雙牌水庫灌區種植結構變化對水資源優化配置的影響分析

摘 要 水是支撐社會、經濟、生態可持續發展的基礎性資源。面對當前人口持續增長與水資源供需矛盾，貫徹新發展理念，優化各部門用水結構，改變人們的生產生活方式，是解決水資源短缺問題的根本出路。以湖南省永州市雙牌水庫灌區為例，建立多目標灌區用水優化配置模型，研究作物種植結構變化對灌區水資源優化配置的影響。結果顯示，種植結構調整后，全灌區缺水率從9.83%降低至5.52%，在滿足生活用水的前提下，生態、工業、農業都能得到基本用水保障，在很大程度上緩解了灌區用水緊張程度。

關鍵詞 灌區;水資源配置;多目標優化;種植結構;湖南省永州市雙牌水庫灌區

中圖分類號：S274 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.13.057

水資源是經濟社會發展的重要物質基礎。隨著人口數量的急劇增長和城市現代化的快速發展，水資源的供需不平衡矛盾日益突出。近年來，中央和地方政府高度重視水資源利用問題，針對水資源集約安全利用作出一系列指示批示，明確提出要提升水資源優化配置能力，提高水資源利用效率。湖南省永州市雙牌水庫灌區（以下簡稱灌區）是我國重要的農業生產基地，也是一個極其復雜的用水系統，環境變化對灌區水循環及水資源分配影響較大，解決灌區有限水資源的分配問題，對保障糧食豐收和重要農產品穩定供應意義重大。目前，我國大多數灌區存在其他行業用水擠占農業用水，農業用水方式粗放、效率不高等問題，加劇了水資源供需矛盾。因此，研究種植結構調整對灌區水資源配置的影響，對提高水資源有效利用率，促進經濟社會高質量發展十分必要。

1? 灌區水資源配置研究進展

灌區合理分配用水是實現有限水資源合理開發和高效利用的基礎。當前，國內外學者開展了大量研究工作，大多基于水資源系統分析手段和合理配置目的[1]。如SHAFER等提出水資源系統模擬框架下的水資源配置和管理[2];WONG等基于地表-地下水聯合調度的多目標多階段優化管理的原理和方法，研究多水源在需水預測中的聯合調度[3];楊明智等以綜合效益最優為目標，建立水資源多目標優化配置模型[4-7];趙金淼等基于遙感數據的不確定性分析研究農業水資源優化配置問題[8];杜麗娟基于實數編碼多種群遺傳算法，求解多目標優化配置模型[9]。

雖然學者對水資源優化配置理論和方法研究成果頗多，但是考慮環境變化影響的研究較少，而環境變化是影響灌區水循環演變規律及水資源優化配置的主要因素之一。因此，在前人研究成果的基礎上，以雙牌水庫灌區為例，建立多目標優化配置模型，分析種植結構變化對灌區水資源配置的影響，對促進灌區水資源高效利用及提高規劃管理水平具有重要的意義。

2? 灌區水資源優化配置模型

灌區是一個復雜的用水系統，涉及多水源、多用戶，灌區水資源優化配置不是追求單一目標效益最優，而是追求綜合效益最佳的多目標優化問題。本文在簡化灌區用水結構的基礎上，建立水資源優化配置模型，其綜合目標函數為：

[FX=maxf1X，f2X]? ?（1）

式（1）中：X為決策變量，X=Xijk，i=1，2，j=1，2，3，4，k=1，2，3，4;f1（X）、f2（X）分別為灌區用水部門之間水量優化和經濟效益子目標函數。

1）灌區用水部門之間水量優化目標函數f1（X）以灌區各用水部門總缺水量最小為目標，函數表達式為：

[f1X=mink=1Kj=1J（k）Qkj-i=1I（k）Xkij]? （2）

式（2）中：Qjk為k子區j用水部門的需水量，萬m3;Xijk為第i個水源對第k個區域第j個用水部門的供水量，萬m3。

2）經濟效益目標函數f2（X）以灌區綜合效益最大為目標，函數表達式為：

[f2（X）=maxk=1Kj=1J（k）i=1I（k）bkij-ckij?Xkij?wk?αki?βkj]? ? （3）

式（3）中：bijk為第i個水源對第k個分區第j個用水戶單位供水量產生的供水效益系數，元·m-3;cijk為第i個水源對第k個分區第j個用水戶單位供水量產生的供水費用系數，元·m-3;Xijk為第i個水源對第k個分區第j個用水戶的供水量，m3;wk為第k個分區的權重系數值;αik為k子區水源i供水次序系數;βjk為k子區j用水部門的用水公平系數。

3? 實例分析

3.1? 研究區概況

雙牌水庫灌區位于湖南省湘江中上游一級支流瀟水下游右岸，設計灌溉面積2.13萬hm2，灌面涉及雙牌縣、零陵區、冷水灘區和祁陽市等4個縣（市、區）。主要供水水源來自雙牌水庫和其他基礎水利設施。雙牌水庫總庫容6.9億m3，有效庫容2.43億m3，多年平均降水量1 539 mm，多年平均入庫流量294.6 m3·s-1，多年平均徑流量94.6億m3，灌區多年平均產生模數為89.3萬m3·km-2。根據雙牌水庫歷年實測入庫流量資料分析，灌區90%保證率下全年來水量為63.03億m3，灌溉期（4—10月）的來水量為52.81億m3。

3.2? 供需預測分析

以2015年為基準年，預測2030年雙牌水庫灌區水資源優化配置。

3.2.1? 可供水量分析

雙牌水庫灌區的水資源可利用量主要考慮水庫供水和灌區內基礎水利設施供水。根據雙牌水庫1985—2008年向灌區供水的歷史資料，預測2030年雙牌水庫供水量為15 216.2萬m3，基礎水利設施按多年平均供水量為9 365.5萬m3分析[10]。

3.2.2? 需水量預測

需水量預測主要考慮生活需水量、農業需水量（農田灌溉需水和禽畜養殖需水）、工業需水量和生態環境需水量，在90%保證率條件下的預測結果如表1所示。

3.3? 作物種植結構優化

作物種植結構優化以灌區農業經濟效益Z最大為目標，函數表達式為：

[Z=maxi=1npiyi-Ci-qici?Ai]? （4）

式（4）中：pi為研究區種植某作物的平均單位產量，kg/667 m2;yi為研究區種植某種作物的市場單位價格，元·kg-1;Ci為研究區種植某種作物的平均投入成本，元/667 m2;qi為種植某種作物的灌溉用水定額，m3/667 m2，參照湖南省《用水定額》（DB43/T 388—2020）執行;ci為種植某種作物的供水費用系數，元·m-3;Ai為不同作物種植面積，hm2。

根據《湖南統計年鑒2015》及社會調查，假設2030年雙牌水庫灌區總種植面積為1.92萬hm2，根據市場經濟的規律與資源配置原則，優化灌區作物種植結構及作物種植面積（見表2）。主要調整項為由傳統的種植早、晚兩季稻調整為種植一季稻，增加果蔬和飼草的種植面積，加大畜牧養殖，復種系數為1.845。

3.4? 計算結果

水資源優化配置模型求解研究較多，主要分為傳統優化算法和智能優化算法。本文建立的雙牌水庫灌區優化配置模型涉及目標函數、決策變量和約束條件較多，擬采用基于迭代原理的遺傳算法求解模型。雙排水庫灌區調整種植結構后，灌區水資源優化配置結果如表3所示。

4? 結論

1）根據現狀預測2030年雙牌水庫灌區可利用水資源量為24 581.7萬m3，實際需水量為27 260.9萬m3，總缺水量為2 679.2萬m3;調整種植結構后全灌區總需水量為26 017.6萬m3，總缺水量為1 435.9萬m3。

2）在調整作物種植結構后，全灌區缺水率從9.83%降低至5.52%，其中農業用水缺水率為9.07%，工業用水缺水率為4.64%。灌區供水基本滿足灌區生活、工業、生態和農業等各部門的需水要求（生活用水、工業用水、生態用水保證率在95%以上，農業用水保證率在90%以上）。

3）雙牌水庫灌區種植結構的調整，優化了灌區水資源配置，提高了灌區水資源利用效率。其中農業用水是重要的用水部分，占總用水量的50%以上，建議下一步繼續深化節水改造，降低渠道漏損，推廣微灌、噴灌、滴灌等灌溉方式。

參考文獻：

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[2] Shafer J M， Labadie J W. Synthesis and calibration of a river basin water management model[R]. Colorado State： Colorado State University， 1978.

[3] WONG H S， SUN N Z， Yeh W W G. Optimization of conjunctive use of surface water and groundwater with water quality constraints[C]//Aesthetics in the Constructed Environments. New York：American Society of Civil Engineers， 1997： 408-413.

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[8] 趙金淼，佟玲，岳瓊，等.基于遙感數據的不確定性的農業水資源優化配置研究：以漳河灌區為例[J].中國農業大學學報，2022，27（4）：244-255.

[9] 杜麗娟.基于改進遺傳算法的區域水資源優化配置[J].水利科技與經濟，2019，25（11）：9-13.

[10] 袁漢明.變化環境下雙牌水庫灌區水資源配置優化研究[D].長沙：長沙理工大學，2018.

收稿日期：2022-04-21

作者簡介：袁漢明（1993—），男，甘肅隴南人，碩士，研究方向為水資源規劃與管理。E-mail：825078091@qq.com。