農業灌區機井規劃布局研究進展

張嘉星，齊學斌，喬冬梅

（1中國農業科學院農田灌溉研究所，河南新鄉453002；2中國農業科學院研究生院，北京100081；3中國農業科學院農業水資源高效安全利用重點開放實驗室，河南新鄉453002）

農業灌區機井規劃布局研究進展

張嘉星1,2，齊學斌1,3，喬冬梅1

（1中國農業科學院農田灌溉研究所，河南新鄉453002；2中國農業科學院研究生院，北京100081；3中國農業科學院農業水資源高效安全利用重點開放實驗室，河南新鄉453002）

農業灌區機井的合理布局對于合理開發利用地下水資源，保障糧食安全等方面都有著極其重要的作用。從灌區機井規劃布局的基礎理論研究、規劃布局的方法、機井空間布局適宜性評價3個方面概括了機井布局的國內外研究現狀與存在問題，并對下一步研究重點給出了建議：加強井渠結合灌區機井規劃研究，強化機井空間布局及其適宜性評價方法探討，重視GIS技術、地下水模擬軟件和各種現代啟發式算法等新技術在機井空間布局優化應用研究。

灌區機井布局；井流理論；啟發式算法；GIS技術；適宜性評價

0 引言

地下水是中國北方地區的重要供水水源，在保障中國糧食生產安全方面發揮了重要作用。截至2010年底，在供水量方面，中國機井的供水量達847.91×108m3，占地下水總供水量的77%。全國用于農業灌溉的地下水取水量約666×108m3，占灌溉總取水量的19%，全國累計已建成各類機井有533.71萬眼，其中灌溉機井占的比例最大，占全國的93.9%[1]。但中國各地地下水的開發利用程度很不平衡，北方地區的地下水超采嚴重，使得地下水位下降，機井報廢等問題嚴重[2]。而有些地區的地下水資源尚未得到合理開發。因此，研究灌區機井的合理布局對于緩解區域地下水位下降、實現農業水資源高效利用、改善地區生態環境都起著重要作用。

1 灌區機井布局理論研究

灌區機井布局是通過對地下水的滲流研究分析不同性質流動情況下的井流理論。G·哈根于1839年觀測到毛管中水力坡度與水流的層流流速成線性關系。達西通過大量試驗得出達西定律，即水在巖土孔隙中的滲透定律，它為地下水流運動規律的研究提供了相關的理論基礎；20世紀20年代末，地下水流的不穩定運動引起人們的關注。1935年利用熱傳導方程的相似性有關學者提出了地下水向井孔運動的非穩定流井流公式。Jacob等[3]于1955年提出承壓含水層中有越流補給的非穩定井流模型。此后，一些學者在潛水井流模型的延遲指數方面做了一些研究。70年代以后，研究井流理論開始使用一些優化和模擬技術，信息技術的發展為處理水文地質問題帶來便捷。張蔚榛[4]通過對不同布置形式的井群的研究，建立了地下水非穩定流模型。陳鴻吟[5]推導出承壓水單井的流線方程和滲流速度的近似解析值。常安定等[6]為地下水動力學引入了作用現象理論和作用的對立統一理論，考慮滯流作用下的潛水變邊界井流問題。Singh等[7]、Hunt等[8-9]應用前人研究的抽水滲流理論對抽取承壓水引起地下水位下降的問題建立了模擬模型，分析了承壓含水層邊界條件和水力參數等對河流疏干速率的影響。陳凌顏等[10]利用Boulton井流公式和降深比值關系求解潛水非穩定流條件下的水文地質參數，便于實際工程應用。江峰等[11]依托在潛水含水層中開展的10組高分辨率抽水試驗，探討了Theis、Boulton和Neuman 3種潛水井流模型的識別精度。

總之，國內外機井布局理論研究多側重于地下水的動態變化，為機井的出水流量提供了計算依據。在灌區的機井規劃的國內外研究中，大部分是對井灌區的機井布局理論和方法的研究，而井渠結合灌區的機井布局研究較少，今后應加強對井渠結合灌區的井流理論研究。針對過去有些地區對地下水的盲目開采，造成機井布局、配套不合理的問題，要將井流理論應用于實際的機井建設中，做好機井的合理規劃，提高灌區綜合效益和發展水平。

2 灌區機井布局方法研究

近年來國內的關于灌區機井布局方法的研究相對于國外較多，并且隨著科學技術的不斷進步，機井布局的方法從常規規劃法向智能優化模擬技術發展。灌區機井布局方法主要圍繞如何確定適宜的井數、井距及單井控制面積等方面展開，目前可將機井布局方法分為以下幾類。

2.1 常規規劃法

常規規劃法是人們基于當地水文地質狀況和地下水利用現狀，根據傳統的布井經驗和大量試驗，對機井進行優化布局的方法。

經驗法適用于灌區資料較缺乏的地區，是綜合考慮灌區地質狀況規劃井位、井數和井深，該方法在早期機井規劃中應用較多。抽水試驗法可以較準確地計算出當地的水文地質參數，適用于含水層條件較特殊的地區，目前使用較為普遍。聶慶林等[12]用抽水試驗法確定地下水水源地的承壓含水層水文地質參數，以進行地下水可開采量的計算。李淑娟等[13]采用單井穩定流抽水試驗，計算出水文地質參數，從而確定井距。單井灌溉面積法和允許開采模數法是根據灌區供需水量的關系計算確定機井布局，該方法綜合考慮了地區水資源承載力等狀況，計算方法較簡便，但該方法并未考慮社會經濟效益，應用上有限制。于長青等[14]在尋求灌區灌溉效益最大的情況下運用了單井灌溉面積法和允許開采模數法計算井數。

以上可見，一般規劃法適用于灌區缺乏水文地質資料的地區，并且因為其計算方法簡單，在早期機井規劃中應用較多。但傳統規劃法未能考慮灌區的生態環境效益和綜合發展狀況，應用上有一定的局限。

2.2 系統規劃法

系統規劃法作為運籌學的重要分支，隨著這幾十年的發展，已經廣泛應用于工程等各類基礎學科中[15]。系統規劃法包括線性規劃、非線性規劃、整數規劃和多目標規劃法。

線性規劃是在水資源領域中應用最早也是最廣泛的一種規劃技術[16]。在灌區機井規劃研究中，可用線性規劃求解井數，但因為實際的水位、水量等不能嚴格的滿足線性條件，所以該方法的應用有一定局限性。非線性規劃是具有非線性約束條件或目標函數的數學規劃[17]。決策者可根據灌區經濟社會效益和生態環境效益設定滿足區域綜合發展的目標函數和約束條件，從而合理規劃機井布局。陶國玉等[18]為得出經濟效益最大的機井方案采用了非線性規劃法，對河北省藁城縣灌區機井進行優化布局。整數規劃中的變量（全部或部分）限制為整數。因為井數的取值為整數，所以整數規劃在機井布局中有一定的應用。張遠東等[19]通過目標函數為降深最小的0-1整數規劃法，采用分支-定界法確定了水源地的最優開采井位布局。多目標規劃是在多個目標函數的可行域中最優化的決策方案[20]。水資源配置理論中多目標規劃應用較多，因為原有的單目標規劃法已不能滿足灌區水資源的優化配置，因此可依據灌區水文地質條件和經濟效益等方面的發展要求建立多目標函數，建立機井布局的數學模型，求解出單井出水量或井數，得出最佳決策方案。王洪波等[21]在查哈陽灌區用多目標規劃法建立了水資源優化配置模型，解決灌區的水資源分配問題。

以上可見，系統規劃法綜合考慮了灌區的水文地質條件和當地經濟、社會和生態環境的發展目標，在機井規劃中能解決許多一般規劃法未能解決的問題，具有廣泛的應用前景，但面對機井布局中的復雜的不確定性問題，用該方法解決仍然比較困難。

2.3 現代啟發式算法

現代啟發式算法已經廣泛用于解決資源分配、生產運輸等工程優化問題，現代啟發式算法包括人工神經網絡算法、遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法、人工魚群算法、模擬退火算法等。現代啟發式算法主要解決在眾多方案中什么樣的方案最優，以及如何找出最優方案的問題，其在水資源優化配置中應用較多。

人工神經網絡(Artificial Neural Network，ANN)是一種模仿人腦結構進行信息處理的智能算法，具有很強的非線性適應處理功能[22]。羅定貴等[23]用RBF神經網絡對地下水進行動態模擬與預測，結果表明其模擬精度高，效果較好。徐建新等[24]利用神經網絡法對灌區的灌溉供水量進行了預測，并用山東聊城彭樓灌區的數據進行驗證，結果表明其預測精度符合現實需要。楊先野[25]將人工神經網絡算法和模糊系統理論結合為模糊神經網絡模型，對降雨、地下水、土壤質量和農業用水進行預測和評價，為水土資源高效利用提供了新思路。陳小強[26]引入人工神經網絡法，建立了水資源可持續發展與其影響因子間的定量關系模型。遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)是模仿自然遺傳機制的全局隨機搜索算法[27]。賀北方[28]以綜合效益最大為目標，用遺傳算法求解大系統多目標的區域水資源優化配置模型。李彥剛[29]以灌區井數為決策變量，灌溉最小費用為目標函數，用遺傳算法求解井數。模擬退火算法(Simulated Annealing，SA)是解決大規模組合優化問題的一種全局隨機性方法[30]。該方法目前已在神經網絡、控制工程等各類工程中得到廣泛應用。吳丹[31]以宜布井點坐標為決策變量，從井數、井距、優先級別3個方面進行限制，采用模擬退火算法，構建機井布局優化模型，實現機井的最終優化布設。

總之，國內關于優化算法在灌溉方面的研究多集中于灌溉水量預測和水資源評價等方面，有關機井布局的研究較少。隨著電子信息技術的發展，人工神經網絡算法、遺傳算法和模擬退火算法等智能算法越來越完善，可用以解決許多不確定性問題，為機井的優化布局提供了新思路。

2.4 新技術在灌區機井布局中的應用

灌區機井布局研究中一些新技術的應用并不多，但最近幾年新技術的發展較快，這些新技術主要包括地理信息系統(GIS)和地下水動態模擬軟件等。

GIS技術是近些年迅速發展起來的一門空間信息分析技術，能夠對海量地理信息數據進行兼容、存儲、管理、分析等。目前GIS在國土管理、農林牧業、水利電力等領域得到了廣泛應用。在農業水資源領域，GIS技術多側重于灌區水資源的管理系統的開發，而應用于機井布局的研究并不多。徐網谷[32]運用GIS等軟件，設計了地下水開采鑿井空間輔助設計系統方案，并結合數據庫設計工具，實現了鑿井位置等屬性信息的錄入和可視化查詢。蔣樹芳等[33]采用MapWindow開源地理信息系統組件等軟件，設計一種灌溉管網輸水灌溉信息控制系統，用于井渠結合灌區的信息化管理。地下水動態模擬軟件可以較好地反映復雜水文地質條件下的地下水流狀態，其原理是首先建立分析地區的地層三維模型，然后將其劃分成眾多的規則單元分別進行計算，再將計算結果綜合輸出。這些模擬軟件主要有美國的GMS(Groundwater modeling system)、SUTRA，德國的FeFlow，加拿大的Visual Groundwater等。王康等[34]用MODFlow軟件模擬在某一確定的地下水開采強度下，不同水井布局方案的地下水動態變化過程，探討機井布局新的形式。葉偉聰[35]分別用FeFlow和MODFlow軟件對地下水水流進行動態模擬，比較了2個地下水模擬軟件的優缺點。地下水數值模擬技術可以模擬地下水流運動，并且有較好的仿真度，在井流理論的研究中可以多加應用。

以上可見，新技術在水資源領域應用較多，但在機井布局中的應用不多，所以應重視GIS的空間數據分析和綜合處理能力和地下水模擬軟件在井流理論中的應用，將這些新技術應用到機井空間布局規劃中，建立優化模型，對灌區機井進行全面的規劃。

3 機井空間布局適宜性評價

灌區機井空間布局的適宜性評價對于地下水的合理開采與機井的優化布局具有重要作用。井位的選擇不僅影響機井建設的投入成本，也會影響農業生產的經濟效益。對于灌區機井總體規劃而言，尤其在水資源匱乏、地下水位下降嚴重的地區，更需要確定適宜布井區域，從而對現有機井進行調整。目前對機井空間布局適宜性評價的方法主要有模糊綜合評判法、層次分析法、灰色綜合評價法、神經網絡法、數據包絡分析法、綜合指數法等[36-37]。劉鑫等[38]在石羊河流域紅崖山灌區提取土地資源利用類型、地下水埋深等影響因素作為機井空間布局的適宜性評價指標，采用熵權法確定各指標的權值。

模糊綜合評價法是一種基于模糊數學的適合解決難以量化的問題的綜合評價方法。李進等[39]用模糊綜合評價法對咸陽市地表水環境質量進行評價，得出評價結果符合實際狀況，說明該方法可用于水質評價。層次分析法是將問題分解成若干層次，將定性與定量分析方法相結合的一種評價方法[40]。盧文喜等[41]將層次分析法與模糊綜合評價相結合對石頭口門水庫匯水流域的河流進行評價，驗證了該評價方法的可靠性。灰色綜合評估法是對某個系統進行灰色評估，先給出評估類別的標準，以確定各指標的級別[42]。神經網絡分析法是一種可以自組織、自學習的非線性建模過程，能從大量的復雜數據中發現其規律。謝恒星[43]通過建立BP人工神經網絡模型對水環境質量進行綜合評價，以制定地區發展規劃。數據包絡分析方法是一種對多項投入指標和產出指標進行有效性評價的數量分析方法[44]。綜合指數法作為進行綜合評價的一種方法，多用于水質等環境評價中[45]。

總之，適宜性評價方法的相關研究主要集中在耕地、林地、土壤等自然資源利用方面[46-50]。就灌區地下水管理而言，主要集中在對水質的評價，而綜合分析灌區水文地質條件和地下水承載力等因素，對機井空間布局進行適宜性評價的研究較少。所以針對機井空間布局及其適宜性評價方法的研究需要進一步加強。

4 存在問題及展望

綜上所述，關于灌區機井布局的研究已取得了不少成果，但由于過去很多地區盲目建設機井，地下水開采隨意性大，許多機井規劃方法停留在理論研究，沒能應用于實際。同時隨著研究的深入，常規方法的局限性也越來越明顯，基于水資源可持續開發利用的灌區機井合理布局還有一些問題需要深入研究，建議今后從以下方面開展工作。

（1）加強對井渠結合灌區的機井規劃研究。在灌區的機井規劃中，大部分是對井灌區的機井布局理論和方法的研究，而對地下水和地表水的聯合運用的機井布局研究較少。今后應加強對井渠結合灌區機井布局的研究，做好機井的合理規劃，提高灌區的經濟效益、社會效益、生態環境效益。

（2）重視現代啟發式算法在機井布局中的應用。啟發式算法可用來解決許多復雜的不確定性問題，從而為機井優化布局方法提供理論基礎。但啟發式算法在灌溉方面的研究多集中于灌溉水量預測和水資源承載力等方面，有關機井布局的研究較少。今后可以引進最新的智能算法，對灌區機井進行合理布局。

（3）重視GIS的空間數據分析和綜合處理能力和地下水模擬軟件在井流理論中的應用。現有研究多側重于GIS管理系統的開發，但其強大的空間數據分析和綜合處理能力，并沒有得到充分利用。將GIS的數據分析、管理技術應用到機井空間布局規劃中，以確定機井的布設位置并對機井進行信息化管理。

（4）加強機井空間布局及其適宜性評價方法的研究。相對于機井數量研究，機井空間布局研究較少，同時為了確定井位要對其空間布局進行適宜性評價，而當前這一方面的研究較少。今后應進一步加強對機井空間布局及其適宜性評價方法的研究。

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Research Process of Motor-pumped Well Planning Layout in Agricultural Irrigation District

Zhang Jiaxing1,2,Qi Xuebin1,3,Qiao Dongmei1

(1Farmland Irrigation Research Institute,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Xinxiang 453002,Henan,China;2Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081;3Key Laboratory of High-efficient and Safe Utilization of Agriculture Water Resources of CAAS of Henan Province,Xinxiang 453002,Henan,China)

The rational distribution of motor-pumped wells was important to the reasonable exploitation and utilization of groundwater resources and national food security.The authors summarized the research status and existing problems from the aspects of the theoretical research,methods of planning and the suitability evaluation of wells.Suggestions on future research emphasis were provided:strengthening the study of wellcanal combined,paying attention to the study on the suitability evaluation methods and spatial layout, strengthening new technologies(GIS,groundwater simulation software and a variety of modern heuristic algorithms)application in motor-pumped well spatial layout study.

Motor-pumped Wells Layout;Well Flow Theory;Heuristic Algorithms;GIS Technology; Suitability Evaluation

S273.4

A論文編號：cjas15080002

公益性行業（農業）科研專項經費資助項目“沿黃典型井渠結合灌區作物高效用水技術集成與示范”(201203077)；國家“863”計劃課題“污灌農田及退化土壤修復關鍵技術”(2012AA101404)；基本科研業務費預算增量項目(2014ZL013)。

張嘉星，女，1993年出生，安徽和縣人，碩士研究生，主要從事水資源安全高效利用研究。通信地址：453002河南省新鄉市宏力大道380號中國農科院農田灌溉研究所水資源環境室，Tel：0373-3393402，E-mail：898773475@qq.com。

齊學斌，男，1963年出生，陜西戶縣人，研究員，博士生導師，博士，主要從事水資源與水環境方面研究。通信地址：453002河南省新鄉市宏力大道380號中國農科院農田灌溉研究所，Tel：0373-3393227，E-mail：qxb6301@sina.cn。

2015-08-03，

2015-10-04。