灌區(qū)灌溉用水時(shí)空優(yōu)化配置方法研究

摘要：在我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的形勢下，水資源越來越匱乏，為了保證糧食安全，需要對灌溉資源進(jìn)行合理的規(guī)劃和管理。在對水資源進(jìn)行管理時(shí)，不僅可以從時(shí)間尺度上對灌溉用水量進(jìn)行控制，而且可以從空間尺度上降低灌溉用水量，提高水資源管理的整體水平?；诖?，文章對灌區(qū)灌溉用水時(shí)空優(yōu)化配置方法進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：灌區(qū)；灌溉用水；時(shí)空優(yōu)化配置方法；水資源；灌溉資源；灌溉用水量 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TV212 文章編號：1009-2374（2016）08-0123-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.08.063

在我國經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的形勢下，水資源缺乏的問題已經(jīng)越來越嚴(yán)重，對農(nóng)業(yè)的正常生產(chǎn)造成了影響。但在農(nóng)業(yè)灌溉過程中，存在非常嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，需要進(jìn)一步提升水資源管理水平。對于規(guī)模比較大的灌區(qū)來說，由于土壤的種類多樣化、植物結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，降雨量分配不均勻，渠系配水效率存在一定的差異性。為了達(dá)到灌區(qū)用水最優(yōu)化配置，需要利用時(shí)空優(yōu)化的方式對有限的灌溉供水量進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

大莊水庫工程以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪和鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活供水。工程投資49463.35萬元，水庫控制徑流面積76km2，多年平均徑流量4856.5萬m3，水庫總庫容2515.9萬m3，年總供水量3616萬m3。水庫大壩設(shè)計(jì)為黏土心墻壩，壩頂寬8m，壩頂長686m，最大壩高76.9m。大莊水庫主要滿足大莊鄉(xiāng)和羊街鄉(xiāng)片區(qū)5.19萬畝農(nóng)田灌溉用水和1.2萬人生活用水，解決大莊河下游防洪的問題。灌溉面積5.19萬畝：水稻占32%、蔬菜占40%、水果占15%、玉米占5%、花生占5%、其他農(nóng)作物占3%。

2 建立灌溉制度優(yōu)化模型

本文以作物水分和農(nóng)田水量平衡模型為基礎(chǔ)優(yōu)化灌區(qū)灌溉制度。結(jié)合農(nóng)作物的生長規(guī)律實(shí)施灌溉，保證農(nóng)作持續(xù)處于良好的生長環(huán)境下。當(dāng)遇到水資源匱乏的季節(jié)時(shí)，可以根據(jù)作物的實(shí)際需水情況，將有限的水資源分配到最缺水分的地區(qū)，在節(jié)約水資源的同時(shí)保證農(nóng)作物的產(chǎn)量。

以為約束條件，可灌溉水的總量為M，WP為凋萎點(diǎn)對應(yīng)根系水的儲存量，蒸發(fā)不受脅迫根系層水的儲存量為。本地區(qū)5.19萬畝農(nóng)田，按水稻32%、蔬菜40%，經(jīng)計(jì)算，蔬菜一年灌溉用水約為1128萬m3，水稻一年灌溉用水大約需要894.72萬m3。

3 最優(yōu)化分配灌溉水量

優(yōu)化灌溉水量指的是根據(jù)每次的灌水要求，制定最佳的灌溉計(jì)劃，根據(jù)作物的不同對水量進(jìn)行分配，達(dá)到指標(biāo)最優(yōu)。例如，將供水部門的最大受益和灌區(qū)作為增產(chǎn)值作為目標(biāo)一和目標(biāo)二時(shí)，建立以下方程：

供水部門把水輸送到斗渠斗口水價(jià)為，第j種作物在第i個(gè)區(qū)域中的種植面積為S（j），第j種作物在第i個(gè)區(qū)域灌水定額為X（j）。灌水情況下，作物在第m時(shí)間段中灌溉產(chǎn)量為，第j種作物預(yù)測市場價(jià)格為，單位水量輸送到田間的費(fèi)用為，灌區(qū)被劃分成的數(shù)目為n，第i區(qū)作物種類數(shù)量為。以輸水建筑物流量、可供水量、非負(fù)約束為約束條件，可以對問題做如下劃分：一方面是對作物種植總面積進(jìn)行優(yōu)化；另一方面是在種植面積確定的情況下合理地分配水資源。

3.1 確定出最合理的種植結(jié)構(gòu)

在作物的種植面積確定的前提下，需要對各類作物水量配置最優(yōu)化的問題進(jìn)行考慮，不需要考慮作物總種植面積以及土地資源的利用情況。灌溉水量有限時(shí)，因?yàn)樗妥魑锏漠a(chǎn)出關(guān)系以及作物的灌溉制度存在差異，為了保證灌區(qū)綜合效益的最大化，需要采用對作物布局進(jìn)行調(diào)整的方法來找出水土資源最佳的組合方式。

過去在對灌區(qū)水土資源進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，只是單純地優(yōu)化灌區(qū)收益最大化或者研究灌區(qū)作物總量為目標(biāo)，只是對單個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化進(jìn)行考慮。而本文在研究水頭資源最佳組合方式，不僅對灌區(qū)收益情況進(jìn)行了考慮，還對其他的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行了考慮，模型屬于多目標(biāo)優(yōu)化。通過將灌區(qū)用水量最低、灌區(qū)總體效益最大化、生態(tài)效益最大化作為目標(biāo)，使用蟻群算法將最佳的作物結(jié)構(gòu)確定出來。以農(nóng)作物產(chǎn)量最大化、灌區(qū)收益最大化、水分生產(chǎn)效率最大化、生態(tài)效益最大化為目標(biāo)構(gòu)建植物的優(yōu)化模型，然后使用多目標(biāo)混沌離子群優(yōu)化算法進(jìn)行求解。

3.2 各種作物之間水量的最佳分配

在灌區(qū)總灌溉面積確定的情況下，為了保證灌區(qū)整體效益的最大化，需要按照特定的比例向作物分配水量。在這一過程中，需要對邊際效益以及灌溉用水生產(chǎn)效率進(jìn)行了解，合理地使用智能算法來對灌溉水量優(yōu)化配置目標(biāo)模型進(jìn)行求解。通過將供水部門和灌區(qū)作物產(chǎn)量收益最大化作為目標(biāo)來進(jìn)行優(yōu)化，然后使用帕累托目標(biāo)遺傳算法對模型進(jìn)行求解，使用GIS技術(shù)分析優(yōu)化結(jié)果。通過科學(xué)的分配水資源，水稻一年灌溉用水量下調(diào)為754.5萬m3，蔬菜一年灌水量下調(diào)為986.56萬m3，共節(jié)省用水量281.66萬m3，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 計(jì)算過程

為了保證灌區(qū)灌溉用水處于連續(xù)配置的過程，需要集成四個(gè)數(shù)學(xué)模型，然后創(chuàng)建方法庫、模型庫、空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建灌溉用水配置空間決策系統(tǒng)。使用ArcOjcets技術(shù)、內(nèi)置ArcMap的VBA變程序，如圖1所示：

空間數(shù)據(jù)主要包括未來情景、歷史情景、實(shí)時(shí)情景的非空間數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，主要包括水源因素、氣象因素、灌溉水權(quán)信息、土渠系等。其中氣象信息主要包含降雨量、氣象站分布情況、氣象站名稱、農(nóng)作物蒸騰量。農(nóng)作物信息主要包括植物的種植面積、植物的結(jié)構(gòu)、植物的類型、植物的生育期、植物產(chǎn)量敏感系數(shù)、植物系數(shù)等。水源信息主要包括河流徑流量、水庫庫容、灌溉可以提供的供水量、下墊面參數(shù)等信息。土壤信息主要包含土壤類型、土壤分布情況等參數(shù)。渠道信息主要有設(shè)計(jì)流量、渠道斷面大小、渠系布置圖、渠系水利用系數(shù)等。灌溉方式信息主要包含田間水利用系數(shù)、滴灌、噴灌、面灌。水權(quán)信息主要包括灌溉配合、灌溉保證率作物灌水許可、用水價(jià)格等。非空間數(shù)據(jù)和空間數(shù)量利用GIS查詢表進(jìn)行連接。要保證各個(gè)柵格可以單獨(dú)對應(yīng)一個(gè)編碼，柵格中的計(jì)算結(jié)果和參數(shù)都要保存在查詢表中，以便在優(yōu)化模型時(shí)可以隨時(shí)調(diào)用。

在模型庫中除了有主程序以外，還有三個(gè)子模型。月灌溉用水量采用多目標(biāo)渠系工作制度優(yōu)化模型和分布式優(yōu)化模型、年灌溉用量使用水量分布式優(yōu)化模型。子模型和主程序之間的關(guān)系為反饋和調(diào)度。此外，方法庫會對三個(gè)模型進(jìn)行支配，模型庫可以利用傳遞參數(shù)、調(diào)用數(shù)據(jù)庫等方式來對灌區(qū)灌溉用水進(jìn)行時(shí)空配置，將各種情景下灌溉制度和渠系工作任務(wù)求出，為灌區(qū)灌溉用水提供相應(yīng)的決策方案。

在方法庫中主要有非線性優(yōu)化、線性優(yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化的優(yōu)化方式。通過這三種優(yōu)化方式實(shí)現(xiàn)模型庫子模型的求解和優(yōu)化。使用優(yōu)化軟件編寫相應(yīng)的優(yōu)化方法，并結(jié)合具體的需求進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)充和修改。GIS人機(jī)交互系統(tǒng)作為用戶和庫開展決策行為的一個(gè)平臺，工作人員利用GIS人機(jī)交互系統(tǒng)可以對模型庫、空間數(shù)據(jù)庫、方法庫等進(jìn)行控制和決策。此交互系統(tǒng)可以和Windows系統(tǒng)相互兼容。相較于單一模擬模型和集總式模型，利用集成構(gòu)建的灌區(qū)灌溉用水優(yōu)化配置空間決策系統(tǒng)主要具有下述三個(gè)特點(diǎn)：首先，由于灌區(qū)的時(shí)空因素比較復(fù)雜，在進(jìn)行建模和求解時(shí)，如果使用分布式建模思路除了可以提升灌區(qū)灌溉用水的配置精度，而且可以使求解的整個(gè)流程得以簡化，更加豐富、直觀地將結(jié)果展示出來。而空間因素主要代表土壤、種植結(jié)構(gòu)、氣象站點(diǎn)分布情況、渠道系統(tǒng)布置情況之間的差異性。時(shí)間因素主要代表年季節(jié)氣象產(chǎn)生的不同之處以及農(nóng)作物在各個(gè)生育階段參數(shù)的差異性；其次，系統(tǒng)可以結(jié)合用戶的實(shí)際需求進(jìn)行靈活布置，可以連續(xù)進(jìn)行運(yùn)行，也可以單獨(dú)進(jìn)行運(yùn)行，可以根據(jù)情景的不同進(jìn)行分析和模擬，使管理部門可以更好地做出決策；最后，系統(tǒng)具有比較高的運(yùn)行效率，通用型和可移植性也很強(qiáng)，因?yàn)槟Ｐ蛶旌头椒◣焓欠蛛x的，因此可以對方法間進(jìn)行共享，避免了模型和方法的反復(fù)寫入，也更有利于輸入模型參數(shù)，而且可以結(jié)合灌區(qū)的實(shí)際需求情況修改模型。

5 結(jié)語

通過利用用水時(shí)空優(yōu)化模型，大約可以節(jié)省29.5%的灌溉用水量，農(nóng)作物可以增產(chǎn)24.2%，灌溉凈效益提升了16.8%，提高了糧食產(chǎn)量、節(jié)省了水資源。將GIS和傳統(tǒng)模型進(jìn)行集成后，使空間優(yōu)化配水求解變得更加簡單。在空間決策支持系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對灌區(qū)灌溉用水進(jìn)行優(yōu)化，有效解決了灌區(qū)用水優(yōu)化問題，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡介：伍衛(wèi)權(quán)（1971-），男（彝族），云南開遠(yuǎn)人，開遠(yuǎn)市灌區(qū)管理處工程師，研究方向：灌區(qū)灌溉優(yōu)化配置方法。

（責(zé)任編輯：小 燕）