龙虎泡水库下游水土资源空间匹配分析

高健超，梁贞堂，戴长雷，常晓峰

(1.黑龙江大学寒区地下水研究所， 哈尔滨 150080；2.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150080；3.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

0 引 言

水土资源是农牧业生产中最基本最重要的生产资料[1]。对水土资源进行合理开发与利用，优化配置水土资源，对社会经济的持续、健康发展具有极其重要的意义[2]。人们在水土资源调查、评价、规划，以及以水土资源综合利用等方面开展了大量工作，但目前将两类资源结合起来所做的研究还比较少[3,4]。水资源作为农牧业土地利用的瓶颈因素，决定土地的利用方向，因而有必要将从“以水定需”角度进行水土资源优化配置。龙虎泡水库位于黑龙江省大庆市，是中部引嫩工程的末端蓄水工程。近年来由于大庆石油产业转型等原因，使得中部引嫩工程具备向龙虎泡水库下游农牧业供水的潜力。相关专家对本区域的农牧业生产状况、农牧业灌溉制度等方面进行了大量研究，而在此基础上对水土资源配置的研究相对较少。本文从开发龙虎泡水库潜能的角度对研究区域内部分农牧业用地进行水土资源优化配置。提高供水区域灌溉效益及农牧业土地产出率，并且最大限度发挥现有引水工程价值的目的。以期为类似地区的开发与规划提供参考。

1 区域概况

1.1 自然条件及农牧业

中部引嫩工程引水口位于齐齐哈尔市富裕县塔哈镇，经东升水库及扎龙湿地外围进入龙虎泡水库[5]。下游辐射区域为大庆市所属的让胡路、红岗、大同三个区为本次研究区域，近期区域内人口81万人，年地区生产总值448亿元。地处松嫩平原腹地属嫩江左岸低地平原地区。该地区属于北温带大陆性气候区，降水量少、蒸发量大并且降水多集中于7-8月份，使得区域内水旱灾频发交替[6]。研究区域内无天然河流，只安肇新河和南排干渠两条人工渠道用于区域排水，但邻近的嫩江、松花江过境水资源丰富。

研究区域为农牧业交错区，农牧业用地主要包括耕地、草场。耕地结构可以按“粮、经、饲”用地划分，其中旱田和区域内数量极少的水田为粮食作物用地，经济作物用地包括露天经济作物和棚室，如表1。形成“粮、经、饲、草”的农牧业用地格局。

表1 各区农牧业土地利用结构 万hm2

自20世纪50年代以来，人类活动增加及不合理开发，导致当地土地大面积转化为耕地、草地，失去自我调节能力，干旱、内涝等灾害频发，土地盐碱化、沙化严重[7]。使得农牧业用地单产偏低，种植业单产偏低，且不能保证产量稳定，自然草场的产量仅为20世纪80年代的1/3[8]，如表2。其中水田、经济作物现状为充分灌溉，由于不同经济作物亩产差距巨大故只列出经济作物亩产效益。

表2 每公顷产量及收入对照Tab.2 Contrast of yield and income

1.2 供水能力分析与灌溉需水量分析

资料[5]显示，中部引嫩工程在P=50%保证率条件下，设计供水能力10.1 亿m3。近年来，由于石油产业转型、扎龙湿地及连环湖生态恢复等原因各部门需水量减少。使得中部引嫩工程有很大潜力用于下游灌溉，如表3。2009-2015年中部引嫩工程向各部门供水数据显示，平均年供水量为4.42 亿m3，故中部引嫩工程有约5.58 亿m3的年平均供水能力供给下游。

表3 齐齐哈尔市中部引嫩工程供水量汇总 亿m3

根据黑龙江省近期用水定额及表1所示的土地利用结构，以喷灌、滴灌等节水灌溉方式选取定额，对灌溉需水量进行估计，如表4。不难看出需水量大于可供水量，因此要使有限可供水资源发挥最大效益就必须对研究区域内的水土资源进行合理配置，规划部分农牧业用地进行充分灌溉，形成高产稳产农田、草场。

表4 农牧业土地利用类型净需水量估计Tab.4 Estimation of net water demand of land use types in agriculture and animal husbandry

2 动态规划模型

系统工程理论常用于水土资源配置，其方法包括线性规划[9]、非线性规划[10]、动态规划[11],等。其中动态规划方法近年来在水资源配置领域得到较多的应用[12,13]。其优点包括可适用范围广、可以将复杂问题转化为贯序简单问题、可以得到“全局”最优解等。对于本次水土资源配置，不同土地类型之间有明显的空间特征区分，可利用动态规划求解。

2.1 模型构建

水土资源配置模型可以理解为有Q个单位水资源量，需要分配给n种土地类型，以便获得尽可能大的效益。分配给每种土地类型的土地数量xi的多少决定了效益的大小，故可视xi为决策变量。如果分配给第i种土地xi个单位需要gi(xi)个单位水资源，xi个单位的土地可以带来的效益为ri(xi)，并且决策变量xi匹配面积受国家政策及当地产业规模等限制，那么在水资源总量受限制的条件下确定最佳资源分配方案的问题，可以描述成如下模型。

目标函数：

(1)

ri(xi)=xi×Pi

式中：Pi为单位土地效益，元/hm2。

水量边界条件：

(2)

其中，gi(xi)=xi×mi/ηi。

式中：mi为第i种土地的灌溉定额，m3/hm2；ηi为第i种土地的灌溉水利利用系数，研究区域常用灌溉水利利用系数如表5。

表5 灌溉水利用系数Tab.5 Irrigation water utilization coefficient

土地边界条件

xi∈[Smin,Smax] ∩Z+×104，i=1,2，…，n

(3)

式中：Z+表示非负整数集合；Smin,Smax分别表示第k种土地利用类型的边界条件，土地边界条件的设置应满足相关法律法规；不改变“粮、经、饲、草”的土地利用格局；满足农牧业生产需要等原则，如表6。

表6 土地边界条件设置Tab.6 Establishment of land boundary conditions

2.2 模型求解

(1)阶段划分。 综合经济和环境因素考虑，将水田与研究区域内的旱田、经济作物、棚室、饲料作物用地及草场按其空间特征划分阶段，共同参与水资源分配。每一种土地类型可以看作一个阶段，阶段变量用i表示，若有n个阶段则有i=1，2, …,n(n=6)。

(2)状态。利用动态规划方法求解资源分配问题时，可将阶段k看成是仅含变量xk,…,xn的子问题。本模型状态变量为可用于匹配给第k阶段的水量记为qk，则有：

(4)

由公式(4)可推出状态转移方程为：

(5)

即：

qk+1=qk-gk(xk)

(6)

(3)递归方程与求解。阶段k对应子问题最优值记为Gk(qk)，则有：

(7)

当k=n+1时，无资源可以分配故可以认为Gn+1(qn+1)=0。当k=n时，由公式(7)可知，Gn(qn)=maxrn(xn)。当k=n-1时，状态变量qn-1可以看作是分配给本阶段水资源量与可分配给下一阶段水资源量之和，因此n-1阶段最优值Gn-1(qn-1)可视为本阶段决策产生的效益与剩余资源作用于下一阶段而产生的效益最优值之和的最大值，依次递推可以得到递归方程

(8)

求解时将状态变量qi按万m3为步长离散，根据公式(8)求出第n阶段每一状态下不同决策产生的效益并将最优值标记，然后依次计算至第1阶段并得出第1阶段最优解和最优决策，根据公式(6)可以推出第2阶段的最优状态，从而搜索到第2阶段的最优决策进而得到第2阶段的最优解，沿此路径依次搜索各阶段最优解就可以得到全过程的最优决策集合，进而得到全局最优解即收入最大值。

3 结果与分析

3.1 配置结果

根据上述模型及求解方法，在平水年背景下，借助matlab软件进行逼近运算。得出在最优决策路径下各阶段水土资源配置结果，如表7。

3.2 结果分析

水资源方面不难看出规划配置水资源量为55 795 万m3，有效的开发利用龙虎泡水库潜力。其中38.5%的水量配给水田，35.6%的水量配给草地以保证粮食、牧草生产，13.8%的水资源配给棚室以带动经济效益整体提高。

表7 平水年农牧业各用户水量分配、土地分配及效益汇总Tab.7 Water distribution, land distribution and benefit summary of agricultural and animal husbandry users in horizontal water year

在土地资源方面优化后规划灌溉区域总面积为14.3 万hm2，规划灌溉区域面积为研究区域面积的58.8%。在不改变“粮、经、饲、草”的土地利用格局，但对具体种植结构做出调整，如表8。

表8 配置前后种植结构对照 万hm2

其中粮食作物从旱田中分配2.4 万hm2用于水田。经济作物用地棚室面积增大7 500 hm2使果菜种植全部进入棚室，露天经济作物种植面积减小0.8 万hm2。饲料作物用地增加500 hm2，满足养殖业需求。经济作物和饲料增加的土地由旱田提供。草地只有4.3 万hm2得到水资源配置但和饲料作物相配合可以满足当地现有食草牲畜的存栏水平。

优化后收入水平有很大提升，可实现效益每年42.35 亿元，使得水土资源利用效益及土地产出空间大幅提高，如表9。

表9 配置前后效益对照Tab.9 Benefit comparison before and after allocation

可知效益增加10.20 亿元，与规划前相比显著提高。从“粮、经、饲、草”的格局来看粮食作物效益增加6.17 亿元，经济作物效益增加5.36 亿元，饲料作物效益增加466 万元。其中水田属于新配置土地效益为4.60 亿元、棚室效益增量最大为9 亿元，是效益增加的主要因素。露天经济作物效益减小是由于部分土地划归棚室，草场收益小于原有草地，是由于规划灌溉面积远小于草场总面积。

5 结 论

根据实际情况和现有引水工程工程的供水潜力，以效益最大化为目标在平水年背景下对可供水资源进行最优分配，并得出以下结论。

(1)优化配置后龙虎泡水库潜能得以充分开发，剩余水资源得以水资源充分利用。

(2)规划灌溉区域引入2.4 万hm2水田，增加棚室面积7 500 hm2，有效地增加粮食产量及研究区域整体土地效益空间。

(3)规划灌溉区域各类型农牧业土地单位效益提高，种植结构更加合理，有效增加当地居民收入。