农田水利灌溉用水效率优化策略探究.pdf

第9 期2023年9 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)0 9-0 0 7 3-0 2陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.9September,2023农田水利灌溉用水效率优化策略探究张宝宇（大石桥市金禹劳务服务有限公司，辽宁大石桥115 10 0）【摘要为了解灌区地下水储量的动态变化，优化土地利用与生态作物的布局，以营口某灌区为研究对象，根据往年数据建立地下水模型（GBM）与水资源优化配置模型（OPM），通过模型进行计算分析。研究表明，从2016年 2 0 30 年，该地区的地下水水位将下降至2 m左右，极大降低了土壤盐渍化的风险。灌区生态作物的优化配置结果显示，到2 0 30 年可实现每万亩2 0 40 万元的农业产值。与传统的种植方式相比，生态作物的综合效益可提高一倍，其生态、社会经济效益是非常明显的。本文的研究方法和结果可为我国农业水资源的优化发展提供参考。【关键词地下水；灌区；生态作物；经济效益中图分类号S274.3文献标识码B变量的微分方程，通过求解微分方程的方式得到预测值。0引言1.2模式校验近年来，我国各灌区实施了大量的节水措施，虽然取得灌区总入流减去总出流，即为年蓄水量的变化。图1了一定的节水效果，但将地表水与地下水的关系割裂开来。为用GBM模型和RSM模型计算出的地下水净储量的动态我国华北大部分灌区，地表水资源匮乏，给当地经济和社会变化。发展带来了巨大的压力，因此大量的地下水资源被开发利用，6000地下水的采、补不平衡，也造成了地下水水位下降和水源的4000枯竭。20000前人已对水资源合理配置进行了诸多研究，但鲜少有关-20004000于水资源调控和作物布局的一体化的分析，缺少以经济效益60006661和社会效益为主要目的的研究方案。为此，本论文选取营口灌区地下水模型（GBM）和水资源优化利用模型，通过模型验证、模型耦合及优化控制等方法，对灌区进行土地利用优化设计，提出灌区地下水调控方案、优化灌溉面积与作物布局。1材料与方法1.1地下水模型1.1.1水量平衡模型GBM模型:式中：AS,为地下水变化量,m；I为地下水总补给量,m；Q为地下水总流出量,m；i 为时间序号，以年为计算时段。RSM模型：式中：R为地下水总补给量,mm；P 为降雨量,mm；E r 为蒸散量，mm；S为径流量,mm；S为地下水变化量，mm。1.1.2预测模型使用GM（1,1）模型 进行预测，模型是一个只包含单RSM-GBM0077年份图1两种模型地下水净储量计算结果本文对GBM模型进行验证，得到了较好的结果：R=0.945,d=0.932,NSE=0.699,PBIAS=5.4。可以认为该方法的计算结果是可信的。图2 为实测和计算的作物需水量对比图。选用R、一致性指数（d）、NSE 和PBIAS指标，通过统计学方法对两个模型的计算结果进行评价，得出R=0.907,d=0.892；AS;=I;-Q;(1)R=P-E,-S-S(2)一NSE=0.559；P BI A S=-2.32。准确度符合相关规范。70006000500040003000200010006661000元100图2 两种模型作物需水量计算结果-RSM-GBM900元L00年份6000收稿日期2 0 2 3-0 3-0 7【作者简介张宝宇（19 9 0-），男，辽宁大石桥人，工程师，主要从事水利设计工作。.73第9 期2023年9 月1.3优化模型（OPM）为达到最大的经济效益，合理安排灌区的生态作物布局。优化的目标函数如下：MaxF=Z=,B,A,-(A,AWD,)CW式中：B,为i类作物第n年的效益，元；A为i类作物第n年的种植面积,hm；A WD,为作物需水量,m；C W,为用水费用，元。1.4模型的耦合和控制将OPM模型和GBM模型进行耦合，OPM模型的最优解会反馈给GBM模型，从而实现对地下水动态的模拟和调节。本文选取了两个背景条件，即常规背景和优化背景，常规背景是根据水资源的开发和生态作物的生长习性来预测的，未附加水和土地使用的限制条件。利用数据变换与模型同步耦合，实现了两种模型之间的连接。OPM模型通过对系统信息的识别和控制目标的满意程度，向GBM模型反馈信息，GBM模型对其进行调整和修正，以达到最优解-2 。CBM模型使用19 6 6 年 2 0 15 年的资料，预测2 0 16 年 2 0 30 年的情况。评估在常规和优化背景下，地下水的动态变化与水资源优化配置的耦合程度。2灌区地下水调控及优化作物布局2.1灌区概况营口灌区位于辽宁中部平原的南端，地处大辽河最下游左岸，灌区东邻长大铁路，南至营口盐场，西以大辽河为界与大洼县隔河相望，北与海城市的西四灌区相接壤。水田有效灌溉面积6 2.4万亩，是辽宁省大型灌区之一。灌区内地势平坦，多河网和洼地，地面高程多在0.5 m6.0m之间。地势东北高，西南低，劳动总干以东地面坡度1/2 0 0 0 1/5 0 0 0,以西作物种类种植面积灌溉面积占总灌溉种植面积灌溉面积占总灌溉种植面积灌溉面积占总灌溉/万hm/万hm水稻5.5旱作1.5林地1.2果树1.1草坪1.5合计10.83.2灌区水资源供求关系的研究根据营口市2 0 2 0 年远景规划和营口市土地利用规划及地区国民经济发展规划，农业现代化发展纲要及节水灌溉规划等有关部门要求，以节水增效发展“二高一优”农业为中心提高灌溉水的利用率，实现水资源的可持续利用为原则，得出营口灌区水资源供需平衡方案，见表2。.74陕西水利Shaanxi WaterResources1/100001/20000。根据营口气象站多年实际观测资料分析，多年平均降水量为6 5 2 mm，其中5 月 6 月份为110 mm，7 月 9 月份为410mm,多年平均蒸发量为16 2 0 mm。(3)本地区属季风气候，其特点是：冬季寒冷干燥，春季多风少雨，夏季炎热，降雨集中，秋季?爽，日照时间长。多年平均气温8.9，月平均气温7 月份为最高2 4.8，1月份为最低-9.2，多年平均无霜期18 3天，最早初霜出现在10 月4日，最晚终霜发生在4月2 7 日。冰冻期为15 0 天左右，最早结冻日期10 月2 3日，最晚解冻日期4月17 日，最大冻结深度1.1m。本区春夏期间多东南风，冬季多西北风，多年平均风速3.9 m/s,最大风速2 8.7 m/s。2.2作物需水量计算根据规划灌溉面积和综合灌溉定额对灌溉需水量进行计算，公式如下：Wam=-ZZA.M,式中：W需为灌溉总需水量，m；A，为不同种植作物灌溉面积，hm；M,为第j类作物灌溉定额,m/hm。3结果与讨论3.1港灌区建设标准农田灌溉与生态作物的合理配置根据营口市土地利用规划，对灌区各时期的灌溉和作物的最优配置进行了分析，并进行了相应的优化设计。达到田地平整肥沃，水利设施配套、田间道路畅通，农田林网适宜的要求。按灌区统一规划，并符合本地区农业发展的总体规划，实现田成方、林成网、渠相通、路相连、旱能灌、涝能排、渍能降的目标。优化布局成果见表1。表1营口灌区不同阶段灌溉面积及作物优化布局成果2020年面积/%5.551.61.514.41.211.31.110.51.312.210.6100No.9September,2023(4)2025年2030年/万hm/万hm6.06.01.71.71.31.31.21.21.61.511.811.7水源类别农业灌溉业用水地表52416地下合计面积/%51.414.411.310.612.3100表2 营口灌区水资源供需成果表其它农工业生活环境用水合计10051489735770792524161740/万hm6.61.91.61.41.613.12259792/万hm6.61.91.61.41.412.9120120（下转第7 7 页）面积/%51.314.411.310.612.4100单位：万m55030229757327第9 期2023年9 月方式二下坂地纯发电方式下，下坂地保证出力和多年平均发电量较方式一有所提高，但是下坂地和阿尔塔什合计发电量降低了0.6 4亿kWh，且下泄生态水量减少0.11亿m。从流域生态和灌溉供水综合利用角度考虑，下坂地采用方式一春灌供水运行方式与阿尔塔什联合运行，共同满足流域灌溉和下泄生态水量要求；从发电效益角度分析，下坂地采用方式一春灌供水运行方式情况下两座水库合计电量略大于下坂地纯发电的运行工况，其中下坂地采用方式一春灌供水运行方式情况下下坂地电量较大，可充分发挥多年调节水库发电调节功能，对电力系统相对较优；从运行管理角度分析，两座山区水库改变调度运行方式存在对不同业主间的电量补偿，补偿协调难度大。综上所述，通过对下坂地和阿尔塔什两座山区水库综合利用任务分摊方案的对比分析，下坂地水库采用春灌供水运行方案，符合下坂地前期设计阶段批复的任务要求、符合下坂地水利枢纽工程水库调度规程的要求；通过与下坂地纯发电的设计工况进行对比分析，下坂地水库采用春灌供水运行方案能够满足下泄塔里木河生态水量的下泄要求、灌溉设计保证率供水要求，同时两座山区水库多年平均年发电量大于下坂地纯发电的设计工况。4结论(1)单独由下坂地或阿尔塔什水库承担叶尔羌河综合利陕西水利Shaanxi Water Resources用任务，下泄生态水量可满足要求，但灌区灌溉保证率不能满足7 5%要求，因此需要两座山区水库联合调度“调丰补枯”，解决下游灌区缺水问题。（2）下坂地水库采用春灌供水运行方案能够满足下泄塔里木河干流生态水量下泄、灌溉设计保证率供水要求，同时下坂地与阿尔塔什水库联合调度多年平均年发电量大于下坂地纯发电的设计工况。1吴萌.山区水库与平原水库优化调度研究 J.水利技术监督,2 0 2 1(6):75-79.2夏力哈尔俄坦.新疆节水灌区平原水库调度规则研究 J.水利科学与寒区工程,2 0 2 0,3（5）：8 4-8 6.3林立，范土贵.松古平原水库并联调度应用研究 .人民黄河,2 0 19,41(S2):30-32.4张少博，何新林，刘兵.新疆山区水库参与调度后平原水库废弃可行性分析 J.长江科学院院报，2 0 18,35（1)：2 3-2 8.5刘武军，翁建平，董强.下游平原水库群调度运行方式对上游水库规模影响分析 J.水利水电工程设计,2 0 17,36（1）：2 9-30,5 6.6张少博，刘兵.新疆山区水库参与调度对灌区种植业与水库群联合调度影响研究一一以玛纳斯河灌区为例 J.水利水电技术,2 0 16,47(10):9 5-10 1.No.9September,2023参考文献（上接第7 4页）3.3灌区地下水调控结合灌区的水文地质情况，地下水的补给和工农业生产和生活需要，本地地表水及雨水的收集、非常规的开发，计算得出了灌区的可开采量地下水为16 5 1万。灌区内地形平坦，地下水位较高，埋藏深度一般为0.7 m1.0m，汛期接近地表，东部地区地下水属低矿化的碳酸钙型水，可用于灌溉。地下水水质适合于农田灌溉，也符合生活和牲畜饮水标准。通过对地下水开采量进行科学的调整，通过节水措施提高对地下水的使用效率，可以起到改善地下水的作用。预计到2 0 30 年，地下水的埋深将维持在2 m左右，将大大减少土壤盐渍化。3.4经济效益分析根据统计资料，按现行农业用水价格0.10 元/m计，通过对本方案的经济效益进行分析，结果显示每万亩产值可达2040万元，土地生态和作物种植总受益几乎提高一倍。4结语利用调控技术，使灌溉生态系统合理配置和地下水可持续利用，是一个十分复杂的过程。营口灌区是典型的农业区，以地下水为农业生产提供了重要的水源。过度开发造成地下水水位持续下降，造成地下水资源枯竭。根据灌区的历史数据，从社会经济、水文、农业生产等方面，对农业生态作物的规划和经济效益进行了优选。建立了地下水CBM模型，以优化用水为目标，对水资源的可持续利用进行数值模拟，结果显示2 0 15 年 2 0 30 年，通过调节地下水，可以使整个灌区的经济效益得到提高，改善生态环境。另一方面，灌区水资源管理还需要进一步完善。通过优化模型（OPM），合理调整耕地类型、农田布局，降低地下水的消耗，使灌区水资源得到最优利用，以满足灌区生产、生活和未来工农业发展的需要。参考文献1高宇星.昌吉州灌区地下水位动态变化特征及成因分析 J.陕西水利,2 0 19,2 2 7（12):5 2-5 3+6 6.2岳春芳，张胜江，韩露.新疆节水灌区平原水库调度规则分析 J.节水灌溉,2 0 17,2 6 6（10)：10 4-10 6.77