為此,本文建立了如下南陽渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境用水與農(nóng)村經(jīng)濟(jì)用水分配數(shù)學(xué)模型。We(k)=min{UL(k),max{0,D(k)?Ec(k)}}Wc(k)=D(k)?We(k)(4)We(k)=min{UL(k),max{0,D(k)-Ec(k)}}Wc(k)=D(k)-We(k)(4)式中We(k),Ec(k),Wc(k)——分別為灌區(qū)經(jīng)濟(jì)用水的供給量、最小生態(tài)環(huán)境需水量、生態(tài)環(huán)境供水量。1.2.2沒有控制灌溉時(shí)各渠系間的水資源分配模型為了保證灌區(qū)內(nèi)部渠系之間水權(quán)分配公平,實(shí)現(xiàn)渠系之間均衡節(jié)水與經(jīng)濟(jì)發(fā)展,需要根據(jù)各渠系灌溉系統(tǒng)的作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉面積、當(dāng)?shù)厮Y源及其利用情況、灌溉渠道防滲等節(jié)水措施規(guī)劃實(shí)施情況等,建立了綜合考慮上述因素的灌區(qū)內(nèi)不同渠系間水資源分配模型?？紤]到南陽渠灌區(qū)作物結(jié)構(gòu)比較單一,區(qū)內(nèi)當(dāng)?shù)氐乇硭偷叵滤己苋狈?又是新建灌區(qū),各渠系節(jié)水措施與用水效率也基本一致,故可根據(jù)各渠系控制灌溉面積進(jìn)行不同渠系間的水資源公平分配。具體數(shù)學(xué)關(guān)系模型為GW(k,j)=F(j)∑i=1mF(j)?We(k)(5)GW(k,j)=F(j)∑i=1mF(j)?We(k)(5)式中GW(k,j)——在k時(shí)刻各干、支渠的水資源分配量;F(j)——第j條干、支渠的控制面積;m——各干、支渠的數(shù)量和。1.2.3農(nóng)業(yè)用水ls為了解決東鄉(xiāng)族人民的飲用水問題,促進(jìn)各種企業(yè)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的協(xié)調(diào)發(fā)展,本文利用優(yōu)先水權(quán)原理,在灌區(qū)水資源分配過程中,采用優(yōu)先滿足農(nóng)村居民生活用水,其次是企業(yè)用水和農(nóng)業(yè)用水。數(shù)學(xué)描述為Ws(k,j)>Wg(k,j)>Wa(k,j)(6)且滿足條件:Ws(k,j)+Wg(k,j)+Wa(k,j)=GW(k,j)式中Ws(k,j),Wg(k,j),Wa(k,j)——分別為k時(shí)刻的生活用水供給量、工業(yè)用水及農(nóng)業(yè)用水供給量。當(dāng)灌區(qū)總的供水量在滿足生活用水后,出現(xiàn)企業(yè)用水與農(nóng)業(yè)灌溉用水的供水不足時(shí),除特殊情況外,一般根據(jù)水權(quán)公平分配原則,按其各自用水需求比例實(shí)行均衡虧水。2計(jì)算方法、步驟和結(jié)果2.1灌溉2.1.1農(nóng)業(yè)灌溉需水量估算根據(jù)灌區(qū)農(nóng)作物種植種類與甘肅省半濕潤(rùn)區(qū)和半干旱區(qū)灌溉試驗(yàn)資料等,采用彭曼公式,對(duì)設(shè)計(jì)灌溉保證率50%、灌溉水利用系數(shù)為0.65條件下的各種作物節(jié)水灌溉制度進(jìn)行了計(jì)算,求得灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉需水量,現(xiàn)狀、2010及2030年分別為4707萬m3、4707萬m3和4493.0萬m3。2.1.2典型年來流程2根據(jù)當(dāng)?shù)靥峁┑幕A(chǔ)數(shù)據(jù)和城市化發(fā)展規(guī)劃,現(xiàn)狀、2010及2030年3個(gè)典型年中,工業(yè)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)工業(yè)產(chǎn)值年增長(zhǎng)率分別為9.7%、8%和8%,城鄉(xiāng)人口及牲畜數(shù)量分別按10‰、15‰和19‰進(jìn)行增長(zhǎng),具體數(shù)據(jù)見表1所示。2.1.3生態(tài)耗水的測(cè)定目前,生態(tài)環(huán)境需水量還存在不同的認(rèn)識(shí)。本文認(rèn)為灌區(qū)最小生態(tài)環(huán)境用水量應(yīng)該是指維持灌區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境基本平衡的生態(tài)環(huán)境耗水量,包括維持灌溉等水質(zhì)要求的水環(huán)境容量用水、維持渠道水沙平衡的沖沙用水,維持鹽漬化地區(qū)農(nóng)田水鹽平衡的洗鹽水,灌區(qū)自然植被生態(tài)耗水以及人工生態(tài)景觀系統(tǒng)的生態(tài)耗水、維持灌區(qū)地下水采補(bǔ)平衡的水量等方面。其計(jì)算應(yīng)以維護(hù)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境不再惡化所需要消耗的水資源量為最小生態(tài)環(huán)境需水量。依據(jù)參考文獻(xiàn),海灤河流域生態(tài)用水量占當(dāng)?shù)厮Y源量的30%,東遼河流域?yàn)?4%,西北地區(qū)為21%,新疆地區(qū)為18%,黑河流域?yàn)?7%,因此根據(jù)南陽渠灌區(qū)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境及其用水現(xiàn)狀調(diào)查分析,建議該灌區(qū)有必要將現(xiàn)有水資源的30%留作生態(tài)環(huán)境用水,以防止灌區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞,促進(jìn)人與自然、水與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。2.2水庫供水量預(yù)測(cè)根據(jù)上述灌區(qū)需水量預(yù)測(cè)結(jié)果,在考慮渠道輸水損失后通過推算,得到灌區(qū)需要水庫下泄水量過程,并根據(jù)主管部門提供的1967年至1997年共31年入庫徑流資料,運(yùn)用上述模型對(duì)牙塘水庫進(jìn)行長(zhǎng)系列模擬調(diào)度計(jì)算,可得水庫每月的實(shí)際供水過程,但由于文章篇幅有限,因此僅以年為時(shí)段,列出不同水平年現(xiàn)狀、2010和2030年3個(gè)典型年的水庫供水量如表2所示。從表中可知,保證率P=50%年份下上述3種不同水平年的水庫供水量分別為5641.5、5796.7和5657.2萬m3。2.3來水保證率分配根據(jù)上面水庫調(diào)度計(jì)算所得下泄水量過程以及上述模型(4)(5)(6),運(yùn)用模擬技術(shù)進(jìn)行灌區(qū)水資源優(yōu)化分配計(jì)算,可得灌區(qū)生態(tài)環(huán)境供水量以及不同渠系的優(yōu)化配水量和不同用水戶的供水量。限于篇幅,在此僅列出來水保證率P=50%情況下3個(gè)典型年的水量分配表,如表3和4所示。同時(shí),我們還對(duì)現(xiàn)狀年情況下,以常規(guī)方法即在滿足城鄉(xiāng)生活用水的前提下,將增加的水資源量在工農(nóng)業(yè)之間按比例進(jìn)行協(xié)調(diào)分配,維持現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境,不增加最小生態(tài)用水所得到的計(jì)算結(jié)果與優(yōu)化計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如表5所示。3農(nóng)業(yè)水分配比例1)根據(jù)牙塘水庫長(zhǎng)系列模擬調(diào)度計(jì)算,在平水年P(guān)=50%情況下,水庫的來水量為5344.7萬m3,現(xiàn)狀年、2010和2030年的下泄水量分別為5641.5、5796.7和5657.2萬m3,由于下泄水量大于來水量,使得牙塘水庫的蓄水位不斷降低,2010年共有6、7、8三個(gè)月水庫蓄水位維持在死水位上運(yùn)行,到2030年,則有4～9月共6個(gè)月水庫蓄水位在死水位上運(yùn)行,水庫蓄水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足灌溉用水期的需水要求,從現(xiàn)狀年到2010年農(nóng)業(yè)灌溉缺水量將由1544.6萬m3增加到2100.3萬m3。因此,在該灌區(qū)控制城市發(fā)展規(guī)模與各方面用水需求,大力推行工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)節(jié)水措施,實(shí)行污水、洪水等的資源化利用,建立節(jié)水型社會(huì),勢(shì)在必行。2)南陽渠灌區(qū)人口在未來一定時(shí)期內(nèi)的持續(xù)增長(zhǎng)和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展,使得灌區(qū)經(jīng)濟(jì)用水急劇增長(zhǎng),到2010和2030年,經(jīng)濟(jì)用水將從現(xiàn)狀5582.7萬m3增長(zhǎng)到6293.6和7681.7萬m3,生態(tài)用水與經(jīng)濟(jì)用水之間的矛盾將更加突出。為保持灌區(qū)人與自然的協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,灌區(qū)內(nèi)最小生態(tài)用水與經(jīng)濟(jì)用水的分配比例保持在3∶7是非常必要的,同時(shí)建議利用污水、農(nóng)田排水資源化等措施滿足生態(tài)環(huán)境用水需求,置換現(xiàn)在的清潔水源,以維持經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)清潔水資源的需求。3)由表4可看出,各干、支渠之間按控制灌溉面積進(jìn)行分配后缺水比例相同,現(xiàn)狀、2010和2030年分別為34.3%、46.6%和61.1%,缺水率明顯偏大。從缺水量分析,總2支渠控制灌溉面積最少,缺水量也最少;3干渠控制面積