灌区水资源优化配置方法及应用

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
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
利用效率与用水效率, 达到供水量最大、废弃水量最小, 用水分配数学模型。
动态协调发展[1]。因此, 灌区水资源优化配置研究, 既要 20 万 m 3)。 汛期: 为了防洪安全需要, 各时段水库蓄水
充分利用水源水库调节性能, 通过水库水资源优化调度 量应不超过水库防洪限制水位所对应的库容值1635. 17
调整水库来用水量的时间分布差异, 提高水资源利用 万 m 3; 非汛期: 各时段水库蓄水量应不超过水库正常蓄
1. 2. 2 灌区内不同渠系间水资源公平分配模型 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
100
50
150
80
200
100
总计 万m 3
33. 3 54. 2 84. 3
1) 水库水量平衡方程约束
1. 2. 3 灌区内不同用水户之间保障优先水权的水资
源分配模型
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
W s (k, j ) > W g (k, j ) > W a (k, j )
(1)
k= 1
式中 F 1 —— 灌区总缺水量; U L (k )、W L (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[2]。相应的目标函 数为
图 1 牙塘水库灌溉系统概化网络图 F ig. 1 Irriga tion system schem etic of Ya tang reservio r
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。
= GW (k , j ) 式中 W s (k , j ) ,W g (k , j ) ,W a (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。
库弃水量 3 个部分; S k , S k+ 1 —— 时段初、末水库蓄水 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
第 20 卷 第 4 期 2004 年 7 月
农业工程学报 T ran saction s of the CSA E
V o l. 20 N o. 4
J u ly 2004
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灌区水资源优化配置方法及应用
赵 丹, 邵东国, 刘丙军
(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室, 武汉 430072)
摘 要: 针对干旱半干旱地区日益严重的水资源短缺和生态环境问题, 以系统分析的思想为基础, 建立了面向生态和节水 的灌区水资源优化配置序列模型系统, 提出了综合考虑节水、水权、生态环境等因素的多目标多情景模拟计算方法, 得出了 比较合理的南阳渠灌区水资源优化配置方案, 最大限度的利用了当地水资源。分析计算出现状年、2010 和 2030 年分别为工 农业及城乡生活提供水资源量为 5641. 5, 5796. 7 和 5657. 2 万m 3, 缺水量分别为 1544. 6, 2100. 3 和 3627. 9 万m 3, 所得结果 对灌区规划与发展具有重要参考价值。 关键词: 水资源优化配置; 灌区; 节水; 生态环境需水; 模拟; 水权 中图分类号: TV 213. 9 文献标识码: A 文章编号: 100226819 (2004) 0420069205
(6)
S k+ 1 = S k + Q k - D k - L k
(3) 且满足条件: W s (k , j ) + W g (k , j ) + W a (k , j )
式中 Q k ——k 时段入库径流量; L k ——k 时段水库蒸 发、渗漏损失水量; D k ——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
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 灌区水资源优化配置的序列模型
收稿日期: 2003210213 修订日期: 2004206220 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 (50179028) 部分研究内容 作者简介: 赵 丹 (1977- ) , 博士, 主要从事水资源最优规划与管理 方面的研究。武汉市 武汉大学水利水电学院 03 级博士 01 号信箱, 430072。 Em ail: zhaodanw h@ 163. com
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。
表 1 不同水平年工业及城乡生活需水量计算表 T ab le 1 R esu lts of w a ter dem and of indu stry and living in d ifferen t level yea rs
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 牙塘水库水资源优化调度数学模型
0 引 言
南阳渠灌溉工程位于甘肃省东乡族自治区境内, 控 制面积 300 km 2, 主要解决东乡、和政、临夏 3 个县 24 个乡 17. 99 万人的生活、灌溉和生态环境用水问题, 是 甘肃省东乡族自治区的扶贫工程。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
n
∑ F 2 = m in [D L (k ) ]
(2)
k= 1
式中 F 2 —— 水库总弃水量; D L (k ) —— 水库时段弃
水量。
W e (k ) = m in{U L (k ) , m ax{0, D (k ) - E c (k ) }} (4)
W c (k) = D (k) - W e (k) 式中 W e (k ) , E c (k ) ,W c (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。
工 业
典
城 镇
型
年
万元产值 耗水量
m3
总计 万m 3
乡 镇
万元产值 耗水量
m3
总计 万m 3
现状年 128
19. 2
100
185. 8
2010 100
44. 1
80
427. 4
2030 100
165. 5
80
1643. 1
城 乡 生 活
人 口
城镇
农村
用水量
用水量
L · (人·d) - 1 L · (人·d) - 1
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农业工程学报
2004 年
现这些方案的工程和非工程措施, 以达到灌区内的人与
2) 水库蓄水量约束 各时段水库蓄水量应不低于
水、水与经济、水与生态环境、水资源与土地资源的相互 水库灌溉要求的最小蓄水量 (本次研究中, 取死库容值
ຫໍສະໝຸດ Baidu
水位所对应的正常兴利库容 1752. 39 万 m 3。 3) 水库时段放水量约束 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. 0 m 3 s 约束等。
4) 其它约束 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 灌区内水资源优化配置数学模型 1. 2. 1 灌区内生态环境用水与农村经济用水分配数学 模型
GW (k , j ) =
F (j)
m
W e (k)
(5)
∑F (j )
i= 1
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。
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 F 2, 使牙塘水库 废弃水量最小, 提高水资源利用率。在目标函数 F 2 得到 满足的情况下, 进而以目标函数 F 1 为目标, 进行灌区的 水资源优化配置。 1. 1. 2 约束条件
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
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. 1 目标函数 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
n
∑ F 1 = m in [U L (k ) - W L (k ) ]
附近, 为接近年调节水库, 控制流域面积 72 km 2, 多年 平均降雨量 1000 mm , 蒸发量 590 mm , 径流量 5046 万 m 3, 总库容 1920 万m 3, 兴利库容 1752. 39 万m 3。汛期 5 ～ 9 月, 相 应 的 汛 限 水 位 为 2509. 28 m , 相 应 库 容 为 1635. 17万m 3。南阳总干渠全长 56. 67 km , 控制灌溉面 积 81. 4 万 hm 2, 设计引水流量 4. 0 m 3 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。
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第 4 期
赵 丹等: 灌区水资源优化配置方法及应用
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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、步骤及成果
2. 1 灌区需水量的分析预测 2. 1. 1 农业灌溉需水量预测
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 m 3、4707 万 m 3 和 4493. 0 万 m 3。 2. 1. 2 工业及城乡生活需水量预测