新疆自流灌區提高灌溉水利用系數解決方案研究

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆的渠系一般由干、支、斗、農四級渠道構成，提高灌溉水利用系數主要是通過增加各級渠道防滲率來實現，然而由于渠道級別較多，會出現多種組合形式，選擇何種組合形式是規劃設計人員面臨的首要問題，為降低工作量，該部分工作一般會概化處理，這就導致了灌區防滲投資與各級渠道水利用系數出現不對應的現象，為避免出現該問題，本文通過建立提高灌溉水利用系數解決方案的模型，為規劃設計人員合理選擇提高灌溉水利用系數方案提供參考依據。

1 新疆自流灌區灌溉水利用系數計算公式

根據《新疆維吾爾自治區農業灌溉用水定額》(DB 65/3611—2014)，自流灌區灌溉水利用系數計算公式：

η灌溉=[ηf干～農fs干～農+ηt干～農(1-fs干～農)]η田間

(1)

式中：η灌溉為灌區灌溉水利用系數加權值；ηf干～農為灌區干～農四級防滲渠道水利用系數(常數)；fs干～農為灌區干～農四級防滲渠道長度占總長度的比率，%；ηt干～農為灌區干～農四級未防滲土渠的渠道水利用系數(常數)；η田間為灌區田間水利用系數。

通過式(1)可以發現，灌溉水利用系數是關于渠道防滲率的單值函數。式(1)中的四級防滲渠道水利用系數、四級未防滲渠道水利用系數和田間水利用系數是相對穩定的基本常數。

2 建立提高灌溉水利用系數解決方案模型

首先根據現狀實測渠道長度及防滲長度，利用式(1)計算出區域現狀實際灌溉水利用系數；其次建立規劃水平年灌溉水利用系數與防滲率的函數關系，并提出約束條件，制定關于費用最小的目標函數；最終利用Excel規劃求解功能插件，計算出最優方案。

2.1 現狀灌溉水利用系數求解

根據現狀各級渠道的防滲率，利用式(2)即可求得現狀區域的灌溉水利用系數。

(2)

2.2 規劃提高灌溉水利用系數解決方案模型建立

規劃水平年各級渠道水利用系數及灌溉水利用系數計算公式如下：

(3)

規劃年提高灌溉水利用系數解決方案約束條件如下：

(4)

規劃年提高灌溉水利用系數解決方案目標函數如下：

Min[L干M干(fs干g-fs干)+L支M支(fs支g-fs支)

+L斗M斗(fs斗g-fs斗)+L農M農(fs農g-fs農)]

(5)

式中：L干、L支、L斗、L農分別為灌區干～農四級防滲渠道的長度，km；M干、M支、M斗、M農分別為灌區干～農四級防滲渠道的單價，萬元/km；fs干g、fs支g、fs斗g、fs農g分別為灌區規劃年干～農四級防滲渠道長度占總長度的比率，%。

3 以新疆阿克陶縣為例進行模型演算

3.1 阿克陶縣現狀灌溉水利用系數求解

根據現狀調查，2017年阿克陶縣干渠有28條，長度為283.3km，防滲率達到62.9%；支渠有52條，長度為334.0km，防滲率達到30.5%；斗渠的長度為923.0km，防滲率達到23.6%；農渠的長度為1529.0km，防滲率達到15.0%。

根據《新疆維吾爾自治區農業灌溉用水定額》(DB 65/3611—2014)，阿克陶縣各級防滲渠道常數及未防滲渠道常數見表1。將各級渠道防滲率、防滲渠道常數及未防滲渠道常數代入式(2)，計算得出阿克陶縣各級渠道水利用系數及阿克陶縣自流灌區的灌溉水利用系數，計算結果見表1。

表1 現狀阿克陶縣灌溉水利用系數計算結果

3.2 規劃提高灌溉水利用系數解決方案模型演算

為進行模型演算，現假定規劃年灌區僅通過提高干、支渠的防滲率來將灌溉水利用系數提高到0.45，并且假定干渠、支渠的單價成本分別為200萬元/km、100萬元/km，討論選擇成本最低解決方案。

首先，建立規劃年灌溉水利用系數和各級渠道防滲率的函數關系，并以費用最小為目標函數，利用Excel 中規劃求解開發工具進行模型建立，通過設置目標、確定更改可變指標、添加約束條件，最終求得最優解決方案。Excel規劃求解運行界面見圖1。

圖1 EXCEL規劃求解界面

根據前述假定，圖1中“設置目標”為規劃年提高灌溉水利用系數解決方案的目標函數，即增加干、支渠防滲率后的成本費用，并將該項目標設置為最小值；“通過更改可變單元格”設置為規劃年干、支渠的渠道水利用系數，即η干g、η支g；“遵守約束”中添加干、支渠的渠道水利用系數的邊界條件，并將規劃年灌溉水利用系數的目標值0.45作為約束條件進行添加。通過上述模型建立進行演算后生成最終成果報告，見圖2。

圖2 模型演算結果

根據模型演算結果報告，當干渠的渠道水利用系數由現狀的0.851提高到規劃年的0.890，支渠的渠道水利用系數由現狀的0.817提高到規劃年的0.865后，規劃年灌溉水利用系數達到目標值0.45，這種組合方案是最經濟的。

4 結 語

新疆在提高灌溉水利用系數時主要是通過增加各級渠道防滲率來實現，然而由于渠道級別較多，會出現多種組合方案。為簡化計算，在設計時一般只提出灌溉水利用系數，不提各級渠道的渠道水利用系數，這就直接影響到后續的經濟概算的內容，由于各級渠道的投資不同，使得渠道概算投資沒有明確的依據，人為影響因素較大，直接影響經濟評價。本文利用《新疆維吾爾自治區農業灌溉用水定額》(DB 65/3611—2014)中關于灌溉水利用系數的確定方法，通過建立提高灌溉水利用系數解決方案的模型，以費用最小為目標函數，提出最優解決方案，減少人為因素對后續經濟評價的影響。