引黃灌區(qū)水資源配置的多目標耦合優(yōu)化分析

楊喜春

(內(nèi)蒙古綽勒水利水電有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

近年來，引黃灌區(qū)在水資源供需、泥沙淤積和土壤鹽堿化等方面的問題日益突出，能否綜合考慮水資源、經(jīng)濟和環(huán)境之間的關系，實現(xiàn)灌區(qū)持續(xù)健康發(fā)展成為研究的熱點。合理配置水資源，使有限的水量發(fā)揮其最大的效益，對于灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

如何科學地進行水資源配置，提高水資源的利用率，一直是水文水資源研究的難點。對于灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置，Divakar L等人[1]優(yōu)化了湄南河流域的水資源配置，并設計了程序；李彥剛等人[2]以效益為目標對寶雞峽灌區(qū)的水資源利用率進行研究；許曉華等人[3]通過對位山灌區(qū)泥沙淤積的研究，提出其對生態(tài)環(huán)境的影響以及解決措施；胡春宏等人[4]提出將泥沙與水資源聯(lián)合的配置方式；楊思存等人[5]對甘肅引黃灌區(qū)土壤的鹽漬化特性進行了典范對應分析。然而，這些方法對于水資源、泥沙和鹽堿化問題的研究屬于單方面或2方面的居多，而對于多目標的聯(lián)合研究較為少見。本文采用分層序列的方法對3個模型進行耦合，對小開河灌區(qū)水資源進行優(yōu)化配置，在保證經(jīng)濟效益和用水可靠性的前提下，提高水資源的利用率和環(huán)境效益，為灌區(qū)的水資源配置提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

小開河灌區(qū)位于山東省北部，覆蓋2區(qū)4縣，實際灌溉面積7.67萬hm2，灌區(qū)上游處于魯北淡咸區(qū)，下游處于魯北濱海區(qū)，地下水資源匱乏，年開采量0.0536億m3，地表水利用量0.11億m3。發(fā)展引黃灌溉以來，每年的引水量接近2億m3，灌區(qū)干渠全長91.5km，其中輸沙渠51.3km，沉沙池位于灌區(qū)中游，采用大比降遠距離輸沙，對于改善灌區(qū)環(huán)境意義重大。但隨著黃河水資源的緊缺以及自身需求量的增加，長期引黃帶來的土地次生鹽堿化[6]、渠道泥沙淤積等成為制約灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。

2 模型建立

根據(jù)小開河引黃灌區(qū)實際存在的問題，參考國內(nèi)外灌區(qū)水資源配置的可靠方案，在考慮未來發(fā)展趨勢的前提下，從水資源供需效益、泥沙長距離輸運和地下水埋深3個方面建立模型。在保證模型準確性的同時對問題進行適當簡化，降低復雜模型的求解難度和對數(shù)據(jù)精準性的要求，提高其實用性和普遍性。

2.1 水量模型

水資源的供需矛盾作為引黃灌區(qū)的常見問題，需通過確定各子區(qū)在各時段的各類引水量以及各行業(yè)的分配比例與方式，對水資源進行合理分配和利用，在滿足約束條件的情況下建立水量模型。

2.1.1 目標函數(shù)

(1)

式中，Wdi，j，k，Wri，j，k，Wgi，j，k—k時段i子區(qū)內(nèi)j行業(yè)的地表水，地下水和引黃水的使用量；αi，j，βi，j，γi，j—i子區(qū)內(nèi)j行業(yè)的引黃水，地表水和地下水的利用凈效益；引水時段以月計，并以經(jīng)濟效益作為最大考量指標。其中，小開河灌區(qū)的水資源包括地表水、地下水和引黃水，其中引黃水為主；用水區(qū)域為開發(fā)區(qū)、濱城區(qū)、陽信縣、沾化縣、惠民縣和無棣縣；用水行業(yè)主要為農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活。

2.1.2 約束條件

水量平衡約束，即各子區(qū)各行業(yè)所使用的引黃水量之和應等于各子區(qū)的有效引黃總量：

(2)

供水量約束，即各時段的引水總量應不大于3個水源的可供水量：

(3)

需水量約束，即分配到各行業(yè)的水量應介于該行業(yè)最低與最高需水量之間：

Di，j，k≤Wri，j，k+Wdi，j，k+Wgi，j，k≤Gi，j，k

(4)

非負約束：

Wdi，j.k≥0，Wri，j.k≥0，Wgi，j.k≥0

(5)

式中，Wtk—k時段的引黃總量;ηi—i子區(qū)的渠道利用系數(shù);LWdk—k時段引黃水的上限值;TWy—全年有效引黃水總量;LWri，k，LWgi，k—k時段i子區(qū)地表和地下水的上限值;Di，j，k，Gi，j，k—k時段i子區(qū)j行業(yè)最低和最高需水量。

2.2 泥沙模型

引黃河的同時也會造成泥沙的淤積，根據(jù)毛偉兵等人[7]的研究，小開河地區(qū)由于條件限制，長距離輸沙的方式較為合適。利用2個目標函數(shù)和約束條件來建立泥沙模型，從而達到減少淤積的目的。

2.2.1 目標函數(shù)

當黃河水含沙量較低時，引水量的比例應加大；同時引水量較小時，應優(yōu)先滿足上游的用水單位。根據(jù)黃河多年來各月的流量和小開河引黃閘每月的含沙量統(tǒng)計，將2個目標結合起來考慮，即弱化中上游區(qū)域低含沙期的作用，強化高含沙期的影響，從而達到降低高含沙期引水量，又能盡量分布在中上游的目的。

(6)

式中，π—調(diào)節(jié)系數(shù)，取0.05～0.5；Ω和Π—少含沙月份集和上游區(qū)域集。

2.2.2 約束條件

最低流量與引水能力約束：

(7)

式中，htk—k時段的引水時間;Ld—最大設計流量;Resi—i子區(qū)的最大引黃能力。

2.3 地下水模型

小開河引黃灌區(qū)地下水環(huán)境在各個子區(qū)的情況不同，但基本不存在超采漏斗和咸水入侵的問題，需注意長期引黃而不抽取地下水造成的土壤次生鹽堿問題。合理控制地下水位的深度在3～6m對農(nóng)作物的生長最為有利。

2.3.1 目標函數(shù)

(8)

式中，msi，k—k時刻i子區(qū)的地下水深度。

2.3.2 約束條件

地下水的水位隨著進去和損失的水量而變化，不考慮灌區(qū)各子區(qū)內(nèi)地下水水平方向上的交換，根據(jù)水量平衡得出地下水水位深度：

msi，k+1=msi，k-[ωi·Pi，k·F+(Wdi，1，k+Wri，1，k)

(ξi+σiρi)+Wgi，1，k(θi-1)]/μiFi+ETi，k

(9)

式中，ωi—降雨補給系數(shù);pi，k—降雨量;F—區(qū)域面積；j—農(nóng)業(yè)用水，j=1;ξi和ρi—渠系和灌溉入滲補給系數(shù);σi—渠系水利用系數(shù)；θi—井灌回歸補給系數(shù)；μi—給水度；ETi，k—地下水蒸發(fā)強度。

地下水深度下限：msi，k≤6。

3 計算結果與分析

由于各模型間的量綱不同，無法公度而進行直接求解，因此采用分層序列法進行多目標的耦合求解。先對水量模型進行求解，將其結果按80%的控制指標轉化為約束條件，合并入泥沙模型進行二次求解，將得到的結果同樣合并入地下水模型求解，最終得到3個模型耦合而成的最優(yōu)解。

多目標耦合的模型綜合考慮了水資源配置所帶來的經(jīng)濟、泥沙以及地下水環(huán)境效益，各層次求解的配置結果見表1、2。可以看出，隨著逐層求解，配置效果逐步均衡，其中經(jīng)濟效益雖略有下降，但保持在最優(yōu)值的95%左右；水沙目標有一定提高；地下水目標則不斷改善，最終達到42%的優(yōu)化效果。

表1 50%水平年的水資源配置結果

表2 75%水平年的水資源配置結果

不同水平年水資源最終的具體分配方案見表3、4，其中各類用水中水資源依次為地表水、地下水和引黃水。可以看出，在不同的水平年份，所分配的總水量均低于可供水量，其中引黃水占主要部分，引黃水資源的利用率達到80%，同時50%和75%水平年分別有868.68萬和705.94萬m3剩余水量，對于水資源的節(jié)約和灌溉面積的擴大具有明顯效果。

表3 50%水平年水資源最終的分配方案 萬m3

表4 75%水平年水資源最終的分配方案 萬m3

4 結語

基于水量、泥沙和地下水模型的多目標耦合模型，對小開河引黃灌區(qū)的水資源配置進行優(yōu)化分析，配置方案更加均衡，經(jīng)濟效益可保持在95%的范圍內(nèi)，水沙和地下水指標均有明顯提升。同時，50%和75%水平年的水量均有剩余，提高了水資源的利用率和用水的保證率，擴大了灌溉面積。表明該模型的合理性與可靠性，為小開河引黃灌區(qū)的水資源配置提供科學依據(jù)。