新疆自流灌區(qū)提高灌溉水利用系數(shù)解決方案研究

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆的渠系一般由干、支、斗、農(nóng)四級(jí)渠道構(gòu)成，提高灌溉水利用系數(shù)主要是通過(guò)增加各級(jí)渠道防滲率來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而由于渠道級(jí)別較多，會(huì)出現(xiàn)多種組合形式，選擇何種組合形式是規(guī)劃設(shè)計(jì)人員面臨的首要問(wèn)題，為降低工作量，該部分工作一般會(huì)概化處理，這就導(dǎo)致了灌區(qū)防滲投資與各級(jí)渠道水利用系數(shù)出現(xiàn)不對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象，為避免出現(xiàn)該問(wèn)題，本文通過(guò)建立提高灌溉水利用系數(shù)解決方案的模型，為規(guī)劃設(shè)計(jì)人員合理選擇提高灌溉水利用系數(shù)方案提供參考依據(jù)。

1 新疆自流灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)計(jì)算公式

根據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水定額》(DB 65/3611—2014)，自流灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)計(jì)算公式：

η灌溉=[ηf干～農(nóng)fs干～農(nóng)+ηt干～農(nóng)(1-fs干～農(nóng))]η田間

(1)

式中：η灌溉為灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)加權(quán)值；ηf干～農(nóng)為灌區(qū)干～農(nóng)四級(jí)防滲渠道水利用系數(shù)(常數(shù))；fs干～農(nóng)為灌區(qū)干～農(nóng)四級(jí)防滲渠道長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的比率，%；ηt干～農(nóng)為灌區(qū)干～農(nóng)四級(jí)未防滲土渠的渠道水利用系數(shù)(常數(shù))；η田間為灌區(qū)田間水利用系數(shù)。

通過(guò)式(1)可以發(fā)現(xiàn)，灌溉水利用系數(shù)是關(guān)于渠道防滲率的單值函數(shù)。式(1)中的四級(jí)防滲渠道水利用系數(shù)、四級(jí)未防滲渠道水利用系數(shù)和田間水利用系數(shù)是相對(duì)穩(wěn)定的基本常數(shù)。

2 建立提高灌溉水利用系數(shù)解決方案模型

首先根據(jù)現(xiàn)狀實(shí)測(cè)渠道長(zhǎng)度及防滲長(zhǎng)度，利用式(1)計(jì)算出區(qū)域現(xiàn)狀實(shí)際灌溉水利用系數(shù)；其次建立規(guī)劃水平年灌溉水利用系數(shù)與防滲率的函數(shù)關(guān)系，并提出約束條件，制定關(guān)于費(fèi)用最小的目標(biāo)函數(shù)；最終利用Excel規(guī)劃求解功能插件，計(jì)算出最優(yōu)方案。

2.1 現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)求解

根據(jù)現(xiàn)狀各級(jí)渠道的防滲率，利用式(2)即可求得現(xiàn)狀區(qū)域的灌溉水利用系數(shù)。

(2)

2.2 規(guī)劃提高灌溉水利用系數(shù)解決方案模型建立

規(guī)劃水平年各級(jí)渠道水利用系數(shù)及灌溉水利用系數(shù)計(jì)算公式如下：

(3)

規(guī)劃年提高灌溉水利用系數(shù)解決方案約束條件如下：

(4)

規(guī)劃年提高灌溉水利用系數(shù)解決方案目標(biāo)函數(shù)如下：

Min[L干M干(fs干g-fs干)+L支M支(fs支g-fs支)

+L斗M斗(fs斗g-fs斗)+L農(nóng)M農(nóng)(fs農(nóng)g-fs農(nóng))]

(5)

式中：L干、L支、L斗、L農(nóng)分別為灌區(qū)干～農(nóng)四級(jí)防滲渠道的長(zhǎng)度，km；M干、M支、M斗、M農(nóng)分別為灌區(qū)干～農(nóng)四級(jí)防滲渠道的單價(jià)，萬(wàn)元/km；fs干g、fs支g、fs斗g、fs農(nóng)g分別為灌區(qū)規(guī)劃年干～農(nóng)四級(jí)防滲渠道長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的比率，%。

3 以新疆阿克陶縣為例進(jìn)行模型演算

3.1 阿克陶縣現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)求解

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查，2017年阿克陶縣干渠有28條，長(zhǎng)度為283.3km，防滲率達(dá)到62.9%；支渠有52條，長(zhǎng)度為334.0km，防滲率達(dá)到30.5%；斗渠的長(zhǎng)度為923.0km，防滲率達(dá)到23.6%；農(nóng)渠的長(zhǎng)度為1529.0km，防滲率達(dá)到15.0%。

根據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水定額》(DB 65/3611—2014)，阿克陶縣各級(jí)防滲渠道常數(shù)及未防滲渠道常數(shù)見(jiàn)表1。將各級(jí)渠道防滲率、防滲渠道常數(shù)及未防滲渠道常數(shù)代入式(2)，計(jì)算得出阿克陶縣各級(jí)渠道水利用系數(shù)及阿克陶縣自流灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)狀阿克陶縣灌溉水利用系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.2 規(guī)劃提高灌溉水利用系數(shù)解決方案模型演算

為進(jìn)行模型演算，現(xiàn)假定規(guī)劃年灌區(qū)僅通過(guò)提高干、支渠的防滲率來(lái)將灌溉水利用系數(shù)提高到0.45，并且假定干渠、支渠的單價(jià)成本分別為200萬(wàn)元/km、100萬(wàn)元/km，討論選擇成本最低解決方案。

首先，建立規(guī)劃年灌溉水利用系數(shù)和各級(jí)渠道防滲率的函數(shù)關(guān)系，并以費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，利用Excel 中規(guī)劃求解開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行模型建立，通過(guò)設(shè)置目標(biāo)、確定更改可變指標(biāo)、添加約束條件，最終求得最優(yōu)解決方案。Excel規(guī)劃求解運(yùn)行界面見(jiàn)圖1。

圖1 EXCEL規(guī)劃求解界面

根據(jù)前述假定，圖1中“設(shè)置目標(biāo)”為規(guī)劃年提高灌溉水利用系數(shù)解決方案的目標(biāo)函數(shù)，即增加干、支渠防滲率后的成本費(fèi)用，并將該項(xiàng)目標(biāo)設(shè)置為最小值；“通過(guò)更改可變單元格”設(shè)置為規(guī)劃年干、支渠的渠道水利用系數(shù)，即η干g、η支g；“遵守約束”中添加干、支渠的渠道水利用系數(shù)的邊界條件，并將規(guī)劃年灌溉水利用系數(shù)的目標(biāo)值0.45作為約束條件進(jìn)行添加。通過(guò)上述模型建立進(jìn)行演算后生成最終成果報(bào)告，見(jiàn)圖2。

圖2 模型演算結(jié)果

根據(jù)模型演算結(jié)果報(bào)告，當(dāng)干渠的渠道水利用系數(shù)由現(xiàn)狀的0.851提高到規(guī)劃年的0.890，支渠的渠道水利用系數(shù)由現(xiàn)狀的0.817提高到規(guī)劃年的0.865后，規(guī)劃年灌溉水利用系數(shù)達(dá)到目標(biāo)值0.45，這種組合方案是最經(jīng)濟(jì)的。

4 結(jié) 語(yǔ)

新疆在提高灌溉水利用系數(shù)時(shí)主要是通過(guò)增加各級(jí)渠道防滲率來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而由于渠道級(jí)別較多，會(huì)出現(xiàn)多種組合方案。為簡(jiǎn)化計(jì)算，在設(shè)計(jì)時(shí)一般只提出灌溉水利用系數(shù)，不提各級(jí)渠道的渠道水利用系數(shù)，這就直接影響到后續(xù)的經(jīng)濟(jì)概算的內(nèi)容，由于各級(jí)渠道的投資不同，使得渠道概算投資沒(méi)有明確的依據(jù)，人為影響因素較大，直接影響經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。本文利用《新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水定額》(DB 65/3611—2014)中關(guān)于灌溉水利用系數(shù)的確定方法，通過(guò)建立提高灌溉水利用系數(shù)解決方案的模型，以費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，提出最優(yōu)解決方案，減少人為因素對(duì)后續(xù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的影響。