貴州黔中灌區(qū)水資源優(yōu)化配置的研究

羅亞松

（貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002）

水資源是人類的生命之源，是社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來，由于氣候和環(huán)境變化條件的影響，可利用水資源日益無法滿足生產(chǎn)生活的需求。從長遠(yuǎn)和戰(zhàn)略上分析，各地區(qū)水資源都將面臨優(yōu)化配置的問題[1]。

水資源優(yōu)化配置是對水資源的合理分配和利用，可通過工程措施和非工程措施兩種方法調(diào)節(jié)水資源的時空分布，實(shí)現(xiàn)水資源價值。從需求和供給兩方面分析，需水是通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、建設(shè)節(jié)水型社會并調(diào)整生產(chǎn)力布局，以適應(yīng)較為不利的水資源條件；供給是協(xié)調(diào)各類用水，嚴(yán)格管理，開源與節(jié)流并重。結(jié)合需水和供水條件，正確處理經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境以及資源的綜合關(guān)系[2]。

1 黔中灌區(qū)水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

黔中灌區(qū)現(xiàn)有水利工程502處，其中蓄水工程87處，總庫容17985萬m3，興利庫容9516萬m3；引水工程62處，總引水流量12.4 m3/s；提水工程353處，總裝機(jī)容量10519 kW。設(shè)計(jì)、有效、保證灌溉面積分別為46.39萬畝、36.95萬畝、31.50萬畝。

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，黔中灌區(qū)內(nèi)人畜用水量1720.30萬m3，其中有供水設(shè)施的供水量為1184.76萬m3，占總用水量的68.9%；無供水設(shè)施的供水量占31.1%，且未達(dá)到安全用水要求，主要靠肩挑背馱。

1.1 供水能力

通過對現(xiàn)狀資料的收集，結(jié)合對灌溉、縣城供水、鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水和人畜用水的調(diào)查和復(fù)核，黔中灌區(qū)總用水量為2.58億m3。依據(jù)灌區(qū)現(xiàn)有和正編制的發(fā)展規(guī)劃，綜合分析農(nóng)業(yè)灌溉、縣城供水、鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水和農(nóng)村人畜用水安全等的可供水量，至2020年總的可供水量為3.61億m3，比現(xiàn)階段增加1.02億m3。

1.2 需水量分析

黔中灌區(qū)范圍內(nèi)農(nóng)作物種植面積243.98萬畝，土地綜合復(fù)種指數(shù)1.98；糧食作物以水稻、玉米為主，種植面積148.80萬畝，占總播種面積的61.0%，其中水稻種植面積65.45萬畝。經(jīng)濟(jì)作物以油菜、蔬菜為主，果樹和茶葉等經(jīng)濟(jì)作物所占的比重較小。根據(jù)對灌溉、縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和人畜用水的預(yù)測，至2020年灌區(qū)總的需水量為6.78億m3，需水量的增長率0.8%。

1.3 供需分析

對比分析2020年黔中灌區(qū)范圍內(nèi)預(yù)測需水量與可供水量，確定缺水量約3.17億m3，占總需水量的45.5%；多年平均缺水量2.85億m3，占總需水量的40.6%。

2 灌區(qū)節(jié)水模型建立

2.1 目標(biāo)函數(shù)的確立

水資源系統(tǒng)由多個目標(biāo)組成，各個目標(biāo)之間既有差異又有相同。隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用水的劇增，供水需求不斷增大。在缺水地區(qū)，流域中不同區(qū)域?qū)λY源的需求越來越大，水資源的供需越發(fā)不均衡。區(qū)域內(nèi)水資源的合理分配和利用，一方面須滿足社會需求，另一方面須使區(qū)域生產(chǎn)得到進(jìn)一步的發(fā)展，是水資源應(yīng)用中亟待解決的問題。

符合全部水資源系統(tǒng)的約束條件的可行性方式眾多，評價方式的標(biāo)準(zhǔn)是衡量某方式的優(yōu)缺點(diǎn)。一般情況下，評價標(biāo)準(zhǔn)主要有經(jīng)濟(jì)、水量和能量三種，在此基礎(chǔ)上，綜合考慮蓄放水、用水優(yōu)先級和社會環(huán)境等因素。確立目標(biāo)函數(shù)，使用最優(yōu)化方法對函數(shù)求解，即求得目標(biāo)函數(shù)的最大值或最小值，其意義在于滿足系統(tǒng)的平衡、運(yùn)行、容量及其他要求后，使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益（或水量分配，或水資源利用率）達(dá)到最好。

目標(biāo)函數(shù)可描述為系統(tǒng)凈效益最大、損失水量最小、供水的優(yōu)先級。不同保證率下各用水單位的缺水程度和水資源的可利用量可間接反映經(jīng)濟(jì)效益，為了保障流域生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)和改善，約束條件選擇流域下泄水量，在保證下游的生態(tài)環(huán)境良好的條件下最大程度地減少中游各用水單位的缺水現(xiàn)象，達(dá)到整個流域水資源的合理分配，故目標(biāo)函數(shù)確定為總?cè)彼孔钚2]，見式（1）、（2）：

式中，Nk+（1Vk+1，AMk+1）為當(dāng)前狀態(tài)AMk，決策為Ak時其余留階段的最大效益。通過優(yōu)化計(jì)算，求得在給定條件下的最優(yōu)狀態(tài)序列｛A｝及最優(yōu)決策序列｛Ak*｝，k=1，2…K。

式中，Nk+1(Vk+1)為當(dāng)前狀態(tài)Vk決策為Qk時，其余留階段的最大效益。經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算，可得出最優(yōu)狀態(tài)序列{}和最優(yōu)決策系列{}。

2）比較上兩步的優(yōu)化結(jié)果，若第一步中的虛擬軌跡與第二步中的優(yōu)化結(jié)果存在差異，就以第二步中的優(yōu)化結(jié)果為第一步的初始值，反復(fù)上述的優(yōu)化過程，直至兩個狀態(tài)變量均得到相同的目標(biāo)函數(shù)（在擬定的精度范圍內(nèi)）和相同的決策序列為止。

2.2 灌區(qū)水資源求解分析

灌區(qū)水資源按照黔中灌區(qū)灌溉、縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和人畜用水對供需水量進(jìn)行劃分，在灌溉作物上考慮糧食作物水稻、小麥、玉米和經(jīng)濟(jì)作物油菜、烤煙、花生、蔬菜、果樹等兩大類。

在黔中灌區(qū)，這兩大類作物基本代表了受水區(qū)種植業(yè)的情況。在模型求解過程中，只需要考慮兩大類作物的水量分配，其余的作物水量按照原始的水量分配，不計(jì)入模型進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)灌溉條件不充分時，直接采用定額節(jié)水灌溉制度，不對其進(jìn)行優(yōu)化配置，只對子區(qū)各作物之間和各區(qū)域之間進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化配水。當(dāng)供水量出現(xiàn)明顯的不足時，總量控制目標(biāo)采用供水量，對區(qū)域間和區(qū)域內(nèi)各作物之間進(jìn)行優(yōu)化配水，達(dá)到以有限的水量實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。

2.3 優(yōu)化配置結(jié)果與分析

2.3.1 農(nóng)作物種植比分配結(jié)構(gòu)

據(jù)灌區(qū)灌溉用水可利用的水資源量，利用動態(tài)規(guī)劃模型，在滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口和糧食安全的前提條件下，由兩大類作物節(jié)水灌溉定額引導(dǎo)，對水稻、小麥、玉米、油菜、烤煙、花生、蔬菜、果樹作物用水量進(jìn)行最優(yōu)配置，模擬預(yù)測出2020年灌區(qū)各種作物的最佳種植面積，結(jié)果見表1。

表1 2020年灌區(qū)農(nóng)作物預(yù)測最佳種植面積統(tǒng)計(jì)表 單位:萬畝

2.3.2 灌溉用水優(yōu)化分配

黔中灌區(qū)主要旱作物有小麥、油菜、玉米、蔬菜、果樹等。結(jié)合實(shí)際情況，根據(jù)內(nèi)部水量優(yōu)化模型，可以計(jì)算得出黔中灌區(qū)各種旱作物的灌溉期和總需水量，主要旱作物灌溉用水量表，見表2。

表2 黔中灌區(qū)主要旱作物灌溉用水量表

3 結(jié)論

優(yōu)化水資源配置將有效提高其利用率，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會協(xié)調(diào)發(fā)展。分析黔中灌區(qū)水資源供需水，結(jié)合黔中水資源的規(guī)劃發(fā)展以及農(nóng)作物種植種類，通過數(shù)學(xué)方法確立目標(biāo)函數(shù)和約束條件，建立灌區(qū)節(jié)水模型，并對其求解。明確模型的求解思路和過程，從農(nóng)作物種植分配結(jié)構(gòu)和灌溉用水優(yōu)化分配兩方面對優(yōu)化配置效果進(jìn)行描述。水資源的優(yōu)化配置既提高了水資源的利用率，同時又合理地規(guī)劃農(nóng)作物種植面積和主要旱作物需水量，加速地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。