贵州黔中灌区水资源优化配置的研究

罗亚松

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002）

水资源是人类的生命之源，是社会发展的物质基础。近年来，由于气候和环境变化条件的影响，可利用水资源日益无法满足生产生活的需求。从长远和战略上分析，各地区水资源都将面临优化配置的问题[1]。

水资源优化配置是对水资源的合理分配和利用，可通过工程措施和非工程措施两种方法调节水资源的时空分布，实现水资源价值。从需求和供给两方面分析，需水是通过调整产业结构、建设节水型社会并调整生产力布局，以适应较为不利的水资源条件；供给是协调各类用水，严格管理，开源与节流并重。结合需水和供水条件，正确处理经济、生态、环境以及资源的综合关系[2]。

1 黔中灌区水资源开发利用现状

黔中灌区现有水利工程502处，其中蓄水工程87处，总库容17985万m3，兴利库容9516万m3；引水工程62处，总引水流量12.4 m3/s；提水工程353处，总装机容量10519 kW。设计、有效、保证灌溉面积分别为46.39万亩、36.95万亩、31.50万亩。

据调查统计，黔中灌区内人畜用水量1720.30万m3，其中有供水设施的供水量为1184.76万m3，占总用水量的68.9%；无供水设施的供水量占31.1%，且未达到安全用水要求，主要靠肩挑背驮。

1.1 供水能力

通过对现状资料的收集，结合对灌溉、县城供水、乡镇供水和人畜用水的调查和复核，黔中灌区总用水量为2.58亿m3。依据灌区现有和正编制的发展规划，综合分析农业灌溉、县城供水、乡镇供水和农村人畜用水安全等的可供水量，至2020年总的可供水量为3.61亿m3，比现阶段增加1.02亿m3。

1.2 需水量分析

黔中灌区范围内农作物种植面积243.98万亩，土地综合复种指数1.98；粮食作物以水稻、玉米为主，种植面积148.80万亩，占总播种面积的61.0%，其中水稻种植面积65.45万亩。经济作物以油菜、蔬菜为主，果树和茶叶等经济作物所占的比重较小。根据对灌溉、县城、乡镇和人畜用水的预测，至2020年灌区总的需水量为6.78亿m3，需水量的增长率0.8%。

1.3 供需分析

对比分析2020年黔中灌区范围内预测需水量与可供水量，确定缺水量约3.17亿m3，占总需水量的45.5%；多年平均缺水量2.85亿m3，占总需水量的40.6%。

2 灌区节水模型建立

2.1 目标函数的确立

水资源系统由多个目标组成，各个目标之间既有差异又有相同。随着工业、农业、生活用水的剧增，供水需求不断增大。在缺水地区，流域中不同区域对水资源的需求越来越大，水资源的供需越发不均衡。区域内水资源的合理分配和利用，一方面须满足社会需求，另一方面须使区域生产得到进一步的发展，是水资源应用中亟待解决的问题。

符合全部水资源系统的约束条件的可行性方式众多，评价方式的标准是衡量某方式的优缺点。一般情况下，评价标准主要有经济、水量和能量三种，在此基础上，综合考虑蓄放水、用水优先级和社会环境等因素。确立目标函数，使用最优化方法对函数求解，即求得目标函数的最大值或最小值，其意义在于满足系统的平衡、运行、容量及其他要求后，使系统的经济效益（或水量分配，或水资源利用率）达到最好。

目标函数可描述为系统净效益最大、损失水量最小、供水的优先级。不同保证率下各用水单位的缺水程度和水资源的可利用量可间接反映经济效益，为了保障流域生态环境的良性循环和改善，约束条件选择流域下泄水量，在保证下游的生态环境良好的条件下最大程度地减少中游各用水单位的缺水现象，达到整个流域水资源的合理分配，故目标函数确定为总缺水量最小[2]，见式（1）、（2）：

式中，Nk+（1Vk+1，AMk+1）为当前状态AMk，决策为Ak时其余留阶段的最大效益。通过优化计算，求得在给定条件下的最优状态序列｛A｝及最优决策序列｛Ak*｝，k=1，2…K。

式中，Nk+1(Vk+1)为当前状态Vk决策为Qk时，其余留阶段的最大效益。经过优化计算，可得出最优状态序列{}和最优决策系列{}。

2）比较上两步的优化结果，若第一步中的虚拟轨迹与第二步中的优化结果存在差异，就以第二步中的优化结果为第一步的初始值，反复上述的优化过程，直至两个状态变量均得到相同的目标函数（在拟定的精度范围内）和相同的决策序列为止。

2.2 灌区水资源求解分析

灌区水资源按照黔中灌区灌溉、县城、乡镇和人畜用水对供需水量进行划分，在灌溉作物上考虑粮食作物水稻、小麦、玉米和经济作物油菜、烤烟、花生、蔬菜、果树等两大类。

在黔中灌区，这两大类作物基本代表了受水区种植业的情况。在模型求解过程中，只需要考虑两大类作物的水量分配，其余的作物水量按照原始的水量分配，不计入模型进行计算。

当灌溉条件不充分时，直接采用定额节水灌溉制度，不对其进行优化配置，只对子区各作物之间和各区域之间进行协调优化配水。当供水量出现明显的不足时，总量控制目标采用供水量，对区域间和区域内各作物之间进行优化配水，达到以有限的水量实现最大的经济效益的目标。

2.3 优化配置结果与分析

2.3.1 农作物种植比分配结构

据灌区灌溉用水可利用的水资源量，利用动态规划模型，在满足区域经济发展、人口和粮食安全的前提条件下，由两大类作物节水灌溉定额引导，对水稻、小麦、玉米、油菜、烤烟、花生、蔬菜、果树作物用水量进行最优配置，模拟预测出2020年灌区各种作物的最佳种植面积，结果见表1。

表1 2020年灌区农作物预测最佳种植面积统计表 单位:万亩

2.3.2 灌溉用水优化分配

黔中灌区主要旱作物有小麦、油菜、玉米、蔬菜、果树等。结合实际情况，根据内部水量优化模型，可以计算得出黔中灌区各种旱作物的灌溉期和总需水量，主要旱作物灌溉用水量表，见表2。

表2 黔中灌区主要旱作物灌溉用水量表

3 结论

优化水资源配置将有效提高其利用率，促进经济社会协调发展。分析黔中灌区水资源供需水，结合黔中水资源的规划发展以及农作物种植种类，通过数学方法确立目标函数和约束条件，建立灌区节水模型，并对其求解。明确模型的求解思路和过程，从农作物种植分配结构和灌溉用水优化分配两方面对优化配置效果进行描述。水资源的优化配置既提高了水资源的利用率，同时又合理地规划农作物种植面积和主要旱作物需水量，加速地区经济发展。