基于系统动力学方法的灌区库塘水资源系统模拟模型研究

贾程程，张礼兵,，熊珊珊，张展羽，金菊良

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院, 合肥 230009 ; 2.河海大学 水利水电学院, 南京 210098)

0 引 言

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，随着经济和社会快速发展，水资源短缺已经成为了当今世界普遍关注的问题。实现生态环境、农业、社会经济可持续发展的一条重要途径就是优化调配以及合理开发利用水资源[1]。灌区是人们开发利用水资源的重要载体，然而由于气候变化、城市化进程加快以及管理落后等自然或人为条件的影响，我国大部分灌区系统存在着水资源丰枯不均，农业灌溉保证率难以达到设计标准的问题。提高灌区水资源利用效率、保障粮食安全的重要途径就是要合理配置灌区水资源，同时也是实现灌区水资源可持续发展的重要措施[2]。灌区水资源系统是农田水利工程的拓展与延伸，发展到今天它已成为一个多阶段、多层次、多目标、多属性和多功能的复杂系统，其决策不仅需要了解气候、水量、水质、土壤、盐碱等要素的自然变化规律，同时更需要掌握各要素的变化可能对社会、经济、生态、环境等系统产生的各种影响[3]。灌区水资源系统作为水资源系统工程的重要组成，其配置理论与后者几乎同步发展，从初期的基于供、需单方面限制的优化配置，发展到基于经济最优、效率最高的系统优化配置[4]，以至现代的基于资源、社会经济、生态环境统筹考虑的大系统协调优化配置理论[5-9]。将水资源优化配置理论应用到实际工作中需要具有操作性的技术方法，因此水资源优化配置的实现技术、方法以及相关模型研究一直以来都是国内外学界研究的重点和热点。

20世纪90年代中期以前，灌区水资源优化调配模型研究以优化模型和模拟模型为主[10,11]，将二者有机结合以互相取长补短渐渐成为国内外学界积极探索的重要途径[12,13]。随着科技的进步，近年来计算智能、分布式水文模型、3S技术以及地理信息系统(Geographic Information System, GIS)逐渐在灌区水资源系统模拟中得到了应用研究[14-16]，为现代灌区水资源系统的科学研究与现代化管理提供了一些重要的途径。基此，本文针对江淮丘陵地区库塘水资源系统的特点，拟以巢湖流域南淝河支流板桥河西支上游蔡塘水库灌区为研究对象，对田间尺度作物水资源供需、中观尺度塘坝、水库的水资源平衡及水量进行模拟计算与分析，进而运用系统动力学软件Vensim建立了基于该3个方面的适合丘陵地区的灌区库塘水资源系统综合模拟模型，为总灌区半分布式水资源系统的调配模拟提供基础和支撑。

1 灌区库塘水资源系统组成

1.1 灌 区

研究区蔡塘水库灌区属于中型灌区，设计灌溉面积38.47 km2，实际灌溉面积18.93 km2。本灌区没有自流灌区，全部为提水灌区。灌区所在地域地处亚热带湿润气候带，四季分明，雨量集中，无霜期长，冬季气候寒冷干燥，夏季气候温和湿润。据合肥气象站资料统计，本灌区多年平均气温在15.7 ℃，年际变化不大。根据南淝河流域及邻近流域雨量站历年观测资料统计分析，本流域多年平均降雨970 mm，年内及年际变化极不均匀。受冷锋、低涡、台风等影响，5-9月多暴雨，历史上就是干旱缺水比较严重的地区。本灌区水资源总量基本上表现为地表水资源，对地表水资源的利用主要依靠蔡塘水库、星罗棋布的塘坝和农田进行拦蓄。由于自然地理条件特殊和现有地面调蓄容量不足，在丰水期地表水资源大量流失，而枯水期往往水分严重不足。灌区库塘水利工程系统主要由水库、塘坝、滁河干渠及提水泵站水资源调控系统。

1.2 塘坝及渠系

拦蓄和贮存当地地表径流量小于10万m3的地表蓄水设施叫做塘坝。灌区内塘坝可以拦蓄当地地表径流，分散蓄水，减小渠首、各级渠道以及配套建筑物的设计流量，同时相应的节省其工程量和投资；塘坝的就近灌溉可以减少因水量长距离调配所引起的损失，进而节约了灌溉用水；塘坝供水比较及时，管理方便，可以提高灌水效率；同时可以缓洪减峰，防止水土流失，减轻农田洪涝灾害。灌溉渠道系统是指从水源取水、通过渠道及其附属建筑物向农田供水、经由田间工程进行农田灌水的工程系统。主要包括渠首工程、输配水工程和田间工程3大部分,本区域主要有提水干渠、斗渠、农渠，一般布置在灌区较高位置，三级提水达到设计高程后，自流向下进行引水灌溉。在本灌区，塘坝可以通过渠系和水库、农田联合起来，实现系统综合调配水，满足干旱区水资源的最优化利用，增加粮食产量。在灌溉期到来且雨量不充沛时，可以利用骨干水库泄水充蓄塘坝；在灌溉初期，可以利用塘坝和骨干水库联合供水，但在不同时段保持塘坝有一定的最小有效蓄水量；而在灌水高峰期渠道输水能力不足或骨干水库缺水时，可放空塘坝[17]。多年实践说明，通过上述控制运行可使渠道灌溉期灌水流量趋于均匀，增加灌溉供水，提高灌溉保证率。

1.3 水库及提水工程

骨干水库蔡塘水库位于巢湖流域南淝河支流板桥河西支上游，是一座以灌溉为主结合防洪、城市供水和水产养殖的综合利用重点中型反调节水库。坝址坐落在长丰县双墩集附近，控制板桥河流域面积26 km2，总库容1 769万m3。蔡塘水库同时也是淠史杭灌区滁河干渠上一座重要的反调节水库。蔡塘水库通过拦蓄当地径流，并调蓄淠史杭灌区来水，来保证灌溉用水；同时通过蔡塘水库的调蓄，有效的削减了下游河道的洪峰流量，提高了板桥河和南淝河的防洪标准。

2 蔡塘水库灌区库塘水资源供需的系统动力学模型构建

蔡塘水库灌区是一项采用骨干水库与塘坝联合运用，以提高灌区灌溉效率，缓解灌溉水供需矛盾，提高水资源利用保证程度的综合水利工程。灌区水资源系统主要组成及相关参数见表1所示。

表1 灌区水资源系统主要组成及其相关参数Tab.1 The main components and engineering parameters of water resources system in irrigation district

灌区水资源系统分析、计算主要包含以下3个方面的内容，即：灌区水田、塘坝和骨干水库的水资源平衡模拟计算。根据系统动力学的原理以及库塘水资源供需平衡原理，采用系统动力学软件Vensim分别建立水田，塘坝，水库的水资源系统模拟模型。

2.1 灌区水田水资源Vensim模型构建

蔡塘水库设计灌溉面积38.47 km2，水库灌区没有自流灌区，全部为提水灌区，提水灌区主要靠吴店、小张郢等抽水站抽水灌溉。水库灌区主要种植水稻，此外还种植玉米、小麦、油菜和棉花等旱作物，为简化计算将作物分水稻和旱作物两种。采用1992年联合国粮农组织提出的彭曼-蒙特斯(Penman-Monteith)公式计算参考作物的腾发量ET0，而作物各阶段的需水量ETc的计算可利用同阶段的参考作物蒸发量ET0与相应阶段的作物系数Kc的乘积求得：

ETc(j)=Kc(j)ET0(j)

(1)

式中：j为计算时段，此为旬(j=1，2，3 ，…,35，36)；ETc是作物各计算时段的需水量；ET0是计算时段参考作物的蒸发量；Kc是作物系数，反映了该作物实际腾发量与参照作物腾发量关系。

根据水田的进出水的关系建立Vensim模型，以上游水田末水深为状态变量，为了更好的展现循环变化过程，假设了一个虚拟的变量，即为水深中间量，此变量与降雨、蒸发等有关，相当于水田未排水以前的状态量。具体模型见图1。

2.2 灌区塘坝Vensim模型构建

根据灌区续建工程规划的设计原则，塘坝的供水是在灌区求得农业灌溉的总需水量后，尽量先用塘坝的可用水量进行灌溉，同时考虑为了更好的削减灌溉用水高峰，在上游源水库有效蓄水较大且渠首过水流量许可时，塘坝水可不全部用完而有部分保留[18]。塘坝的入水包括降雨及径流，其中径流包括塘坝非农地入流、旱地排水利用量、水田排水利用量，出水包括塘坝水的下渗、塘面蒸发，水田供水及塘满溢流。

塘坝水量平衡计算公式如下：

Vt(j)=Vt(j-1)+Wt(j)+Pt(j)-Et(j)-

图1 灌区水田系统动力学模拟模型Fig.1 Dynamic simulation model of paddy field system in Irrigation District

St(j)-Wt(j)-Gt(j)

(2)

式中：Vt(j-1)、Vt(j)表示塘坝时段初、末有效蓄水量，万m3(下同)；Wt(j)表示塘坝时段来水量，Wt(j)包括：旱地排水利用量、塘坝非农地入流以及水田排水利用量；Pt(j)表示塘坝时段塘面降雨量；Et(j)代表塘坝时段塘面蒸发量；St(j)代表时段塘坝渗漏量；Wt(j)代表塘坝时段弃水量;Gt(j)代表塘坝实际供水。

根据塘坝的进出水关系以及水量平衡原理建立Vensim模型，以塘坝的末蓄水深为状态变量，同样假设一个虚拟的水深中间量，塘坝中间水量，具体的Vensim模型见图2。

图2 灌区塘坝系统动力学模拟模型Fig. 2 Dynamics simulation model of pond system in Irrigation District

2.3 骨干水库Vensim模型构建

骨干水库的控制运行结合防洪要求，以开敞式溢流道和放水闸人为控制运行的原则，其水量平衡模拟计算公式如下：

Vc(j)=Vc(j-1)+Wc(j)+Pc(j)-

Ec(j)-Sc(j)-Wf(j)-Tc(j)

(3)

式中：Vc(j-1)、Vc(j)表示蔡塘水库时段初、末有效蓄水量，万m3；Wc(j)表示蔡塘水库时段入库径流；Pc(j) 表示蔡塘水库时段库面降雨量；Ec(j)表示蔡塘水库时段库面蒸发量；Sc(j)表示蔡塘水库时段水库渗漏量；Wf(j)表示蔡塘水库时段放水量；Tc(j)表示蔡塘水库时段提水灌溉量。

水库的入水主要包括降雨、入库径流，其中入库径流由塘坝弃水，塘坝渗漏、非农地产流入库量、旱地排水入库量，水田排水入库量组成，水库出水主要包括水库提水量、水库充下游塘量、水库泄水量。同样为了更好地体现循环过程，方便模型计算，在水库循环中加入一个未出水时的变量，即最大库蓄水量，具体Vensim模型见图3。

图3 灌区骨干水库系统动力学模拟模型Fig.3 Dynamic simulation model of reservoir system in Irrigation District

3 模型参数设定及系统水资源平衡计算结果

3.1 模型参数设定

根据灌区库塘实际情况及收集到的该水库1991-2008年各月蓄水量径流量等实测资料对库塘水资源模拟模型的主要参数进行率定，主要模型参数见表2。

表2 模型主要参数设置表Tab.2 The main parameters of the model

3.2 系统水资源平衡计算结果

蔡塘水库是本水库灌区水资源量调蓄的重要节点，在确定模型主要参数的基础上同时结合实际情况考虑在98年洪水后各年份水库在汛期到来前提前泄水，泄水规则为：在汛期到来之际(查阅历史资料可得此时期为每年的五月中旬)，当水库的水位在44.5 m以上时，水库往干渠泄水200万m3，水库水位在43.2～44.5 m时，泄水100万m3。以2009-2011年作为验证期，经各年按月汇总后水库水量历年变化及模拟情况见表3。

根据水文情报预报规范[19]，本模型的水库年蓄水量距平误差为7.32%，符合规范中关于中长期(按月计算)水文定量预报(拟合)精度20%的要求，所以所建模型能较好地模拟该水库灌区水资源系统的产水、用水、耗水、排水的过程，计算结果具有一定的可信度。因此，从系统的宏观尺度上看，本模型能够详细的描述蔡塘水库水资源系统的产、用、排水的实际情况。

表3 灌区库塘系统水资源模拟模型拟合结果Tab.3 Fitting results of water resources simulation model of reservoir pond system in Irrigation District

综上，本模型分别从水田、塘坝及水库3个依次扩大的层面对所建模型的计算结果与实际系统进行了详细计算和对比分析，发现三者分别具有良好的吻合性，可以用于中小型水库灌区水资源系统的模拟、调配与优化设计。

4 结 语

安徽省江淮丘陵地区作为重要粮油产区之一，由于受特殊的地形地貌和气象条件影响，常常遭受干旱危害，农业灌溉需水量很大，干旱缺水是制约这一地区农业生产和农村经济发展的主要因素，该地区社会经济发展的关键是寻找有效的水资源管理对策。本文基于系统动力学方法，初步构建了蔡塘水库灌区库塘水资源系统模拟模型，结果说明该模型能较好地反映灌区水资源系统的产水用水耗水的水循环过程，在今后研究中可在此基础上可通过对水田作物的节水灌溉研究对库塘的提水量进行优化调控，使灌区水资源调度更加科学合理，同时对节省水资源，缓解用水压力提供解决途径。

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[1] 夏 军, 翟金良, 占车生. 我国水资源研究与发展的若干思考[J]. 地球科学进展, 2011,26(9):905-915.

[2] 齐学斌，黄仲冬，乔冬梅，等. 灌区水资源合理配置研究进展[J]. 水科学进展，2015,26(3)287-289.

[3] 程吉林. 大系统试验选优理论和应用[M]. 上海:上海科技出版社, 2002.

[4] 翁文斌, 蔡喜明, 史慧斌. 宏观经济水资源规划多目标决策分析方法研究及应用[J]. 水利学报, 1995,(2):1-11.

[5] Bharati L, Rodgers C, Erdenberger T, et al. Integration of economic and hydrologic models: Exploring conjunctive irrigation water use strategies in the Volta Basin[J]. Agricultural Water Management, 2008,95(8):925-936.

[6] Ahrends H, Mast M, Rodgers C, et al. Coupled hydrological-economic modeling for optimized irrigated cultivation in a semi-arid catchment of West Africa[J]. Environmental modeling & software, & SOFTWARE, 2008,23(4):385-395.

[7] 冯尚友. 水资源持续利用与管理导论[M]. 北京:科学出版社, 2000.

[8] Alvarez J F O, Valero J A D, Martin-Benito J M T, et al. MOPECO: an economic optimization model for irrigation water management[J]. Irrigation Science,2012,23(2):61-75.

[9] 周祖昊, 袁宏源, 崔远来，等. 有限供水条件下水库和田间配水整合优化调度[J]. 水科学进展, 2003,14(2):172-177.

[10] 赵 丹, 邵东国, 刘丙军. 灌区水资源优化配置方法及应用[J]. 农业工程学报,2004,20(4):69-73.

[11] 张展羽, 高玉芳, 李龙昌，等. 沿海缺水灌区水资源优化调配耦合模型[J]. 水利学报, 2006,37(10):1 246-1 252,125,

[12] Sandow M Y, Duke O. Groundwater resources management in the Afram Plains area, Ghana[J]. KSCE Journal of Civil Engineering, 2008,12(5):349-357.

[13] Minsker B S, Padera B, Smalley J B. Efficient methods for including uncertainty and multiple objectives in water resources management models using Genetic Algorithms[P]. Alberta: International Conference on Computational Methods in Water Resources, Calgary, 2000:25-29.

[14] 张礼兵, 程吉林, 金菊良. 基于试验遗传算法的平原圩区除涝排水系统最优规划[J]. 水利学报, 2006,37(10):1 259-1 263,1 269.

[15] Saleh A, Arnold J G, Gassman P W, et al. Application of SWAT for the upper north Bosque river watershed[J]. Transactions of the ASAE, 2000,43(5):1 077-1 087.

[16] Mckinny D C, Cai X M. Linking GIS and water resources management models: an object oriented method[J]. Environmental Modeling & Software, 2002,17:413-425.

[17] 王 庆，蒋尚明，金菊良，等.塘坝工程在江淮丘陵区旱灾防治中的作用[J].上海国土资源，2012,33(1):71-74.

[18] 张礼兵，张展羽，金菊良，等.水库灌区库塘水资源系统模拟模型研究[J].灌溉排水学报，2014,33(4/5):385-389.

[19] 中华人民共和国水利部.水文情报预报规范(S2000)[S].