新疆节水灌区平原水库调度规则分析

2017-03-21岳春芳张胜江

节水灌溉 2017年10期

岳春芳，张胜江，韩露

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052； 2. 新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049)

新疆属内陆干旱地区，“荒漠绿洲、灌溉农业”是其显著特点。新疆社会经济快速发展离不开水资源的保障，离不开水库；而新疆灌区的经济发展更是离不开平原水库。新中国成立前新疆就建设了巴楚县红海子水库、乌鲁木齐市红雁池水库、疏勒县亚马牙水库三座平原水库。随着新疆大规模的水利工程建设，现已建成水库577座，总库容101.85 亿m3，仍以小型水库和平原水库为主[1]。尽管新疆山区控制性枢纽的修建，可以逐步取代平原水库，减少平原水库的蒸发量大，减轻水库周边地下水位升高导致的环境质量下降等问题。但就当前以及相当长一段时期内，由于平原水库距离灌区近，灌溉供水管理方便，对于灌区农业供水而言仍是不可或缺的。

1 平原水库调度规则分析

1.1 平原水库管理现状

新疆平原水库的主要作用通常是为灌区供水，水库调度一般为常规调度，水库调节计算长度通常以月为单位。目前对平原水库的管理主要存在以下问题：

(1)重工程管理轻资源管理。在水库的日常运行管理中，工作重心主要在水工建筑物及其配套设施的管理上，对于大坝的安全，对于相应供水设施的可靠与否投入了很高的关注度；但对水库水资源的充分利用与否缺乏管理，管理范围相对偏小。

(2)重计划管理轻应变管理。对水库的调度运行通常是通过历史资料，选择典型年作为代表年，根据计划需水要求，进行分析调节计算，制定出供水方案，按计划供水。在实际运行中，来水变化多端，水库调度往往缺乏深入细致分析，应变不够，导致超计划用水、放心水、保险水现象时有发生。不利于水资源的合理利用。

随着最严格水管理制度的实施，对灌区地表水和地下水的用水都提出了限额要求，那么平原水库的调度管理也势必进行调整，以落实最严格水管理制度。

1.2 平原水库调度规则

1.2.1 调度管理思路

(1)水库水与地下水联合调度。新疆的农业是灌溉农业，而随着新疆经济社会的快速发展，水资源供需矛盾日益突出，节水灌溉成为缓解矛盾的主要措施之一。因此，新疆灌区的农业灌溉要向节水灌溉发展，节水灌区的平原水库调度管理也要考虑供水对象的变化。也即以往常规灌溉，采用地面灌溉，由平原水库供水；如今，有常规灌溉，也有节水灌溉，而节水灌溉可以由地面灌溉，也可以采用地下水灌溉，供水不单一依靠水库。因此，平原水库的调度管理必须将水库水与地下水联合考虑，采用联合调度方式。

(2)地表水与地下水限额控制。由于灌区对地表水和地下水的用水总量都有限制要求，为保证两者都控制在限额以内，平原水库的调度管理丰、平、枯水年应有不同的策略。丰水年，应充分利用地表水供水灌溉；平水年，在其枯水时段利用地下水供水灌溉；枯水年，适当加大地下水的供水力度，抵抗干旱。优先采用地表水灌溉，不足时采用地下水弥补，但地下水的开采应有固定的峰值，不宜超过。同时为避免地表水超引，还应确定地下水的最小开采量。应在每年适当的时期核实前一阶段地表水和地下水的供给量，若地下水开采小于规定的最小量则接下来的时段应优先采用地下水灌溉。

1.2.2 调度管理规则

节水灌区平原水库主要作用为灌溉供水，因此水库的库容由蓄水线及放水线分割成两个区，蓄水线与放水线之间为灌溉的正常供水区，放水线之下为破坏供水区。蓄水线和放水线的制定根据来水、需水以及调度目标测定。水库调度管理主要考虑蓄放时间、水库蓄放规则、蒸发渗漏损失等。具体操作时主要考虑以下几点：

(1)为便于保障作物灌溉供水，水库蓄水放水时段宜以旬为单位。

(2)正常供水区调度规则是先判断是否达到灌溉要求，若达到，则该旬水库不再放水；否则，应供水。供水量为直接放至放水线所放的水量与满足下游灌溉两者之间的最小值。

(3)破坏供水区规则是当旬水库不再放水。

(4)水库以上旬旬末库存为标准，上旬旬末的库存落到哪个区域，则当旬就按该区域的调度规则蓄水或者放水。水库旬初蓄水，若来水蓄满，则将水库余水弃掉。

(5)平原水库蒸发渗漏损失量相对较大，条件允许的情况下旬末库存不应过高。

2 实例分析

2.1 工程概况

军塘湖河流域位于呼图壁县城以西 25.1 km处，军塘湖河从源头至红山水库河长47.1 km，流域总面积1 218.2 km2。流域地表水多年平均来水量为3 065 万m3，地表水多年平均可利用量为1 656 万m3，河系径流主要由山区地下水补给。地下水补给量为3 800 万m3，允许开采量为1 900 万m3[3]。2010年军塘湖河流域取水量为4 210 万m3，其中地表水、地下水取水量分别为1 616 万m3、2 594 万m3。农业灌溉用水量为3 889 万m3，其中地表水、地下水分别为1 462 万m3、2 427 万m3。2010年流域用水总量控制目标为4 030 万m3，其中：地表水1 616 万m3，地下水2 414 万m3。可见，2010年流域实际地下用水量超地下水控制量180 万m3。军塘湖流域水库供水范围包括红山村、小河村、联丰村、甘河子林场。

2.2 水库蓄水放水线的制定

如前所述，水库蓄水线和放水线的制定需根据来水、需水以及调度目标测定。军塘湖河流域来水资料为27年水文资料，需水则根据流域现行灌溉制度，作物种植比例，灌溉面积统筹考虑。调度目标的制定出发点是流域水资源能够得到可持续利用，因此，根据长系列的流域天然来水和农业灌溉需水，目标确定为年均总缺水量最少，进而确定出水库的蓄水放水线。

2.2.1 目标函数

该流域目标函数为长系列年均调度缺水总量最少，即：

d3(k,j,r)+d4(k,j,r)

(1)

式中：zd为长系列调度后缺水总量，万m3；d1(k，j，r)、d2(k，j，r)、d3(k，j，r)、d4(k，j，r)分别为第k年第j月第r旬的红山村、联丰村、小河村、甘河子林场调度后缺水量，万m3。

2.2.2 约束条件

(1)旬初库存约束。

兴

(2)

式中：wc(k，j，r) 为第k年第j月第r旬的旬初库存，万m3；V兴为红山水库兴利库容，取值为909.93万m3。

(2)旬末库存约束。

死

(3)

式中：wm(k，j，r) 为第k年第j月第r旬的旬末库存，万m3；FF(k，j，r)为天然来水量，万m3；V死为水库死库容，取值为181 万m3。

(3)水库放水量约束。

(4)

式中：fsl(k，j，r)为第k年第j月第r旬的水库放水量，万m3；xsxR(k，j，r)为第k年第j月第r旬旬末限制库容，万m3。

(4)地下水量约束。

dxs3(k,j,r)+dxs4(k,j,r)]≤1 733

(5)

式中：dxs1(k，j，r)、dxs2(k，j，r)、dxs3(k，j，r)、dxs4(k，j，r)分别为第k年第j月第r旬的红山村、联丰村、小河村、甘河子林场地下水开采量，万m3。

(5)其他约束。

①各变量非负。

②据常年观测及气候情况，水库库损比例为3%，即本旬水库水量损失为旬初库存水量的3%。

③根据流域农业地下水控制要求，研究区年最大地下水开采总量为1 733 万m3；根据当地地下水情况估算，年最小地下水开采总量为1 328.5 万m3。

④根据基本地下水供水条件与优化测算过程中出现的最大地下水取水量，旬最大地下水开采峰值取分别为130.34、145.33、55.87 万m3。

2.2.3 模型求解

对上述模型采用Fortran语言编写计算程序，运用差分进化法求解。差分进化法主要用于求解连续变量的全局优化问题，包括变异、交叉、选择三种主要操作。该算法的基本思想是从某一随机产生的初始群体开始，通过变异、交叉、选择三种操作，在每一代的进化过程中，通过不断地迭代计算，保留优良个体，淘汰劣质个体，引导搜索过程向全局最优解逼近。

2.2.4 水库旬灌溉放水限制库容

将水库灌溉放水限制库容作为模型的未知变量，经过模型模拟分析计算，得出以旬为单位红山水库最佳灌溉放水限制库容，见表1。