基于地下水最小开采量的典型干旱地区农业配水方案研究——以吐鲁番市二塘沟流域为例

屈吉鸿, 严天岗, 李道西, 郭威, 李彦彬

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450046; 2.黄河流域水资源高效利用省部共建协同创新中心,河南 郑州 450046)

干旱地区的地下水承载着极其重要的生态功能,是维持生态环境良性发展的关键要素。通过地表水和地下水的统一管理和联合调配,合理分配干旱地区的农业灌溉用水,是控制耗水量、减少地下水开采、恢复地下水位、实现生态环境改善的重要措施。目前,水资源配置研究成果较多,配置目标由单目标发展到多目标[1];水源及用水户由单水源、单用水户发展到多水源、多用水户[2-3];配置内容由单纯的水量配置发展到水量、水质统一调配[4];配置技术由数学规划技术发展到数学规划、模拟优化、人工智能、空间技术等的综合应用[5-6]。随着对地下水可持续开发利用理念接受程度的提高,在区域水资源均衡配置中学者们越来越关注地下水的超采、限采问题。FARHADI S等[7]采用基于Agent的Nash模型框架来寻求伊朗DaRyan含水层的地下水可持续利用方案,并利用NSGA-II模型计算了地下水最优开采量。冯宝平等[8]建立了灌溉水源两阶段优化配置模型,通过调整济南泉域补给区灌溉用水结构,有效减少了地下水开采量。闫腾等[9]为实现地下水压采目标,利用基于节水贡献率和替代水源贡献率的水资源配置模型,建立了郑州市节水、增供与地下水压采量之间的水源置换关系。张运凤等[10]基于最严格水资源管理制度,建立了水资源优化配置模型,解决了大功灌区引黄水、当地地表水、地下水及南水北调外调水等水资源合理利用问题。LIU Junqiu等[11]建立了一种基于地下水开采量与地下水位双控的模型,通过将水资源配置结果应用到地下水数值模型中来预测水位变化,进而反馈到地下水开采。李丽琴等[12]建立了考虑地下水循环与生态系统演变响应关系的塔里木河流域水资源多维均衡配置模型,优选了流域水资源配置方案。尽管水资源配置研究成果较多,但针对以地下水开采量控制为目的的水资源配置研究较少,而且多数的水资源优化配置常以经济效益和环境效益为配置原则和目标[13],社会效益考虑较少,使得配置方案偏离区域水资源开发利用实际,方案的实施性较差。本文以吐鲁番市二塘沟流域为研究区,从地下水资源保护的角度,建立了基于地下水最小开采量的农业用水配置模型,提出的配置方案在最大限度利用地表水的同时,减少了地下水开采量,有效保护了流域地下水资源和绿洲生态系统。

1 研究区概况

吐鲁番市位于天山博格达峰南麓,地处新疆维吾尔自治区中部偏东。由于地处亚洲腹地,地势低洼,吐鲁番市形成了极端干旱的温带内陆型荒漠气候,多年平均降水量16.4 mm,多年平均蒸发量3 000 mm以上。该地区为典型的干旱绿洲灌溉农业区,农业生产完全依赖于灌溉。耕地的不断扩张导致区域水资源危机日益凸显。吐鲁番市水资源开发率为122%,远超国际公认的合理极限值,其中地表水开发率为54%,地下水开采率为151%。过量抽取地下水灌溉已引发地下水位大幅下降、绿洲生态系统恶化、坎儿井供水系统干涸等问题。二塘沟流域地处吐鲁番市鄯善县,为一个近乎封闭的小流域,气候极端干旱、降水稀少;流域的产水区与水资源消耗区完全分离;农业用水和生活用水的主要水源为地下水与坎儿井水,灌溉方式以沟渠灌为主,水资源利用效率较低,同时农田灌溉面积盲目扩大,导致地下水超采严重;流域内灌区涉及鄯善县的连木沁镇、鲁克沁镇、吐峪沟乡、迪坎乡、达浪坎乡共5个乡镇39个用水协会。

2 数据与方法

2.1 优化配水原则与配置网络节点

2.1.1 优化配水原则

根据研究区气候、水资源及其开发利用的特点,水资源配置除体现效益、公平等原则外,还考虑了农业用水实际和用水历史。农业用水优化配置遵循的原则为:①优先保证责任田用水;②尊重用水实际,保证渠系完好且离水库或河流较近者优先配水;③尊重用水历史,保证责任田最小灌水要求;④优先利用地表水资源,保护地下水资源。

2.1.2 水资源配置网络节点

根据二塘沟流域供水水源的特点、农业灌溉用水需求以及现有水利工程情况,将流域水资源系统概化为1个地表水源、5个地下水源、39个用水协会,研究区水资源配置网络节点如图1所示。

图1 研究区水资源配置网络节点示意图

2.2 优化配置模型

2.2.1 目标函数

根据以上配置原则,以农田灌溉地下水开采量最小(即地表水缺水量最小)为目标,建立流域农业用水优化配置模型。其目标函数为:

(1)

2.2.2 约束条件

1)水库水量平衡约束。二塘沟水库为流域控制性水库,根据水库实际用水、耗水和特征库容情况,水库水量平衡约束考虑水库渗漏、蒸发和其他行业用水情况,其表示为:

(2)

St=(Vt+Vt-1)/200；

(3)

(4)

2)需水量约束。责任田和非责任田的灌溉需水量分别满足如下约束:

(5)

(6)

3)渠道输水能力约束。渠道的输水能力满足:

(7)

4)各乡镇最小供水量约束。为尊重各用水协会的用水历史,以各乡镇责任田的最小供水量为约束,反映历史用水情况。约束条件为：

(8)

式中Mi,t为第i用水协会第t时段责任田的最小供水量,m3。

5)流域调水用水约束。当流域存在外调水源时,调水点以上用水协会的用水存在如下约束:

(9)

2.3 模型主要参数

2.3.1 农田灌溉需水量

流域典型作物有大棚蔬菜、棉花或瓜套棉、葡萄,以及果园等。为降低农田灌溉面积盲目扩大导致的水资源供需失衡,2015—2030年流域农业种植面积逐步施行退耕,不同作物逐年的种植面积如图2所示。根据农作物灌溉调查资料、吐鲁番地区水科所试验站的灌溉制度试验成果，确定各典型作物的灌水次数、灌水定额、灌水时间等。通过计算,流域2015—2030年责任田和非责任田的需水量如图3所示。由图3可知:责任田需水量基本稳定,而非责任田需水量逐年减少,至2030年其需水量为零。

图2 不同作物逐年种植面积

图3 农田灌溉需水量过程线

2.3.2 水库参数

水库参数包括水库的蒸发量、渗漏量、工业取用水量以及库容约束等。其中,工业取用水量为159.31万m3/月;水库蒸发量由统计资料计算得到,其逐月蒸发量见表1;水库渗漏损失量按月平均库容的1%计；水库最小库容和最大库容分别采用死水位和正常蓄水位对应的库容,分别为209万、2 096万m3。水库逐旬的工业取用水量、蒸发量、渗漏量分别取其月水量的1/3。不同水文年水库的逐月径流量见表2,旬径流量取月径流量的1/3。

表1 水库逐月蒸发量 万m3

表2 不同水文年水库的逐月径流量 万m3

2.3.3 渠道输水能力及灌溉水利用系数

根据《鄯善县农业节水灌溉规划》等资料，研究区不同乡镇的渠道输水能力及灌溉水利用系数见表3。

表3 不同用水协会的渠道输水能力及灌溉水利用系数

2.3.4 最小灌水量

配置模型中的最小灌溉水量取为近几年39个用水协会的逐月地表水灌溉最小供水量。限于篇幅,仅列出汉敦坎村、洋海村、木卡姆村、百什塔木村、卡孜库里村5个用水协会的逐月最小灌溉水量数据,详见表4。

表4 最小灌水量 万m3

2.4 模型求解

根据模型目标函数和约束条件的特点,农业用水配置模型采用线性规划模型。考虑到模型中的变量(3 142个)和约束条件(2 783个)较多,因此采用Lingo软件建立并求解该配置模型。

3 配置结果分析

根据2015年研究区灌溉可供水量、各用水协会灌溉需水量以及渠道输水配水能力、最小灌水量等约束条件,利用水资源优化配置模型，计算得到研究区不同水文年(20%、50%、75%、95%和多年平均)的农业用水配置方案。由于连木沁镇离二塘沟水库较近,灌溉水利用系数较高,在保证各用水协会最小灌溉水量的前提下,优先向连木沁镇10个用水协会配水,相对其他乡镇的用水协会，其缺水时段较少。以连木沁镇汉敦坎村为例,其责任田需水量及地表水配水量过程如图4(a)所示。由图4(a)可知：除10月中旬(50%水文年)、6月下旬(75%水文年)、8月中旬、8月下旬、9月上旬、9月下旬、10月上旬以及10月中旬(95%水文年)缺水外,其他时段均不缺水。经计算，连木沁镇全镇多年平均和20%水文年不缺水,50%、75%和95%水文年下的缺水量分别为324.63万、261.20万和1 196.37万m3,缺水比例分别为7.33%、5.90%和27.00%。

相对于连木沁镇,吐峪沟乡离水库相对较远,其供水优先顺序低于连木沁镇的,因此吐峪沟乡8个用水协会的缺水时段增加。如洋海村多年平均和50%水文年下的缺水时段为4月、5月、8月下旬、9月上旬、9月下旬、10月上旬和10月中旬；20%水文年下的缺水时段为4月、5月和10月中旬；75%水文年下的缺水时段为4月、5月、6月、7月上旬、7月下旬、9月上旬、9月下旬、10月上旬和10月中旬；95%水文年下的缺水时段为5月、6月、7月、8月、9月上旬、9月下旬、10月上旬和10月中旬(图4(b))。经计算,吐峪沟乡多年平均、20%、50%、75%和95%水文年下的缺水量分别为1 720.73万、1 140.70万、1 671.32万、2 727.12万和3 142.50万m3,缺水比例分别为42.22%、27.99%、41.01%、66.91%和77.10%。

鲁克沁镇和达浪坎乡离二塘沟水库的距离更远,灌溉水利用系数进一步降低,其地表水供水量不能满足灌溉需水量的时段增加,如木卡姆村(图4(c))和百什塔木村(图4(d)),除20%水文年下的缺水时段较少、缺水量较小外,其他水文年下的缺水时段较多。由于迪坎乡为井灌区,所以其地表水配水量均为零,如卡孜库里村(图4(e))。

二塘沟流域责任田20%、50%、75%、95%和多年平均水文年的灌溉需水量和地表水配水量过程如图4(f)所示。由图4(f)可知：在水库供水规则一致的前提下,随着二塘沟水库来水量增加,可供配水量增加;配水量过程线与需水量过程线基本一致,部分时段配水量不足，其主要原因为水库来水量较小;不同水文年均存在一定程度的缺水。而非责任田地表水净配水量均为零,主要原因为地表水配水模型考虑优先保证责任田灌溉,在责任田缺水的前提下,非责任田不配水。

图4 2015年责任田需水量及地表水配水量过程线

在不同水文年条件下研究区2016—2030年的责任田农业用水优化配置结果见表5,其中2016年、2020年、2025年、2030年责任田的逐月地表水配水量如图5所示。

由表5可知,2015—2030年责任田灌溉需水量和地表水供水量变化均较为平稳,年变化幅度较小,但受水库来水的影响,不同水文年的地表水供水量存在较大差异,多年平均、20%水文年、50%水文年、75%水文年、95%水文年的供水量分别为26 406.03万、7 549.62万、8 955.23万、7 352.39万、6 284.61万、4 938.08万m3，灌溉缺水比例分别为71.40%、66.10%、72.20%、76.20%、81.30%，在不同水文年，仅靠地表水源不能满足责任田灌溉用水需求,尚需开采部分地下水。

由图5可知,不同水文年的农业用水配置方案尊重了各用水协会的用水历史,保证了责任田最小灌溉水量需求。由于配水原则以及水库来水量、最小灌水量等约束条件相同,在责任田需水量变化较小的情况下,2016—2030年研究区农业用水配置方案与2015年的基本一致,地表水时空配置特点相同。

表5 二塘沟流域地表水供水量 万m3

图5 二塘沟流域责任田最小灌水量及地表水配水量过程线

4 结语

根据吐鲁番市二塘沟流域气候、水资源和农业用水特点,建立了以地下水开采量最小为目标的农业用水优化配置模型,采用Lingo软件求解了该模型,提出了2015—2030年农业用水配置方案,得出以下结论：

1)灌溉条件好、用水效率高的用水协会缺水量小、缺水时间短,保证了责任田最小用水需求。

2)由于流域水资源短缺,不同水文年均存在一定程度的缺水,需要严格控制农田灌溉面积。

3)配置方案提高了流域地表水利用效率,减少了地下水开采，实现了优先利用地表水、保护地下水资源和绿洲生态系统的目的。