衡邵干旱走廊典型灌区水资源优化调度研究

刘元沛　盛　东　山红翠　邹　亮　徐幸仪

（湖南省水利水电科学研究所　　长沙市　410007）

衡邵干旱走廊典型灌区水资源优化调度研究

刘元沛盛东山红翠邹亮徐幸仪

（湖南省水利水电科学研究所长沙市410007）

年内干旱是干旱研究的重要方向，对农业灌溉具有非常重要的意义。由于地区不同，降水不同，农业种植结构不同，导致各个地区的年内干旱情势也各不相同。选取南方丰水地区的衡邵干旱走廊作为研究对象，通过对丰水年、平水年和枯水年进行水库群优化调度研究，揭示衡邵干旱走廊的干旱成因、干旱时间和短缺水量。结果发现：衡邵干旱走廊干旱成因是农业干旱，未来可能会出现社会经济干旱；干旱时间为每年7～9月，符合该走廊夏秋连旱的特点；水量短缺以龙溪桥水库最为显著，丰水年约为1960万m3，平水年约为2383万m3，枯水年约为4302万m3。因此，衡邵干旱走廊应积极发展高效节水灌溉、开展渠道防渗、适当调整农业种植结构和增加水源工程以应对未来的社会经济干旱。

年内干旱衡邵干旱走廊干旱成因

近年来，我国已在干旱研究方面取得诸多成果。但是，当前干旱研究以年际为主，年内研究相对较少。干旱研究方法主要有基于标准化降水指数（SPI）［1］、马尔科夫链模型（Markov）［2］、自回归移动平均模型（ARIMA）［3］、帕默尔干旱指数（PDI/PDSI）［4］、相对湿润度指数（CMI）［5］、降水距平百分率（Pa）［6］、土壤相对湿度干旱指数［7］、综合气象干旱指数（CI）［8］、水文模型［9］等方法，通过干旱指数对干旱历史进行评估，研究干旱的成因和规律，预测未来干旱情势。年内干旱则受地区的用水情况影响较大，这一情况在南方丰水地区显得尤为明显，再加上最严格水资源管理制度对用水总量的限制，年内干旱情势显得愈发严峻。

1 研究区概况

衡邵干旱走廊是湖南省四大干旱区之一，地处湖南省中部，雪峰山脉以南，五岭山脉以北，是以湘江、资江流域的分水岭为中轴线分布的广大丘陵地区，主要包括湘江中上游、资江中上游的丘陵地区，位于北纬25°40′～27°31′，东经110°25′～113°16′之间。

本次研究选择衡邵干旱走廊内衡南县龙溪桥灌区为研究对象。龙溪桥灌区多年平均降雨量为1263mm，较全省多年平均降雨量少187mm。灌区包括龙溪桥灌片、唐湾灌片、敏东灌片和大宜冲灌片共4个部分。龙溪桥灌区内有龙溪桥水库、唐湾水库、敏东水库和大宜冲水库，有引水工程自欧阳海灌区、唐湾水库、敏东水库和大宜冲水库引水至龙溪桥水库，具体如表1所示。

表1　龙溪桥灌区各水库基本特征表

2 理论和方法

本文通过灌溉期（4～10月）的降水量数据划分丰水年、平水年和枯水年；根据灌溉定额和灌溉水有效利用系数核算灌溉需水量；根据月降雨～月径流关系曲线计算产水模数，再根据集雨面积计算产水量；最后建立基于线性规划的水库群优化调度模型，核算缺水量，进而确定年内干旱期情势。

2.1划分丰平枯

龙溪桥灌区农业种植以水稻为主，早稻种植自4月份开始7月份结束，晚稻种植自7月份开始10月份结束。龙溪桥灌区季节性干旱严重，尤其是在灌溉时期（4～10月）。本文采用1966～2008年衡南县雨量站日降雨量数据为依据，在此基础上计算全年降雨量数据和灌溉期降雨量数据，多年月平均降水量如图1所示。

图1　龙溪桥水库多年月平均降水量

根据灌溉期降雨量与多年平均灌溉期降雨量之间的差值采用水文年法将年降雨量情况分为枯水年、平水年、偏丰水年和丰水年。距平百分率P=（某年灌溉期降雨量-多年平均灌溉期降雨量）/多年平均灌溉期降雨量×100%，以10%为划分标准，具体如表2所示。

表2　丰平枯划分标

2.2确定典型年

根据统计资料，龙溪桥灌区农业种植以单、双季稻为主，种植比例为0.15∶0.85。灌溉季节为每年的4～10月。龙溪桥灌区按照0.48的灌溉水有效利用系数核算年均毛需水量为8785万m3，远大于龙溪桥灌区的可用水量。同时，龙溪桥灌区多年平均降雨量为1263mm远小于全省平均1450mm。因此，采用灌溉期的丰平枯年份作为水库调度的年份以研究不同情况下的水库调度方案。按照龙溪桥灌区现有资料和丰平枯年份的平均情况，选择1987年作为灌溉期为枯水年的调度年份，1982年作为灌溉期为丰水年的调度年份，1983年作为灌溉期为平水年的调度年份。经皮尔逊-III型曲线计算得到：P1982=7.17%，P1983= 49.76%，P1983=83.54%，如图2所示。

图2　皮尔逊-ⅠⅠ型曲线拟合图

2.3灌溉需水量计算

根据湖南省地方标准《用水定额》DB43/T-2014的90%供水保证率的灌溉定额和龙溪桥灌区灌水情况确定灌溉综合定额标准如表3所示，其中旱地灌水定额采取已建工程的的具体情况确定为200m3/亩。

表3　综合定额计算表m3/亩

按照全区0.48的灌溉水有效利用系数核算龙溪桥灌片的灌溉毛需水量，结果如表4所示。同样的方法计算唐湾灌片、敏东灌片和大宜冲灌片的灌溉毛需水量。

表4　灌溉需水量计算表m3/亩，万m3

2.4产水量核算

利用龙溪桥水库现有资料，查移用井头江月降雨-月径流深关系曲线，确定龙溪桥灌区的产水模数。龙溪桥水库集雨面积43.3km2，3处引水工程集雨面积25.65km2，考虑引水工程本身灌溉及入库水量损失，故按面积的70%计算入库水量，具体产水量如表5所示。

表5　1982、1983、1987年产水量计算表万m3

2.5水库群优化调度

水库调度采用Lingo软件编程实现基于线性规划的水库群联合调度。水库群联合调度是对龙溪桥水库、大宜冲水库、敏东水库、唐湾水库开展联合调度，考虑大宜冲水库、敏东水库和唐湾水库的可用水量引入龙溪桥水库进行调度。水库群联合调度主要遵循以下原则：

（1）防洪约束：6～7月份是汛期，因此水库水位在6～7月应低于防洪限制水位：

V（t）＜Vf（1）

式中V（t）——t月份的库容；

Vf——对于水库的防洪限制水位对于的库容。

（2）水量平衡约束：当月的可用水量=前月的可用水量+当月产水量+当月引水量-当月灌溉用水量，考虑到引水渠道破坏严重，渗漏损失率取50%，式（2）为龙溪桥灌溉渠水量平衡约束，式（3）为引水的水量平衡约束，式（3）为唐湾水库的水量平衡约束（敏东水库和大宜冲水库亦如此）。

Vl（t）=Vl（t-1）+Vlc（t）+Vy（t）-Vlg（t）（2）

Vy（t）=0.5Vty（t）+0.5Vmy（t）+0.5Vdy（t）+Voy（t）（3）

Vt（t）=Vt（t-1）+Vtc（t）-Vtg（t）-Vty（t）（4）

式中

Vl（t）——龙溪桥水库t月份可用水量；

Vl（t-1）——龙溪桥水库t-1月份可用水量；

Vlc（t）——龙溪桥水库集水区t月份产水量；

Vy（t）——龙溪桥水库t月份引水量；

Vlg（t）——龙溪桥水库t月份灌溉可用水量；

Vty（t）——t月份从唐湾水库的引水量；

Vmy（t）——t月份从敏东水库的引水量；

Vdy（t）——t月份从大宜冲水库的引水量。

（3）灌溉约束：以龙溪桥水库为例，当月的灌溉可用水量与当月欧阳海引水量之和小于等于当月灌溉需水量，如式（5）所示；当月自龙溪桥水库的灌溉需水量＜当月龙溪桥水库可用水量，对于大宜冲水库、敏东水库、唐湾水库则不含欧阳海引水量，如式（5）、式（6）所示。

Vlg（t）+Voy（t）≤Vlx（t）（5）

Vlx（t）≤Vl（t）（6）

式中Vlg（t）——t月份龙溪桥灌片的灌溉可用水量；

Voy（t）——t月份龙溪桥灌片的自欧阳海灌片的引水量；

Vlx（t）——t月份龙溪桥灌片毛需水量；

Vl（t）——t月份龙溪桥水库的可用水量。

（4）引水约束：龙溪桥水库从唐湾水库、敏东水库和大宜冲水库引水的前提是唐湾水库、敏东水库和大宜冲水库的水量能够满足自身的需求。以唐湾水库为例，敏东水库和大宜冲水库类似，如式（7）所示。

式中Vtg（t）——唐湾水库t月份可用水量；

Vtx（t）——唐湾灌片t月份灌溉毛需水量；Vty（t）——唐湾水库t月份引水量；

Vt（t-1）——唐湾水库t-1月份引水量；

Vtg（t）——唐湾水库t月份灌溉可用水量；Vt（t）——唐湾水库t月份可用水量。

（5）目标函数：以龙溪桥灌片、唐湾灌片、敏东灌片和大宜冲灌片的灌溉可用水量最大为准。

式中Vlg（t）——t月份龙溪桥水库的可用灌溉水量；

Vtg（t）——t月份唐湾水库的可用灌溉水量；

Vmg（t）——t月份敏东水库的可用灌溉水量；

Vdg（t）——t月份大宜冲水库的可用灌溉水量；

Voy（t）——t月份自欧阳海灌区的引水量。

表6　典型年灌溉满足情况　　万m3

3 结果分析

根据水库群优化调度的结果，对4个灌片的灌溉可用水量与灌溉需水量的比值作为灌溉满足度来分析缺水情况，缺水情况如表6所示。从表6中可以看出不论是枯水年、平水年还是丰水年，龙溪桥灌片均有大额的水量差，灌溉无法得到保证；唐湾水库无论丰水年、平水年还是枯水年灌片灌溉均能得到保证，而敏东水库和大宜冲水库在丰水年和平水年灌溉渠灌溉能够得到保证，枯水年灌溉无法得到保证。

从4～10月份调度结果可以看出龙溪桥灌区干旱期为7月、8月和9月。从1968～2008的43年降雨量数据可以得到月平均降雨量为113mm，而7月、8月的月平均降雨量为107mm，118mm，和43年的月平均降雨量基本持平，9月的月平均降雨量为58mm小于7月、8月和9月。造成7月、8月和9月干旱的原因是7月份开始种植晚稻，需水量，总需水量大约占整个灌溉季节灌溉需水量的60%，如图3、图4、图5、图6所示。

考虑到未来灌区基础设施不断完善，灌溉水有效利用系数将进一步提高，因此对灌溉水有效利用系数提高后的情况进一步优化调度，具体如表7所示，结果表明灌溉水有效每提高0.01，水量满足情况可提高约1.25%，但是水量仍然有很大的缺口不能满足灌溉需要。为了满足灌溉需水，一方面要根据灌溉水量缺口，新建或者扩建水源工程、调水工程；另一方面，要尝试调整农业种植结构，可以大幅度节省农业用水，例如玉米的灌溉定额约为水稻灌溉定额的1/3。

图3　溪桥水库4～10月灌溉情况

图4　唐湾水库4～10月灌溉情况

图5　敏东水库4～10月灌溉情况

图6　大宜冲水库4～10月灌溉情况

表7　提高灌溉水有效利用系数后满足度

4 结　论

通过对衡邵干旱走廊龙溪桥灌区的基于典型年的水库群优化调度分析可以得到以下结论：衡邵干旱走廊的干旱期为7月、8月和9月；衡邵干旱走廊地区属于相对丰水地区，降水量大，造成缺水的主要原因是蓄水工程不足和当月降水量不能满足当月灌溉需水量造成的；衡邵干旱走廊的干旱成因属于人类活动造成的农业干旱不属于气象干旱和水文干旱，未来随着经济的发展可能出现社会经济干旱。对于衡邵干旱走廊而言未来随着经济的发展，可能会出现工业用水挤占农业用水情况，因此，应发展高效节水灌溉、适当调整农业种植结构减少对水量的需要；同时增加水源工程，提升蓄水能力，以应对未来的社会经济干旱。

［1］杨斌斌，孙万光.改进POA算法在流域防洪优化调度中的应用［J］.水电能源科学，2010，（12）：36-38+115.

［2］林洁，夏军，佘敦先，张利平.基于马尔科夫链模型的湖北省干旱短期预测［J］.水电能源科学，2015，（04）：6-9+51.

［3］许文宁，王鹏新，韩萍，严泰来，张树誉.Kappa系数在干旱预测模型精度评价中的应用——以关中平原的干旱预测为例［J］.自然灾害学报，2011，（06）：81-86.

［4］刘庚山，郭安红，安顺清，刘巍巍.帕默尔干旱指标及其应用研究进展［J］.自然灾害学报，2004，13（4）：21-27.

［5］王明田，王翔，黄晚华，张玉芳，马均.基于相对湿润度指数的西南地区季节性干旱时空分布特征［J］.农业工程学报，2013，28（19）：85-92.

［6］王富强，王雷.基于降水距平百分率的河南省干旱特征分析［J］.中国农村水利水电，2014，（12）：84-88.

［7］王素萍，张存杰，宋连春，李耀辉，冯建英，王劲松.多尺度气象干旱与土壤相对湿度的关系研究 ［J］.冰川冻土，2013，35（4）：865-873.

［8］邹旭恺，任国玉，张强.基于综合气象干旱指数的中国干旱变化趋势研究［J］.气候与环境研究，2010，15（04）：371-378.

［9］熊见红.长沙市农业干旱规律分析及旱情预报模型探讨［J］.湖南水利水电，2003，（4）：29-31.

刘元沛（1989-），男，硕士，主要从事水资源管理、3S技术等相关工作，E-mail：530964293@qq.com；盛东（1979-），男，博士，高级工程师，主要从事水资源管理工作，E-mail：shengdong1979@163.com。

（2016-06-17）