新疆節水灌區平原水庫調度規則研究

夏力哈爾·俄坦

(新疆伊犁河流域開發建設管理局,新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

軍塘湖河流域位于新疆維吾爾自治區呼圖壁縣西方25.1 km，從軍塘湖河源頭至紅山水庫全長47.1 km,總面積1218.2 km2。軍塘湖河徑流補水主要來自于山區地下水，地下水補給總量為3800萬m3，可開采量為1900萬m3，流域地表水多年平均可用總量為1656萬m3，地表水多年平均來水總量為3065萬m3。2017年軍塘湖河流域總取水量達到4423萬m3，其中地下水取水量為2681萬m3，地表水取水量為1742 m3。2017年農業灌溉總用水量為3890萬m3，其中地下水取水量為2425萬m3，地表水取水量為1465 m3。軍塘湖河流域紅山水庫灌溉供水范圍主要包括小河村、紅山村、聯豐村和甘河子林場。2017年軍塘湖河流域用水總量控制目標為4170萬m3，地下水用水總量控制目標為2530萬m3，地表水用水總量控制目標為1640萬m3。在2017年軍塘湖河流域總取水量超過用水總量控制目標253萬m3[1-3]。

2 平原水庫調度規則分析

2.1 平原水庫管理現狀

新疆地區建立的平原水庫主要作用是灌區供水，水庫調度方式多采用常規調度方式，調節時長以月為單位。分析得出新疆地區的平原水庫在調度方面主要存在以下幾點問題：一是重視計劃管理輕視應變管理。新疆地區平原水庫的調度管理通常按照往年資料，以典型年份作為水庫管理的代表年，根據每年的計劃用水量，進行相應調度計算，制定出當年的供水方案，然后按照供水方案計劃供水。而在實際水庫運行中，由于天氣、產業結構、地質條件等綜合因素影響，水庫用水調度往往缺乏細致供水方案，一旦發生突發情況，應變不夠及時，導致超計劃用水現象頻發，不能夠合理配置水資源，過度開采地下水、地表水，對當地環境造成不利影響。二是重視工程管理輕視資源管理。平原水庫在日常管理時比較重視水庫建筑物及相關配套設施管理，但水庫水資源的合理配置管理方面欠缺明顯，致使水資源分配不合理，造成一定程度的水資源浪費[4-6]。

隨著我國最嚴格水資源管理制度的實施，對灌區內地下水、地表水的開采利用提出了嚴格要求，這就要求平原水庫的調度管理要摒棄傳統管理方式，合理分配水資源，落實最嚴格水資源管理制度。

2.2 平原水庫調度規則

2.2.1 平原水庫調度管理思路

(1)地下水、地表水限額控制。為保證地下水及地表水水資源使用量在當年計劃供水量內，豐水年、平水年、枯水年要有不同的供水措施。在豐水年，要充分利用地表水資源進行農業灌溉，儲存地下水；在平水年，降雨量較多的月份，充分利用地表水灌溉，降雨量較少的月份，利用地下水灌溉；在枯水年，利用地下水進行灌溉。平原水庫的供水原則是優先且充分利用地表水，地表水不足時用地下水進行補充，但地下水開采有相應峰值，開采量要在峰值范圍內。同時還應該設置地下水的最小開采量，有效避免地表水超引現象。在平原水庫進行調度管理時，應將調度管理劃分成幾個階段，下一階段調度管理工作在開展前要對上一季度作出總結，確定本季度的供水計劃，保證水資源科學合理配置。

(2)水庫水和地下水聯合調度。新疆地區產業主要以農業為主，農業生產需水量較大，對水資源依賴性較強，隨著新疆地區經濟發展速度加快，水資源供需矛盾逐漸增加，節水灌溉成為有效緩解水資源供需矛盾的關鍵點。因此新疆地區應加強節水灌溉，平原水庫調度管理方式也應發生轉變，采用水庫水和地下水聯合調度的方式，充分利用水資源，實現水資源效益最大化。

2.2.2 平原水庫調度管理規則

新疆平原水庫的主要作用是農業灌溉供水，平原水庫的庫容由蓄水線和放水線兩個部分組成，放水線下為破壞供水區，蓄水線和放水線之間為供水區，蓄水線和放水線不是一成不變的，所以供水量要根據蓄水量、來水量、調度目標等綜合因素確定。新疆平原水庫調度管理要綜合考慮水庫蓄放規則、蓄放時間、水資源蒸發滲漏損失等幾個方面，具體來說平原水庫調度管理要遵循以下幾點要求：

(1)在供水區內水庫調度原則是：判斷某地區農業灌溉是否符合灌溉要求，符合灌溉要求的方能放水灌溉，且供水量是直接放至放水線產生水量與滿足下游灌溉兩者之間的最小值。

(2)為保證農業灌溉質量，平原水庫蓄水、放水時段應以旬為單位進行。

(3)當旬水庫蓄水量以上旬末的蓄水量為標準，上旬末時庫存在哪片區域，應按照該區域調度要求進行蓄水、放水。水庫旬初蓄水時，若來水將水庫蓄滿，則要將多余水資源棄掉。

(4)放水不按照供水區要求時，則當旬水庫不再放水。

(5)當平原水庫蒸發滲漏造成水資源損失較大時，在條件允許下旬末時水庫庫存不應太高。

3 工程實例分析

3.1 水庫蓄水線、放水線制定

上文提到蓄水線和放水線要根據蓄水量、來水量、調度目標等綜合確定，軍塘湖河流域的來水資料來自當地水利局20年來水文資料，需水量主要根據灌溉供水范圍現行的灌溉制度、農作物種植范圍及種植比例綜合考慮。平原水庫調度管理目標是保證流域內水資源能科學合理利用，所以要綜合考慮各種因素制定合理蓄水線和放水線。

3.1.1 目標函數

軍塘湖河流域調度管理目標函數為長系列年均調度總缺水數量最少，這時如式(1)所示：

d3kjr+d4kjr

(1)

式中：dz為長系列調度后總缺水量，萬m3；d1kjr、d2kjr、d3kjr、d4kjr分別為第k年第j月第r旬的小河村、紅山村、聯豐村、甘河子林場調度后缺水量，萬m3；

3.1.2 約束條件

(1)旬初水庫庫存約束如式(2)：

(2)

式中：Wckjr為第k年第j月第r旬的旬初水量總庫存，萬m3；V興為紅山水庫興利庫容，取909.93萬m3。

(2)旬末水庫庫存約束如式(3)：

(3)

式中：Wmkjr為第k年第j月第r旬的旬末水量總庫存，萬m3；FFkjr為第k年第j月第r旬的天然來水量，萬m3；V死為紅山水庫死庫容，取181萬m3。

(3)地下水量約束如式(4)：

dxs3kjr+dxs4kjr)≤1733

(4)

式中：dxs1kjr、dxs2kjr、dxs3kjr、dxs4kjr分別為第k年第j月第r旬的小河村、紅山村、聯豐村、甘河子林場地下水開采量，萬m3。

(4)水庫放水量約束如式(5)：

(5)

式中：fslkjr為第k年第j月第r旬的水庫放水量，萬m3；Rxsxkjr為第k年第j月第r旬的旬末限制庫容，萬m3。

3.1.3 目標函數求解

上述目標函數基于差分進化算法(DE)，運用Fortran語言編寫計算程序求解，差分進化算法屬于一種演化算法，具有容易實現、魯棒性強、收斂迅速、結構簡單等優點，主要用于求解連續變量的全局優化，算法的進化流程主要有變異、雜交及選擇三種，通過這三種進化流程進行迭代計算，最后得到最優良個體，使目標函數結果向最優解接近。

對目標函數計算后得出以下結論：①各變量數值非負數；②按照當地對農業地下水控制要求，流域內地下水最大年總開發量為1733.00萬m3，地下水最小年總開發量為1328.50萬m3；③根據近幾十年天氣情況評估數據，每年水庫庫損比例為3%，折合到每旬水庫水量損失是旬初總庫存水量的3%。④按照上述目標函數優化測算出旬最大地下水開采量、旬最大地下水開采峰值、旬最小地下水開采量分別為130.34萬m3、145.33萬m3、55.87萬m3。

3.1.4 水庫每旬灌溉放水限制庫容

利用目標函數將紅山水庫灌溉放水限制庫容作為需要求解的未知變量，采用DE算法計算出紅山水庫每旬最佳放水灌溉限制庫容結果見表1。按照表1計算結果進行水資源供給，可以有效保證水庫長期運行時最少總缺水量。

表1 水庫每旬最佳放水灌溉限制庫容 萬m3

3.2 灌區枯水年水量分配

按照新疆地區枯水年數據(保證率P>50%)，根據農業需水量及長系列目標函數求解出水庫放水限制庫容，進行水庫調節計算得出灌區枯水年水量分配見表2。從表2數據可以看出紅山村、聯豐村、甘河子林場灌溉缺水量分別為48.9萬m3、79.5萬m3、60.3萬m3，總灌溉缺水量為188.7萬m3，這時地下水開采達到開采限額。

表2 流域枯水年灌溉區農業用水量分配 萬m3

4 結 語

本文以新疆地區軍塘湖河流域節水灌區紅山水庫為工程實例，通過對比平原水庫進行調度分析，總結出以下結論：采用長系列來水運行方法建立目標函數確定水庫的蓄水線及放水線具有較高準確率，方法簡便可行，此方法能有效控制灌區農業灌溉地下水、地表水用量，在保證合理農業灌溉基礎上使水資源效益最大化。