基于WEAP理论模型的某流域灌区节水灌溉研究

赵达提·克依木别克

(乌苏市兴源水务有限公司，新疆 乌苏 833000)

大量研究表明，我国部分流域虽然水资源丰富，但从全年供需水量的关系看，仍存在农业、林业灌溉用水短缺的问题。调查结果显示，出现这种供水端与需水端之间的矛盾关系，是由于在供需水端之间的供需路径上出现了大量的损耗，这种损耗是由于灌溉技术落后而导致灌溉效率低下[1- 5]。目前，针对灌区灌溉效率低下导致的水资源浪费问题，我国学者已经展开了全面、深入的研究。高雅等[6]深入调查研究了农田灌溉工程中出现的渗漏问题，并通过现场研究提出渠道防渗衬砌施工技术等能有效改善水资源渗漏现状；孙传辉[7]以安徽省芜湖市农业用水为研究对象，提出通过制定节水目标与用水效率，能够为建设芜湖市节水型社会作出巨大贡献。

如何对水资源利用进行科学、合理的评价是流域灌区引进新型灌溉技术所面临的一个难题。何照青[8]基于层次分析法基本理论，深入探讨了层次分析法在灌区节水改造工程综合评价中的应用，并指出该方法的高度可行性；程鹏等[9]以石家庄市节水型社会建设为例，对城市节水指标体系构建与评价提出了一定的建议；臧聪敏等[10]根据我国31个省的用水数据，从中选取9个具有代表性指标，并基于聚类分析和综合权重理论对我国不同省份的节水水平进行了有效评价。

上述分析方法均采取指标、参数等手段对区域节水现状进行分析，评价方法复杂且效率较低。本文基于WEAP模型基本理论，对某流域灌区水资源现状及其根本问题进行了深入分析，并基于该方法对区域采用不同新型灌溉技术的改良效果进行了有效评价，并优选出最佳灌溉技术，为我国灌区引入新型灌溉技术及优选方法提供了一定的指导性作用。

1 区域现状

本次研究灌区位于某流域中游段，该流域覆盖面积超过4万km2，河流全长超过500km，灌区属于国家大(III)型自流灌区，实际灌溉面积为82.1万亩，主要包括总干渠3条，干渠5条及支渠10条。根据现场调查及资料研究结果显示，该流域灌区的灌溉方式仍以传统式、粗放式、轻管理式为主，而采用的灌溉技术也处于较落后水平，调查结果发现区域的灌溉效率较差，因此导致了大量的水土流失、水资源浪费等不良后果。经过调查研究发现，该区域灌溉效率低下的主要原因如下：

(1)地形条件复杂。地质调查资料表明，由于该流域灌区所处区域地形十分复杂，因此很多高效、新型的灌溉技术都无法合理推广到该地区，且由于上下坡较多，造成了许多不应存在的水资源流失。

(2)土壤土质因素。本次研究地区的地层土质以填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土的顺序分布为主，土层的保水能力较强，渗透能力差，灌水次数明显少于我国其他区域，因此这也是合理引用新型灌溉技术的难题之一。

(3)农田小气候因素。农田小气候因素是一个比较复杂且影响因素较多的气候系统，它是由不同农田内所种植的不同农作物之间的相互辐射、不同的温度吸收效应、湿度以及二氧化碳生产能力所导致的，贯穿农作物生长的全过程。比如，喷灌对于农田小气候的影响很大，是因为它能够调节田间温度与湿度的相互关系。

经研究发现，目前能够适应地区各种条件、改善灌溉低下现状的灌溉技术有大畦改小畦技术、农艺节水灌溉技术、骨干工程改造的工程节水技术及田间高效节水工程技术，因此，本文将基于WEAP模型，对各种技术的应用前景及合理性、经济型进行评估。

2 灌区WEAP模型建立

WEAP(Water Evaluation and Planning)模型，也称作水资源评估与规划模型，通过将满意度函数引入水资源优化配置模型中作为目标函数，深入分析3个子函数即社会效益、经济效益和环境效益的综合权重并计算各个子函数的满意度结果，最后根据满意度函数选择最优方案，能够为区域水资源的合理开发利用提供可靠的依据[11- 15]。因此，本文创新地将WEAP模型引入流域灌区水资源管理评价中，为区域合理利用水资源及最优灌溉方案的选择提供科学的评判标准。

基于该灌区供需水现状建立区域WEAP灌溉模型。首先，我们对区域需求端现状进行分析，认为主要存在两个分类，即农业用水需求与生态林地用水需求。根据模型基本理论，一个需求点的需水量是其所有底层分值的总需水量之和，即

S=k×m

(1)

式中，S—总需水量；k—总活动水平；m—用水定额(或实际需求量)。

基于上述需求计算方法，我们得出该灌区某年的需求端需水量与实际需水量的计算结果，如图1所示。由图1可知，根据定额计算所得到的该灌区需水量与实际需水量之间存在巨大差距，而这些差距是由灌溉技术落后、灌溉效率低下及地形环境等因素造成的。

图1 流域灌区需求端需水量与实际需水量

图2 流域灌区供水端供水量

进一步对该流域灌区的供水端进行分析，深入讨论地区供水资源能否满足区域需水要求，同样采用WEAP模型进行分析，得出在该年供水端的供水量，如图2所示。由图2可知，区域的供水端供水量能够满足区域需求端需水量，却不能满足实际供水需求量。由此可见，只有通过引入新型灌溉技术、采用有效的改善手段，才能合理提高区域的水资源利用率，满足区域农业与林业灌溉需求。

3 方案优选结果分析

由上述对区域现状的分析可知，适合区域的新型灌溉技术与县有关该技术的改良方法包括大畦改小畦技术、农艺节水灌溉技术、骨干工程改造的工程节水技术及田间高效节水工程技术。

WEAP模型对于灌区用水现状的分析是基于其需求端与供水端之间的相互关系进行考证的，因此，通过设置不同试验区进行对比，可以科学分析和探讨不同改良技术手段的节水效果。本研究通过在该灌区划分出A、B、C、D、E五个不同试验场地，严格限制场地环境、面积等因素，使实验环境相似。进一步对A、B、C、D四个场地分别采用不同改良技术手段，设置E场地为对比场地，进行近1年的监测试验。根据试验场地供、需水的监测结果，基于WEAP计算模型，分析各个改良技术方案的技术效果。由此，可以基于所建立的WEAP对不同方案下流域灌区水资源利用效率及结果进行分析与评价，优选出最佳灌溉技术方案。

通过在该流域灌区设置不同技术手段处理的试验片区，并以某一片区作为未采取任何改善手段的对照区域，得出采用不同技术手段后的区域水资源短缺情况，如图3所示。由图3可知，四种不同新型灌溉技术或改良技术均能够取得良好的改善效果，在该年的不同月份，各种技术均达到了提高水资源利用率、降低区域水资源短缺量的目的。进一步分析可知，田间高效节水工程技术在每个月的降低效果相近，其曲线走向形态与未采取任何技术手段区域的水资源短缺曲线相近；而大畦改小畦技术、农艺节水灌溉技术、骨干工程改造的工程节水技术则在1—4月节水效果明显，而在高需水时间段的改良效率比较差。这是由于高需水期间也是流域的丰水期，河流及相应水渠的水位更高，因此造成的水资源浪费几率与渗漏量更大。

图3 该流域灌区在采用不同技术后一年内区域水资源短缺情况

基于流域灌区在采用不同技术后一年内区域水资源短缺情况，得出在不同改善技术下流域年总水资源短缺量，如图4所示。由图4可知，在未采取任何改良技术手段的情况下，区域的总水资源短缺量高达116.9×106m3。采取不同的灌溉技术后，水资源短缺量均得到了一定的改善，其中，采用大畦改小畦技术后水资源短缺量为73.20×106m3，改良效果达37.38%；采用农艺节水灌溉技术后水资源短缺量为36.70×106m3，改良效果达68.61%；骨干工程改造的工程节水技术后水资源短缺量为33.60×106m3，改良效果达71.26%；采用田间高效节水工程技术后水资源短缺量为57.75×106m3，改良效果达50.60%。由此可见，采用骨干工程改造的节水技术与农艺节水灌溉技术能够取得良好的改良效果，大幅改善了区域的灌溉效率低下现状。

图4 不同改善技术下流域年总水资源短缺量

4 结论

本文依托某流域灌溉区节水灌溉改造工程，基于WEAP模型基本理论，深入分析了该流域灌区灌溉效率低下的主要原因及水资源短缺现状，并得出以下结论。

(1)该灌区供水端供水量能够满足需水段的需水要求，但灌溉效率低下导致水资源大量浪费，供水量无法满足实际需水量。

(2)适应区域条件的新型灌溉技术与改良技术主要有大畦改小畦技术、农艺节水灌溉技术、骨干工程改造的工程节水技术及田间高效节水工程技术，基于WEAP模型，得出区域最优改良技术方案为骨干工程改造的节水技术与农艺节水灌溉技术，改良效率分别高达68.61%与71.26%。