新疆节水灌区平原水库调度规则研究

夏力哈尔·俄坦

(新疆伊犁河流域开发建设管理局,新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

军塘湖河流域位于新疆维吾尔自治区呼图壁县西方25.1 km，从军塘湖河源头至红山水库全长47.1 km,总面积1218.2 km2。军塘湖河径流补水主要来自于山区地下水，地下水补给总量为3800万m3，可开采量为1900万m3，流域地表水多年平均可用总量为1656万m3，地表水多年平均来水总量为3065万m3。2017年军塘湖河流域总取水量达到4423万m3，其中地下水取水量为2681万m3，地表水取水量为1742 m3。2017年农业灌溉总用水量为3890万m3，其中地下水取水量为2425万m3，地表水取水量为1465 m3。军塘湖河流域红山水库灌溉供水范围主要包括小河村、红山村、联丰村和甘河子林场。2017年军塘湖河流域用水总量控制目标为4170万m3，地下水用水总量控制目标为2530万m3，地表水用水总量控制目标为1640万m3。在2017年军塘湖河流域总取水量超过用水总量控制目标253万m3[1-3]。

2 平原水库调度规则分析

2.1 平原水库管理现状

新疆地区建立的平原水库主要作用是灌区供水，水库调度方式多采用常规调度方式，调节时长以月为单位。分析得出新疆地区的平原水库在调度方面主要存在以下几点问题：一是重视计划管理轻视应变管理。新疆地区平原水库的调度管理通常按照往年资料，以典型年份作为水库管理的代表年，根据每年的计划用水量，进行相应调度计算，制定出当年的供水方案，然后按照供水方案计划供水。而在实际水库运行中，由于天气、产业结构、地质条件等综合因素影响，水库用水调度往往缺乏细致供水方案，一旦发生突发情况，应变不够及时，导致超计划用水现象频发，不能够合理配置水资源，过度开采地下水、地表水，对当地环境造成不利影响。二是重视工程管理轻视资源管理。平原水库在日常管理时比较重视水库建筑物及相关配套设施管理，但水库水资源的合理配置管理方面欠缺明显，致使水资源分配不合理，造成一定程度的水资源浪费[4-6]。

随着我国最严格水资源管理制度的实施，对灌区内地下水、地表水的开采利用提出了严格要求，这就要求平原水库的调度管理要摒弃传统管理方式，合理分配水资源，落实最严格水资源管理制度。

2.2 平原水库调度规则

2.2.1 平原水库调度管理思路

(1)地下水、地表水限额控制。为保证地下水及地表水水资源使用量在当年计划供水量内，丰水年、平水年、枯水年要有不同的供水措施。在丰水年，要充分利用地表水资源进行农业灌溉，储存地下水；在平水年，降雨量较多的月份，充分利用地表水灌溉，降雨量较少的月份，利用地下水灌溉；在枯水年，利用地下水进行灌溉。平原水库的供水原则是优先且充分利用地表水，地表水不足时用地下水进行补充，但地下水开采有相应峰值，开采量要在峰值范围内。同时还应该设置地下水的最小开采量，有效避免地表水超引现象。在平原水库进行调度管理时，应将调度管理划分成几个阶段，下一阶段调度管理工作在开展前要对上一季度作出总结，确定本季度的供水计划，保证水资源科学合理配置。

(2)水库水和地下水联合调度。新疆地区产业主要以农业为主，农业生产需水量较大，对水资源依赖性较强，随着新疆地区经济发展速度加快，水资源供需矛盾逐渐增加，节水灌溉成为有效缓解水资源供需矛盾的关键点。因此新疆地区应加强节水灌溉，平原水库调度管理方式也应发生转变，采用水库水和地下水联合调度的方式，充分利用水资源，实现水资源效益最大化。

2.2.2 平原水库调度管理规则

新疆平原水库的主要作用是农业灌溉供水，平原水库的库容由蓄水线和放水线两个部分组成，放水线下为破坏供水区，蓄水线和放水线之间为供水区，蓄水线和放水线不是一成不变的，所以供水量要根据蓄水量、来水量、调度目标等综合因素确定。新疆平原水库调度管理要综合考虑水库蓄放规则、蓄放时间、水资源蒸发渗漏损失等几个方面，具体来说平原水库调度管理要遵循以下几点要求：

(1)在供水区内水库调度原则是：判断某地区农业灌溉是否符合灌溉要求，符合灌溉要求的方能放水灌溉，且供水量是直接放至放水线产生水量与满足下游灌溉两者之间的最小值。

(2)为保证农业灌溉质量，平原水库蓄水、放水时段应以旬为单位进行。

(3)当旬水库蓄水量以上旬末的蓄水量为标准，上旬末时库存在哪片区域，应按照该区域调度要求进行蓄水、放水。水库旬初蓄水时，若来水将水库蓄满，则要将多余水资源弃掉。

(4)放水不按照供水区要求时，则当旬水库不再放水。

(5)当平原水库蒸发渗漏造成水资源损失较大时，在条件允许下旬末时水库库存不应太高。

3 工程实例分析

3.1 水库蓄水线、放水线制定

上文提到蓄水线和放水线要根据蓄水量、来水量、调度目标等综合确定，军塘湖河流域的来水资料来自当地水利局20年来水文资料，需水量主要根据灌溉供水范围现行的灌溉制度、农作物种植范围及种植比例综合考虑。平原水库调度管理目标是保证流域内水资源能科学合理利用，所以要综合考虑各种因素制定合理蓄水线和放水线。

3.1.1 目标函数

军塘湖河流域调度管理目标函数为长系列年均调度总缺水数量最少，这时如式(1)所示：

d3kjr+d4kjr

(1)

式中：dz为长系列调度后总缺水量，万m3；d1kjr、d2kjr、d3kjr、d4kjr分别为第k年第j月第r旬的小河村、红山村、联丰村、甘河子林场调度后缺水量，万m3；

3.1.2 约束条件

(1)旬初水库库存约束如式(2)：

(2)

式中：Wckjr为第k年第j月第r旬的旬初水量总库存，万m3；V兴为红山水库兴利库容，取909.93万m3。

(2)旬末水库库存约束如式(3)：

(3)

式中：Wmkjr为第k年第j月第r旬的旬末水量总库存，万m3；FFkjr为第k年第j月第r旬的天然来水量，万m3；V死为红山水库死库容，取181万m3。

(3)地下水量约束如式(4)：

dxs3kjr+dxs4kjr)≤1733

(4)

式中：dxs1kjr、dxs2kjr、dxs3kjr、dxs4kjr分别为第k年第j月第r旬的小河村、红山村、联丰村、甘河子林场地下水开采量，万m3。

(4)水库放水量约束如式(5)：

(5)

式中：fslkjr为第k年第j月第r旬的水库放水量，万m3；Rxsxkjr为第k年第j月第r旬的旬末限制库容，万m3。

3.1.3 目标函数求解

上述目标函数基于差分进化算法(DE)，运用Fortran语言编写计算程序求解，差分进化算法属于一种演化算法，具有容易实现、鲁棒性强、收敛迅速、结构简单等优点，主要用于求解连续变量的全局优化，算法的进化流程主要有变异、杂交及选择三种，通过这三种进化流程进行迭代计算，最后得到最优良个体，使目标函数结果向最优解接近。

对目标函数计算后得出以下结论：①各变量数值非负数；②按照当地对农业地下水控制要求，流域内地下水最大年总开发量为1733.00万m3，地下水最小年总开发量为1328.50万m3；③根据近几十年天气情况评估数据，每年水库库损比例为3%，折合到每旬水库水量损失是旬初总库存水量的3%。④按照上述目标函数优化测算出旬最大地下水开采量、旬最大地下水开采峰值、旬最小地下水开采量分别为130.34万m3、145.33万m3、55.87万m3。

3.1.4 水库每旬灌溉放水限制库容

利用目标函数将红山水库灌溉放水限制库容作为需要求解的未知变量，采用DE算法计算出红山水库每旬最佳放水灌溉限制库容结果见表1。按照表1计算结果进行水资源供给，可以有效保证水库长期运行时最少总缺水量。

表1 水库每旬最佳放水灌溉限制库容 万m3

3.2 灌区枯水年水量分配

按照新疆地区枯水年数据(保证率P>50%)，根据农业需水量及长系列目标函数求解出水库放水限制库容，进行水库调节计算得出灌区枯水年水量分配见表2。从表2数据可以看出红山村、联丰村、甘河子林场灌溉缺水量分别为48.9万m3、79.5万m3、60.3万m3，总灌溉缺水量为188.7万m3，这时地下水开采达到开采限额。

表2 流域枯水年灌溉区农业用水量分配 万m3

4 结 语

本文以新疆地区军塘湖河流域节水灌区红山水库为工程实例，通过对比平原水库进行调度分析，总结出以下结论：采用长系列来水运行方法建立目标函数确定水库的蓄水线及放水线具有较高准确率，方法简便可行，此方法能有效控制灌区农业灌溉地下水、地表水用量，在保证合理农业灌溉基础上使水资源效益最大化。