邢家渡灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化及節(jié)水控制

陳曉燕，杜 偉，褚廷芬

(濟(jì)南市水利工程服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250100)

資源水利的核心是水資源優(yōu)化配置，是研究資源水利時(shí)效性最好、最經(jīng)濟(jì)、最重要的技術(shù)手段，可以緩解水資源供需矛盾[1]。灌區(qū)灌排設(shè)施的合理布局和節(jié)水控制是水資源合理配置的重要方面，可以實(shí)現(xiàn)水資源合理利用和人類可持續(xù)發(fā)展[2]。在資源性缺水和水資源過(guò)度開發(fā)的區(qū)域，利用相關(guān)方法和理論對(duì)灌區(qū)灌排設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化布局，可以最大限度的發(fā)揮水資源的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，緩解因水資源不足造成的供需矛盾，對(duì)改善水環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要意義[3]。當(dāng)前灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化方法存在布局合理性差和節(jié)水控制有效性差的問(wèn)題，需要對(duì)灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化方法進(jìn)行研究[4]。

楊改強(qiáng)[5]等人提出基于排隊(duì)理論的灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化方法，該方法將作物用水、渠系供水和渠首拱灌水等方面的用水關(guān)系作為約束條件，將最短灌水歷史作為目標(biāo)，構(gòu)建灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)灌排的節(jié)水控制，該方法沒(méi)有考慮灌區(qū)布局的影響因素，導(dǎo)致節(jié)水系數(shù)較低，存在節(jié)水控制有效性差的問(wèn)題。姜瑤[6]等人提出基于兩層協(xié)調(diào)模型的灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化方法，該方法考慮灌區(qū)具有組成復(fù)雜、互相聯(lián)系、多層次等特點(diǎn)，將運(yùn)行功耗最小和各層缺水量平方和最小作為目標(biāo)，構(gòu)建灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的節(jié)水控制，該方法沒(méi)有對(duì)灌區(qū)的工程情況進(jìn)行分析，灌區(qū)的水流速度較低，存在布局合理性差的問(wèn)題。

針對(duì)上述中存在的水流速度較低、布局合理性差問(wèn)題，文章以濟(jì)南市邢家渡灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化為例，提出設(shè)施布局優(yōu)化和節(jié)水控制方法，以期提升灌區(qū)節(jié)水能力。

1 灌區(qū)工程現(xiàn)狀及影響因素分析

1.1 工程現(xiàn)狀

邢家渡引黃灌區(qū)位于濟(jì)南市北部，引黃閘位于黃河左岸樁號(hào)146+783 處，灌區(qū)興建于 1973 年，轄濟(jì)陽(yáng)、商河、天橋三縣(區(qū))，21個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，998 個(gè)自然村，設(shè)計(jì)灌溉面積 93 萬(wàn)畝，是濟(jì)南市重要的糧食、蔬菜生產(chǎn)基地。灌區(qū)歷史上旱澇災(zāi)害頻繁，常有連續(xù)數(shù)年干旱和受澇，也有一年內(nèi)先旱后澇，旱澇災(zāi)害重復(fù)發(fā)生的年份。 內(nèi)渠道在灌區(qū)內(nèi)均為灌排兩用，灌區(qū)運(yùn)行了很多年，并沒(méi)有得到合理的治理，河道水位在灌溉季節(jié)水位下降，溝渠淤積嚴(yán)重，自然引水條件差，導(dǎo)致保證率較低。

項(xiàng)目建成后可以改善灌區(qū)的內(nèi)澇和干旱情況，優(yōu)化灌排設(shè)施布局，提高水資源利用能力，加強(qiáng)節(jié)水控制，綜合效益明顯。

1.2 影響因素

1.2.1渠道的布置形式

所提方法在灌區(qū)中直接通過(guò)水泵從河道引水，并將引到的水傳送到渠道系統(tǒng)中，對(duì)灌排設(shè)施進(jìn)行布置時(shí)應(yīng)該盡可能的做到少占農(nóng)田、線路短、土方開挖少、起伏小，盡量將渠道敷設(shè)在規(guī)劃道路或現(xiàn)有道路中，方便維護(hù)和施工；盡量避免渠道穿越高侵蝕性土壤地區(qū)、沼澤、泄洪區(qū)和鐵路；在條件許可的情況下根據(jù)地形的高差度，利用重力輸水降低動(dòng)力消耗，灌區(qū)灌排設(shè)施布局通常為“梳”形布置[7]。

1.2.2灌溉面積

灌溉面積在特定條件下受到的制約較多，如水源條件，灌區(qū)灌溉面積直接受水源水量不足的影響，當(dāng)水源條件保持不變時(shí)，如果能合理確定灌溉定額、灌溉水利用系數(shù)，較大面積的土地可以通過(guò)有限的水資源得到灌溉。

2 灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化模型構(gòu)建

根據(jù)邢家渡灌區(qū)工程現(xiàn)狀以及影響灌區(qū)灌排設(shè)施布局的影響因素的分析結(jié)果，構(gòu)建灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化模型。

2.1 工程費(fèi)用函數(shù)

隨著系統(tǒng)總投資的增加，灌區(qū)管理人員工資、管理費(fèi)和灌區(qū)維護(hù)費(fèi)會(huì)隨之增加[8- 10]。設(shè)C代表的是灌區(qū)灌排設(shè)施年運(yùn)行費(fèi)用，其計(jì)算公式如下：

C=C1+C2+C3+C4+C5

(1)

式中，C1—燃料動(dòng)力費(fèi)；C2—維護(hù)費(fèi)；C3—管理費(fèi)；C4—管理人員工資；C5—其他費(fèi)用。

2.2 工程效益函數(shù)

邢家渡灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化及節(jié)水控制方法通過(guò)分?jǐn)傁禂?shù)法對(duì)灌溉效益進(jìn)行計(jì)算：

B=A·ε(Y-Y0)·P

(2)

式中，B—灌區(qū)灌排設(shè)施的年灌溉效益；ε—灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)；A—作物在灌區(qū)中的種植面積；Y—作物單位面積在采取灌溉措施后的多年平均產(chǎn)量；Y0—作物單位面積在未采取灌溉措施前的多年平均產(chǎn)量；P—農(nóng)作物產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的價(jià)格。

作物在灌區(qū)內(nèi)的種類不是單一的，是比較復(fù)雜的，因此各種作物的效益之和即為灌區(qū)的效益，灌區(qū)的效益可通過(guò)下式計(jì)算得到：

(3)

式中，αk—第k種作物對(duì)應(yīng)的種植系數(shù)；s—作物種類數(shù)；εk—第k種作物對(duì)應(yīng)的灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)。

2.3 灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化模型

2.3.1優(yōu)化模型

將灌區(qū)年凈現(xiàn)值作為優(yōu)化目標(biāo)，確定使用年限，構(gòu)建灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化模型NAVmax：

(4)

2.3.2約束條件

(1)灌溉面積

最大灌溉面積描述的是在自然條件限制下，如氣候、地貌等，適合農(nóng)業(yè)灌溉的最大耕地面積；最小灌溉面積描述的是設(shè)計(jì)灌區(qū)時(shí)規(guī)劃的最小面積。

Amin

(5)

式中，A—建設(shè)灌區(qū)灌排設(shè)施時(shí)設(shè)計(jì)的灌溉面積；Amax—最大灌溉面積；Amin—規(guī)劃灌區(qū)時(shí)的最小灌溉面積。

(2)渠道水流速度

在渠道引水灌溉過(guò)程中流速是重要的約束條件。流速的大小是形成水頭的原因，同時(shí)也會(huì)對(duì)灌溉是否淤泥產(chǎn)生影響。為了避免渠道中出現(xiàn)淤積，渠道允許的不淤流速VLj應(yīng)該小于流速Vj。

(3)可供水量

W≤Wmax

(6)

式中，Wmax—主管部門分配水量，即年最大允許引水量；W—灌區(qū)年實(shí)際引水量。

(4)資金約束

包括年運(yùn)行費(fèi)用投資和工程建設(shè)投資：

K≤Kmax

(7)

式中，Kmax—工程允許最大投資；K—工程總投資。

3 節(jié)水控制模型

灌區(qū)灌排中的水量分配可以分為以下幾個(gè)情況：

(1)如果灌區(qū)作物全生育期最優(yōu)產(chǎn)量耗水量小于有效降雨和渠首可引水量時(shí)，作物灌溉用水能夠通過(guò)有效降雨和引水滿足，此時(shí)引水的成本較低，不需要提水灌溉。

(2)如果降雨和渠首引水量不足，此時(shí)需要提取回歸水，分為兩種不同的類型。

作物全生育期最優(yōu)產(chǎn)量下的耗水量小于可抽提的回歸水、有效降雨和渠首引水量之和時(shí)，將單位面積收益最大作為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)灌區(qū)中的水量進(jìn)行分配，根據(jù)引水的水費(fèi)、提水水費(fèi)和作物單位價(jià)格等對(duì)內(nèi)部提水站的提水水量進(jìn)行確定，并采用最優(yōu)產(chǎn)量配水模式對(duì)灌區(qū)進(jìn)行灌溉。

從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，如果作物全生育期耗水量大于等于渠首引水量、有效降雨和抽水量之和，通過(guò)作物-水模型對(duì)灌區(qū)中的配水進(jìn)行優(yōu)化。

(3)如果作物最優(yōu)產(chǎn)量的耗水量無(wú)法通過(guò)抽水量、降水量和可引水量之和得以滿足時(shí)，通過(guò)作物-水模型對(duì)灌區(qū)中的配水進(jìn)行優(yōu)化。

通過(guò)上述分析，構(gòu)建節(jié)水控制模型：

(8)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證邢家渡灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化及節(jié)水控制方法的整體有效性，需要對(duì)邢家渡灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化及節(jié)水控制方法進(jìn)行測(cè)試。

4.1 水流速度

分別采用邢家渡灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化及節(jié)水控制方法、基于排隊(duì)理論的灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化方法和基于兩層協(xié)調(diào)模型的灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化方法進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比不同方法的水流速度，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同方法的水流速度

當(dāng)?shù)螖?shù)為50次時(shí)，排隊(duì)理論的灌區(qū)優(yōu)化方法的水流速度為1L/s，兩層協(xié)調(diào)模型的灌區(qū)優(yōu)化方法的水流速度為0.9L/s，本文方法的水流速度為3.3L/s如圖1所示。當(dāng)?shù)螖?shù)為80次時(shí)，排隊(duì)理論的灌區(qū)優(yōu)化方法的水流速度為0.7L/s，兩層協(xié)調(diào)模型的灌區(qū)優(yōu)化方法的水流速度為1.1L/s，本文方法的水流速度為3.2L/s。本文方法的水流速度更快，單位時(shí)間內(nèi)能灌溉的面積也更大，同時(shí)能夠有效較少能量消耗。這是因?yàn)楸疚姆椒ㄔ跇?gòu)建灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化模型時(shí)，考慮了灌區(qū)的工況情況，將渠道水流速度作為約束條件，提高了水流速度，提高了布局的合理性。

4.2 節(jié)水系數(shù)

設(shè)置節(jié)水系數(shù)，在區(qū)間[0，10]內(nèi)取值，節(jié)水系數(shù)越高表明方法的節(jié)水控制效果越好，分別采用本文方法、排隊(duì)理論的灌區(qū)優(yōu)化方法和兩層協(xié)調(diào)模型的灌區(qū)優(yōu)化方法進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比不同方法的節(jié)水系數(shù)，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法的節(jié)水系數(shù)

由圖2中的數(shù)據(jù)可知，對(duì)于不同面積的灌區(qū)來(lái)說(shuō)，節(jié)水系數(shù)是不同的。當(dāng)進(jìn)行節(jié)水控制灌區(qū)的面積為300m2時(shí)，排隊(duì)理論的灌區(qū)優(yōu)化方法的節(jié)水系數(shù)為4.4，兩層協(xié)調(diào)模型的灌區(qū)優(yōu)化方法的節(jié)水系數(shù)為5.7，本文方法的節(jié)水系數(shù)高達(dá)9.8。當(dāng)進(jìn)行節(jié)水控制灌區(qū)的面積為900m2時(shí)，排隊(duì)理論的灌區(qū)優(yōu)化方法的節(jié)水系數(shù)為4.8，兩層協(xié)調(diào)模型的灌區(qū)優(yōu)化方法的節(jié)水系數(shù)為4.5，本文方法的節(jié)水系數(shù)高達(dá)9.6。整體來(lái)看，當(dāng)進(jìn)行節(jié)水控制灌區(qū)的面積超過(guò)800m2時(shí)，三種方法的節(jié)水系數(shù)基本趨于平穩(wěn)，本文方法的節(jié)水系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩種方法，具有較高的節(jié)水性能。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前灌區(qū)灌排設(shè)施布局方法存在布局合理性低和節(jié)水控制效果差的問(wèn)題，提出邢家渡灌區(qū)灌排設(shè)施布局優(yōu)化及節(jié)水控制方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

(1)本文方法的水流速度較快，單位時(shí)間內(nèi)能灌溉的面積較大，迭代次數(shù)為80次時(shí)，本文方法的水流速度可達(dá)3.2L/s。

(2)本文方法的節(jié)水系數(shù)較高，具有較高的節(jié)水性能。當(dāng)進(jìn)行節(jié)水控制灌區(qū)的面積超過(guò)800m2時(shí)，本文方法的節(jié)水系數(shù)高達(dá)9.8。

(3)排灌設(shè)備發(fā)展?jié)摿薮螅P(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)仍需突破。例如實(shí)現(xiàn)排灌泵站節(jié)能技術(shù)改造；推廣以小水源開發(fā)利用、風(fēng)光互補(bǔ)提水設(shè)備、高效蓄水和引水為主的農(nóng)牧區(qū)節(jié)水灌溉技術(shù)；大、中型灌區(qū)全渠道控制技術(shù)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制灌溉；發(fā)展高效的噴、微灌機(jī)械和自動(dòng)化技術(shù)與設(shè)備等。智能化與信息化是排灌機(jī)械行業(yè)全面提高發(fā)展質(zhì)量和核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和信息通信技術(shù)融合到產(chǎn)品全生命周期，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化；形成“互聯(lián)網(wǎng)+排灌機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件”是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展模式。因此，加強(qiáng)灌排裝備的理論研究和自主創(chuàng)新，發(fā)展高效、節(jié)能和環(huán)保的技術(shù)和產(chǎn)品，提高產(chǎn)業(yè)信息化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，加大節(jié)水灌溉的推廣力度，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)建設(shè)的必然趨勢(shì)。

(4)科學(xué)做好規(guī)劃建設(shè)規(guī)模預(yù)測(cè)，加強(qiáng)水利工程灌排規(guī)劃與設(shè)計(jì)，可以提高農(nóng)業(yè)的產(chǎn)出效率，還可以提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和相關(guān)生物性能，同時(shí)還可以為農(nóng)產(chǎn)品的增產(chǎn)創(chuàng)設(shè)優(yōu)良的條件和前提保障。

(5)發(fā)展規(guī)?；?jié)水灌溉，首先需解決灌溉水源問(wèn)題。邢家渡地區(qū)水資源比較豐富，目前僅是水源攔蓄、引用工程不足，必須加強(qiáng)水源工程建設(shè)，把水引進(jìn)來(lái)，通過(guò)新增和完善蓄水閘、橡膠壩、水庫(kù)等攔蓄當(dāng)?shù)貜搅?，并加大引進(jìn)過(guò)境水補(bǔ)給能力，保障灘地綜合開發(fā)的水資源要求；新建涵閘、提水泵站等引水口門設(shè)施，提高引提水能力。整理灘地水系，完善田間引水配套設(shè)施；疏浚排水溝，完善排水口門設(shè)施，實(shí)現(xiàn)灘地“灌得上、排得出”，提高農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)。