衡邵干旱走廊典型灌區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)度研究

劉元沛　盛　東　山紅翠　鄒　亮　徐幸儀

（湖南省水利水電科學(xué)研究所　　長沙市　410007）

衡邵干旱走廊典型灌區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)度研究

劉元沛盛東山紅翠鄒亮徐幸儀

（湖南省水利水電科學(xué)研究所長沙市410007）

年內(nèi)干旱是干旱研究的重要方向，對農(nóng)業(yè)灌溉具有非常重要的意義。由于地區(qū)不同，降水不同，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致各個(gè)地區(qū)的年內(nèi)干旱情勢也各不相同。選取南方豐水地區(qū)的衡邵干旱走廊作為研究對象，通過對豐水年、平水年和枯水年進(jìn)行水庫群優(yōu)化調(diào)度研究，揭示衡邵干旱走廊的干旱成因、干旱時(shí)間和短缺水量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：衡邵干旱走廊干旱成因是農(nóng)業(yè)干旱，未來可能會(huì)出現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱；干旱時(shí)間為每年7～9月，符合該走廊夏秋連旱的特點(diǎn)；水量短缺以龍溪橋水庫最為顯著，豐水年約為1960萬m3，平水年約為2383萬m3，枯水年約為4302萬m3。因此，衡邵干旱走廊應(yīng)積極發(fā)展高效節(jié)水灌溉、開展渠道防滲、適當(dāng)調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和增加水源工程以應(yīng)對未來的社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱。

年內(nèi)干旱衡邵干旱走廊干旱成因

近年來，我國已在干旱研究方面取得諸多成果。但是，當(dāng)前干旱研究以年際為主，年內(nèi)研究相對較少。干旱研究方法主要有基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）［1］、馬爾科夫鏈模型（Markov）［2］、自回歸移動(dòng)平均模型（ARIMA）［3］、帕默爾干旱指數(shù)（PDI/PDSI）［4］、相對濕潤度指數(shù)（CMI）［5］、降水距平百分率（Pa）［6］、土壤相對濕度干旱指數(shù)［7］、綜合氣象干旱指數(shù)（CI）［8］、水文模型［9］等方法，通過干旱指數(shù)對干旱歷史進(jìn)行評估，研究干旱的成因和規(guī)律，預(yù)測未來干旱情勢。年內(nèi)干旱則受地區(qū)的用水情況影響較大，這一情況在南方豐水地區(qū)顯得尤為明顯，再加上最嚴(yán)格水資源管理制度對用水總量的限制，年內(nèi)干旱情勢顯得愈發(fā)嚴(yán)峻。

1 研究區(qū)概況

衡邵干旱走廊是湖南省四大干旱區(qū)之一，地處湖南省中部，雪峰山脈以南，五嶺山脈以北，是以湘江、資江流域的分水嶺為中軸線分布的廣大丘陵地區(qū)，主要包括湘江中上游、資江中上游的丘陵地區(qū)，位于北緯25°40′～27°31′，東經(jīng)110°25′～113°16′之間。

本次研究選擇衡邵干旱走廊內(nèi)衡南縣龍溪橋灌區(qū)為研究對象。龍溪橋灌區(qū)多年平均降雨量為1263mm，較全省多年平均降雨量少187mm。灌區(qū)包括龍溪橋灌片、唐灣灌片、敏東灌片和大宜沖灌片共4個(gè)部分。龍溪橋灌區(qū)內(nèi)有龍溪橋水庫、唐灣水庫、敏東水庫和大宜沖水庫，有引水工程自歐陽海灌區(qū)、唐灣水庫、敏東水庫和大宜沖水庫引水至龍溪橋水庫，具體如表1所示。

表1　龍溪橋灌區(qū)各水庫基本特征表

2 理論和方法

本文通過灌溉期（4～10月）的降水量數(shù)據(jù)劃分豐水年、平水年和枯水年；根據(jù)灌溉定額和灌溉水有效利用系數(shù)核算灌溉需水量；根據(jù)月降雨～月徑流關(guān)系曲線計(jì)算產(chǎn)水模數(shù)，再根據(jù)集雨面積計(jì)算產(chǎn)水量；最后建立基于線性規(guī)劃的水庫群優(yōu)化調(diào)度模型，核算缺水量，進(jìn)而確定年內(nèi)干旱期情勢。

2.1劃分豐平枯

龍溪橋灌區(qū)農(nóng)業(yè)種植以水稻為主，早稻種植自4月份開始7月份結(jié)束，晚稻種植自7月份開始10月份結(jié)束。龍溪橋灌區(qū)季節(jié)性干旱嚴(yán)重，尤其是在灌溉時(shí)期（4～10月）。本文采用1966～2008年衡南縣雨量站日降雨量數(shù)據(jù)為依據(jù)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算全年降雨量數(shù)據(jù)和灌溉期降雨量數(shù)據(jù)，多年月平均降水量如圖1所示。

圖1　龍溪橋水庫多年月平均降水量

根據(jù)灌溉期降雨量與多年平均灌溉期降雨量之間的差值采用水文年法將年降雨量情況分為枯水年、平水年、偏豐水年和豐水年。距平百分率P=（某年灌溉期降雨量-多年平均灌溉期降雨量）/多年平均灌溉期降雨量×100%，以10%為劃分標(biāo)準(zhǔn)，具體如表2所示。

表2　豐平枯劃分標(biāo)

2.2確定典型年

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，龍溪橋灌區(qū)農(nóng)業(yè)種植以單、雙季稻為主，種植比例為0.15∶0.85。灌溉季節(jié)為每年的4～10月。龍溪橋灌區(qū)按照0.48的灌溉水有效利用系數(shù)核算年均毛需水量為8785萬m3，遠(yuǎn)大于龍溪橋灌區(qū)的可用水量。同時(shí)，龍溪橋灌區(qū)多年平均降雨量為1263mm遠(yuǎn)小于全省平均1450mm。因此，采用灌溉期的豐平枯年份作為水庫調(diào)度的年份以研究不同情況下的水庫調(diào)度方案。按照龍溪橋灌區(qū)現(xiàn)有資料和豐平枯年份的平均情況，選擇1987年作為灌溉期為枯水年的調(diào)度年份，1982年作為灌溉期為豐水年的調(diào)度年份，1983年作為灌溉期為平水年的調(diào)度年份。經(jīng)皮爾遜-III型曲線計(jì)算得到：P1982=7.17%，P1983= 49.76%，P1983=83.54%，如圖2所示。

圖2　皮爾遜-ⅠⅠ型曲線擬合圖

2.3灌溉需水量計(jì)算

根據(jù)湖南省地方標(biāo)準(zhǔn)《用水定額》DB43/T-2014的90%供水保證率的灌溉定額和龍溪橋灌區(qū)灌水情況確定灌溉綜合定額標(biāo)準(zhǔn)如表3所示，其中旱地灌水定額采取已建工程的的具體情況確定為200m3/畝。

表3　綜合定額計(jì)算表m3/畝

按照全區(qū)0.48的灌溉水有效利用系數(shù)核算龍溪橋灌片的灌溉毛需水量，結(jié)果如表4所示。同樣的方法計(jì)算唐灣灌片、敏東灌片和大宜沖灌片的灌溉毛需水量。

表4　灌溉需水量計(jì)算表m3/畝，萬m3

2.4產(chǎn)水量核算

利用龍溪橋水庫現(xiàn)有資料，查移用井頭江月降雨-月徑流深關(guān)系曲線，確定龍溪橋灌區(qū)的產(chǎn)水模數(shù)。龍溪橋水庫集雨面積43.3km2，3處引水工程集雨面積25.65km2，考慮引水工程本身灌溉及入庫水量損失，故按面積的70%計(jì)算入庫水量，具體產(chǎn)水量如表5所示。

表5　1982、1983、1987年產(chǎn)水量計(jì)算表萬m3

2.5水庫群優(yōu)化調(diào)度

水庫調(diào)度采用Lingo軟件編程實(shí)現(xiàn)基于線性規(guī)劃的水庫群聯(lián)合調(diào)度。水庫群聯(lián)合調(diào)度是對龍溪橋水庫、大宜沖水庫、敏東水庫、唐灣水庫開展聯(lián)合調(diào)度，考慮大宜沖水庫、敏東水庫和唐灣水庫的可用水量引入龍溪橋水庫進(jìn)行調(diào)度。水庫群聯(lián)合調(diào)度主要遵循以下原則：

（1）防洪約束：6～7月份是汛期，因此水庫水位在6～7月應(yīng)低于防洪限制水位：

V（t）＜Vf（1）

式中V（t）——t月份的庫容；

Vf——對于水庫的防洪限制水位對于的庫容。

（2）水量平衡約束：當(dāng)月的可用水量=前月的可用水量+當(dāng)月產(chǎn)水量+當(dāng)月引水量-當(dāng)月灌溉用水量，考慮到引水渠道破壞嚴(yán)重，滲漏損失率取50%，式（2）為龍溪橋灌溉渠水量平衡約束，式（3）為引水的水量平衡約束，式（3）為唐灣水庫的水量平衡約束（敏東水庫和大宜沖水庫亦如此）。

Vl（t）=Vl（t-1）+Vlc（t）+Vy（t）-Vlg（t）（2）

Vy（t）=0.5Vty（t）+0.5Vmy（t）+0.5Vdy（t）+Voy（t）（3）

Vt（t）=Vt（t-1）+Vtc（t）-Vtg（t）-Vty（t）（4）

式中

Vl（t）——龍溪橋水庫t月份可用水量；

Vl（t-1）——龍溪橋水庫t-1月份可用水量；

Vlc（t）——龍溪橋水庫集水區(qū)t月份產(chǎn)水量；

Vy（t）——龍溪橋水庫t月份引水量；

Vlg（t）——龍溪橋水庫t月份灌溉可用水量；

Vty（t）——t月份從唐灣水庫的引水量；

Vmy（t）——t月份從敏東水庫的引水量；

Vdy（t）——t月份從大宜沖水庫的引水量。

（3）灌溉約束：以龍溪橋水庫為例，當(dāng)月的灌溉可用水量與當(dāng)月歐陽海引水量之和小于等于當(dāng)月灌溉需水量，如式（5）所示；當(dāng)月自龍溪橋水庫的灌溉需水量＜當(dāng)月龍溪橋水庫可用水量，對于大宜沖水庫、敏東水庫、唐灣水庫則不含歐陽海引水量，如式（5）、式（6）所示。

Vlg（t）+Voy（t）≤Vlx（t）（5）

Vlx（t）≤Vl（t）（6）

式中Vlg（t）——t月份龍溪橋灌片的灌溉可用水量；

Voy（t）——t月份龍溪橋灌片的自歐陽海灌片的引水量；

Vlx（t）——t月份龍溪橋灌片毛需水量；

Vl（t）——t月份龍溪橋水庫的可用水量。

（4）引水約束：龍溪橋水庫從唐灣水庫、敏東水庫和大宜沖水庫引水的前提是唐灣水庫、敏東水庫和大宜沖水庫的水量能夠滿足自身的需求。以唐灣水庫為例，敏東水庫和大宜沖水庫類似，如式（7）所示。

式中Vtg（t）——唐灣水庫t月份可用水量；

Vtx（t）——唐灣灌片t月份灌溉毛需水量；Vty（t）——唐灣水庫t月份引水量；

Vt（t-1）——唐灣水庫t-1月份引水量；

Vtg（t）——唐灣水庫t月份灌溉可用水量；Vt（t）——唐灣水庫t月份可用水量。

（5）目標(biāo)函數(shù)：以龍溪橋灌片、唐灣灌片、敏東灌片和大宜沖灌片的灌溉可用水量最大為準(zhǔn)。

式中Vlg（t）——t月份龍溪橋水庫的可用灌溉水量；

Vtg（t）——t月份唐灣水庫的可用灌溉水量；

Vmg（t）——t月份敏東水庫的可用灌溉水量；

Vdg（t）——t月份大宜沖水庫的可用灌溉水量；

Voy（t）——t月份自歐陽海灌區(qū)的引水量。

表6　典型年灌溉滿足情況　　萬m3

3 結(jié)果分析

根據(jù)水庫群優(yōu)化調(diào)度的結(jié)果，對4個(gè)灌片的灌溉可用水量與灌溉需水量的比值作為灌溉滿足度來分析缺水情況，缺水情況如表6所示。從表6中可以看出不論是枯水年、平水年還是豐水年，龍溪橋灌片均有大額的水量差，灌溉無法得到保證；唐灣水庫無論豐水年、平水年還是枯水年灌片灌溉均能得到保證，而敏東水庫和大宜沖水庫在豐水年和平水年灌溉渠灌溉能夠得到保證，枯水年灌溉無法得到保證。

從4～10月份調(diào)度結(jié)果可以看出龍溪橋灌區(qū)干旱期為7月、8月和9月。從1968～2008的43年降雨量數(shù)據(jù)可以得到月平均降雨量為113mm，而7月、8月的月平均降雨量為107mm，118mm，和43年的月平均降雨量基本持平，9月的月平均降雨量為58mm小于7月、8月和9月。造成7月、8月和9月干旱的原因是7月份開始種植晚稻，需水量，總需水量大約占整個(gè)灌溉季節(jié)灌溉需水量的60%，如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

考慮到未來灌區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，灌溉水有效利用系數(shù)將進(jìn)一步提高，因此對灌溉水有效利用系數(shù)提高后的情況進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)度，具體如表7所示，結(jié)果表明灌溉水有效每提高0.01，水量滿足情況可提高約1.25%，但是水量仍然有很大的缺口不能滿足灌溉需要。為了滿足灌溉需水，一方面要根據(jù)灌溉水量缺口，新建或者擴(kuò)建水源工程、調(diào)水工程；另一方面，要嘗試調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，可以大幅度節(jié)省農(nóng)業(yè)用水，例如玉米的灌溉定額約為水稻灌溉定額的1/3。

圖3　溪橋水庫4～10月灌溉情況

圖4　唐灣水庫4～10月灌溉情況

圖5　敏東水庫4～10月灌溉情況

圖6　大宜沖水庫4～10月灌溉情況

表7　提高灌溉水有效利用系數(shù)后滿足度

4 結(jié)　論

通過對衡邵干旱走廊龍溪橋灌區(qū)的基于典型年的水庫群優(yōu)化調(diào)度分析可以得到以下結(jié)論：衡邵干旱走廊的干旱期為7月、8月和9月；衡邵干旱走廊地區(qū)屬于相對豐水地區(qū)，降水量大，造成缺水的主要原因是蓄水工程不足和當(dāng)月降水量不能滿足當(dāng)月灌溉需水量造成的；衡邵干旱走廊的干旱成因?qū)儆谌祟惢顒?dòng)造成的農(nóng)業(yè)干旱不屬于氣象干旱和水文干旱，未來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展可能出現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱。對于衡邵干旱走廊而言未來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，可能會(huì)出現(xiàn)工業(yè)用水?dāng)D占農(nóng)業(yè)用水情況，因此，應(yīng)發(fā)展高效節(jié)水灌溉、適當(dāng)調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)減少對水量的需要；同時(shí)增加水源工程，提升蓄水能力，以應(yīng)對未來的社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱。

［1］楊斌斌，孫萬光.改進(jìn)POA算法在流域防洪優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用［J］.水電能源科學(xué)，2010，（12）：36-38+115.

［2］林潔，夏軍，佘敦先，張利平.基于馬爾科夫鏈模型的湖北省干旱短期預(yù)測［J］.水電能源科學(xué)，2015，（04）：6-9+51.

［3］許文寧，王鵬新，韓萍，嚴(yán)泰來，張樹譽(yù).Kappa系數(shù)在干旱預(yù)測模型精度評價(jià)中的應(yīng)用——以關(guān)中平原的干旱預(yù)測為例［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2011，（06）：81-86.

［4］劉庚山，郭安紅，安順清，劉巍巍.帕默爾干旱指標(biāo)及其應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2004，13（4）：21-27.

［5］王明田，王翔，黃晚華，張玉芳，馬均.基于相對濕潤度指數(shù)的西南地區(qū)季節(jié)性干旱時(shí)空分布特征［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，28（19）：85-92.

［6］王富強(qiáng)，王雷.基于降水距平百分率的河南省干旱特征分析［J］.中國農(nóng)村水利水電，2014，（12）：84-88.

［7］王素萍，張存杰，宋連春，李耀輝，馮建英，王勁松.多尺度氣象干旱與土壤相對濕度的關(guān)系研究 ［J］.冰川凍土，2013，35（4）：865-873.

［8］鄒旭愷，任國玉，張強(qiáng).基于綜合氣象干旱指數(shù)的中國干旱變化趨勢研究［J］.氣候與環(huán)境研究，2010，15（04）：371-378.

［9］熊見紅.長沙市農(nóng)業(yè)干旱規(guī)律分析及旱情預(yù)報(bào)模型探討［J］.湖南水利水電，2003，（4）：29-31.

劉元沛（1989-），男，碩士，主要從事水資源管理、3S技術(shù)等相關(guān)工作，E-mail：530964293@qq.com；盛東（1979-），男，博士，高級工程師，主要從事水資源管理工作，E-mail：shengdong1979@163.com。

（2016-06-17）