山东省引黄灌区现代化建设技术集成与示范

王 昕，李慧丽，王 薇，朱 军

(山东省水利科学研究院，山东 济南250013)

大型灌区事关粮食安全、饮水安全和生态安全，是我国粮食生产和农业规模化经营的重要基地。山东省53个大型灌区，粮食产能占全省的53%，是山东省农业和农村经济增长的重要支撑，同时也是经济社会发展的重要基础设施。

山东省地处黄河最下游，当地水资源严重短缺，人均和亩均水资源占有量仅为全国平均占有量的1/6左右。黄河流经山东省9个市(地)、25个县(区)，是山东省主要的客水资源。山东省53处大型灌区中30处属于引黄灌区，沿黄现有引黄闸63座，设计引水能力2 424 m3/s，设计灌溉面积2 505万 hm2，由于黄河水资源供不应求，现有效灌溉面积仅为1 938万 hm2，约占全省总有效灌溉面积的40%。引黄灌区承担沿黄地区工农业生产和生活供水任务，已经成为沿黄地区国民经济的生命线。长期以来，引黄灌区普遍存在工程设备老化、管理粗放、技术落后等问题，造成水资源浪费严重，用水效率较低，有必要对引黄灌区现代化技术集成并示范推广，实现灌区向现代水利和可持续发展水利的转变。

1 示范灌区基本情况及存在问题

1.1 小开河引黄灌区基本情况

小开河引黄灌区地处山东省北部，黄河下游左岸，黄河三角洲腹地，纵贯滨州市中部。灌区自1993年开工建设，于1998年建成运行，涉及滨州市的滨城区、开发区、惠民县、阳信县、沾化县、无棣县6个县(区)，土地面积224.73万亩，设计灌溉面积110万亩。灌区干渠全长94.15 km，建成输沙渠及衬砌51.3 km，沉沙池4.16 km，输水渠38.69 km(其中衬砌24.4 km);支渠84条，配套建筑物163座，沿渠共有支渠进水闸44座，口门40座，灌区干支渠配套建筑物完善，为实施信息化测水量水技术提供了必要的建设基础。由于小开河坝后村庄密集，无沉沙条件，而灌区下游无棣境内有可供沉沙的大量盐碱荒地，因此沉沙池设在灌区的中下游，为水沙远距离调控技术及水资源优化配置研究创造条件。

1.2 灌区存在的问题

1.2.1 水资源供需矛盾突出，过度依赖引黄水，造成泥沙淤积、环境退化等问题

小开河灌区自建成以来年均引水近2.0亿m3，占灌区总用水量的85%以上，灌区对引黄水的依赖程度高。随着社会经济的不断发展，小开河灌区的水资源将面临严峻的挑战。首先，黄河水资源本身比较紧张，沿黄各地对黄河水资源的需求量都呈上升趋势。其次，本地地下水资源匮乏，灌区上游处于鲁北淡咸区，而下游处于鲁北滨海区，面临着地下水超采以及由此带来的咸水入侵等问题，地下水环境非常脆弱。第三，黄河下游含沙量大，长期引水带来的泥沙淤积，降低了工程使用寿命，泥沙的堆积也造成了灌区土地沙化、生态环境恶化等环境问题。

1.2.2 工程逐渐老化，末级渠系建设滞后、不配套

小开河引黄灌区自建成以来已运行10多年，存在工程老化、失修、有效灌溉面积衰减等问题，灌区突出问题是与骨干工程配套的末级渠系建设较为滞后，大部分灌区农民灌溉方式是以户为单位，采用移动泵提水灌溉，灌溉周期长，灌溉水利用效率低，导致整个灌区灌溉效益不高。

1.2.3 盐碱地分布广泛，容易引发次生盐碱灾害造成生态环境恶化

灌区地处黄河三角洲，地理位置、形成原因及气候条件造成盐碱地在灌区广泛分布。小开河灌区建成以后，大水漫灌使各类盐碱土壤的面积有了大幅度的下降，但是灌区土壤中的盐分并没有大量排出灌区外，只是进行了土体剖面或区域间的再分配，一旦用水不科学、排水不畅，造成地下水位升高，土壤次生盐碱化很容易发生。

1.2.4 灌区信息化建设缺少统一规划、标准，缺乏资金支持

小开河灌区结合续建配套节水改造项目的实施开展了信息化建设工作，但总体来讲，灌区信息采集点少，无法对用水户的用水量进行实时监控;观测手段也相对落后，大部分仍是采用简单的、经验的方法进行观测，测量精度较低;信息传输手段比较单一，时效性差，难以满足实时调水的需求;重硬件、轻软件，不但使得硬件不能充分发挥效力;灌区管理人员技术水平低，使得建成的信息系统使用难、管理维护更难，无法充分发挥已建系统的作用。

2 引黄灌区现代化建设技术集成

针对灌区存在问题，从水资源可持续开发利用为出发点，以灌排工程技术为保证，灌区信息的自动(人工)采集为基础，三维虚拟技术为支撑，结合灌区水量计量、工程监控、水资源配置等具体需求，集成多目标水资源优化配置、灌排系统工程技术和信息化综合管理等三方面现代化建设先进技术。

2.1 多目标水资源优化配置

针对引黄灌区存在水资源供需矛盾、泥沙长距离输送以及地下水环境保护三大现实问题，以灌区效益最大为目标建立水量模型，以减少高含沙引水量为目标建立水沙模型，以地下水合理埋深为目标建立地下水位控制模型，经济效益通过水量模型考虑，环境效益则在水沙和地下水位控制模型中体现。

2.1.1 水量模型

考虑水资源配置效益，以引黄水、地表水及地下水在各区各行业内的最佳经济分配效果为目标，限制条件为引黄水总量约束、地表水及有效降雨量约束、灌溉用水约束、工业用水约束、生活用水约束等。

以月为单位，以经济效益最大为考量，则目标函数为:

式中:Wri，j，k为 k 时段 i子区 j行业地表水用水量;Wgi，j，k为 k时段i子区 j行业地下水用水量;Wdi，j，k为 k时段i子区 j行业引黄水用水量;αi，j为 i子区 j行业引黄水利用净效益;βi，j为 i子区 j行业地表水利用净效益;γi，j为 i子区 j行业地下水利用净效益。

2.1.2 水沙模型

按照黄河不同时段含沙量的实际情况，将低含沙量期间的引水总量与高含沙量期间的引水总量的差值作为控制目标，所以其形式为:

式中:π为调节系数;Π为上游区域集;Ω为指标集，表示黄河含沙量小的月份。

2.1.3 地下水位控制模型

根据《滨州市地下水超采区成果报告》，滨城区、惠民处于地下水开采漏斗区，该报告认为小开河灌区较为合理的埋深范围是3～6 m。从目前地下水位观测资料看，灌区的地下水埋深大部分不到3 m，因此本模型将上限的3 m处理为模型的目标，即越接近3 m越合理。

式中:msi，k为i区域k时段的地下水埋深

2.1.4 模型求解与配置结果分析

采用分层序列法，首先将水量模型作为第一级模型，求解经济效益最大化的方案，然后将最优解放宽，作为第一级的控制目标，以约束条件的形式嵌入第二级水沙模型，求得水量-水沙最优控制方案，再放宽此最优解作为第二级的控制目标，连同第一级的控制目标一起嵌入水量-水沙-地下水位控制模型，以此实现三级模型的耦合，最终确定综合考虑经济效益、泥沙和地下水位三方面问题的水资源优化调度方案。

经过水量、水沙、地下水位控制模型的逐步优化，虽然经济效益有所下降，但最后效益仍保持在最优值的90%以上，高含沙水占总引水的比例降低2%，地下水位目标则提高40%以上。

小开河灌区共划分为滨城区、开发区、惠民县、阳信县、沾化县、无棣县6个用水户，多目标水资源优化配置方案可以使各县区的生活用水保证率达到95%以上，而工业用水则达到了100%的保证率，农业用水在75%水文年也达到了60%的保证率。

2.2 灌排系统工程技术

灌区农业综合生产能力的标志是“旱涝保收”，只有“引得进、排得出、灌得上、降得下”，才能满足提高农业综合生产能力和农民增收的要求。山东引黄灌区大多灌排一体，多年灌排水量资料分析表明，灌排比基本一致，多灌则多排，少灌则少排。因此，在灌区大力发展节水灌溉技术减少引水量，不仅节约水资源，而且直接减少排水，相当于增加了排水效益。

2.2.1 节水灌溉技术

针对小开河灌区以粮食作物为主、灌溉管理较为粗放的特点，节水灌溉形式以渠道防渗衬砌技术和管道输水灌溉技术为主。由于引黄灌区干、支渠多为自流明渠，适合采用渠道防渗衬砌技术，主要以梯形、矩形断面形式为主，利用混凝土、砌石、水泥土等材料实施。

灌区的末级渠道因无法自流到田间，节水灌溉形式多采用管道输水灌溉技术。在灌区的宜井区大力推广“机井+无井房+射频卡计量+PVC管道+给水栓”的低压管道输水灌溉技术，配套窄短畦田，进行地面精准灌溉。低压管灌系统采用输配水两级PVC固定管道为宜，单井出水量多在30 m3/h左右，控制面积50～90亩，灌水定额在40～50 m3/亩，畦宽1.55 m、畦长40 m左右;在非宜井区采用“泵站+恒压变频+PVC管道+给水栓”规模化管道输水灌溉技术，灌系统采用输配水三-四级 PVC固定管道，控制面积1000～3 000亩，畦宽3.5～4 m，畦长100～140 m。

2.2.2 暗管排水盐碱地改良技术

小开河灌区位于黄河三角洲，是山东省典型的盐碱地，如果用水不当很容易引起土壤次生盐渍化。灌区内盐碱土壤的分布状况是从渠首向下游逐渐增加的趋势，大面积的盐碱土壤集中分布在下游的无棣和沾化两个县，上中游阳信等地也有部分盐碱土壤，一般零星分布且不连片。

小开河灌区以砂壤土为主，由于沟坡易坍塌等问题，明沟排水改碱效果差，灌区地下水埋深较浅，大部分在1.0～3.2 m，盐碱地改良适合采用暗管排水技术。

暗管排水盐碱地改良技术采用波纹塑料管为排水材料，暗管的埋深计算公式:

式中:hq为暗管埋设深度;ht为作物要求的地下水埋深，由主要作物根系活动层0.5 m，砂壤土毛管水强烈上升高度为1.2 m左右，确定临界水深1.7 m;Ht为滞留水头，取0.2 m;h'为暗管中水深，取0.1 m。

由式4可知灌区暗管埋深hq≥2.0 m。

暗管埋设间距利用优化模型进行分析，以单位面积投资最小为优化准则，

式中:Z为单位面积上的投资，元/亩;C为暗管及滤料的单价，元/m;D为土方单价，元/m3;b为埋管时开挖沟宽，m;h为埋深，m;B为间距，m。

根据灌区地下水降落速度、排水排盐量、土体脱盐、盐班面积缩小的变化，综合分析认为暗管埋设2.0～2.3 m、间距70～90 m的排水改碱效果较好。春季能使浅层地下水位7～9 d降到临界深度以下，排水量占灌水量的20%以上。

2.3 信息化综合管理平台开发

针对大型灌区具有工程的分散性、水资源的有限性、水情雨情的变化性、农作物需水的实效性、灌溉供水的动态性等方面的特点，导致灌区水管理工作的复杂性，而且目前大型灌区工程老化和水资源浪费严重、用水效率较低，管理粗放，技术落后，对灌区进行信息化建设十分必要。

灌区信息化建设涉及到计算机技术、传感器技术、网络技术、三维仿真技术、数据库技术等多项技术，通过对各项技术的集成，实现信息的采集、传输、存储和处理等。系统平台以开放式协议语言为基础，采用面向对象(OOP)和图形化的可编程技术，具有较强的兼容性和可扩展性;运行环境采用微软的故障转移和均衡负载群集技术，保证了平台运行的安全性、稳定性以及数据处理的高效性;通过整合不同公司、不同语言开发的监控系统，实现监控类型多样化和多种监控设备及数据的集中管理。系统平台具备开放的业务接口，只需在平台上增加相应软件模块和接口，即可实现对各种新业务的监控和管理。

小开河灌区沿干渠建设自动实时信息采集点41处，其中缆车测流2处，电磁流量计1处，多普勒测流4处，超声波水位计9处，视频监控18处，闸门自控2处，地下水位观测2处，雨量(含墒情)2处，自动气象站1处。以渠道水位、渠道流量、视频、土壤墒情、气象信息、自控信息自动采集为基础，以公共通信网络为依托，以地理信息系统(GⅠS)为框架，结合先进的三维虚拟仿真技术，针对灌区水量计量、水资源配置、工程监控等具体需求，形成网络化、智能化的现代化灌区信息管理平台。

3 结语

针对引黄灌区水资源供需矛盾突出、部分区域土壤盐碱化和泥沙长距离输送三大问题以及灌区现代化建设先进技术集成的现实需求，建立了水资源优化配置多目标数学模型，采用分层序列法进行模型耦合优化，提出了多用户的水资源优化配置方案;集成了渠道防渗衬砌与管道输水两项节水灌溉技术，开发了暗管排水盐碱地改良技术;建立了基于公共通信网络的气象、墒情、水位、流量等信息自动采集系统，建立了基于三维虚拟仿真技术的灌区信息化综合管理平台。多目标水资源优化配置、灌排系统工程技术以及信息化综合管理平台等多项技术的集成为现代化灌区建设提供了强有力的技术支撑，提高了灌溉水利用率，实现科学调配水量，提升了灌区管理水平，降低了灌区管理成本，创新灌区工程管理模式，为灌区现代化建设提供模板。

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