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我国灌区水资源优化配置研究进展

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摘要:针对灌区水资源配置特点,着重从灌区水资源优化配置的内容和方法两个方面进行了分析和总结。分析了灌区在不同行业、不同水源及不同作物间进行水资源优化配置实践时,不同于其他区域水资源优化配置的特征;认为灌区水资源优化配置研究中,水资源模拟技术复杂、目的性不强,单独的规划优化技术缺乏对取用耗排过程的描述,并且优化的结果难以贴近实际。建议在未来的研究中,应深化灌区自然-人工二元水循环模拟研究,耦合模拟仿真、规划优化和评价等多种技术,突出灌区水资源配置研究中生态环境效益的认知。

关键词:水文学;优化配置;灌区;水循环模拟;评价

“保障国家粮食安全,核心在灌区。”灌区以占全国耕地49%的面积,生产了约占全国总量75%的粮食和90%以上的经济作物。目前,灌区缺水现象十分突出,灌区内水土资源分配不均,有限的水资源缺乏统一调配,水源工程不能最大限度地发挥作用。因此,将有限的灌溉水量在时空上进行合理分配,提高灌区灌溉效益显得尤为重要[1]。一般认为水资源配置是指在流域或特定的区域范围内,遵循有效性、公平性和可持续性的原则,利用各种工程与非工程措施,按照市场经济的规律和资源配置准则,通过合理抑制需求、保障有效供给、维护和改善生态环境质量等手段和措施,对多种可利用水源在区域间和各用水部门间进行的调配[2]。灌区水资源优化配置是区域水资源优化配置的重要方面,与流域或区域水资源配置既存在联系又存在明显不同。流域或区域水资源配置时,农业作为用水行业之一,与工业、生活、服务业等其他行业一起,在社会经济目标前提下,参与用水分配。而灌区进行水资源配置时,农业灌溉用水是绝对的用水大户,在社会经济目标前提下,更强调农业用水的基础性与重要性。流域或区域水资源配置时,一般根据水系、水利工程的分布或者行业用水特征,给出单元区域或者行业水量分配方案即可,而灌区水资源配置考虑的因素更多,配置方案更详细。在农业用水保证的基础上,不仅要考虑降雨、来水与作物生长阶段的匹配,还要考虑灌区内水利工程的空间分布;不仅要考虑农业生产效益条件下的作物种植结构,还要考虑粮食安全前提下粮食作物播种面积的稳定。本研究主要针对灌区水资源配置的特点,对灌区水资源优化配置研究现状进行梳理,弄清楚目前存在的主要问题,提出灌区水资源优化配置的发展趋势。

1灌区水资源优化配置内容

1.1不同用水户的水资源优化配置

1.11行业间的水资源优化配置

随着灌区范围及功能逐渐扩大,许多灌区不仅需要向农业供水,还兼顾工业、城镇生活、服务业甚至生态环境供水。在灌区供水量不能满足所需水量时,就会在不同行业、不同部门产生竞争用水问题。中国自20世纪60年代,开始了以水库优化调度为先导的水资源配置研究。半个世纪以来,以国家科技攻关项目为导向,中国水资源配置研究先后经历了:单纯供需平衡、基于宏观经济的优化配置、面向生态的合理配置3个主要阶段。当前,人们在关注水资源对经济建设保障作用的同时,开始重视经济发展与生态环境的用水协调,相应地,水量配置的对象也扩展到同时配置国民经济用水和生态环境用水。灌区主要是对扣除工业、生活和服务业用水后的农业灌溉用水进行优化配置,大部分研究或者忽略了生态用水,或者将生态用水归入农业用水。随着灌区生态环境的恶化以及对生态用水的重视,越来越多的灌区水资源优化配置研究开始将生态需水纳入配置范围,尤其是在干旱灌区。近些年,有学者提出了生态灌区的概念,将灌区生态用水提升到一个新的高度,水资源配置的口径也进一步扩大。如赖明华[3]以综合效益最大为目标,兼顾工业、生活、农业、生态环境各部门的用水要求,建立了灌区水资源优化配置模型;石建勋[4]在对灌区各类生态用水进行定量化的基础上,运用系统分析方法建立了考虑灌区生态需水的水资源优化配置模型。彭飞等[5]在干旱灌区建立了生态目标、经济目标和社会目标最大的多目标水资源优化配置模型。

1.12作物水资源优化配置通过水资源在时间和空间上的配置,使得作物灌溉制度或者种植结构得到优化,是灌区水资源优化配置的重要落脚点,也是不同于城市、区域或流域水资源优化配置的最突出特征。早期的作物水资源优化配置仅研究单一作物的灌溉水量优化,并未考虑灌区所有作物的结构优化问题,也即灌溉制度的优化。作物进行灌溉的根本目的是给农田补充水分以满足作物生长需求,获得较高产量。在肥料、光照、耕地、管理措施等相同的条件下,作物生长季节的供水总量及供水量在全生育期内的分配,对农作物总产量有较大影响,作物减产程度随不同作物不同生育阶段的缺水程度而变化。研究作物产量与灌溉供水之间的关系,目的在于合理利用有限水资源,实现有限水量在作物生长期内合理配置,从而达到最大的作物产量。当一个灌区内种植多种作物时,由于不同作物生育期不同、产量对灌溉水量的敏感程度不同、产品的价格不同等因素,水资源量在时间及作物间如何分配影响到灌区总的种植收益。如何在一定水资源条件下,合理安排作物的种植结构,将有限的水资源分配到各作物之间,使全灌区获得最大效益,是目前节水农业研究的重要课题之一。

1.2不同水源的水资源优化配置

多种水资源的联合利用是节水型农业中的重要组成部分。灌区水源一般有地表水、地下水和其他水源。以水库(群)蓄水为主要水源的灌区,水资源优化配置主要是充分利用水库的调节性能,通过水库水资源优化调度调整水库来用水量的时间分布差异,提高水资源利用效率,同时根据灌区内部不同渠系之间的用水需求规划,对水库供水量进行优化分配。以河道径流为主要水源的灌区,水资源优化配置则主要是对渠系供水过程进行设计,计算各渠系供水起始、持续时间,供水流量和供水量等变量。水资源的日益紧缺,作为水资源重要组成部分的地下水资源的开发利用和研究也日益受到重视。20世纪70年代开始了以地下水数值模拟、规划和管理为主要内容的水资源分配研究,这些理论和方法被大量应用于北方平原井灌区。通常的做法为采用均衡法、模拟法、随机方法等预测地下水位,估算灌区内可供开采的地下水量,在一定的约束条件下对作物种植结构或者灌溉制度进行优化[6-8]。随着地下水评价方法的发展和应用,灌区水资源优化配置从单一的地表水或者地下水配置发展到地表水和地下水的相互转化、联合调度技术的研究[9],这一变化使得整个配置系统更复杂,但也更贴近灌区用水实际。除了地表水和地下水,以池、塘、堰、坪坝蓄水为重要补充的其他水源,在南方丘陵灌区农业灌溉中发挥着重要作用,因此,一些灌区水资源配置研究中也融入了其他水的配置。通过建模,调控时采用先塘堰供水再渠道供水的方式,也有一些研究结合渠、塘、田复杂的水量转化关系,充分考虑塘堰的调蓄供水作用,进行渠-塘优化调控[10]。

2灌区水资源优化配置方法

为了满足不同灌区、不同水资源配置类型的要求,中国水资源配置实践和方法研究都进行了大量的探索。研究方法主要有模拟技术、规划优化技术以及模拟与优化耦合技术。

2.1灌区水资源模拟研究

由于水资源系统的复杂性,以及存在政治、社会、决策人偏好等各种非技术性因素,简单使用某些优化技术并不能取得预期的效果,而模拟模型技术可更加详细地描述水资源系统内部的复杂关系,并通过有效的分析计算获得满意的结果,从而为水资源宏观规划及实际运行调度提供充分的科学依据[11]。灌区水资源模拟模型可以分为确定性模型和随机模型。确定性模型中,针对灌溉农业系统中农田尺度和灌区尺度的水分循环及其转化规律,国内外的学者做了大量的试验和模拟研究。农田尺度上,研发了作物生长模型、土壤水动力学模型、“四水”转化、“五水”转化模型等等,主要用于揭示作物水分利用、土壤水动态变化、不同水分转化的田间微循环的单个或整个过程。而在灌区尺度上,分布式水文模型则被大量用于模拟灌区内水资源的分布、自然-人工复合水循环系统中水的运动和分配。如裴源生等[12]人开发了宁夏平原区分布式水循环模型,以人工引水和排水渠道作为划分计算单元的基础,全面模拟了宁夏平原区引、用、耗、排水量等水循环变化。近年来,随着地下水开采利用量的增多,中国在灌区(尤其是干旱内陆灌区)地下水动态变化以及地表/地下水耦合模拟研究也进行了大量的探索。如张玉芳[5]以内蒙孪井灌区为研究对象,利用VisualMODFLOW软件建立了研究区二维数值模拟模型,对现状灌溉条件和优化灌溉条件下未来10a后的地下水水位进行了预测。此外,考虑到水文系统处是一个处在不断变化之中的受多因素影响的非线性动力系统,为了对观测到的随机数据进行分析与处理,时间序列模型、神经网络方法等一些随机模型在灌区水资源模拟中也得到了广泛的应用。如赵新宇等[13]在分析了影响引黄灌区退水主要影响因素的基础上,应用神经网络模型对灌区退水量进行了模拟和预测,取得了比传统的退引比系数法更准确的结果。综合灌区水资源模拟技术的研究情况,这些成果在极大地丰富对灌区水循环、水资源动态变化规律认识的同时,却也存在一些不足。水资源系统以水循环和转化为纽带,串起了包括自然、人工、地表、土壤和地下等多个环节,组成成分众多,相互关系复杂。虽然已有的研究在灌区水资源模拟做出了有益的探索,但是自然-人工二元水循环、地表水与地下水耦合模拟等方面的研究仍显不够,有待加强。此外,由于水资源系统本身的复杂性,即使经过概化处理,所建立的模拟模型依然结构庞大、参数众多,且需要大量的数据做支撑,使用时需要结合专业人员的技术进行操作。因此,迫切需要加强对水资源模拟理论及方法的研究,提高水资源模拟软件的实用性和可操作性。

2.2规划优化技术研究

国际上以水资源系统分析为手段,水资源合理配置为目的的实践研究,最初源于20世纪40年代Masse提出的水库优化调度问题。中国在水资源配置方面的研究起步稍晚,但发展很快。随着优化技术的发展及在灌区水资源优化配置中的应用,这一类方法大致可以划分为线性规划、非线性规划、动态规划、控制方法、神经网络方法、遗传算法、多目标决策技术、大系统理论与方法、随机优化方法、模糊优化方法以及衍生的一些其他相关方法等。如杨玲[14]等按大系统分解协调原理,建立了以总效益最大为目标的灌区灌溉水资源递阶控制优化模型,采用动态规划方法来求解,对灌区多水源水资源优化配置进行研究。由于灌区农业用水优化模型是一种高位非线性优化配置模型,传统方法利用动态规划结合大系统分解协调原理进行求解计算存在固有矛盾:状态变量离散过少会降低计算精度,使计算结果偏差太大;离散过多,则又会大大降低计算效率[15]。随着现代智能优化算法理论的发展,有学者把智能优化设计方法引入优化配置模型求解中。如陈述[16]等结合南方灌区渠、塘、田地复杂的水量转化关系,建立了以灌溉区域效益最大为目标的渠-塘优化调控与田间多种作物优化配水相结合的耦合模型,采用了基于粒子群的人工蜂群算法对模型进行求解。刘博[17]等针对引水灌区,同时考虑灌溉用水总量和灌区时段供水量约束,以农作物产值最大为目标,建立了基于动态规划—粒子蜂群算法的灌区农业水资源优化配置模型。关于这一类的研究有许多[18-19],在此不一一赘述。这一类方法的研究中,配置模型经历了从线性至非线性、单目标至多目标、单个系统至复杂大系统的转变过程,考虑的因素更多,功能更强大。模型求解则依赖于优化算法的不断改进或者引入智能方法来提高算法的寻优能力。规划优化方法类似于“黑箱模型”,缺乏对灌区内水资源自然循环转化、人工取用耗排过程的描述,尤其是排水,因此如何在优化过程中结合实际情况进行相应的调整,需要进一步研究。

2.3模拟与优化耦合技术

模拟模型直观易懂、仿真性强,便于结合实际情况进行相应的调整,得到方案便于实施。优化模型通过设定目标函数和系统约束的方式,给出满足给定要求下效益较好的结果,配置的目的性强,方案的经济效益较好。模拟与优化模型的耦合便于发挥两者的优势,实现基于水循环模拟的水资源实时、动态和高效配置,当前已经有一些学者在这方面做出了尝试。刘健民等[20]采用大系统递阶分析方法建立了模拟和优化相结合的三层递阶水资源供水模拟模型,并对京津唐地区的供水规划和优化调度进行了应用研究。徐建新等[21]采用优化技术进行各种作物水量分配后,根据实际来水过程对灌溉过程采用模拟技术进行实时修正控制,建立了灌区水资源实时优化调配决策软件。牛文渊[22]建立了内陆干旱灌区基于降雨径流模拟的水资源配置与管理信息平台,该平台以集成水文模型为核心,计算了不同水文情景决策倾向的水资源优化分配模型。综观这一类研究,不难发现,虽然在水资源配置过程中都用到了模拟与优化技术,但是通常的方法是,模拟结果作为优化技术的基础,或者通过对优化方案进行模拟仿真,进行配置方案的比选,两种技术很少进行真正耦合,之间缺乏相互反馈。由于灌区水资源系统的复杂性,实现模拟和优化技术的耦合,还有很长的路要走。

3灌区水资源优化配置研究展望

3.1灌区自然-人工二元水循环模拟研究水资源优化配置要弄清楚水资源量、质、来源、利用领域,这是水资源优化配置的基础。灌区中人类活动频繁,强烈的人类活动改变了灌区天然水循环过程。在降水较少的干旱半干旱地区,人工取用耗排所形成的“取水—输水—用水—排水—回归”基本环节已起到主导作用,自然水循环过程退居次要地位。目前,自然-人工二元水循环模拟已经成为水循环研究的重要方向之一。要深入探讨人工引水、输水、用水与大气降水、地表水、土壤水和地下水之间的相互作用机制,建立复杂灌溉渠系背景条件下的二元分布式水循环模拟模型,定量研究自然水与人工水之间的迁移转化过程,实现水资源的实时动态配置,并为灌区水资源优化配置的后效评价奠定基础。

32仿真模拟、规划优化和评价

技术的耦合仿真模拟与规划优化一直是水资源优化配置的重要技术手段。由于水资源配置的复杂性,仅使用数学优化方法避免了对水文变化过程的描述,但得到的配置方案难以贴近实际,完全采用模拟的方法则又需要大量的数据支撑模型,且目标针对性不强。因此需要借助计算机技术的发展,采用模拟—优化—模拟—评价的思路得到水资源配置的决策方案结果。通过分布式水文、水质模型和集总式水资源调配模型动态耦合起来,互相反馈,考虑人工水循环系统和天然水循环系统之间的动态作用,实现基于分布式模拟的水资源实时调配,提高水资源配置的动态性。再利用模拟技术的仿真性、可靠性强的优势,分析各种配置方案的经济、社会和环境影响,便于方案的选取和评价。由于配置方案决策因素众多,各方面的效益指标在价值量度上也不统一,因此,在得到可行的配置方案和其模拟仿真结果后,还应对其实施后可能产生的效果做全面的评估,并考虑到所有涉及的方面,组成全面的评价体系(包括社会合理性、经济合理性、生态合理性及效率合理性四大方面)[23]。

3.3重视灌区水生态、环境效益

灌区水资源优化配置要兼顾经济-社会-资源-环境复合系统的协调,以往在水资源优化配置中忽略了水资源的生态、环境效益,生态、环境需水需求不满足,严重影响了复合系统的平衡稳定。在水资源短缺的北方干旱地区,生态需水与经济需水相互竞争,不考虑水资源的生态价值,导致了经济需水挤占生态需水。而在水资源丰富的南方湿润地区,在水资源开发利用中对水质保护重视不够,存在水质性缺水。可持续发展要求以水资源可持续利用支撑和保障经济社会的可持续发展,这要求在水资源配置研究中,充分考虑经济发展与水资源、生态环境之间的相互协调。因此,如何从理论和技术上体现出对生态、环境需水的满足,体现水资源配置的公平性和协调性,是水资源配置研究需要解决的问题之一。灌区水资源优化配置是农业高效用水研究的热点问题,加强对水资源配置理论和方法的研究对提高水资源管理水平有重要意义。当前,在灌区水资源配置理论和方法上,不少学者进行了深入的研究,但还存在对灌区自然-人工水循环过程描述不清楚、采用的技术方法单一、缺乏水资源优化配置方案的后效评价以及配置过程中对生态、环境效益重视不够等问题。今后的灌区水资源优化配置研究需要由集总式的、静态的向分布式的、动态的方式,由单一的模拟、优化方法向多种技术的耦合,由低的水生态需水满足度向高的满足度发展,为灌区的可持续发展提供理论支撑。

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作者:靳晓莉;王君勤;高鹏 单位:四川省水利科学研究院

我国灌区水资源优化配置研究进展责任编辑:张雨    阅读:人次