唐徕渠灌区“以供定需”供需平衡分析软件研发与应用

文/孙建军 苏笑曦 李宏伟

唐徕渠灌区概况

唐徕渠灌区位于宁夏青铜峡灌区中北部，是宁夏粮食主产区之一。灌区承担吴忠、银川、石嘴山3 市9 个县（市、区）和6个农垦农场公司120 万亩（1 亩=1/15hm2，下同）农田的灌溉供水，以及典农河、沙湖、大武口湿地等37 个湖泊湿地20 万亩面积的生态补水任务。干渠进口加大引水流量127m3/s，全长314km，年行水185 天左右，为宁夏经济社会发展及生态文明建设提供了可靠的水资源支撑。

唐徕渠供用水管理主要问题

灌区水资源及供用水特点

唐徕渠灌区地处干旱与半干旱气候过渡带，大陆性气候特征明显，具有干旱少雨、蒸发强烈、雨少风大等特点，多年平均年降水量180~220mm，蒸发量1000~1550mm。灌区水资源天然禀赋差，主要依靠过境黄河水，人均水资源可利用量（含黄河分配水量）仅为全国平均水平的1/3。2012 年至今，灌区强化引水量和供水量刚性约束，年引水量稳定在10 亿m3左右，供水量稳定在8 亿~9 亿m3，农业取用水量占灌区取水总量的88.2%，现状年取用水量已达到宁夏分配的年取水总量指标。

作物种植结构及用水特点

唐徕渠灌区种植结构以玉米、水稻、小麦为主，2021 年灌溉面积106.52 万亩，其中，玉米47.14 万亩，水稻24.45 万亩，春小麦5.86 万亩，蔬菜、葡萄、枸杞等作物29.07 万亩；灌溉方式多为大田漫灌，高效节水灌溉推进缓慢，仅占总面积12%。2021 年灌区农田灌溉水利用系数0.545，水资源利用效率低、用水集中、时段性供水矛盾突出。

灌区灌溉用水供需矛盾日益突出

①灌区受益单位水量指标分配不均，难以平衡上下游用水需求。

②第二农场渠灌溉引水量受限，引水量达不到农作物的用水需求。

③灌区梢段旱作物和中上游水稻间用水矛盾显现。

灌区“以供定需”供需平衡分析软件研发

基本原理

农业灌溉供需平衡分析包括：可供水量分析、灌溉需水分析、供需平衡分析。可供水量分析是根据来水过程及水源工程的供水能力、渠道供水能力，分析确定各种保证率相应的可供水量过程，即各时段的可供水量。灌溉需水分析是根据种植结构和灌溉制度，分析确定灌区各级渠道的灌溉需水流量过程及各时段灌溉需水量。供需平衡分析是逐时段分析渠首供水量是否满足灌区作物灌溉需求，对于不满足时段需求的，通过调整作物种植结构及灌溉制度，使两者匹配。灌区管理人员可根据分析所确定的各支渠对应的各作物灌溉制度和种植面积、逐时段可供水量和需水量、逐时段缺水量或余水量等结果，编制年度灌溉计划。

分析方法

根据灌区管理层级要求和渠系复杂程度，灌区“以供定需”供需平衡分析可以分层级进行，每一级的分析方法相同，上一级确定的年度配水计划作为下一级的供水过程。以青铜峡灌区三级管理供需平衡分析情况为例，见图1。

软件设计

“以供定需”供需平衡分析软件分为8 个模块：渠系及管理层级管理、作物及灌溉制度管理、渠系水利用系数管理、支渠种植结构管理、供水管理、灌水率分析、供需平衡分析、配水计划编制。

>图1 多层级供需平衡分析（以青铜峡灌区为例）

软件使用要做好以下3 个步骤的工作：

①基础数据维护：维护好灌区渠系、灌区管理组织架构及管理层级、作物及其灌溉制度、渠系水利用系数等基础数据；针对分析年份录入当年的种植结构，若支渠有生态补水功能，则同时还需要维护生态需水过程。

②供水和需水分析：根据分析目的不同，可供水量可采用对应某水文频率的供水过程、近4 年平均供水过程、某年的实际逐日供水过程、上级下达的年度配水计划。

③供需平衡分析调整：调整用水单元的灌溉制度和种植结构，使得所有用水单元的用水过程与供水过程尽量匹配。调整过程中，必须保证每个断面的配水流量不大于1.2 倍断面设计流量。

配水调度图自动生成

基于灌区渠系、量测水断面或测站、灌域或用水户的信息，系统能够自动配水调度，见图2。配水调度图可根据实际测站布置生成，还可以结合实际需要进行增加（例如行政区划断面），是对干渠、支干渠、支渠、配水断面及其关系的一种软件抽象，系统将基于配水调度图进行需水分析、供需平衡分析、配水计划编制等任务。

灌区“以供定需”供需平衡分析应用

以唐徕渠第二农场渠暖泉渠为例，分析“以供定需”供需平衡软件使用情况。

暖泉渠位于唐徕渠第二农场渠右岸，为唐徕渠灌区支干渠，渠道长度24km，最大引水流量6.0m3/s，年行水180天左右，灌溉面积5.28 万亩，主要作物为玉米、水稻、春小麦、饲草等。收集暖泉渠2017—2021 年共5 年进口逐日供水过程，作为分析案例的输入数据。在供水量及供水过程已确定的情况下，调整和优化各支渠的灌溉制度、种植结构，使需水与供水匹配。

暖泉渠“以供定需”供需平衡分析总体流程见图3。

结 语

>图2 配水调度图（以暖泉渠为例）

>图3 暖泉渠“以供定需”供需平衡分析流程

以供定需的水资源配置模式能够比较准确地确定区域的可供水量，从而为灌区用水过程和作物种植结构调整提供可靠依据，按照水资源的条件进行布局和规划，即“适水发展”，为推进现代化生态灌区建设，发展高效节水灌溉提供支撑，使灌区用水平稳有序发展。唐徕渠灌区“以供定需”供需平衡分析方法的研究及软件实现，较好地满足了灌区需配水管理工作流程化和规范化的需求，实现科学调配水量、水资源集约节约的目的。从灌区实践的综合效益来看，“以供定需”水资源多目标综合利用，可满足农业和生态对供水的需求，为灌区运行管理提供数据支撑，为农业生产提供灌溉技术支撑，为实现与灌区现代农业发展、保障粮食安全、推动生态文明建设等要求相适应的灌溉发展奠定基础。