MIKE BASIN 在麻栗壩灌區(qū)水資源配置中的應(yīng)用

孔春梅,連澤儉

(1.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院,云南昆明 650021;2.水利部綜合事業(yè)局,北京 100053)

水資源配置是根據(jù)區(qū)域水資源問題,對區(qū)域水資源進(jìn)行科學(xué)調(diào)度與合理配置,并提出合理的配置方案,實現(xiàn)水資源在不同區(qū)域和用水戶間公平有效分配,達(dá)到水資源可持續(xù)利用的目的[1-7]。MIKE BASIN 是由丹麥水利與環(huán)境研究所(DHI)開發(fā)的集成式流域水資源規(guī)劃管理決策支持系統(tǒng)軟件,其最大特點(diǎn)是基于GIS 的開發(fā)應(yīng)用技術(shù),以ArcGIS 為平臺引導(dǎo)用戶自主建立模型,具有不同時空尺度的水資源系統(tǒng)模擬計算以及結(jié)果分析展示、數(shù)據(jù)交互等功能[8-11]。

隨著隴川縣全面建設(shè)小康社會發(fā)展戰(zhàn)略的實施,水資源短缺問題日益突出,用水結(jié)構(gòu)不合理、水質(zhì)污染嚴(yán)重、用水效益低下、缺水與用水浪費(fèi)并存等問題普遍存在,這種粗放型的水資源利用方式對水資源管理提出了極大的挑戰(zhàn)[12-13]。麻栗壩灌區(qū)是國務(wù)院確定的172 項節(jié)水供水重大水利工程之一,灌區(qū)的建設(shè)對建設(shè)國家商品糧基地、促進(jìn)邊疆少數(shù)民族地區(qū)脫貧致富和地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況

麻栗壩灌區(qū)處于高黎貢山西坡南部,位于云南省隴川縣中南部南宛河河谷盆地——隴川壩。灌區(qū)土地面積4.05 萬hm2,耕地面積2.61 萬hm2。麻栗壩灌區(qū)地勢平坦,土地肥沃,區(qū)域雨量豐沛,光熱條件優(yōu)越,有較好的糧食、甘蔗、優(yōu)質(zhì)烤煙、反季蔬菜的生產(chǎn)種植條件,是發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的理想地區(qū)。麻栗壩灌區(qū)貫穿整個隴川壩子,隴川縣已被列入《全國新增500 億kg 糧食生產(chǎn)能力規(guī)劃(2009—2020)》(國辦發(fā)〔2009〕47 號)所確定的全國800 個產(chǎn)糧大縣名單中。

麻栗壩灌區(qū)水資源豐富,主要河流為南宛河,屬伊洛瓦底江水系瑞麗江一級支流。灌區(qū)多年平均降水量1 676 mm,但降雨時空分布不均,枯季11 月至次年4 月降水量僅占全年降水量的9.3%。與降水量相應(yīng),12 月至次年5 月徑流量只占全年徑流量的18.8%。5—10 月為雨季,雨量豐沛,降水量占全年總降水量的90.7%。

麻栗壩灌區(qū)雖然水利條件較差,但耕地條件較好,農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。統(tǒng)籌布局灌區(qū)工程,優(yōu)化配置水資源,實現(xiàn)水源聯(lián)合調(diào)度,才能充分發(fā)揮灌區(qū)的資源優(yōu)勢,使灌區(qū)的缺水狀況得到根本改善,保證灌區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。

2 MIKE BASIN 水資源配置模型的構(gòu)建

2.1 MIKE BASIN 模型基本原理

MIKE BASIN 軟件以河流水系為主干,以工程、用戶以及分匯水點(diǎn)等為節(jié)點(diǎn)和相應(yīng)水力連線構(gòu)建流域系統(tǒng)圖,通過用戶建立的系統(tǒng)和各類對象實現(xiàn)動態(tài)模擬。模擬考慮多水源聯(lián)合供水,以不同方式下的水庫運(yùn)行以及庫群聯(lián)合調(diào)度為計算方法,并對系統(tǒng)中農(nóng)業(yè)灌溉、生活及工業(yè)用水進(jìn)行計算,通過可修改調(diào)整的優(yōu)先次序或規(guī)則進(jìn)行水量分配計算。

MIKE BASIN 模型遵循基本的水量平衡,在各個物理元素位置,其水量的進(jìn)、出和蓄量變化之間是平衡的。首先根據(jù)各用水戶的重要性、用水的經(jīng)濟(jì)效益和用水戶的社會影響等因素,制定好用水節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先順序。在水資源模擬演算過程中,MIKE BASIN模型采用局部優(yōu)先性原理,優(yōu)先性最高的用水節(jié)點(diǎn)先獲得水,而且只有在其需水得到充分滿足的情況下,第二優(yōu)先性的用水節(jié)點(diǎn)才能獲得供水,其余節(jié)點(diǎn)以此類推。

2.2 研究區(qū)水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

整個麻栗壩灌區(qū)按照“多水源聯(lián)合調(diào)度、共同解決灌區(qū)內(nèi)生產(chǎn)生活用水的”總體目標(biāo),發(fā)揮麻栗壩水庫“水量大、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)”的優(yōu)勢,發(fā)揮周邊小水庫“水質(zhì)好、位置高”的特點(diǎn),構(gòu)建以“麻栗壩水庫為核心,以東、西低、西高3 條干渠為動脈,以連通工程、引水工程為通道”的聯(lián)合供水系統(tǒng)。

按照“高水高用、近水先用、已有水庫先供、規(guī)劃水庫后供”的原則,綜合考慮小水庫所在位置及水質(zhì)條件,對灌區(qū)內(nèi)水源工程及用水戶進(jìn)行水資源配置。根據(jù)現(xiàn)有水庫供水能力復(fù)核成果,海崗、丙寅水庫供水能力較大。規(guī)劃水平年對其供水任務(wù)進(jìn)行調(diào)整,海崗水庫優(yōu)先滿足景罕鎮(zhèn)生活、一般工業(yè)、蔗糖園區(qū)用水后再進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉;丙寅水庫優(yōu)先提供工業(yè)用水再進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉,其余小水庫保持原有農(nóng)業(yè)灌溉供水任務(wù)不變。

麻栗壩水庫由于自身水質(zhì)原因且干渠輸水過程中可能存在面源污染的風(fēng)險,不考慮作為灌區(qū)內(nèi)生活用水。規(guī)劃水平年,在優(yōu)先滿足糖廠干流取水不足水量及一般工業(yè)用水的前提下,與周邊小水庫進(jìn)行水量聯(lián)合調(diào)度,共同滿足3 條干渠內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉需水。

東干渠以上有4 座小(一)型水庫,分別為在建的弄回水庫和新建的近允、壯賽、南麻水庫。弄回水庫水質(zhì)條件較好,首先保證章鳳鎮(zhèn)縣城生活用水后再進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉;南麻水庫位置較高且距離特色工業(yè)園區(qū)較近,優(yōu)先滿足工業(yè)用水再進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉;近允、壯賽水庫供水任務(wù)均為農(nóng)業(yè)灌溉,近允水庫在滿足本區(qū)灌溉需水條件下,通過連通工程向麻栗壩東干渠補(bǔ)水。西高干渠以上規(guī)劃建設(shè)戶島、邦外兩座小(一)型水庫。戶島水庫優(yōu)先滿足隴把鎮(zhèn)生活用水,再提供本區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉需水;邦外水庫除提供本區(qū)灌溉需水外,與麻栗壩西高干渠連通向干渠內(nèi)補(bǔ)水。麻栗壩水庫上游的清平片區(qū),通過引水工程來解決農(nóng)業(yè)灌溉用水需求,規(guī)劃新建蕨葉壩水庫補(bǔ)充枯季引水灌溉不足水量,詳見表1。

表1 麻栗壩灌區(qū)水資源配置概化

對規(guī)劃區(qū)的供需水建立拓樸關(guān)系圖,將水庫及水源、各水利工程取水與分水口、各用水戶等概化為節(jié)點(diǎn),將河道概化為有向線段,形成“規(guī)劃區(qū)水資源配置節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)圖”(圖1)。

2.3 目標(biāo)函數(shù)、配置水平年、保證率及原則

以供水優(yōu)先性準(zhǔn)則作為目標(biāo)函數(shù),綜合考慮各用水戶的社會影響、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益等多方面因素制定供水先后順序。結(jié)合區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及水資源概況,確定本次配置的現(xiàn)狀基準(zhǔn)年2011 年,規(guī)劃水平年2030 年。麻栗壩灌區(qū)灌溉設(shè)計保證率取P=80%,城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活和工業(yè)供水設(shè)計保證率取P=95%。配置過程中遵循如下原則:

a.灌區(qū)水資源供需平衡方案應(yīng)是經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益最優(yōu)的方案,實現(xiàn)總體效益最佳。

b.灌區(qū)內(nèi)用水部門主要分為3 類,即生活、工業(yè)及農(nóng)業(yè)灌溉,供水水源優(yōu)先滿足生活和工業(yè)用水,然后滿足農(nóng)業(yè)灌溉用水。

c.充分挖掘現(xiàn)有水利工程的潛力,并考慮節(jié)約用水措施。

d.由于麻栗壩水庫的東、西低、西高3 條干渠已在建設(shè)實施中,在配置時按“以水定地”的原則進(jìn)行;其他范圍則采用“以地定水”的原則進(jìn)行。

e.各工程可供水量復(fù)核要首先滿足河道下游生態(tài)最小需水,河道內(nèi)生態(tài)用水量按控制斷面多年平均天然徑流量的20%預(yù)留下放。

圖1 基于MIKE BASIN 的灌區(qū)水資源配置模擬模型節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)

3 配置結(jié)果分析

規(guī)劃水平年水資源配置及供需平衡分析結(jié)果見表2。2030 年,麻栗壩灌區(qū)用水結(jié)構(gòu)有了較大的調(diào)整,表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)用水所占比重下降,而城鄉(xiāng)生活和工業(yè)用水所占比重增加。通過水資源優(yōu)化配置,生活用水(包括農(nóng)村生活用水和城鎮(zhèn)生活用水)、工業(yè)用水(包括糖廠用水、一般工業(yè)用水和工業(yè)園區(qū)用水)均能得到滿足。但農(nóng)田灌溉用水仍缺1 036 萬m3,可通過調(diào)整區(qū)域內(nèi)作物種植結(jié)構(gòu)、發(fā)展低耗水的旱作農(nóng)業(yè)、興建小水窖等五小水利工程等措施來緩解。

表2 水資源配置結(jié)果 萬m3

圖2 邊緣小水庫與麻栗壩水庫聯(lián)合向東干渠供水過程(P=80%)

圖3 邊緣小水庫與麻栗壩水庫聯(lián)合向西低干渠供水過程(P=80%)

圖4 邊緣小水庫與麻栗壩水庫聯(lián)合向西高干渠供水過程(P=80%)

根據(jù)水資源配置成果,得出保證率P=80%條件下3 條干渠內(nèi)邊緣小水庫與麻栗壩水庫之間的水力聯(lián)系,見圖2～4?？梢钥闯?東干渠灌片麻栗壩水庫與邊緣小水庫實現(xiàn)水量互補(bǔ),西低干渠內(nèi)只有一座小(一)型水庫,供水基本靠麻栗壩水庫解決,麻栗壩水庫優(yōu)先灌溉兩岸片東、西低干渠內(nèi)耕地,而對于西高干渠灌片,麻栗壩水庫可供水量已經(jīng)很少,灌溉水量很大程度依靠邊緣小水庫滿足,這也體現(xiàn)了邊緣小水庫的重要性與新建小水庫的必要性。麻栗壩水庫3 條干渠每年均留出一個月檢修,在此期間,邊緣小水庫能夠保證干渠內(nèi)保秧保苗所需水量。

4 結(jié)論

在充分分析區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件及水資源開發(fā)利用條件的基礎(chǔ)上,利用MIKE BASIN 軟件構(gòu)建了區(qū)域內(nèi)的水資源配置模型,并給出了P=80%保證率下的水資源配置結(jié)果,具體如下:

a.通過水資源優(yōu)化配置,生活用水和工業(yè)用水均能滿足,但農(nóng)田灌溉用水仍缺水1 036 萬m3,可通過調(diào)整區(qū)內(nèi)作物種植結(jié)構(gòu)、發(fā)展低耗水的旱作農(nóng)業(yè)、興建小水窖等五小水利工程等措施來緩解。

b.麻栗壩水庫與邊緣小水庫具有較好的水量互補(bǔ)關(guān)系,說明興建邊緣小水庫對于緩解區(qū)內(nèi)缺水狀況至關(guān)重要。