基于系統(tǒng)動力學(xué)方法的灌區(qū)庫塘水資源系統(tǒng)模擬模型研究

賈程程，張禮兵,，熊珊珊，張展羽，金菊良

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院, 合肥 230009 ; 2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院, 南京 210098)

0 引 言

水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源，隨著經(jīng)濟和社會快速發(fā)展，水資源短缺已經(jīng)成為了當(dāng)今世界普遍關(guān)注的問題。實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)、社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的一條重要途徑就是優(yōu)化調(diào)配以及合理開發(fā)利用水資源[1]。灌區(qū)是人們開發(fā)利用水資源的重要載體，然而由于氣候變化、城市化進程加快以及管理落后等自然或人為條件的影響，我國大部分灌區(qū)系統(tǒng)存在著水資源豐枯不均，農(nóng)業(yè)灌溉保證率難以達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的問題。提高灌區(qū)水資源利用效率、保障糧食安全的重要途徑就是要合理配置灌區(qū)水資源，同時也是實現(xiàn)灌區(qū)水資源可持續(xù)發(fā)展的重要措施[2]。灌區(qū)水資源系統(tǒng)是農(nóng)田水利工程的拓展與延伸，發(fā)展到今天它已成為一個多階段、多層次、多目標(biāo)、多屬性和多功能的復(fù)雜系統(tǒng)，其決策不僅需要了解氣候、水量、水質(zhì)、土壤、鹽堿等要素的自然變化規(guī)律，同時更需要掌握各要素的變化可能對社會、經(jīng)濟、生態(tài)、環(huán)境等系統(tǒng)產(chǎn)生的各種影響[3]。灌區(qū)水資源系統(tǒng)作為水資源系統(tǒng)工程的重要組成，其配置理論與后者幾乎同步發(fā)展，從初期的基于供、需單方面限制的優(yōu)化配置，發(fā)展到基于經(jīng)濟最優(yōu)、效率最高的系統(tǒng)優(yōu)化配置[4]，以至現(xiàn)代的基于資源、社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境統(tǒng)籌考慮的大系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化配置理論[5-9]。將水資源優(yōu)化配置理論應(yīng)用到實際工作中需要具有操作性的技術(shù)方法，因此水資源優(yōu)化配置的實現(xiàn)技術(shù)、方法以及相關(guān)模型研究一直以來都是國內(nèi)外學(xué)界研究的重點和熱點。

20世紀(jì)90年代中期以前，灌區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)配模型研究以優(yōu)化模型和模擬模型為主[10,11]，將二者有機結(jié)合以互相取長補短漸漸成為國內(nèi)外學(xué)界積極探索的重要途徑[12,13]。隨著科技的進步，近年來計算智能、分布式水文模型、3S技術(shù)以及地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)逐漸在灌區(qū)水資源系統(tǒng)模擬中得到了應(yīng)用研究[14-16]，為現(xiàn)代灌區(qū)水資源系統(tǒng)的科學(xué)研究與現(xiàn)代化管理提供了一些重要的途徑?；?，本文針對江淮丘陵地區(qū)庫塘水資源系統(tǒng)的特點，擬以巢湖流域南淝河支流板橋河西支上游蔡塘水庫灌區(qū)為研究對象，對田間尺度作物水資源供需、中觀尺度塘壩、水庫的水資源平衡及水量進行模擬計算與分析，進而運用系統(tǒng)動力學(xué)軟件Vensim建立了基于該3個方面的適合丘陵地區(qū)的灌區(qū)庫塘水資源系統(tǒng)綜合模擬模型，為總灌區(qū)半分布式水資源系統(tǒng)的調(diào)配模擬提供基礎(chǔ)和支撐。

1 灌區(qū)庫塘水資源系統(tǒng)組成

1.1 灌 區(qū)

研究區(qū)蔡塘水庫灌區(qū)屬于中型灌區(qū)，設(shè)計灌溉面積38.47 km2，實際灌溉面積18.93 km2。本灌區(qū)沒有自流灌區(qū)，全部為提水灌區(qū)。灌區(qū)所在地域地處亞熱帶濕潤氣候帶，四季分明，雨量集中，無霜期長，冬季氣候寒冷干燥，夏季氣候溫和濕潤。據(jù)合肥氣象站資料統(tǒng)計，本灌區(qū)多年平均氣溫在15.7 ℃，年際變化不大。根據(jù)南淝河流域及鄰近流域雨量站歷年觀測資料統(tǒng)計分析，本流域多年平均降雨970 mm，年內(nèi)及年際變化極不均勻。受冷鋒、低渦、臺風(fēng)等影響，5-9月多暴雨，歷史上就是干旱缺水比較嚴(yán)重的地區(qū)。本灌區(qū)水資源總量基本上表現(xiàn)為地表水資源，對地表水資源的利用主要依靠蔡塘水庫、星羅棋布的塘壩和農(nóng)田進行攔蓄。由于自然地理條件特殊和現(xiàn)有地面調(diào)蓄容量不足，在豐水期地表水資源大量流失，而枯水期往往水分嚴(yán)重不足。灌區(qū)庫塘水利工程系統(tǒng)主要由水庫、塘壩、滁河干渠及提水泵站水資源調(diào)控系統(tǒng)。

1.2 塘壩及渠系

攔蓄和貯存當(dāng)?shù)氐乇韽搅髁啃∮?0萬m3的地表蓄水設(shè)施叫做塘壩。灌區(qū)內(nèi)塘壩可以攔蓄當(dāng)?shù)氐乇韽搅?，分散蓄水，減小渠首、各級渠道以及配套建筑物的設(shè)計流量，同時相應(yīng)的節(jié)省其工程量和投資；塘壩的就近灌溉可以減少因水量長距離調(diào)配所引起的損失，進而節(jié)約了灌溉用水；塘壩供水比較及時，管理方便，可以提高灌水效率；同時可以緩洪減峰，防止水土流失，減輕農(nóng)田洪澇災(zāi)害。灌溉渠道系統(tǒng)是指從水源取水、通過渠道及其附屬建筑物向農(nóng)田供水、經(jīng)由田間工程進行農(nóng)田灌水的工程系統(tǒng)。主要包括渠首工程、輸配水工程和田間工程3大部分,本區(qū)域主要有提水干渠、斗渠、農(nóng)渠，一般布置在灌區(qū)較高位置，三級提水達到設(shè)計高程后，自流向下進行引水灌溉。在本灌區(qū)，塘壩可以通過渠系和水庫、農(nóng)田聯(lián)合起來，實現(xiàn)系統(tǒng)綜合調(diào)配水，滿足干旱區(qū)水資源的最優(yōu)化利用，增加糧食產(chǎn)量。在灌溉期到來且雨量不充沛時，可以利用骨干水庫泄水充蓄塘壩；在灌溉初期，可以利用塘壩和骨干水庫聯(lián)合供水，但在不同時段保持塘壩有一定的最小有效蓄水量；而在灌水高峰期渠道輸水能力不足或骨干水庫缺水時，可放空塘壩[17]。多年實踐說明，通過上述控制運行可使渠道灌溉期灌水流量趨于均勻，增加灌溉供水，提高灌溉保證率。

1.3 水庫及提水工程

骨干水庫蔡塘水庫位于巢湖流域南淝河支流板橋河西支上游，是一座以灌溉為主結(jié)合防洪、城市供水和水產(chǎn)養(yǎng)殖的綜合利用重點中型反調(diào)節(jié)水庫。壩址坐落在長豐縣雙墩集附近，控制板橋河流域面積26 km2，總庫容1 769萬m3。蔡塘水庫同時也是淠史杭灌區(qū)滁河干渠上一座重要的反調(diào)節(jié)水庫。蔡塘水庫通過攔蓄當(dāng)?shù)貜搅?，并調(diào)蓄淠史杭灌區(qū)來水，來保證灌溉用水；同時通過蔡塘水庫的調(diào)蓄，有效的削減了下游河道的洪峰流量，提高了板橋河和南淝河的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

2 蔡塘水庫灌區(qū)庫塘水資源供需的系統(tǒng)動力學(xué)模型構(gòu)建

蔡塘水庫灌區(qū)是一項采用骨干水庫與塘壩聯(lián)合運用，以提高灌區(qū)灌溉效率，緩解灌溉水供需矛盾，提高水資源利用保證程度的綜合水利工程。灌區(qū)水資源系統(tǒng)主要組成及相關(guān)參數(shù)見表1所示。

表1 灌區(qū)水資源系統(tǒng)主要組成及其相關(guān)參數(shù)Tab.1 The main components and engineering parameters of water resources system in irrigation district

灌區(qū)水資源系統(tǒng)分析、計算主要包含以下3個方面的內(nèi)容，即：灌區(qū)水田、塘壩和骨干水庫的水資源平衡模擬計算。根據(jù)系統(tǒng)動力學(xué)的原理以及庫塘水資源供需平衡原理，采用系統(tǒng)動力學(xué)軟件Vensim分別建立水田，塘壩，水庫的水資源系統(tǒng)模擬模型。

2.1 灌區(qū)水田水資源Vensim模型構(gòu)建

蔡塘水庫設(shè)計灌溉面積38.47 km2，水庫灌區(qū)沒有自流灌區(qū)，全部為提水灌區(qū)，提水灌區(qū)主要靠吳店、小張郢等抽水站抽水灌溉。水庫灌區(qū)主要種植水稻，此外還種植玉米、小麥、油菜和棉花等旱作物，為簡化計算將作物分水稻和旱作物兩種。采用1992年聯(lián)合國糧農(nóng)組織提出的彭曼-蒙特斯(Penman-Monteith)公式計算參考作物的騰發(fā)量ET0，而作物各階段的需水量ETc的計算可利用同階段的參考作物蒸發(fā)量ET0與相應(yīng)階段的作物系數(shù)Kc的乘積求得：

ETc(j)=Kc(j)ET0(j)

(1)

式中：j為計算時段，此為旬(j=1，2，3 ，…,35，36)；ETc是作物各計算時段的需水量；ET0是計算時段參考作物的蒸發(fā)量；Kc是作物系數(shù)，反映了該作物實際騰發(fā)量與參照作物騰發(fā)量關(guān)系。

根據(jù)水田的進出水的關(guān)系建立Vensim模型，以上游水田末水深為狀態(tài)變量，為了更好的展現(xiàn)循環(huán)變化過程，假設(shè)了一個虛擬的變量，即為水深中間量，此變量與降雨、蒸發(fā)等有關(guān)，相當(dāng)于水田未排水以前的狀態(tài)量。具體模型見圖1。

2.2 灌區(qū)塘壩Vensim模型構(gòu)建

根據(jù)灌區(qū)續(xù)建工程規(guī)劃的設(shè)計原則，塘壩的供水是在灌區(qū)求得農(nóng)業(yè)灌溉的總需水量后，盡量先用塘壩的可用水量進行灌溉，同時考慮為了更好的削減灌溉用水高峰，在上游源水庫有效蓄水較大且渠首過水流量許可時，塘壩水可不全部用完而有部分保留[18]。塘壩的入水包括降雨及徑流，其中徑流包括塘壩非農(nóng)地入流、旱地排水利用量、水田排水利用量，出水包括塘壩水的下滲、塘面蒸發(fā)，水田供水及塘滿溢流。

塘壩水量平衡計算公式如下：

Vt(j)=Vt(j-1)+Wt(j)+Pt(j)-Et(j)-

圖1 灌區(qū)水田系統(tǒng)動力學(xué)模擬模型Fig.1 Dynamic simulation model of paddy field system in Irrigation District

St(j)-Wt(j)-Gt(j)

(2)

式中：Vt(j-1)、Vt(j)表示塘壩時段初、末有效蓄水量，萬m3(下同)；Wt(j)表示塘壩時段來水量，Wt(j)包括：旱地排水利用量、塘壩非農(nóng)地入流以及水田排水利用量；Pt(j)表示塘壩時段塘面降雨量；Et(j)代表塘壩時段塘面蒸發(fā)量；St(j)代表時段塘壩滲漏量；Wt(j)代表塘壩時段棄水量;Gt(j)代表塘壩實際供水。

根據(jù)塘壩的進出水關(guān)系以及水量平衡原理建立Vensim模型，以塘壩的末蓄水深為狀態(tài)變量，同樣假設(shè)一個虛擬的水深中間量，塘壩中間水量，具體的Vensim模型見圖2。

圖2 灌區(qū)塘壩系統(tǒng)動力學(xué)模擬模型Fig. 2 Dynamics simulation model of pond system in Irrigation District

2.3 骨干水庫Vensim模型構(gòu)建

骨干水庫的控制運行結(jié)合防洪要求，以開敞式溢流道和放水閘人為控制運行的原則，其水量平衡模擬計算公式如下：

Vc(j)=Vc(j-1)+Wc(j)+Pc(j)-

Ec(j)-Sc(j)-Wf(j)-Tc(j)

(3)

式中：Vc(j-1)、Vc(j)表示蔡塘水庫時段初、末有效蓄水量，萬m3；Wc(j)表示蔡塘水庫時段入庫徑流；Pc(j) 表示蔡塘水庫時段庫面降雨量；Ec(j)表示蔡塘水庫時段庫面蒸發(fā)量；Sc(j)表示蔡塘水庫時段水庫滲漏量；Wf(j)表示蔡塘水庫時段放水量；Tc(j)表示蔡塘水庫時段提水灌溉量。

水庫的入水主要包括降雨、入庫徑流，其中入庫徑流由塘壩棄水，塘壩滲漏、非農(nóng)地產(chǎn)流入庫量、旱地排水入庫量，水田排水入庫量組成，水庫出水主要包括水庫提水量、水庫充下游塘量、水庫泄水量。同樣為了更好地體現(xiàn)循環(huán)過程，方便模型計算，在水庫循環(huán)中加入一個未出水時的變量，即最大庫蓄水量，具體Vensim模型見圖3。

圖3 灌區(qū)骨干水庫系統(tǒng)動力學(xué)模擬模型Fig.3 Dynamic simulation model of reservoir system in Irrigation District

3 模型參數(shù)設(shè)定及系統(tǒng)水資源平衡計算結(jié)果

3.1 模型參數(shù)設(shè)定

根據(jù)灌區(qū)庫塘實際情況及收集到的該水庫1991-2008年各月蓄水量徑流量等實測資料對庫塘水資源模擬模型的主要參數(shù)進行率定，主要模型參數(shù)見表2。

表2 模型主要參數(shù)設(shè)置表Tab.2 The main parameters of the model

3.2 系統(tǒng)水資源平衡計算結(jié)果

蔡塘水庫是本水庫灌區(qū)水資源量調(diào)蓄的重要節(jié)點，在確定模型主要參數(shù)的基礎(chǔ)上同時結(jié)合實際情況考慮在98年洪水后各年份水庫在汛期到來前提前泄水，泄水規(guī)則為：在汛期到來之際(查閱歷史資料可得此時期為每年的五月中旬)，當(dāng)水庫的水位在44.5 m以上時，水庫往干渠泄水200萬m3，水庫水位在43.2～44.5 m時，泄水100萬m3。以2009-2011年作為驗證期，經(jīng)各年按月匯總后水庫水量歷年變化及模擬情況見表3。

根據(jù)水文情報預(yù)報規(guī)范[19]，本模型的水庫年蓄水量距平誤差為7.32%，符合規(guī)范中關(guān)于中長期(按月計算)水文定量預(yù)報(擬合)精度20%的要求，所以所建模型能較好地模擬該水庫灌區(qū)水資源系統(tǒng)的產(chǎn)水、用水、耗水、排水的過程，計算結(jié)果具有一定的可信度。因此，從系統(tǒng)的宏觀尺度上看，本模型能夠詳細(xì)的描述蔡塘水庫水資源系統(tǒng)的產(chǎn)、用、排水的實際情況。

表3 灌區(qū)庫塘系統(tǒng)水資源模擬模型擬合結(jié)果Tab.3 Fitting results of water resources simulation model of reservoir pond system in Irrigation District

綜上，本模型分別從水田、塘壩及水庫3個依次擴大的層面對所建模型的計算結(jié)果與實際系統(tǒng)進行了詳細(xì)計算和對比分析，發(fā)現(xiàn)三者分別具有良好的吻合性，可以用于中小型水庫灌區(qū)水資源系統(tǒng)的模擬、調(diào)配與優(yōu)化設(shè)計。

4 結(jié) 語

安徽省江淮丘陵地區(qū)作為重要糧油產(chǎn)區(qū)之一，由于受特殊的地形地貌和氣象條件影響，常常遭受干旱危害，農(nóng)業(yè)灌溉需水量很大，干旱缺水是制約這一地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的主要因素，該地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵是尋找有效的水資源管理對策。本文基于系統(tǒng)動力學(xué)方法，初步構(gòu)建了蔡塘水庫灌區(qū)庫塘水資源系統(tǒng)模擬模型，結(jié)果說明該模型能較好地反映灌區(qū)水資源系統(tǒng)的產(chǎn)水用水耗水的水循環(huán)過程，在今后研究中可在此基礎(chǔ)上可通過對水田作物的節(jié)水灌溉研究對庫塘的提水量進行優(yōu)化調(diào)控，使灌區(qū)水資源調(diào)度更加科學(xué)合理，同時對節(jié)省水資源，緩解用水壓力提供解決途徑。

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