基于规制的灌区配水管理

2019-11-13钱凯旋解建仓闫小斌左岗岗于碧含冯永祥

水利信息化 2019年5期

钱凯旋，解建仓，闫小斌，左岗岗，于碧含，冯永祥

（西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048）

0 引言

由于我国南北方水量分布的差异，以及工业、生产生活造成的水环境污染，导致可利用水量十分有限。作为一个农业大国，灌区是重要的粮食生产基地，提高灌溉配水管理水平，保障粮食安全，提高粮食产量，意义重大。如何在水资源短缺的状况下，合理高效地利用水资源值得深入研究。

当下灌区配水管理过程中存在以下一些问题，使得水资源利用效率很低：1）传统的配水管理多采用灌溉制度、规则等进行配水管理，没有落实到具体的人和事，导致粗放式管理；2）传统灌溉规则仍然基于“水多多用、水少少用”实施，更多采取以供定需的做法，无法实现以以需定供的方式进行农业灌溉[1]；3）灌区的用水方式受到诸多外界环境因素的影响，气候与地貌条件是主要影响因素，缺乏必要因素的考虑直接造成后续决策的失误；4）农业灌溉方式仍然以传统的地面漫灌为主，严重影响着用水效率[2]。

此外，水资源的合理开发利用及分配是提高用水效率的基础。目前，对于水资源的分配主要通过编制灌区用水计划实现，编制用水计划的依据是主要作物的灌溉制度、可供水源情况、渠系工程、用水单位情况等几个方面[3-4]，但是，编制用水计划可行性并不高。首先，编制用水计划虽然有一定的参考价值，但是无法应对作物在生长过程中因为环境的变化而导致的需水量的变化。其次，灌溉制度主要是通过对灌溉定额、方式进行总结及分析得到的，目前通过灌溉定额进行灌区灌溉无法有效提高水资源利用率，因为作物生长过程是一个动态变化的过程，提前根据以往的资料信息预测作物灌溉方式及灌溉量虽有一定参考性，但却无法考虑不断变化的环境去预知现实需求。

随着信息化的发展，将信息化技术应用到农业灌溉领域有着一定的成效。但是，目前对于灌区的信息管理主要体现在配水端的水量监测方面，无法对水质及需水端采取实时监测反馈[5-6]。为此，基于灌区管理过程中存在的问题，考虑现有信息建设的局限性，通过综合集成平台建立配水规制指导下的灌区配水管理。

1 灌区配水规制

传统的灌区灌溉配水涉及的管理办法有灌溉定额管理、制度等，这类方法没有对供水端的水资源条件和用水端的用水需求变化提出可供操作实施的指导标准，具有宏观性及静态不变特征，在实际灌溉配水过程中达不到节约用水的需求。因此需要采用一整套弹性的，能够根据配水管理需求发展变化的规章制度保障灌区高效的配水管理，促进节约用水。

配水规制是对宏观的灌溉制度和规则的细化落实，能够对应到具体的人和事，是指导灌溉实施的具体的、可操作的办法，是对灌溉实施过程中各种边界条件的定义，也是多种情景状态的设定，可以针对灌区配水需求的变化做出弹性的调整。在灌区配水过程中涉及到用水端和供水端，用水端的需水和供水端的不同水源类型的水资源储量随时间而变化，有时供大于需，有时则是需大于供。因此从节约用水、保护水生态环境及粮食安全的角度出发，配水规制应当对不同情境下的配水管理做出明确的规定，例如丰水、平水和枯水状态下的配水。

基于此，提出配水规制分为基本、竞争及应急3 个规制，其中，基本规制保障灌区粮食安全要求下的基本用水需求，竞争规制在资源约束变化的条件下，对灌区用水做出弹性定额调整，应急规制则指导极端状态下的配水管理。

为实现节约用水与环境保护目标，需要对多水源进行组合灌溉，并同时考虑水质和水量，因此可将 3 类规制进一步细分，结果如表 1 所示。

各规制简要说明如下：

1）土壤环境容量限制规制。土壤环境容量限制规制是灌区配水管理的基本规制，是任何时空条件下均需要考虑的规制。此规制通过结合土壤环境容量的限制，对配水过程中的灌溉水质提出明确的要求，并考虑配水过程中水体中的有机、无机、重金属等污染在土壤中的滞后富集，以达到保护水土环境的目的。

2）粮食安全规制。粮食安全规制对保证灌区粮食安全基本产量的最少配水水量提出基本要求，也是灌溉配水过程需要考虑的基本规制。当天然来水较少时，需要保证这一基本用水需求；在极端干旱状态下，如果这一基本需求被破坏，需要考虑采用应急规制应对，即通过多水源灌溉或者压缩其他行业用水满足。

表 1 灌区配水管理规制

3）水源类型优先规制。水源类型优先规制是在考虑基本规制的基础上需要进一步考虑的竞争性规制，通过进行竞争性用水管理，达到保护某一类水源的目的，如京津冀地区地下水超采严重，需要寻找多种其他替代性水源组合灌溉压采地下水。多水源有地表水、地下水、外调水、非常规水四大类，其中非常规水又分为雨水调蓄资源、污水处理厂污水、微咸水及海水淡化水资源。水源类型优先规制通过设定非常规水资源的配置优先级，达到节约用水的目的。

4）水源地距离最近优先规制。水源地距离最近优先规制也是考虑基本规制的前提下需要考虑的竞争性规制。由于短距离输水能够明显降低灌区配水过程中的水量损失，所以在条件允许的前提下应该尽量考虑短距离输配水。在基本规制的前提下，采用此规制进行配水管理，能够达到节约用水的目的。

5）作物类型优先灌溉规制。作物类型优先灌溉规制是在基本规制的基础上考虑粮食安全和经济效益最大化的竞争性规制。此规制在供水不能满足全部种植作物的需水要求时，可以在满足其他作物基本需水的前提下，进行竞争性配水灌溉，即基于不同的目标（节水最大、经济效益最大、种植成本最低等）选择优先给目标作物灌溉，用相同的水资源量产生最大的经济环境效益。

6）多水源同期混合灌溉规制。多水源同期混合灌溉规制为应急性规制，当发生极端事件（如干旱或洪涝灾害）时，天然水资源不能满足灌区的基本用水需求，基本用水规制中的粮食安全规制被破坏，需要采取一定的应急应对措施。既然天然来水不能满足粮食安全规制下的基本用水需求，就要考虑采取非常规水资源灌溉措施，而非常规水资源一般水质差别较大，因此要结合常规水资源进行灌溉。多水源同期混合灌溉规制在一次灌水过程中，根据作物的需水要求及土壤环境容量限值，可对具有不同水量和水质的多水源进行混合，达到极端事件应急应对的目的。

7）多水源分期灌溉规制。多水源分期灌溉规制为另一种应急性规制，当同期混合灌溉的水质超出土壤环境容量的限值后，需要将具有不同水质的水资源分期进行配水灌溉，如在水质较好与较差之间交叉进行，以达到为水土环境自净争取缓冲时间的目的，降低污染物在土壤中富集带来的负面影响，从而降低生态环境污染的程度。

这 3 类规制从保障粮食安全、节约用水、保护水土环境的角度提出，规制确定下来便不能轻易随发展而变，但是可以随着管理需求的变化增加新的规制，从而使得整套配水规制能够弹性调整，满足配水管理过程中需求的动态变化。

在规制运行过程中，针对不同的情况采用合适的规制，达到对灌区配水的管理。如现存的规制在评价分析后不能有效地满足管理要求，可以针对具体情况完善增加规制，从而达到对灌区的有效管理。目前针对一般及极端干旱条件的情况采取不同的规制，而基本规制是运行的保障基础，如在具体的实施过程中产生问题，则可针对具体的问题完善增加规制。对于增加完善的内容，通过综合集成平台的可移植性特点快速定制，从而对具体的问题能快速有效解决。具体管理过程如图 1 所示。

图 1 灌区配水管理过程

不同的灌区对于规制的选择有很大的差异性，通过对规制的选取可以生成灌区的配水方案。建立如表 2 所示的农业节水评价指标库[7]，通过评价及赋权方法的选择，根据指标库中的指标对配水方案进行综合评价，方案合理即可实施，不合理则对规制重新选取及根据实际情况增加完善规制，从而动态生成合理的配水方案。

表 2 评价指标库

2 灌区配水管理

在常规灌区配水过程中，考虑用竞争性规制满足基本规制下的最小需水和环境保护要求，即同时考虑采用基本和竞争性规制进行灌溉配水；在极端事件影响下，灌区配水需要考虑采用应急性配水规制满足基本规制下的最小需水和环境保护要求，即同时考虑采用基本和应急规制进行灌溉配水。由于灌溉需水要求和水资源约束是动态变化的，所以配水规制要能够识别这种动态变化。采用知识可视化综合集成技术将规制组件化，并在基于数字、逻辑拓扑或业务流程等水网的知识图上组织灌区配水管理业务，从而实现配水规制对灌区配水管理的指导。

2.1 配水规制的组件化

灌区配水管理是以综合服务平台为基础，通过组件、Web Service、知识可视化等技术实现的。组件是可重用的计算机执行单元，开发人员可以方便地将这些对象单元组合到更大的程序中，而不用考虑对象本身的实现细节[8]。组件具有相对独立的功能，当需要完成某项任务时，与该任务相关的组件将被运行，而其它组件不会被执行。在应用系统中主要分为通用基本、领域公共性、应用专用等 3 类组件[9]。组件的特点如下：

1）可重用度高。不同的业务功能模块可以共用1 个组件，避免了重新开发，提高了效率。

2）可扩展性强。只需在原有组件接口的基础上增加新的接口便可以扩展。

3）接口透明。组件是根据组件的功能进行开发的，因此组件的输入和输出接口是完全透明的，确定的输入得到确定的输出。

4）使用便捷。只需明确组件的输入与输出，不必考虑组件是如何实现的。

5）便于协同开发。每个组件都具有完整的功能，且相互独立，应用系统开发时可同时开发不同组件，提高系统的开发效率。

2.2 规制组件指导配水管理的操作流程

确定配水规制的实现流程后，采用组件的方式描述输入与输出接口，对其进行组件化。组件化的一般流程如下：1）明确组件的功能、结构，确定编写组件的思路；2）创建程序工程包，链接灌区配水管理数据库；3）确定组件所对应的程序编号，并注册组件。配水规制组件开发完成后，可加载至业务知识图中进行调用。知识图描述配水管理的对象，如水源、供水对象、输配水路径，这些边界条件是配水规制组件的输入，输出则为配水方案。绘制好知识图后，利用综合集成平台的组件定制功能进行组件定制。通过编写主程序对程序进行测试，测试完成后对源代码进行封装上传到后台服务器，并通过在 UDDI（Universal Description Discovery and Integration）注册后发布，输入 UDDI 服务器地址，选择组件服务，从组件库中找到所需的组件，测试完成后保存该组件。最后把定制好的组件添加到知识图中的相应节点，相互关联的组件用线连接，以便数据的流通，并进行保存、打包知识图操作，运行灌区配水管理系统，检查程序是否可以正确运行。

3 灌区配水管理应用实例

根据知识可视化综合集成技术[10]，基于模拟实验数据，搭建石津灌区南分干灌域的配水管理系统，进行灌溉规制指导下的智慧配水实例仿真。根据《FAO-56 作物需水量计算指南》对石津灌区南分干灌域的作物需水量进行计算，南分干灌域的灌域代码为 SJIAA0120000，棉花作物的种植面积为566.67 hm2。基本原理如下：首先分析理想状态下，当地气候因素对蒸散发的影响，算出参考表面腾发量；其次，考虑在标准状态下（耕作优良、土壤水分充足的大田状况）作物的生长状态，采用单作物或双作物系数法，将参考表面腾发量折算至标准作物腾发量；最后确定偏离标准条件的管理及环境胁迫对腾发量的影响，引入水分胁迫系数，将标准作物腾发量折算至非标准作物腾发量，即为作物实际腾发量。根据作物面积和实际腾发量，即可得出灌区作物需水量，部分模拟仿真计算结果如表 3 所示。明确作物需水量后，针对石津灌区中存在的问题分析、总结，提出灌区灌溉配水规制，根据灌溉规制的内容，定制相应的业务组件以满足对石津灌区的配水管理，具体内容如图 2 所示。根据图 2 左侧的流程可以先分析计算出作物需水量，然后以问题为导向提出规制并制定相应的组件，根据不同的问题选择相应的规制去解决。基于规制进行配水管理，在配水过程中面对着诸多问题，如果现存的规制无法对问题进行有效解决，可根据具体情况结合综合集成平台可移植性、可扩展性、协同开发便捷等特点，对规制进行完善增添并快速定制，提高解决问题的时效性。

表 3 南分干灌域棉花作物需水量计算结果

对灌区作物实施灌溉，需要考虑是否满足作物的生长需求，同时也需要满足对环境生态的保护。因此，对灌区进行灌溉时，在选取基本规制（土壤环境容量限制、粮食安全）的基础上，同时需要根据现实情况选取竞争或应急规制。在规制选取的基础上，在赋权和评价 2 种方法库中选取合适的赋权及评价方法，对灌区的灌溉方案进行评价。本次模拟选取竞争规制中的水源类型优先规制，通过对水源地及土壤本底值的考虑，选取能达到保护土壤环境及保证粮食安全的配水方案 1，并选取赋权方法为专家评判法的模糊综合评价法进行评价，评价结果如表 4 所示，说明选取的灌溉方案合理。