南阳渠灌区水资源优化配置方案研究

南阳渠灌区水资源优化配置方案研究

0农村基层灌溉系统概况南阳运河灌溉位于甘肃省东乡族自治区，控制面积300公里。主要解决东乡、河左市24个市的17.99万人生活、灌溉和生态环境用水问题。这是甘肃省东乡族自治区的扶贫项目。整个工程包括牙塘水库水源工程和总干渠、干渠、支渠及田间配套等灌溉工程。牙塘水库位于河政县广通河上游支流牙塘河柳眉滩附近,为接近年调节水库,控制流域面积72km2,多年平均降雨量1000mm,蒸发量590mm,径流量5046万m3,总库容1920万m3,兴利库容1752.39万m3。汛期5～9月,相应的汛限水位为2509.28m,相应库容为1635.17万m3。南阳总干渠全长56.67km,控制灌溉面积81.4万hm2,设计引水流量4.0m3/s。灌区内夏禾以小麦、蚕豆为主,秋禾以玉米、洋芋为主。南阳渠灌区基本情况及灌溉系统概化网络图如图1所示。受气候变化与人类活动的影响,东乡族自治区干旱少雨,植被稀疏,水土流失严重,是国家级贫困县。如何在保护生态环境条件下,提高当地水土资源利用率,促进地区社会经济发展,提高人民生活水平,维护社会稳定,则是兴建南阳渠灌区的重要原因之一。本文采用水资源系统分析与节水灌区规划相结合的方法,从牙塘水库水资源优化调度出发,对灌区生态需水量与考虑公平与效率的水资源优化配置方案进行了探讨。1优化分配水资源灌区水资源优化配置不仅直接关系到区域水资源和土地资源的高效合理利用,而且还可能影响到灌区产业结构发展与生态环境保护等重大问题,需要以可持续发展战略为指导,通过水资源时空变化规律的科学分析,在满足最小生态环境需水量的前提下,提出不同用水部门和灌溉渠系之间的水资源合理分配方案,以及实现这些方案的工程和非工程措施,以达到灌区内的人与水、水与经济、水与生态环境、水资源与土地资源的相互动态协调发展。因此,灌区水资源优化配置研究,既要充分利用水源水库调节性能,通过水库水资源优化调度调整水库来用水量的时间分布差异,提高水资源利用率,又要根据灌区内部不同渠系之间的用水需求规律,对满足最小生态环境需水量后的水库供水量进行优化分配,以体现不同用水户和渠系之间的水资源利用价值与土地利用价值,实现水资源分配的效率与公平原则。因此,本文先后建立了牙塘水库水资源优化调度模型和面向生态环境的灌区内部不同用水户与渠系水资源优化分配模型,由此形成了南阳渠灌区水资源优化配置的序列模型系统。1.1发展水资源提效技术牙塘水库优化调度的目标就是要充分利用该地区非常有限的入库径流,最大限度地满足下游最小生态环境需水量和灌区经济发展对水资源的需求,提高水资源利用效率与用水效率,达到供水量最大、废弃水量最小,生态环境最小需水量基本满足该目的。据此,可拟定如下数学模型。1.1.1u3000废弃水量考虑到在灌区需水量一定条件下可以缺水量最小为目标,而本次调度中要求生态环境最小需水量基本满足,其缺水量为零,故可将经济用水目标与生态环境用水目标合并为F1=min∑k=1n[UL(k)−WL(k)](1)F1=min∑k=1n[UL(k)-WL(k)](1)式中F1——灌区总缺水量;UL(k)、WL(k)——灌区计划用水量和实际供水量;k——时段序号,按时间(月或旬)划分;n——运行期内的总时段数。同时,为满足水库未来时段或年份的用水要求,应在运行期水库调度过程中充分利用水库调蓄容积去调蓄天然来水量,使水库废弃水量最小。相应的目标函数为F2=min∑k=1n[DL(k)](2)F2=min∑k=1n[DL(k)](2)式中F2——水库总弃水量;DL(k)——水库时段弃水量。由于南阳渠灌区水资源量严重紧缺,因此在建立的两个目标函数中,应优先考虑目标函数F2,使牙塘水库废弃水量最小,提高水资源利用率。在目标函数F2得到满足的情况下,进而以目标函数F1为目标,进行灌区的水资源优化配置。1.1.2合同规定1蒸发和渗漏损失水量Sk+1=Sk+Qk-Dk-Lk(3)式中Qk——k时段入库径流量;Lk——k时段水库蒸发、渗漏损失水量;Dk——k时段水库下泄水量,包括对灌区的供水量、水库下游生态环境最小需水量约束,水库弃水量3个部分;Sk,Sk+1——时段初、末水库蓄水量。2水库蓄水量设计各时段水库蓄水量应不低于水库灌溉要求的最小蓄水量(本次研究中,取死库容值20万m3)。汛期:为了防洪安全需要,各时段水库蓄水量应不超过水库防洪限制水位所对应的库容值1635.17万m3;非汛期:各时段水库蓄水量应不超过水库正常蓄水位所对应的正常兴利库容1752.39万m3。32水库采区的解放包括水库最大泄水能力与下游河道最小流量约束,灌区总干渠首引水能力4.0m3/s约束等。4其他限制其他限制如变量非负约束,灌区经济用水需求量约束,生态环境最小用水需求约束,政策约束等。1.2优化灌溉1.2.1农村经济水分配机根据可持续发展理论,干旱半干旱地区的水资源优化分配必须以满足生态环境最小需水量为前提。为此,本文建立了如下南阳渠灌区生态环境用水与农村经济用水分配数学模型。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)——分别为灌区经济用水的供给量、最小生态环境需水量、生态环境供水量。1.2.2没有控制灌溉时各渠系间的水资源分配模型为了保证灌区内部渠系之间水权分配公平,实现渠系之间均衡节水与经济发展,需要根据各渠系灌溉系统的作物种植结构、灌溉面积、当地水资源及其利用情况、灌溉渠道防渗等节水措施规划实施情况等,建立了综合考虑上述因素的灌区内不同渠系间水资源分配模型。考虑到南阳渠灌区作物结构比较单一,区内当地地表水和地下水都很缺乏,又是新建灌区,各渠系节水措施与用水效率也基本一致,故可根据各渠系控制灌溉面积进行不同渠系间的水资源公平分配。具体数学关系模型为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时刻各干、支渠的水资源分配量;F(j)——第j条干、支渠的控制面积;m——各干、支渠的数量和。1.2.3农业用水ls为了解决东乡族人民的饮用水问题,促进各种企业与农业生产的协调发展,本文利用优先水权原理,在灌区水资源分配过程中,采用优先满足农村居民生活用水,其次是企业用水和农业用水。数学描述为Ws(k,j)>Wg(k,j)>Wa(k,j)(6)且满足条件:Ws(k,j)+Wg(k,j)+Wa(k,j)=GW(k,j)式中Ws(k,j),Wg(k,j),Wa(k,j)——分别为k时刻的生活用水供给量、工业用水及农业用水供给量。当灌区总的供水量在满足生活用水后,出现企业用水与农业灌溉用水的供水不足时,除特殊情况外,一般根据水权公平分配原则,按其各自用水需求比例实行均衡亏水。2计算方法、步骤和结果2.1灌溉2.1.1农业灌溉需水量估算根据灌区农作物种植种类与甘肃省半湿润区和半干旱区灌溉试验资料等,采用彭曼公式,对设计灌溉保证率50%、灌溉水利用系数为0.65条件下的各种作物节水灌溉制度进行了计算,求得灌区农业灌溉需水量,现状、2010及2030年分别为4707万m3、4707万m3和4493.0万m3。2.1.2典型年来流程2根据当地提供的基础数据和城市化发展规划,现状、2010及2030年3个典型年中,工业及乡镇企业工业产值年增长率分别为9.7%、8%和8%,城乡人口及牲畜数量分别按10‰、15‰和19‰进行增长,具体数据见表1所示。2.1.3生态耗水的测定目前,生态环境需水量还存在不同的认识。本文认为灌区最小生态环境用水量应该是指维持灌区内生态环境基本平衡的生态环境耗水量,包括维持灌溉等水质要求的水环境容量用水、维持渠道水沙平衡的冲沙用水,维持盐渍化地区农田水盐平衡的洗盐水,灌区自然植被生态耗水以及人工生态景观系统的生态耗水、维持灌区地下水采补平衡的水量等方面。其计算应以维护灌区生态环境不再恶化所需要消耗的水资源量为最小生态环境需水量。依据参考文献,海滦河流域生态用水量占当地水资源量的30%,东辽河流域为34%,西北地区为21%,新疆地区为18%,黑河流域为27%,因此根据南阳渠灌区当地生态环境及其用水现状调查分析,建议该灌区有必要将现有水资源的30%留作生态环境用水,以防止灌区经济发展对生态环境的破坏,促进人与自然、水与经济的协调发展。2.2水库供水量预测根据上述灌区需水量预测结果,在考虑渠道输水损失后通过推算,得到灌区需要水库下泄水量过程,并根据主管部门提供的1967年至1997年共31年入库径流资料,运用上述模型对牙塘水库进行长系列模拟调度计算,可得水库每月的实际供水过程,但由于文章篇幅有限,因此仅以年为时段,列出不同水平年现状、2010和2030年3个典型年的水库供水量如表2所示。从表中可知,保证率P=50%年份下上述3种不同水平年的水库供水量分别为5641.5、5796.7和5657.2万m3。2.3来水保证率分配根据上面水库调度计算所得下泄水量过程以及上述模型(4)(5)(6),运用模拟技术进行灌区水资源优化分配计算,可得灌区生态环境供水量以及不同渠系的优化配水量和不同用水户的供水量。限于篇幅,在此仅列出来水保证率P=50%情况下3个典型年的水量分配表,如表3和4所示。同时,我们还对现状年情况下,以常规方法即在满足城乡生活用水的前提下,将增加的水资源量在工农业之间按比例进行协调分配,维持现有的生态环境,不增加最小生态用水所得到的计算结果与优化计算结果进行对比,如表5所示。3农业水分配比例1)根据牙塘水库长系列模拟调度计算,在平水年P=50%情况下,水库的来水量为5344.7万m3,现状年、2010和2030年的下泄水量分别为5641.5、5796.7和5657.2万m3,由于下泄水量大于来水量,使得牙塘水库的蓄水位不断降低,2010年共有6、7、8三个月水库蓄水位维持在死水位上运行,到2030年,则有4～9月共6个月水库蓄水位在死水位上运行,水库蓄水量远远不能满足灌溉用水期的需水要求,从现状年到2010年农业灌溉缺水量将由1544.6万m3增加到2100.3万m3。因此,在该灌区控制城市发展规模与各方面用水需求,大力推行工业、生活和农业节水措施,实行污水、洪水等的资源化利用,建立节水型社会,势在必行。2)南阳渠灌区人口在未来一定时期内的持续增长和当地经济的进一步发展,使得灌区经济用水急剧增长,到2010和2030年,经济用水将从现状5582.7万m3增长到6293.6和7681.7万m3,生态用水与经济用水之间的矛盾将更加突出。为保持灌区人与自然的协调,实现可持续发展,灌区内最小生态用水与经济用水的分配比例保持在3∶7是非常必要的,同时建议利用污水、农田排水资源化等措施满足生态环境用水需求,置换现在的清洁水源,以维持经济社会发展对清洁水资源的需求。3)由表4可看出,各干、支渠之间按控制灌溉面积进行分配后缺水比例相同,现状、2010和2030年分别为34.3%、46.6%和61.1%,缺水率明显偏大。从缺水量分析,总2支渠控制灌溉面积最少,缺水量也最少;3干渠控制面积