基于規則的花涼亭灌區水資源優化配置

袁 媛

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司,安徽 合肥 230000）

0 引言

由于區域年內降雨時空分配不均,灌區內的農作物對于灌溉具有很強的需求,大型灌區在我國糧食生產中具有極其重要的地位,是我國糧食生產量保持穩定的基礎[1-3]。隨著灌區經濟社會現代化進程的加快和經濟結構轉型升級,水資源短缺、利用率低、配置不合理等問題已經成為制約灌區發展的重要因素[4]。

灌區水資源配置是指在灌區范圍內,通過實施調整種植模式、提高灌溉水利用系數等工程與非工程措施,對灌區內不同形式的水資源進行優化配置,以實現水資源的供需平衡與優化配置,保證灌區可持續發展[5-6]。本文從需水和用水兩方面進行灌區水資源供需平衡分析,合理配置灌區供水與用水,提高灌區灌溉保證率,實現灌區的可持續發展[7]。

1 研究區域概況

花涼亭灌區位于安徽省安慶市、花涼亭水庫下游,皖河流域長河右岸和華陽河流域（安徽部分）北部,東至望江縣寶塔河、武昌湖、青草湖,南至華陽河流域的大官湖、黃湖、泊湖,西至宿松縣孚玉鎮, 北至長河。灌區設計總灌溉面積105.83 萬畝,現狀有效灌溉面積71.76 萬畝,灌區現狀包括總干渠1 條、分干渠4 條。灌區共分為太湖、宿松、望江、懷寧4 個分灌區[8]。灌區降水年際變化大,多年平均降水量1369 mm,年內主要集中在5 月～10 月、約占全年的64%。多年平均蒸發量1055 mm（80 cm 口徑蒸發皿）,各月蒸發量差異較大,灌溉期5 月～10 月的多年平均蒸發量為735.1 mm,占全年蒸發量的69%。

2 數據來源

本文采用的數據主要包括1965 年～2020 年花涼亭灌區降水量、蒸發量和花涼亭水庫來水量,灌區1965 年～2020 年渠首引水和灌溉供水量,2018 年～2020 年安慶市水資源公報,2018 年～2020 年太湖縣、宿松縣、望江縣、懷寧縣統計年鑒數據。其中降水量數據來自于安徽省水文局,水庫來水量數據來自于花涼亭水庫管理處,灌區引水及供水量數據來自花涼亭灌區管理處,水資源公報來源于安慶市水利局,統計年鑒分別來源于各縣統計局,數據真實可靠。

3 水資源配置模型

3.1 系統概化

系統概化是指將具有共同屬性的不同系統實體歸納為以各類參數表達的概念性元素,并建立框架描述各類元素內部和相互之間水量運移轉換的物理過程[9]。本文結合花涼亭灌區行政邊界、供水水源等情況,以各受水區作為基本計算單元,對花涼亭灌區的供水與用水現狀模式進行整理、概化,得到花涼亭灌區供用水系統的概化圖。其中花涼亭灌區水資源系統概化為5 個計算單元,需水部門劃分為城鎮用水（含城鎮生態用水）、工業及三產用水、農村生活用水、農業灌溉用水4 類,供水水源分為塘壩供水、水庫供水2 類。

3.2 水資源配置原則

水資源配置規則主要包括供水規則和用水規則兩個方面。供水規則是模擬將各類水源通過不同工程的調蓄傳輸分配給各個用戶的過程,用水規則是確保用水的合理性以及公平性,主要包括用戶優先性原則和水源利用優先序原則[10]。

3.2.1 水庫供水規則

花涼亭水庫是灌區供水的主要來源,水庫設計正常蓄水位88.0 m,汛限水位85.5 m,死水位74.0 m。根據花涼亭水庫調度規程,水庫灌溉、發電的原則是灌溉為主、發電為輔,灌溉用水期,灌溉結合發電；非灌溉期,根據庫水位和來水情況,發電結合下游生態用水需求；保證重點,照顧全局,注重節約用水,盡可能調度發電用水用于灌溉,充分發揮水庫調度綜合利用效益。因此,當水庫水位高于88.0 m（非灌溉期）或85.5 m（灌溉期）時,上游來水盡量通過發電下泄,直至水庫水位降至此水位；當水庫水位在88.0 m（85.5 m）和死水位74.0 m 之間時,根據下游缺水過程和生態水量要求發電。

3.2.2 塘壩供水規則

灌區內塘壩眾多,可充分利用當地徑流,對緩解灌溉高峰期輸水壓力有重要作用。塘壩來水包括旱荒地徑流、水田排水、塘面來水三個部分。旱荒地徑流通過灌區內降水量,采用降雨徑流關系推求而得。旱荒地徑流無法全部進入塘壩,其有效集水系數為0.8。稻田排水主要包括分蘗后期的烤田排水、黃熟期落干排水和雨量較大時的多余雨水。稻田排水進入塘壩的有效集水系數約為0.7。塘面來水由降雨、蒸發和滲漏計算。

3.2.3 用水規則

用戶規則主要指優先滿足灌區內生活需水,其次為工業用水,最后為農業灌溉用水；為保證糧食安全,最低農業用水優先級高于工業的用水需求。水源利用優先序原則是指優先配置可再利用的污水,河網供水應優先于水庫供水利用。

3.3 系列年配置

根據花涼亭灌區實際供用水情況, 本文采用系列年配置的方法, 水庫來水量根據花涼亭水庫1965 年～2020 年共56 年的各月平均入庫流量進行計算,基準年2020 年的需水量根據近三年的統計年鑒和水資源公報進行計算,規劃年2025 年的需水量則是根據基準年的社會經濟規模以及相關經濟、農業發展政策進行推算。通過56 年的長系列供需平衡調算,對灌區水資源進行優化配置。

4 水資源配置結果與分析

本文根據構建的花涼亭灌區水資源配置模型,對灌區的用水、供水進行了長系列供需平衡調算,對各水平年不同水文情景下灌區水資源進行配置。

4.1 序列年水資源配置

根據計算的1965 年～2020 年序列年需水量對規劃年灌區水資源進行配置,見圖2。配置結果顯示,規劃年2025 年的56 年中有55 年水資源供需實現平衡,1 年有缺水,均為農業灌溉用水,缺水率42.8%,見圖2。

圖2 規劃年1965 年～2020 年水資源供需配置情況

圖3 基準年水資源配置方案

圖4 規劃年水資源配置方案

4.2 不同水平年水資源配置

4.2.1 基準年水資源配置方案

灌區基準年不同水文情景下水資源配置方案見表1,從配置結果可以看出,50%、75%保證率下灌區水量均能滿足要求,90%保證率下灌區缺水2947.4 萬m3,缺水率3.4%,均為農業灌溉缺水；當遭遇連續干旱時,花涼亭水庫供水能力下降,灌區尾端的望江南、北分灌區缺水量最大。

表1 基準年水資源供需配置結果 單位：萬m3

4.2.2 規劃年水資源配置方案

灌區基準年不同水文情景下水資源配置方案見表2,從配置結果可以看出,2025 年隨著灌區灌溉面積的增加,農業灌溉用水大量增加,占總需水量的59%。通過實施節水灌溉、提高水資源利用效率,并對水資源進行合理配置,50%、75%、90%保證率下灌區水量均能滿足要求,灌區灌溉保證率滿足90%。

表2 規劃年水資源供需配置結果 單位：萬m3

5 結語

本文以2020 年為基準年、2025 年為規劃年,建立了花涼亭灌區水資源配置模型,通過1965 年～2020 年長系列供需平衡調算,對不同水文情景下灌區水資源進行配置,得到結論如下：

1）灌區基準年50%、75%保證率下不缺水,可實現水資源供需平衡,但90%保證率下灌區農業灌溉缺水較為嚴重。

2）通過實施節水灌溉、提高水資源利用效率,并對水資源進行合理配置,灌區規劃年50%、75%、90%保證率下均不缺水,可實現水資源供需平衡,年均節水量4200 萬m3,為灌區的可持續發展提供保障。

3）花涼亭水庫水資源豐富,通過水庫運行調度、優化水資源配置,其供水量可滿足花涼亭水庫灌區遠期建設發展需求。