農田水利灌溉用水效率優化策略探究

張寶宇

（大石橋市金禹勞務服務有限公司,遼寧 大石橋 115100）

0 引言

近年來,我國各灌區實施了大量的節水措施,雖然取得了一定的節水效果,但將地表水與地下水的關系割裂開來。我國華北大部分灌區,地表水資源匱乏,給當地經濟和社會發展帶來了巨大的壓力,因此大量的地下水資源被開發利用,地下水的采、補不平衡,也造成了地下水水位下降和水源的枯竭。

前人已對水資源合理配置進行了諸多研究,但鮮少有關于水資源調控和作物布局的一體化的分析,缺少以經濟效益和社會效益為主要目的的研究方案。為此,本論文選取營口灌區地下水模型（GBM）和水資源優化利用模型,通過模型驗證、模型耦合及優化控制等方法,對灌區進行土地利用優化設計,提出灌區地下水調控方案、優化灌溉面積與作物布局。

1 材料與方法

1.1 地下水模型

1.1.1 水量平衡模型

GBM模型：

式中：ΔSi為地下水變化量,m3；Ii為地下水總補給量,m3；Qi為地下水總流出量,m3；i為時間序號,以年為計算時段。

RSM模型：

式中：R為地下水總補給量,mm；P為降雨量,mm；ET為蒸散量,mm；S為徑流量,mm；ΔS為地下水變化量,mm。

1.1.2 預測模型

使用GM（1,1）模型[1]進行預測,模型是一個只包含單變量的微分方程,通過求解微分方程的方式得到預測值。

1.2 模式校驗

灌區總入流減去總出流,即為年蓄水量的變化。圖1為用 GBM模型和 RSM模型計算出的地下水凈儲量的動態變化。

圖1 兩種模型地下水凈儲量計算結果

本文對 GBM模型進行驗證,得到了較好的結果：R2=0.945, d=0.932, NSE=0.699, PBIAS=5.4。可以認為該方法的計算結果是可信的。

圖2為實測和計算的作物需水量對比圖。選用R2、一致性指數（d）、NSE和PBIAS指標,通過統計學方法對兩個模型的計算結果進行評價,得出R2=0.907, d=0.892；NSE=0.559；PBIAS=-2.32。準確度符合相關規范。

圖2 兩種模型作物需水量計算結果

1.3 優化模型（OPM）

為達到最大的經濟效益,合理安排灌區的生態作物布局。優化的目標函數如下：

1.4 模型的耦合和控制

將 OPM模型和 GBM模型進行耦合, OPM模型的最優解會反饋給 GBM模型,從而實現對地下水動態的模擬和調節。本文選取了兩個背景條件,即常規背景和優化背景,常規背景是根據水資源的開發和生態作物的生長習性來預測的,未附加水和土地使用的限制條件。

利用數據變換與模型同步耦合,實現了兩種模型之間的連接。OPM模型通過對系統信息的識別和控制目標的滿意程度,向 GBM模型反饋信息,GBM模型對其進行調整和修正,以達到最優解[1-2]。GBM模型使用1966年～2015年的資料,預測2016年～2030年的情況。評估在常規和優化背景下,地下水的動態變化與水資源優化配置的耦合程度。

2 灌區地下水調控及優化作物布局

2.1 灌區概況

營口灌區位于遼寧中部平原的南端,地處大遼河最下游左岸,灌區東鄰長大鐵路,南至營口鹽場,西以大遼河為界與大洼縣隔河相望,北與海城市的西四灌區相接壤。水田有效灌溉面積62.4萬畝,是遼寧省大型灌區之一。灌區內地勢平坦,多河網和洼地,地面高程多在0.5 m～6.0 m之間。地勢東北高,西南低,勞動總干以東地面坡度1/2000～1/5000,以西1/10000～1/20000。

根據營口氣象站多年實際觀測資料分析,多年平均降水量為652 mm,其中5月～6月份為110 mm,7月～9月份為410 mm,多年平均蒸發量為1620 mm。

本地區屬季風氣候,其特點是：冬季寒冷干燥,春季多風少雨,夏季炎熱,降雨集中,秋季涼爽,日照時間長。多年平均氣溫8.9℃,月平均氣溫7月份為最高24.8℃,1月份為最低-9.2℃,多年平均無霜期183天,最早初霜出現在10月4日,最晚終霜發生在4月27日。冰凍期為150天左右,最早結凍日期10月23日,最晚解凍日期4月17日,最大凍結深度1.1 m。本區春夏期間多東南風,冬季多西北風,多年平均風速3.9 m/s,最大風速28.7 m/s。

2.2 作物需水量計算

根據規劃灌溉面積和綜合灌溉定額對灌溉需水量進行計算,公式如下：

式中：W需為灌溉總需水量,m3；Ai為不同種植作物灌溉面積,hm2；Mj為第j類作物灌溉定額,m3/hm2。

3 結果與討論

3.1 灌區建設標準 農田灌溉與生態作物的合理配置

根據營口市土地利用規劃,對灌區各時期的灌溉和作物的最優配置進行了分析,并進行了相應的優化設計。達到田地平整肥沃,水利設施配套、田間道路暢通,農田林網適宜的要求。按灌區統一規劃,并符合本地區農業發展的總體規劃,實現田成方、林成網、渠相通、路相連、旱能灌、澇能排、漬能降的目標。優化布局成果見表1。

表1 營口灌區不同階段灌溉面積及作物優化布局成果

3.2 灌區水資源供求關系的研究

根據《營口市2020年遠景規劃》和《營口市土地利用規劃》及地區國民經濟發展規劃,農業現代化發展綱要及節水灌溉規劃等有關部門要求,以節水增效發展“二高一優”農業為中心提高灌溉水的利用率,實現水資源的可持續利用為原則,得出營口灌區水資源供需平衡方案,見表2。

3.3 灌區地下水調控

結合灌區的水文地質情況,地下水的補給和工農業生產和生活需要,本地地表水及雨水的收集、非常規的開發,計算得出了灌區的可開采量地下水為1651萬m3。

灌區內地形平坦,地下水位較高,埋藏深度一般為0.7 m～1.0 m,汛期接近地表,東部地區地下水屬低礦化的碳酸鈣型水,可用于灌溉。地下水水質適合于農田灌溉,也符合生活和牲畜飲水標準。通過對地下水開采量進行科學的調整,通過節水措施提高對地下水的使用效率,可以起到改善地下水的作用。預計到2030 年,地下水的埋深將維持在2 m左右,將大大減少土壤鹽漬化。

3.4 經濟效益分析

根據統計資料,按現行農業用水價格0.10元/m3計,通過對本方案的經濟效益進行分析,結果顯示每萬畝產值可達2040萬元,土地生態和作物種植總受益幾乎提高一倍。

4 結語

利用調控技術,使灌溉生態系統合理配置和地下水可持續利用,是一個十分復雜的過程。營口灌區是典型的農業區,以地下水為農業生產提供了重要的水源。過度開發造成地下水水位持續下降,造成地下水資源枯竭。根據灌區的歷史數據,從社會經濟、水文、農業生產等方面,對農業生態作物的規劃和經濟效益進行了優選。

建立了地下水 GBM模型,以優化用水為目標,對水資源的可持續利用進行數值模擬,結果顯示2015年～2030年,通過調節地下水,可以使整個灌區的經濟效益得到提高,改善生態環境。另一方面,灌區水資源管理還需要進一步完善。通過優化模型（OPM）,合理調整耕地類型、農田布局,降低地下水的消耗,使灌區水資源得到最優利用,以滿足灌區生產、生活和未來工農業發展的需要。