大型灌区水源精准调度模式研究及应用

牟汉书， 周 婕， 李 霞， 熊东红， 张爱民， 仇锦先*

(1.江苏省淮安市水生态建设服务中心， 江苏 淮安 223005； 2.扬州大学， 江苏 扬州 225009；3.江苏省淮安市淮涟灌区管理所， 江苏 淮安 223001)

1 灌区概况

淮涟灌区为江苏省淮安市大型灌区之一，建于1958年，位于淮沭以东、北六塘河以南、盐河以北、西张河以西，灌区总面积860 km2，包括涟水县和淮阴区的17个乡镇324个行政村，总人口59.07万人。灌区现有耕地面积535 km2，设计灌溉面积533 km2。灌区降水量年际变化较大，年内分配不均，旱涝灾害多发。灌区内现有总干渠1条(长度27.6 km，设计流量110.0 m3/s)，控制灌溉面积370 km2；沿线依次布设干渠4条，即一干渠(33.9 km，15.1 m3/s)、二干渠(18.0 km，10.0 m3/s)、四干渠(东西长13.6 km，34.25 m3/s；南北长15.7 km，10.2 m3/s)和三干渠(28.08 km，40.5 m3/s)，如图1所示。每条干渠渠首均设有渠首闸，其中总干渠首为淮涟闸，由省淮沭新河管理处负责管理；一干闸、二干闸、三干闸、四干闸均由淮涟灌区管理所负责管理调度。

图1 淮涟灌区骨干(支级以上)灌排渠系网络

灌区灌溉引用水源来自洪泽湖，淮涟渠首闸由省属单位管理，灌溉流量实行定量供应，4个渠首闸在引水总量一定的情况下，进行水源分配。灌区灌溉在2011年之前一直采用续灌，没有形成合理有效的灌溉模式，存在“上游尽抢、下游听赏”的现象。淮河流域历来旱情严重[1-2]，特别是2011年、2012年连续干旱，洪泽湖水源极度匮乏，导致灌区灌溉水量供不应求，加剧了淮阴、涟水两地的用水矛盾。为有效提高灌区灌溉设计保证率，切实缓解地方用水矛盾纠纷，淮涟灌区管理所开始进行水源调度探索与实践，逐渐形成一套较为合理的水源精准调度模式。

2 水源精准调度模式

基于灌区现有骨干渠系分布以及灌区用水情况，分析淮涟灌区不同水文年型作物灌溉制度，基于大数据、云计算、物联网技术，综合分析每条干渠渠首引水量，通过干渠渠首闸启闭控制，在总干渠渠首给定流量相对固定的前提下，采取基于动态轮灌的实时水源调度方案，对灌区水源及各干渠引水量进行科学分配，减少用水矛盾，提高灌溉设计保证率，达到灌区水源效益最大化，同时最大限度节约灌溉水量。

2.1 作物灌溉制度

淮涟灌区水源调度以水稻需水为主要依据。灌区水稻品种以中稻为主，一般在 5 月中旬育秧，6 月中旬泡田栽插，9 月底10月初收割。泡田期是灌水定额最大的阶段，根据淮阴区和涟水县水利试验站《2019年灌溉水利用系数测定报告》，结合灌区土壤性质及地下水埋深，水稻泡田定额取6.67 m3/hm2(P=85%)，泡田期5 d。稻田采用浅湿调控灌溉技术，根据水稻不同生育期适宜水层、土壤墒情、降水量、田间耗水量等，运用水量平衡原理，并结合当地灌水经验，确定不同水文年型水稻灌溉制度。水稻生育期灌溉制度计算时的灌水量、排水量及水层深度确定方法如下：

当ht-1+Pt-St-ETt

当ht-1+Pt-St-ETt>Hp时，dt=ht-1+Pt-St-ETt-Hp，否则dt=0；

ht=ht-1+Pt+mt-St-ETtdt

(1)

式中：ht-1表示第t时段初的土壤含水量或田面水层深度，mm；Pt表示第t时段降雨量，mm；St表示第t时段渗漏量，mm；ETt表示第t时段作物需水量，mm；mt表示第t时段灌水量，mm；dt表示第t时段排水量，mm；ht表示第t时段末的土壤含水量或田面水层深度，mm。

限于篇幅，这里给出了淮涟灌区水稻灌溉制度(P=85%)，如图2所示，灌溉定额为675 mm(合30 m3/hm2)。

图2 淮涟灌区水稻灌溉制度(P=85%)

2.2 灌区轮灌方案

借鉴国内很多学者对灌区最优工作制度开展的研究[3-4]，笔者结合淮涟灌区水源调度存在问题与多年运行经验，对灌区轮灌方案进行了不断探索与总结。淮涟灌区水源引水总量，包括总干渠沿线4条干渠渠首引水量、直挂斗渠引水量和沿程损失水量之和。根据灌区各支渠控制范围内作物灌溉制度、种植面积和灌溉水利用系数等，确定每条干渠渠首引水量(公式(2))。同时，结合总干渠沿线各干渠空间分布及地方各用水片区特殊情况，制定灌区轮灌方案(表1)；根据渠首上下游水位、开闸延续时间及闸门开度等，控制渠首最低引水流量。

(2)

式中：Wi表示第i时段各条干渠渠首引水量之和；Wji表示第i时段第j条干渠的渠首引水量；Ark表示第k条支渠控制范围内第r种作物的种植面积，万hm2；mri表示第i时段第r种作物的灌水定额，m3/hm2；ηk表示第k条支渠控制范围的灌溉水利用系数。

在具体实践操作中，灌区每条斗渠、支渠或干渠控制的灌溉区域需水量是不断变化的。一方面由于受到市场经济手段调控影响，大部分农村劳动力基本在城里务工，农忙时回家突击几天完成水稻栽插愿望强，导致灌区灌溉集中用水现象比较明显；另一方面淮阴区水稻集中泡田栽插时间比涟水提前3～5 d，但是涟水的水稻栽插速度往往比淮阴区快。同时，灌区用水面广，各片区灌溉情况复杂，常常导致用水紧张，地方群众矛盾激化，难以顺利执行轮灌方案。因此，需要及时收集灌区面上用水信息，在上述轮灌方案的基础上，通过统筹调节各个渠首闸门启闭开度，调度各干渠引用水量，缓解用水矛盾，同时使灌溉水源得到高效利用。综合运用大数据、物联网、云计算等现代科技手段，调试与制定灌区动态轮灌方案，具体实现途径如图3所示。

2.3 水源实时调控

水源动态调控是综合运用大数据、物联网、云计算等现代科技手段，基于灌区动态轮灌的基础上，根据灌溉水源供给量、灌区作物需水量实时估算[5]，对水源调度方案进行动态调整，实时改变水源调度方案、防汛防旱预案“一案多年”、渠首闸门“大开大合”的水源粗放管理方式，推动灌区科学高效利用水资源，实现基于现代科技手段综合运用的灌区水源精准调度管理模式[6]。

3 应用效果分析

淮安市淮涟灌区自2011年实施水源精准调度方案以来，一是节约了灌区灌溉用水量，以灌区水稻用水量为例，忽略其他非主要要素，从2011年应用开始，灌区年均节水0.5亿m3以上(表2)，而且水源调度方案越精准，灌区节水效益越明显；二是有效缓解了灌区各片区用水矛盾，整个灌区再未出现因灌溉用水导致群众上访极端事件，而且因为用水量减少了，群众水费支出相应减少，社会效益明显；三是转变了灌区管理人员工作思路，提升了管理水平，推进管理工作迈上新台阶。

表1 淮涟灌区直管涵闸(干渠)循环轮灌方案

图3 灌区动态轮灌方案实现路径

表2 淮涟灌区2010—2020年水稻灌溉用水量统计

4 结 语

本文针对淮涟灌区现状水源调度存在问题，通过不断探索与经验总结，并综合运用大数据、物联网、云计算等现代科技手段，研究并提出了“基于动态轮灌的实时调控”大型灌区水源精准调度模式。经过多年的实践表明，该模式彻底改变了水源调度粗放管理局面，有效提高了灌区灌溉设计保证率，节水效益显著。

大型灌区水源精准调度模式践行新时期“节水优先、空间均衡”的治水理念，为水利工程精细化管理提供了经验做法，可以在水利工程管理多领域灵活运用，如区域防汛防旱、水库群联合调度、跨流域调水等水源空间调控领域提供了借鉴或工作思路。当然，在具体应用时要统筹考虑，因地制宜，区别对待，科学分析与决策，制定适宜的水源调度方案，才能取得预期的效果。