南陽渠灌區水資源優化配置方案研究

0農村基層灌溉系統概況南陽運河灌溉位于甘肅省東鄉族自治區，控制面積300公里。主要解決東鄉、河左市24個市的17.99萬人生活、灌溉和生態環境用水問題。這是甘肅省東鄉族自治區的扶貧項目。整個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,為接近年調節水庫,控制流域面積72km2,多年平均降雨量1000mm,蒸發量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,相應的汛限水位為2509.28m,相應庫容為1635.17萬m3。南陽總干渠全長56.67km,控制灌溉面積81.4萬hm2,設計引水流量4.0m3/s。灌區內夏禾以小麥、蠶豆為主,秋禾以玉米、洋芋為主。南陽渠灌區基本情況及灌溉系統概化網絡圖如圖1所示。受氣候變化與人類活動的影響,東鄉族自治區干旱少雨,植被稀疏,水土流失嚴重,是國家級貧困縣。如何在保護生態環境條件下,提高當地水土資源利用率,促進地區社會經濟發展,提高人民生活水平,維護社會穩定,則是興建南陽渠灌區的重要原因之一。本文采用水資源系統分析與節水灌區規劃相結合的方法,從牙塘水庫水資源優化調度出發,對灌區生態需水量與考慮公平與效率的水資源優化配置方案進行了探討。1優化分配水資源灌區水資源優化配置不僅直接關系到區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產業結構發展與生態環境保護等重大問題,需要以可持續發展戰略為指導,通過水資源時空變化規律的科學分析,在滿足最小生態環境需水量的前提下,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,以及實現這些方案的工程和非工程措施,以達到灌區內的人與水、水與經濟、水與生態環境、水資源與土地資源的相互動態協調發展。因此,灌區水資源優化配置研究,既要充分利用水源水庫調節性能,通過水庫水資源優化調度調整水庫來用水量的時間分布差異,提高水資源利用率,又要根據灌區內部不同渠系之間的用水需求規律,對滿足最小生態環境需水量后的水庫供水量進行優化分配,以體現不同用水戶和渠系之間的水資源利用價值與土地利用價值,實現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化調度模型和面向生態環境的灌區內部不同用水戶與渠系水資源優化分配模型,由此形成了南陽渠灌區水資源優化配置的序列模型系統。1.1發展水資源提效技術牙塘水庫優化調度的目標就是要充分利用該地區非常有限的入庫徑流,最大限度地滿足下游最小生態環境需水量和灌區經濟發展對水資源的需求,提高水資源利用效率與用水效率,達到供水量最大、廢棄水量最小,生態環境最小需水量基本滿足該目的。據此,可擬定如下數學模型。1.1.1u3000廢棄水量考慮到在灌區需水量一定條件下可以缺水量最小為目標,而本次調度中要求生態環境最小需水量基本滿足,其缺水量為零,故可將經濟用水目標與生態環境用水目標合并為F1=min∑k=1n[UL(k)?WL(k)](1)F1=min∑k=1n[UL(k)-WL(k)](1)式中F1——灌區總缺水量;UL(k)、WL(k)——灌區計劃用水量和實際供水量;k——時段序號,按時間(月或旬)劃分;n——運行期內的總時段數。同時,為滿足水庫未來時段或年份的用水要求,應在運行期水庫調度過程中充分利用水庫調蓄容積去調蓄天然來水量,使水庫廢棄水量最小。相應的目標函數為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)——水庫時段棄水量。由于南陽渠灌區水資源量嚴重緊缺,因此在建立的兩個目標函數中,應優先考慮目標函數F2,使牙塘水庫廢棄水量最小,提高水資源利用率。在目標函數F2得到滿足的情況下,進而以目標函數F1為目標,進行灌區的水資源優化配置。1.1.2合同規定1蒸發和滲漏損失水量Sk+1=Sk+Qk-Dk-Lk(3)式中Qk——k時段入庫徑流量;Lk——k時段水庫蒸發、滲漏損失水量;Dk——k時段水庫下泄水量,包括對灌區的供水量、水庫下游生態環境最小需水量約束,水庫棄水量3個部分;Sk,Sk+1——時段初、末水庫蓄水量。2水庫蓄水量設計各時段水庫蓄水量應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,各時段水庫蓄水量應不超過水庫防洪限制水位所對應的庫容值1635.17萬m3;非汛期:各時段水庫蓄水量應不超過水庫正常蓄水位所對應的正常興利庫容1752.39萬m3。32水庫采區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約束,灌區經濟用水需求量約束,生態環境最小用水需求約束,政策約束等。1.2優化灌溉1.2.1農村經濟水分配機根據可持續發展理論,干旱半干旱地區的水資源優化分配必須以滿足生態環境最小需水量為前提。為此,本文建立了如下南陽渠灌區生態環境用水與農村經濟用水分配數學模型。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)——分別為灌區經濟用水的供給量、最小生態環境需水量、生態環境供水量。1.2.2沒有控制灌溉時各渠系間的水資源分配模型為了保證灌區內部渠系之間水權分配公平,實現渠系之間均衡節水與經濟發展,需要根據各渠系灌溉系統的作物種植結構、灌溉面積、當地水資源及其利用情況、灌溉渠道防滲等節水措施規劃實施情況等,建立了綜合考慮上述因素的灌區內不同渠系間水資源分配模型。考慮到南陽渠灌區作物結構比較單一,區內當地地表水和地下水都很缺乏,又是新建灌區,各渠系節水措施與用水效率也基本一致,故可根據各渠系控制灌溉面積進行不同渠系間的水資源公平分配。具體數學關系模型為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、支渠的數量和。1.2.3農業用水ls為了解決東鄉族人民的飲用水問題,促進各種企業與農業生產的協調發展,本文利用優先水權原理,在灌區水資源分配過程中,采用優先滿足農村居民生活用水,其次是企業用水和農業用水。數學描述為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時刻的生活用水供給量、工業用水及農業用水供給量。當灌區總的供水量在滿足生活用水后,出現企業用水與農業灌溉用水的供水不足時,除特殊情況外,一般根據水權公平分配原則,按其各自用水需求比例實行均衡虧水。2計算方法、步驟和結果2.1灌溉2.1.1農業灌溉需水量估算根據灌區農作物種植種類與甘肅省半濕潤區和半干旱區灌溉試驗資料等,采用彭曼公式,對設計灌溉保證率50%、灌溉水利用系數為0.65條件下的各種作物節水灌溉制度進行了計算,求得灌區農業灌溉需水量,現狀、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根據當地提供的基礎數據和城市化發展規劃,現狀、2010及2030年3個典型年中,工業及鄉鎮企業工業產值年增長率分別為9.7%、8%和8%,城鄉人口及牲畜數量分別按10‰、15‰和19‰進行增長,具體數據見表1所示。2.1.3生態耗水的測定目前,生態環境需水量還存在不同的認識。本文認為灌區最小生態環境用水量應該是指維持灌區內生態環境基本平衡的生態環境耗水量,包括維持灌溉等水質要求的水環境容量用水、維持渠道水沙平衡的沖沙用水,維持鹽漬化地區農田水鹽平衡的洗鹽水,灌區自然植被生態耗水以及人工生態景觀系統的生態耗水、維持灌區地下水采補平衡的水量等方面。其計算應以維護灌區生態環境不再惡化所需要消耗的水資源量為最小生態環境需水量。依據參考文獻,海灤河流域生態用水量占當地水資源量的30%,東遼河流域為34%,西北地區為21%,新疆地區為18%,黑河流域為27%,因此根據南陽渠灌區當地生態環境及其用水現狀調查分析,建議該灌區有必要將現有水資源的30%留作生態環境用水,以防止灌區經濟發展對生態環境的破壞,促進人與自然、水與經濟的協調發展。2.2水庫供水量預測根據上述灌區需水量預測結果,在考慮渠道輸水損失后通過推算,得到灌區需要水庫下泄水量過程,并根據主管部門提供的1967年至1997年共31年入庫徑流資料,運用上述模型對牙塘水庫進行長系列模擬調度計算,可得水庫每月的實際供水過程,但由于文章篇幅有限,因此僅以年為時段,列出不同水平年現狀、2010和2030年3個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上面水庫調度計算所得下泄水量過程以及上述模型(4)(5)(6),運用模擬技術進行灌區水資源優化分配計算,可得灌區生態環境供水量以及不同渠系的優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個典型年的水量分配表,如表3和4所示。同時,我們還對現狀年情況下,以常規方法即在滿足城鄉生活用水的前提下,將增加的水資源量在工農業之間按比例進行協調分配,維持現有的生態環境,不增加最小生態用水所得到的計算結果與優化計算結果進行對比,如表5所示。3農業水分配比例1)根據牙塘水庫長系列模擬調度計算,在平水年P=50%情況下,水庫的來水量為5344.7萬m3,現狀年、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、8三個月水庫蓄水位維持在死水位上運行,到2030年,則有4～9月共6個月水庫蓄水位在死水位上運行,水庫蓄水量遠遠不能滿足灌溉用水期的需水要求,從現狀年到2010年農業灌溉缺水量將由1544.6萬m3增加到2100.3萬m3。因此,在該灌區控制城市發展規模與各方面用水需求,大力推行工業、生活和農業節水措施,實行污水、洪水等的資源化利用,建立節水型社會,勢在必行。2)南陽渠灌區人口在未來一定時期內的持續增長和當地經濟的進一步發展,使得灌區經濟用水急劇增長,到2010和2030年,經濟用水將從現狀5582.7萬m3增長到6293.6和7681.7萬m3,生態用水與經濟用水之間的矛盾將更加突出。為保持灌區人與自然的協調,實現可持續發展,灌區內最小生態用水與經濟用水的分配比例保持在3∶7是非常必要的,同時建議利用污水、農田排水資源化等措施滿足生態環境用水需求,置換現在的清潔水源,以維持經濟社會發展對清潔水資源的需求。3)由表4可看出,各干、支渠之間按控制灌溉面積進行分配后缺水比例相同,現狀、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