龍虎泡水庫(kù)下游水土資源空間匹配分析

高健超，梁貞堂，戴長(zhǎng)雷，常曉峰

(1.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所， 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080；3.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

0 引 言

水土資源是農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中最基本最重要的生產(chǎn)資料[1]。對(duì)水土資源進(jìn)行合理開(kāi)發(fā)與利用，優(yōu)化配置水土資源，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、健康發(fā)展具有極其重要的意義[2]。人們?cè)谒临Y源調(diào)查、評(píng)價(jià)、規(guī)劃，以及以水土資源綜合利用等方面開(kāi)展了大量工作，但目前將兩類資源結(jié)合起來(lái)所做的研究還比較少[3,4]。水資源作為農(nóng)牧業(yè)土地利用的瓶頸因素，決定土地的利用方向，因而有必要將從“以水定需”角度進(jìn)行水土資源優(yōu)化配置。龍虎泡水庫(kù)位于黑龍江省大慶市，是中部引嫩工程的末端蓄水工程。近年來(lái)由于大慶石油產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型等原因，使得中部引嫩工程具備向龍虎泡水庫(kù)下游農(nóng)牧業(yè)供水的潛力。相關(guān)專家對(duì)本區(qū)域的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)狀況、農(nóng)牧業(yè)灌溉制度等方面進(jìn)行了大量研究，而在此基礎(chǔ)上對(duì)水土資源配置的研究相對(duì)較少。本文從開(kāi)發(fā)龍虎泡水庫(kù)潛能的角度對(duì)研究區(qū)域內(nèi)部分農(nóng)牧業(yè)用地進(jìn)行水土資源優(yōu)化配置。提高供水區(qū)域灌溉效益及農(nóng)牧業(yè)土地產(chǎn)出率，并且最大限度發(fā)揮現(xiàn)有引水工程價(jià)值的目的。以期為類似地區(qū)的開(kāi)發(fā)與規(guī)劃提供參考。

1 區(qū)域概況

1.1 自然條件及農(nóng)牧業(yè)

中部引嫩工程引水口位于齊齊哈爾市富?？h塔哈鎮(zhèn)，經(jīng)東升水庫(kù)及扎龍濕地外圍進(jìn)入龍虎泡水庫(kù)[5]。下游輻射區(qū)域?yàn)榇髴c市所屬的讓胡路、紅崗、大同三個(gè)區(qū)為本次研究區(qū)域，近期區(qū)域內(nèi)人口81萬(wàn)人，年地區(qū)生產(chǎn)總值448億元。地處松嫩平原腹地屬嫩江左岸低地平原地區(qū)。該地區(qū)屬于北溫帶大陸性氣候區(qū)，降水量少、蒸發(fā)量大并且降水多集中于7-8月份，使得區(qū)域內(nèi)水旱災(zāi)頻發(fā)交替[6]。研究區(qū)域內(nèi)無(wú)天然河流，只安肇新河和南排干渠兩條人工渠道用于區(qū)域排水，但鄰近的嫩江、松花江過(guò)境水資源豐富。

研究區(qū)域?yàn)檗r(nóng)牧業(yè)交錯(cuò)區(qū)，農(nóng)牧業(yè)用地主要包括耕地、草場(chǎng)。耕地結(jié)構(gòu)可以按“糧、經(jīng)、飼”用地劃分，其中旱田和區(qū)域內(nèi)數(shù)量極少的水田為糧食作物用地，經(jīng)濟(jì)作物用地包括露天經(jīng)濟(jì)作物和棚室，如表1。形成“糧、經(jīng)、飼、草”的農(nóng)牧業(yè)用地格局。

表1 各區(qū)農(nóng)牧業(yè)土地利用結(jié)構(gòu) 萬(wàn)hm2

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，人類活動(dòng)增加及不合理開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致當(dāng)?shù)赝恋卮竺娣e轉(zhuǎn)化為耕地、草地，失去自我調(diào)節(jié)能力，干旱、內(nèi)澇等災(zāi)害頻發(fā)，土地鹽堿化、沙化嚴(yán)重[7]。使得農(nóng)牧業(yè)用地單產(chǎn)偏低，種植業(yè)單產(chǎn)偏低，且不能保證產(chǎn)量穩(wěn)定，自然草場(chǎng)的產(chǎn)量?jī)H為20世紀(jì)80年代的1/3[8]，如表2。其中水田、經(jīng)濟(jì)作物現(xiàn)狀為充分灌溉，由于不同經(jīng)濟(jì)作物畝產(chǎn)差距巨大故只列出經(jīng)濟(jì)作物畝產(chǎn)效益。

表2 每公頃產(chǎn)量及收入對(duì)照Tab.2 Contrast of yield and income

1.2 供水能力分析與灌溉需水量分析

資料[5]顯示，中部引嫩工程在P=50%保證率條件下，設(shè)計(jì)供水能力10.1 億m3。近年來(lái)，由于石油產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、扎龍濕地及連環(huán)湖生態(tài)恢復(fù)等原因各部門需水量減少。使得中部引嫩工程有很大潛力用于下游灌溉，如表3。2009-2015年中部引嫩工程向各部門供水?dāng)?shù)據(jù)顯示，平均年供水量為4.42 億m3，故中部引嫩工程有約5.58 億m3的年平均供水能力供給下游。

表3 齊齊哈爾市中部引嫩工程供水量匯總 億m3

根據(jù)黑龍江省近期用水定額及表1所示的土地利用結(jié)構(gòu)，以噴灌、滴灌等節(jié)水灌溉方式選取定額，對(duì)灌溉需水量進(jìn)行估計(jì)，如表4。不難看出需水量大于可供水量，因此要使有限可供水資源發(fā)揮最大效益就必須對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的水土資源進(jìn)行合理配置，規(guī)劃部分農(nóng)牧業(yè)用地進(jìn)行充分灌溉，形成高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)農(nóng)田、草場(chǎng)。

表4 農(nóng)牧業(yè)土地利用類型凈需水量估計(jì)Tab.4 Estimation of net water demand of land use types in agriculture and animal husbandry

2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型

系統(tǒng)工程理論常用于水土資源配置，其方法包括線性規(guī)劃[9]、非線性規(guī)劃[10]、動(dòng)態(tài)規(guī)劃[11],等。其中動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法近年來(lái)在水資源配置領(lǐng)域得到較多的應(yīng)用[12,13]。其優(yōu)點(diǎn)包括可適用范圍廣、可以將復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)化為貫序簡(jiǎn)單問(wèn)題、可以得到“全局”最優(yōu)解等。對(duì)于本次水土資源配置，不同土地類型之間有明顯的空間特征區(qū)分，可利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解。

2.1 模型構(gòu)建

水土資源配置模型可以理解為有Q個(gè)單位水資源量，需要分配給n種土地類型，以便獲得盡可能大的效益。分配給每種土地類型的土地?cái)?shù)量xi的多少?zèng)Q定了效益的大小，故可視xi為決策變量。如果分配給第i種土地xi個(gè)單位需要gi(xi)個(gè)單位水資源，xi個(gè)單位的土地可以帶來(lái)的效益為ri(xi)，并且決策變量xi匹配面積受國(guó)家政策及當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)規(guī)模等限制，那么在水資源總量受限制的條件下確定最佳資源分配方案的問(wèn)題，可以描述成如下模型。

目標(biāo)函數(shù)：

(1)

ri(xi)=xi×Pi

式中：Pi為單位土地效益，元/hm2。

水量邊界條件：

(2)

其中，gi(xi)=xi×mi/ηi。

式中：mi為第i種土地的灌溉定額，m3/hm2；ηi為第i種土地的灌溉水利利用系數(shù)，研究區(qū)域常用灌溉水利利用系數(shù)如表5。

表5 灌溉水利用系數(shù)Tab.5 Irrigation water utilization coefficient

土地邊界條件

xi∈[Smin,Smax] ∩Z+×104，i=1,2，…，n

(3)

式中：Z+表示非負(fù)整數(shù)集合；Smin,Smax分別表示第k種土地利用類型的邊界條件，土地邊界條件的設(shè)置應(yīng)滿足相關(guān)法律法規(guī)；不改變“糧、經(jīng)、飼、草”的土地利用格局；滿足農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)需要等原則，如表6。

表6 土地邊界條件設(shè)置Tab.6 Establishment of land boundary conditions

2.2 模型求解

(1)階段劃分。 綜合經(jīng)濟(jì)和環(huán)境因素考慮，將水田與研究區(qū)域內(nèi)的旱田、經(jīng)濟(jì)作物、棚室、飼料作物用地及草場(chǎng)按其空間特征劃分階段，共同參與水資源分配。每一種土地類型可以看作一個(gè)階段，階段變量用i表示，若有n個(gè)階段則有i=1，2, …,n(n=6)。

(2)狀態(tài)。利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法求解資源分配問(wèn)題時(shí)，可將階段k看成是僅含變量xk,…,xn的子問(wèn)題。本模型狀態(tài)變量為可用于匹配給第k階段的水量記為qk，則有：

(4)

由公式(4)可推出狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為：

(5)

即：

qk+1=qk-gk(xk)

(6)

(3)遞歸方程與求解。階段k對(duì)應(yīng)子問(wèn)題最優(yōu)值記為Gk(qk)，則有：

(7)

當(dāng)k=n+1時(shí)，無(wú)資源可以分配故可以認(rèn)為Gn+1(qn+1)=0。當(dāng)k=n時(shí)，由公式(7)可知，Gn(qn)=maxrn(xn)。當(dāng)k=n-1時(shí)，狀態(tài)變量qn-1可以看作是分配給本階段水資源量與可分配給下一階段水資源量之和，因此n-1階段最優(yōu)值Gn-1(qn-1)可視為本階段決策產(chǎn)生的效益與剩余資源作用于下一階段而產(chǎn)生的效益最優(yōu)值之和的最大值，依次遞推可以得到遞歸方程

(8)

求解時(shí)將狀態(tài)變量qi按萬(wàn)m3為步長(zhǎng)離散，根據(jù)公式(8)求出第n階段每一狀態(tài)下不同決策產(chǎn)生的效益并將最優(yōu)值標(biāo)記，然后依次計(jì)算至第1階段并得出第1階段最優(yōu)解和最優(yōu)決策，根據(jù)公式(6)可以推出第2階段的最優(yōu)狀態(tài)，從而搜索到第2階段的最優(yōu)決策進(jìn)而得到第2階段的最優(yōu)解，沿此路徑依次搜索各階段最優(yōu)解就可以得到全過(guò)程的最優(yōu)決策集合，進(jìn)而得到全局最優(yōu)解即收入最大值。

3 結(jié)果與分析

3.1 配置結(jié)果

根據(jù)上述模型及求解方法，在平水年背景下，借助matlab軟件進(jìn)行逼近運(yùn)算。得出在最優(yōu)決策路徑下各階段水土資源配置結(jié)果，如表7。

3.2 結(jié)果分析

水資源方面不難看出規(guī)劃配置水資源量為55 795 萬(wàn)m3，有效的開(kāi)發(fā)利用龍虎泡水庫(kù)潛力。其中38.5%的水量配給水田，35.6%的水量配給草地以保證糧食、牧草生產(chǎn)，13.8%的水資源配給棚室以帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)效益整體提高。

表7 平水年農(nóng)牧業(yè)各用戶水量分配、土地分配及效益匯總Tab.7 Water distribution, land distribution and benefit summary of agricultural and animal husbandry users in horizontal water year

在土地資源方面優(yōu)化后規(guī)劃灌溉區(qū)域總面積為14.3 萬(wàn)hm2，規(guī)劃灌溉區(qū)域面積為研究區(qū)域面積的58.8%。在不改變“糧、經(jīng)、飼、草”的土地利用格局，但對(duì)具體種植結(jié)構(gòu)做出調(diào)整，如表8。

表8 配置前后種植結(jié)構(gòu)對(duì)照 萬(wàn)hm2

其中糧食作物從旱田中分配2.4 萬(wàn)hm2用于水田。經(jīng)濟(jì)作物用地棚室面積增大7 500 hm2使果菜種植全部進(jìn)入棚室，露天經(jīng)濟(jì)作物種植面積減小0.8 萬(wàn)hm2。飼料作物用地增加500 hm2，滿足養(yǎng)殖業(yè)需求。經(jīng)濟(jì)作物和飼料增加的土地由旱田提供。草地只有4.3 萬(wàn)hm2得到水資源配置但和飼料作物相配合可以滿足當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有食草牲畜的存欄水平。

優(yōu)化后收入水平有很大提升，可實(shí)現(xiàn)效益每年42.35 億元，使得水土資源利用效益及土地產(chǎn)出空間大幅提高，如表9。

表9 配置前后效益對(duì)照Tab.9 Benefit comparison before and after allocation

可知效益增加10.20 億元，與規(guī)劃前相比顯著提高。從“糧、經(jīng)、飼、草”的格局來(lái)看糧食作物效益增加6.17 億元，經(jīng)濟(jì)作物效益增加5.36 億元，飼料作物效益增加466 萬(wàn)元。其中水田屬于新配置土地效益為4.60 億元、棚室效益增量最大為9 億元，是效益增加的主要因素。露天經(jīng)濟(jì)作物效益減小是由于部分土地劃歸棚室，草場(chǎng)收益小于原有草地，是由于規(guī)劃灌溉面積遠(yuǎn)小于草場(chǎng)總面積。

5 結(jié) 論

根據(jù)實(shí)際情況和現(xiàn)有引水工程工程的供水潛力，以效益最大化為目標(biāo)在平水年背景下對(duì)可供水資源進(jìn)行最優(yōu)分配，并得出以下結(jié)論。

(1)優(yōu)化配置后龍虎泡水庫(kù)潛能得以充分開(kāi)發(fā)，剩余水資源得以水資源充分利用。

(2)規(guī)劃灌溉區(qū)域引入2.4 萬(wàn)hm2水田，增加棚室面積7 500 hm2，有效地增加糧食產(chǎn)量及研究區(qū)域整體土地效益空間。

(3)規(guī)劃灌溉區(qū)域各類型農(nóng)牧業(yè)土地單位效益提高，種植結(jié)構(gòu)更加合理，有效增加當(dāng)?shù)鼐用袷杖搿?/p>