双牌水库灌区种植结构变化对水资源优化配置的影响分析

摘 要 水是支撑社会、经济、生态可持续发展的基础性资源。面对当前人口持续增长与水资源供需矛盾，贯彻新发展理念，优化各部门用水结构，改变人们的生产生活方式，是解决水资源短缺问题的根本出路。以湖南省永州市双牌水库灌区为例，建立多目标灌区用水优化配置模型，研究作物种植结构变化对灌区水资源优化配置的影响。结果显示，种植结构调整后，全灌区缺水率从9.83%降低至5.52%，在满足生活用水的前提下，生态、工业、农业都能得到基本用水保障，在很大程度上缓解了灌区用水紧张程度。

关键词 灌区;水资源配置;多目标优化;种植结构;湖南省永州市双牌水库灌区

中图分类号：S274 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.13.057

水资源是经济社会发展的重要物质基础。随着人口数量的急剧增长和城市现代化的快速发展，水资源的供需不平衡矛盾日益突出。近年来，中央和地方政府高度重视水资源利用问题，针对水资源集约安全利用作出一系列指示批示，明确提出要提升水资源优化配置能力，提高水资源利用效率。湖南省永州市双牌水库灌区（以下简称灌区）是我国重要的农业生产基地，也是一个极其复杂的用水系统，环境变化对灌区水循环及水资源分配影响较大，解决灌区有限水资源的分配问题，对保障粮食丰收和重要农产品稳定供应意义重大。目前，我国大多数灌区存在其他行业用水挤占农业用水，农业用水方式粗放、效率不高等问题，加剧了水资源供需矛盾。因此，研究种植结构调整对灌区水资源配置的影响，对提高水资源有效利用率，促进经济社会高质量发展十分必要。

1  灌区水资源配置研究进展

灌区合理分配用水是实现有限水资源合理开发和高效利用的基础。当前，国内外学者开展了大量研究工作，大多基于水资源系统分析手段和合理配置目的[1]。如SHAFER等提出水资源系统模拟框架下的水资源配置和管理[2];WONG等基于地表-地下水联合调度的多目标多阶段优化管理的原理和方法，研究多水源在需水预测中的联合调度[3];杨明智等以综合效益最优为目标，建立水资源多目标优化配置模型[4-7];赵金淼等基于遥感数据的不确定性分析研究农业水资源优化配置问题[8];杜丽娟基于实数编码多种群遗传算法，求解多目标优化配置模型[9]。

虽然学者对水资源优化配置理论和方法研究成果颇多，但是考虑环境变化影响的研究较少，而环境变化是影响灌区水循环演变规律及水资源优化配置的主要因素之一。因此，在前人研究成果的基础上，以双牌水库灌区为例，建立多目标优化配置模型，分析种植结构变化对灌区水资源配置的影响，对促进灌区水资源高效利用及提高规划管理水平具有重要的意義。

2  灌区水资源优化配置模型

灌区是一个复杂的用水系统，涉及多水源、多用户，灌区水资源优化配置不是追求单一目标效益最优，而是追求综合效益最佳的多目标优化问题。本文在简化灌区用水结构的基础上，建立水资源优化配置模型，其综合目标函数为：

[FX=maxf1X，f2X]   （1）

式（1）中：X为决策变量，X=Xijk，i=1，2，j=1，2，3，4，k=1，2，3，4;f1（X）、f2（X）分别为灌区用水部门之间水量优化和经济效益子目标函数。

1）灌区用水部门之间水量优化目标函数f1（X）以灌区各用水部门总缺水量最小为目标，函数表达式为：

[f1X=mink=1Kj=1J（k）Qkj-i=1I（k）Xkij]  （2）

式（2）中：Qjk为k子区j用水部门的需水量，万m3;Xijk为第i个水源对第k个区域第j个用水部门的供水量，万m3。

2）经济效益目标函数f2（X）以灌区综合效益最大为目标，函数表达式为：

[f2（X）=maxk=1Kj=1J（k）i=1I（k）bkij-ckij?Xkij?wk?αki?βkj]    （3）

式（3）中：bijk为第i个水源对第k个分区第j个用水户单位供水量产生的供水效益系数，元·m-3;cijk为第i个水源对第k个分区第j个用水户单位供水量产生的供水费用系数，元·m-3;Xijk为第i个水源对第k个分区第j个用水户的供水量，m3;wk为第k个分区的权重系数值;αik为k子区水源i供水次序系数;βjk为k子区j用水部门的用水公平系数。

3  实例分析

3.1  研究区概况

双牌水库灌区位于湖南省湘江中上游一级支流潇水下游右岸，设计灌溉面积2.13万hm2，灌面涉及双牌县、零陵区、冷水滩区和祁阳市等4个县（市、区）。主要供水水源来自双牌水库和其他基础水利设施。双牌水库总库容6.9亿m3，有效库容2.43亿m3，多年平均降水量1 539 mm，多年平均入库流量294.6 m3·s-1，多年平均径流量94.6亿m3，灌区多年平均产生模数为89.3万m3·km-2。根据双牌水库历年实测入库流量资料分析，灌区90%保证率下全年来水量为63.03亿m3，灌溉期（4—10月）的来水量为52.81亿m3。

3.2  供需预测分析

以2015年为基准年，预测2030年双牌水库灌区水资源优化配置。

3.2.1  可供水量分析

双牌水库灌区的水资源可利用量主要考虑水库供水和灌区内基础水利设施供水。根据双牌水库1985—2008年向灌区供水的历史资料，预测2030年双牌水库供水量为15 216.2万m3，基础水利设施按多年平均供水量为9 365.5万m3分析[10]。

3.2.2  需水量预测

需水量预测主要考虑生活需水量、农业需水量（农田灌溉需水和禽畜养殖需水）、工业需水量和生态环境需水量，在90%保证率条件下的预测结果如表1所示。

3.3  作物种植结构优化

作物种植结构优化以灌区农业经济效益Z最大为目标，函数表达式为：

[Z=maxi=1npiyi-Ci-qici?Ai]  （4）

式（4）中：pi为研究区种植某作物的平均单位产量，kg/667 m2;yi为研究区种植某种作物的市场单位价格，元·kg-1;Ci为研究区种植某种作物的平均投入成本，元/667 m2;qi为种植某种作物的灌溉用水定额，m3/667 m2，参照湖南省《用水定额》（DB43/T 388—2020）执行;ci为种植某种作物的供水费用系数，元·m-3;Ai为不同作物种植面积，hm2。

根据《湖南统计年鉴2015》及社会调查，假设2030年双牌水库灌区总种植面积为1.92万hm2，根据市场经济的规律与资源配置原则，优化灌区作物种植结构及作物种植面积（见表2）。主要调整项为由传统的种植早、晚两季稻调整为种植一季稻，增加果蔬和饲草的种植面积，加大畜牧养殖，复种系数为1.845。

3.4  计算结果

水资源优化配置模型求解研究较多，主要分为传统优化算法和智能优化算法。本文建立的双牌水库灌区优化配置模型涉及目标函数、决策变量和约束条件较多，拟采用基于迭代原理的遗传算法求解模型。双排水库灌区调整种植结构后，灌区水资源优化配置结果如表3所示。

4  结论

1）根据现状预测2030年双牌水库灌区可利用水资源量为24 581.7万m3，实际需水量为27 260.9万m3，总缺水量为2 679.2万m3;调整种植结构后全灌区总需水量为26 017.6万m3，总缺水量为1 435.9万m3。

2）在调整作物种植结构后，全灌区缺水率从9.83%降低至5.52%，其中农业用水缺水率为9.07%，工业用水缺水率为4.64%。灌区供水基本满足灌区生活、工业、生态和农业等各部门的需水要求（生活用水、工业用水、生态用水保证率在95%以上，农业用水保证率在90%以上）。

3）双牌水库灌区种植结构的调整，优化了灌区水资源配置，提高了灌区水资源利用效率。其中农业用水是重要的用水部分，占总用水量的50%以上，建议下一步继续深化节水改造，降低渠道漏损，推广微灌、喷灌、滴灌等灌溉方式。

参考文献：

[1] 李家庆.都江堰灌区水资源优化配置研究[D].成都：西华大学，2021.

[2] Shafer J M， Labadie J W. Synthesis and calibration of a river basin water management model[R]. Colorado State： Colorado State University， 1978.

[3] WONG H S， SUN N Z， Yeh W W G. Optimization of conjunctive use of surface water and groundwater with water quality constraints[C]//Aesthetics in the Constructed Environments. New York：American Society of Civil Engineers， 1997： 408-413.

[4] 杨明智，薛联青，郑刚，等.基于WEAP的叶尔羌河流域水资源优化配置研究[J].河海大学学报（自然科学版），2013，41（6）：493-499.

[5] 刘博，崔远来，尹杰杰，等.基于DP-PSO算法的灌区农业水资源优化配置[J].节水灌溉，2016（8）：117-121.

[6] 何国华，解建仓，汪妮，等.基于模拟退火遗传算法的水资源优化配置研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2016，44（6）：196-202.

[7] 姚斌，何新林，韓志全，等.玛纳斯河灌区作物结构与水资源优化配置研究[J].人民长江，2010，41（14）：44-47.

[8] 赵金淼，佟玲，岳琼，等.基于遥感数据的不确定性的农业水资源优化配置研究：以漳河灌区为例[J].中国农业大学学报，2022，27（4）：244-255.

[9] 杜丽娟.基于改进遗传算法的区域水资源优化配置[J].水利科技与经济，2019，25（11）：9-13.

[10] 袁汉明.变化环境下双牌水库灌区水资源配置优化研究[D].长沙：长沙理工大学，2018.

收稿日期：2022-04-21

作者简介：袁汉明（1993—），男，甘肃陇南人，硕士，研究方向为水资源规划与管理。E-mail：825078091@qq.com。