邢家渡灌区灌排设施布局优化及节水控制

陈晓燕，杜 伟，褚廷芬

(济南市水利工程服务中心，山东 济南 250100)

资源水利的核心是水资源优化配置，是研究资源水利时效性最好、最经济、最重要的技术手段，可以缓解水资源供需矛盾[1]。灌区灌排设施的合理布局和节水控制是水资源合理配置的重要方面，可以实现水资源合理利用和人类可持续发展[2]。在资源性缺水和水资源过度开发的区域，利用相关方法和理论对灌区灌排设施进行优化布局，可以最大限度的发挥水资源的环境效益、经济效益和社会效益，缓解因水资源不足造成的供需矛盾，对改善水环境质量和生态环境质量具有重要意义[3]。当前灌区灌排设施布局优化方法存在布局合理性差和节水控制有效性差的问题，需要对灌区灌排设施布局优化方法进行研究[4]。

杨改强[5]等人提出基于排队理论的灌区灌排设施布局优化方法，该方法将作物用水、渠系供水和渠首拱灌水等方面的用水关系作为约束条件，将最短灌水历史作为目标，构建灌区灌排设施布局优化模型，实现灌区灌排的节水控制，该方法没有考虑灌区布局的影响因素，导致节水系数较低，存在节水控制有效性差的问题。姜瑶[6]等人提出基于两层协调模型的灌区灌排设施布局优化方法，该方法考虑灌区具有组成复杂、互相联系、多层次等特点，将运行功耗最小和各层缺水量平方和最小作为目标，构建灌区灌排设施布局优化模型，实现灌区的节水控制，该方法没有对灌区的工程情况进行分析，灌区的水流速度较低，存在布局合理性差的问题。

针对上述中存在的水流速度较低、布局合理性差问题，文章以济南市邢家渡灌区灌排设施布局优化为例，提出设施布局优化和节水控制方法，以期提升灌区节水能力。

1 灌区工程现状及影响因素分析

1.1 工程现状

邢家渡引黄灌区位于济南市北部，引黄闸位于黄河左岸桩号146+783 处，灌区兴建于 1973 年，辖济阳、商河、天桥三县(区)，21个乡镇，998 个自然村，设计灌溉面积 93 万亩，是济南市重要的粮食、蔬菜生产基地。灌区历史上旱涝灾害频繁，常有连续数年干旱和受涝，也有一年内先旱后涝，旱涝灾害重复发生的年份。 内渠道在灌区内均为灌排两用，灌区运行了很多年，并没有得到合理的治理，河道水位在灌溉季节水位下降，沟渠淤积严重，自然引水条件差，导致保证率较低。

项目建成后可以改善灌区的内涝和干旱情况，优化灌排设施布局，提高水资源利用能力，加强节水控制，综合效益明显。

1.2 影响因素

1.2.1渠道的布置形式

所提方法在灌区中直接通过水泵从河道引水，并将引到的水传送到渠道系统中，对灌排设施进行布置时应该尽可能的做到少占农田、线路短、土方开挖少、起伏小，尽量将渠道敷设在规划道路或现有道路中，方便维护和施工；尽量避免渠道穿越高侵蚀性土壤地区、沼泽、泄洪区和铁路；在条件许可的情况下根据地形的高差度，利用重力输水降低动力消耗，灌区灌排设施布局通常为“梳”形布置[7]。

1.2.2灌溉面积

灌溉面积在特定条件下受到的制约较多，如水源条件，灌区灌溉面积直接受水源水量不足的影响，当水源条件保持不变时，如果能合理确定灌溉定额、灌溉水利用系数，较大面积的土地可以通过有限的水资源得到灌溉。

2 灌区灌排设施布局优化模型构建

根据邢家渡灌区工程现状以及影响灌区灌排设施布局的影响因素的分析结果，构建灌区灌排设施布局优化模型。

2.1 工程费用函数

随着系统总投资的增加，灌区管理人员工资、管理费和灌区维护费会随之增加[8- 10]。设C代表的是灌区灌排设施年运行费用，其计算公式如下：

C=C1+C2+C3+C4+C5

(1)

式中，C1—燃料动力费；C2—维护费；C3—管理费；C4—管理人员工资；C5—其他费用。

2.2 工程效益函数

邢家渡灌区灌排设施布局优化及节水控制方法通过分摊系数法对灌溉效益进行计算：

B=A·ε(Y-Y0)·P

(2)

式中，B—灌区灌排设施的年灌溉效益；ε—灌溉效益分摊系数；A—作物在灌区中的种植面积；Y—作物单位面积在采取灌溉措施后的多年平均产量；Y0—作物单位面积在未采取灌溉措施前的多年平均产量；P—农作物产品对应的价格。

作物在灌区内的种类不是单一的，是比较复杂的，因此各种作物的效益之和即为灌区的效益，灌区的效益可通过下式计算得到：

(3)

式中，αk—第k种作物对应的种植系数；s—作物种类数；εk—第k种作物对应的灌溉效益分摊系数。

2.3 灌区灌排设施布局优化模型

2.3.1优化模型

将灌区年净现值作为优化目标，确定使用年限，构建灌区灌排设施布局优化模型NAVmax：

(4)

2.3.2约束条件

(1)灌溉面积

最大灌溉面积描述的是在自然条件限制下，如气候、地貌等，适合农业灌溉的最大耕地面积；最小灌溉面积描述的是设计灌区时规划的最小面积。

Amin

(5)

式中，A—建设灌区灌排设施时设计的灌溉面积；Amax—最大灌溉面积；Amin—规划灌区时的最小灌溉面积。

(2)渠道水流速度

在渠道引水灌溉过程中流速是重要的约束条件。流速的大小是形成水头的原因，同时也会对灌溉是否淤泥产生影响。为了避免渠道中出现淤积，渠道允许的不淤流速VLj应该小于流速Vj。

(3)可供水量

W≤Wmax

(6)

式中，Wmax—主管部门分配水量，即年最大允许引水量；W—灌区年实际引水量。

(4)资金约束

包括年运行费用投资和工程建设投资：

K≤Kmax

(7)

式中，Kmax—工程允许最大投资；K—工程总投资。

3 节水控制模型

灌区灌排中的水量分配可以分为以下几个情况：

(1)如果灌区作物全生育期最优产量耗水量小于有效降雨和渠首可引水量时，作物灌溉用水能够通过有效降雨和引水满足，此时引水的成本较低，不需要提水灌溉。

(2)如果降雨和渠首引水量不足，此时需要提取回归水，分为两种不同的类型。

作物全生育期最优产量下的耗水量小于可抽提的回归水、有效降雨和渠首引水量之和时，将单位面积收益最大作为目标函数，对灌区中的水量进行分配，根据引水的水费、提水水费和作物单位价格等对内部提水站的提水水量进行确定，并采用最优产量配水模式对灌区进行灌溉。

从经济角度出发，如果作物全生育期耗水量大于等于渠首引水量、有效降雨和抽水量之和，通过作物-水模型对灌区中的配水进行优化。

(3)如果作物最优产量的耗水量无法通过抽水量、降水量和可引水量之和得以满足时，通过作物-水模型对灌区中的配水进行优化。

通过上述分析，构建节水控制模型：

(8)

4 实验结果与分析

为了验证邢家渡灌区灌排设施布局优化及节水控制方法的整体有效性，需要对邢家渡灌区灌排设施布局优化及节水控制方法进行测试。

4.1 水流速度

分别采用邢家渡灌区灌排设施布局优化及节水控制方法、基于排队理论的灌区灌排设施布局优化方法和基于两层协调模型的灌区灌排设施布局优化方法进行测试，对比不同方法的水流速度，测试结果如图1所示。

图1 不同方法的水流速度

当迭代次数为50次时，排队理论的灌区优化方法的水流速度为1L/s，两层协调模型的灌区优化方法的水流速度为0.9L/s，本文方法的水流速度为3.3L/s如图1所示。当迭代次数为80次时，排队理论的灌区优化方法的水流速度为0.7L/s，两层协调模型的灌区优化方法的水流速度为1.1L/s，本文方法的水流速度为3.2L/s。本文方法的水流速度更快，单位时间内能灌溉的面积也更大，同时能够有效较少能量消耗。这是因为本文方法在构建灌区灌排设施布局优化模型时，考虑了灌区的工况情况，将渠道水流速度作为约束条件，提高了水流速度，提高了布局的合理性。

4.2 节水系数

设置节水系数，在区间[0，10]内取值，节水系数越高表明方法的节水控制效果越好，分别采用本文方法、排队理论的灌区优化方法和两层协调模型的灌区优化方法进行测试，对比不同方法的节水系数，测试结果如图2所示。

图2 不同方法的节水系数

由图2中的数据可知，对于不同面积的灌区来说，节水系数是不同的。当进行节水控制灌区的面积为300m2时，排队理论的灌区优化方法的节水系数为4.4，两层协调模型的灌区优化方法的节水系数为5.7，本文方法的节水系数高达9.8。当进行节水控制灌区的面积为900m2时，排队理论的灌区优化方法的节水系数为4.8，两层协调模型的灌区优化方法的节水系数为4.5，本文方法的节水系数高达9.6。整体来看，当进行节水控制灌区的面积超过800m2时，三种方法的节水系数基本趋于平稳，本文方法的节水系数远远高于其他两种方法，具有较高的节水性能。

5 结语

当前灌区灌排设施布局方法存在布局合理性低和节水控制效果差的问题，提出邢家渡灌区灌排设施布局优化及节水控制方法，通过实验得出以下结论：

(1)本文方法的水流速度较快，单位时间内能灌溉的面积较大，迭代次数为80次时，本文方法的水流速度可达3.2L/s。

(2)本文方法的节水系数较高，具有较高的节水性能。当进行节水控制灌区的面积超过800m2时，本文方法的节水系数高达9.8。

(3)排灌设备发展潜力巨大，关键技术环节仍需突破。例如实现排灌泵站节能技术改造；推广以小水源开发利用、风光互补提水设备、高效蓄水和引水为主的农牧区节水灌溉技术；大、中型灌区全渠道控制技术研发，实现精准控制灌溉；发展高效的喷、微灌机械和自动化技术与设备等。智能化与信息化是排灌机械行业全面提高发展质量和核心竞争力的关键环节，将互联网平台和信息通信技术融合到产品全生命周期，实现生产过程数字化、网络化和智能化；形成“互联网+排灌机械标准件”是未来的一个发展模式。因此，加强灌排装备的理论研究和自主创新，发展高效、节能和环保的技术和产品，提高产业信息化、智能化和网络化，加大节水灌溉的推广力度，是实现农业现代化生产建设的必然趋势。

(4)科学做好规划建设规模预测，加强水利工程灌排规划与设计，可以提高农业的产出效率，还可以提高农产品的质量和相关生物性能，同时还可以为农产品的增产创设优良的条件和前提保障。

(5)发展规模化节水灌溉，首先需解决灌溉水源问题。邢家渡地区水资源比较丰富，目前仅是水源拦蓄、引用工程不足，必须加强水源工程建设，把水引进来，通过新增和完善蓄水闸、橡胶坝、水库等拦蓄当地径流，并加大引进过境水补给能力，保障滩地综合开发的水资源要求；新建涵闸、提水泵站等引水口门设施，提高引提水能力。整理滩地水系，完善田间引水配套设施；疏浚排水沟，完善排水口门设施，实现滩地“灌得上、排得出”，提高农业灌溉水利用系数。