貴州黔中灌區水資源優化配置的研究

羅亞松

（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002）

水資源是人類的生命之源，是社會發展的物質基礎。近年來，由于氣候和環境變化條件的影響，可利用水資源日益無法滿足生產生活的需求。從長遠和戰略上分析，各地區水資源都將面臨優化配置的問題[1]。

水資源優化配置是對水資源的合理分配和利用，可通過工程措施和非工程措施兩種方法調節水資源的時空分布，實現水資源價值。從需求和供給兩方面分析，需水是通過調整產業結構、建設節水型社會并調整生產力布局，以適應較為不利的水資源條件；供給是協調各類用水，嚴格管理，開源與節流并重。結合需水和供水條件，正確處理經濟、生態、環境以及資源的綜合關系[2]。

1 黔中灌區水資源開發利用現狀

黔中灌區現有水利工程502處，其中蓄水工程87處，總庫容17985萬m3，興利庫容9516萬m3；引水工程62處，總引水流量12.4 m3/s；提水工程353處，總裝機容量10519 kW。設計、有效、保證灌溉面積分別為46.39萬畝、36.95萬畝、31.50萬畝。

據調查統計，黔中灌區內人畜用水量1720.30萬m3，其中有供水設施的供水量為1184.76萬m3，占總用水量的68.9%；無供水設施的供水量占31.1%，且未達到安全用水要求，主要靠肩挑背馱。

1.1 供水能力

通過對現狀資料的收集，結合對灌溉、縣城供水、鄉鎮供水和人畜用水的調查和復核，黔中灌區總用水量為2.58億m3。依據灌區現有和正編制的發展規劃，綜合分析農業灌溉、縣城供水、鄉鎮供水和農村人畜用水安全等的可供水量，至2020年總的可供水量為3.61億m3，比現階段增加1.02億m3。

1.2 需水量分析

黔中灌區范圍內農作物種植面積243.98萬畝，土地綜合復種指數1.98；糧食作物以水稻、玉米為主，種植面積148.80萬畝，占總播種面積的61.0%，其中水稻種植面積65.45萬畝。經濟作物以油菜、蔬菜為主，果樹和茶葉等經濟作物所占的比重較小。根據對灌溉、縣城、鄉鎮和人畜用水的預測，至2020年灌區總的需水量為6.78億m3，需水量的增長率0.8%。

1.3 供需分析

對比分析2020年黔中灌區范圍內預測需水量與可供水量，確定缺水量約3.17億m3，占總需水量的45.5%；多年平均缺水量2.85億m3，占總需水量的40.6%。

2 灌區節水模型建立

2.1 目標函數的確立

水資源系統由多個目標組成，各個目標之間既有差異又有相同。隨著工業、農業、生活用水的劇增，供水需求不斷增大。在缺水地區，流域中不同區域對水資源的需求越來越大，水資源的供需越發不均衡。區域內水資源的合理分配和利用，一方面須滿足社會需求，另一方面須使區域生產得到進一步的發展，是水資源應用中亟待解決的問題。

符合全部水資源系統的約束條件的可行性方式眾多，評價方式的標準是衡量某方式的優缺點。一般情況下，評價標準主要有經濟、水量和能量三種，在此基礎上，綜合考慮蓄放水、用水優先級和社會環境等因素。確立目標函數，使用最優化方法對函數求解，即求得目標函數的最大值或最小值，其意義在于滿足系統的平衡、運行、容量及其他要求后，使系統的經濟效益（或水量分配，或水資源利用率）達到最好。

目標函數可描述為系統凈效益最大、損失水量最小、供水的優先級。不同保證率下各用水單位的缺水程度和水資源的可利用量可間接反映經濟效益，為了保障流域生態環境的良性循環和改善，約束條件選擇流域下泄水量，在保證下游的生態環境良好的條件下最大程度地減少中游各用水單位的缺水現象，達到整個流域水資源的合理分配，故目標函數確定為總缺水量最小[2]，見式（1）、（2）：

式中，Nk+（1Vk+1，AMk+1）為當前狀態AMk，決策為Ak時其余留階段的最大效益。通過優化計算，求得在給定條件下的最優狀態序列｛A｝及最優決策序列｛Ak*｝，k=1，2…K。

式中，Nk+1(Vk+1)為當前狀態Vk決策為Qk時，其余留階段的最大效益。經過優化計算，可得出最優狀態序列{}和最優決策系列{}。

2）比較上兩步的優化結果，若第一步中的虛擬軌跡與第二步中的優化結果存在差異，就以第二步中的優化結果為第一步的初始值，反復上述的優化過程，直至兩個狀態變量均得到相同的目標函數（在擬定的精度范圍內）和相同的決策序列為止。

2.2 灌區水資源求解分析

灌區水資源按照黔中灌區灌溉、縣城、鄉鎮和人畜用水對供需水量進行劃分，在灌溉作物上考慮糧食作物水稻、小麥、玉米和經濟作物油菜、烤煙、花生、蔬菜、果樹等兩大類。

在黔中灌區，這兩大類作物基本代表了受水區種植業的情況。在模型求解過程中，只需要考慮兩大類作物的水量分配，其余的作物水量按照原始的水量分配，不計入模型進行計算。

當灌溉條件不充分時，直接采用定額節水灌溉制度，不對其進行優化配置，只對子區各作物之間和各區域之間進行協調優化配水。當供水量出現明顯的不足時，總量控制目標采用供水量，對區域間和區域內各作物之間進行優化配水，達到以有限的水量實現最大的經濟效益的目標。

2.3 優化配置結果與分析

2.3.1 農作物種植比分配結構

據灌區灌溉用水可利用的水資源量，利用動態規劃模型，在滿足區域經濟發展、人口和糧食安全的前提條件下，由兩大類作物節水灌溉定額引導，對水稻、小麥、玉米、油菜、烤煙、花生、蔬菜、果樹作物用水量進行最優配置，模擬預測出2020年灌區各種作物的最佳種植面積，結果見表1。

表1 2020年灌區農作物預測最佳種植面積統計表 單位:萬畝

2.3.2 灌溉用水優化分配

黔中灌區主要旱作物有小麥、油菜、玉米、蔬菜、果樹等。結合實際情況，根據內部水量優化模型，可以計算得出黔中灌區各種旱作物的灌溉期和總需水量，主要旱作物灌溉用水量表，見表2。

表2 黔中灌區主要旱作物灌溉用水量表

3 結論

優化水資源配置將有效提高其利用率，促進經濟社會協調發展。分析黔中灌區水資源供需水，結合黔中水資源的規劃發展以及農作物種植種類，通過數學方法確立目標函數和約束條件，建立灌區節水模型，并對其求解。明確模型的求解思路和過程，從農作物種植分配結構和灌溉用水優化分配兩方面對優化配置效果進行描述。水資源的優化配置既提高了水資源的利用率，同時又合理地規劃農作物種植面積和主要旱作物需水量，加速地區經濟發展。