基于WEAP理論模型的某流域灌區節水灌溉研究

趙達提·克依木別克

(烏蘇市興源水務有限公司，新疆 烏蘇 833000)

大量研究表明，我國部分流域雖然水資源豐富，但從全年供需水量的關系看，仍存在農業、林業灌溉用水短缺的問題。調查結果顯示，出現這種供水端與需水端之間的矛盾關系，是由于在供需水端之間的供需路徑上出現了大量的損耗，這種損耗是由于灌溉技術落后而導致灌溉效率低下[1- 5]。目前，針對灌區灌溉效率低下導致的水資源浪費問題，我國學者已經展開了全面、深入的研究。高雅等[6]深入調查研究了農田灌溉工程中出現的滲漏問題，并通過現場研究提出渠道防滲襯砌施工技術等能有效改善水資源滲漏現狀；孫傳輝[7]以安徽省蕪湖市農業用水為研究對象，提出通過制定節水目標與用水效率，能夠為建設蕪湖市節水型社會作出巨大貢獻。

如何對水資源利用進行科學、合理的評價是流域灌區引進新型灌溉技術所面臨的一個難題。何照青[8]基于層次分析法基本理論，深入探討了層次分析法在灌區節水改造工程綜合評價中的應用，并指出該方法的高度可行性；程鵬等[9]以石家莊市節水型社會建設為例，對城市節水指標體系構建與評價提出了一定的建議；臧聰敏等[10]根據我國31個省的用水數據，從中選取9個具有代表性指標，并基于聚類分析和綜合權重理論對我國不同省份的節水水平進行了有效評價。

上述分析方法均采取指標、參數等手段對區域節水現狀進行分析，評價方法復雜且效率較低。本文基于WEAP模型基本理論，對某流域灌區水資源現狀及其根本問題進行了深入分析，并基于該方法對區域采用不同新型灌溉技術的改良效果進行了有效評價，并優選出最佳灌溉技術，為我國灌區引入新型灌溉技術及優選方法提供了一定的指導性作用。

1 區域現狀

本次研究灌區位于某流域中游段，該流域覆蓋面積超過4萬km2，河流全長超過500km，灌區屬于國家大(III)型自流灌區，實際灌溉面積為82.1萬畝，主要包括總干渠3條，干渠5條及支渠10條。根據現場調查及資料研究結果顯示，該流域灌區的灌溉方式仍以傳統式、粗放式、輕管理式為主，而采用的灌溉技術也處于較落后水平，調查結果發現區域的灌溉效率較差，因此導致了大量的水土流失、水資源浪費等不良后果。經過調查研究發現，該區域灌溉效率低下的主要原因如下：

(1)地形條件復雜。地質調查資料表明，由于該流域灌區所處區域地形十分復雜，因此很多高效、新型的灌溉技術都無法合理推廣到該地區，且由于上下坡較多，造成了許多不應存在的水資源流失。

(2)土壤土質因素。本次研究地區的地層土質以填土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土的順序分布為主，土層的保水能力較強，滲透能力差，灌水次數明顯少于我國其他區域，因此這也是合理引用新型灌溉技術的難題之一。

(3)農田小氣候因素。農田小氣候因素是一個比較復雜且影響因素較多的氣候系統，它是由不同農田內所種植的不同農作物之間的相互輻射、不同的溫度吸收效應、濕度以及二氧化碳生產能力所導致的，貫穿農作物生長的全過程。比如，噴灌對于農田小氣候的影響很大，是因為它能夠調節田間溫度與濕度的相互關系。

經研究發現，目前能夠適應地區各種條件、改善灌溉低下現狀的灌溉技術有大畦改小畦技術、農藝節水灌溉技術、骨干工程改造的工程節水技術及田間高效節水工程技術，因此，本文將基于WEAP模型，對各種技術的應用前景及合理性、經濟型進行評估。

2 灌區WEAP模型建立

WEAP(Water Evaluation and Planning)模型，也稱作水資源評估與規劃模型，通過將滿意度函數引入水資源優化配置模型中作為目標函數，深入分析3個子函數即社會效益、經濟效益和環境效益的綜合權重并計算各個子函數的滿意度結果，最后根據滿意度函數選擇最優方案，能夠為區域水資源的合理開發利用提供可靠的依據[11- 15]。因此，本文創新地將WEAP模型引入流域灌區水資源管理評價中，為區域合理利用水資源及最優灌溉方案的選擇提供科學的評判標準。

基于該灌區供需水現狀建立區域WEAP灌溉模型。首先，我們對區域需求端現狀進行分析，認為主要存在兩個分類，即農業用水需求與生態林地用水需求。根據模型基本理論，一個需求點的需水量是其所有底層分值的總需水量之和，即

S=k×m

(1)

式中，S—總需水量；k—總活動水平；m—用水定額(或實際需求量)。

基于上述需求計算方法，我們得出該灌區某年的需求端需水量與實際需水量的計算結果，如圖1所示。由圖1可知，根據定額計算所得到的該灌區需水量與實際需水量之間存在巨大差距，而這些差距是由灌溉技術落后、灌溉效率低下及地形環境等因素造成的。

圖1 流域灌區需求端需水量與實際需水量

圖2 流域灌區供水端供水量

進一步對該流域灌區的供水端進行分析，深入討論地區供水資源能否滿足區域需水要求，同樣采用WEAP模型進行分析，得出在該年供水端的供水量，如圖2所示。由圖2可知，區域的供水端供水量能夠滿足區域需求端需水量，卻不能滿足實際供水需求量。由此可見，只有通過引入新型灌溉技術、采用有效的改善手段，才能合理提高區域的水資源利用率，滿足區域農業與林業灌溉需求。

3 方案優選結果分析

由上述對區域現狀的分析可知，適合區域的新型灌溉技術與縣有關該技術的改良方法包括大畦改小畦技術、農藝節水灌溉技術、骨干工程改造的工程節水技術及田間高效節水工程技術。

WEAP模型對于灌區用水現狀的分析是基于其需求端與供水端之間的相互關系進行考證的，因此，通過設置不同試驗區進行對比，可以科學分析和探討不同改良技術手段的節水效果。本研究通過在該灌區劃分出A、B、C、D、E五個不同試驗場地，嚴格限制場地環境、面積等因素，使實驗環境相似。進一步對A、B、C、D四個場地分別采用不同改良技術手段，設置E場地為對比場地，進行近1年的監測試驗。根據試驗場地供、需水的監測結果，基于WEAP計算模型，分析各個改良技術方案的技術效果。由此，可以基于所建立的WEAP對不同方案下流域灌區水資源利用效率及結果進行分析與評價，優選出最佳灌溉技術方案。

通過在該流域灌區設置不同技術手段處理的試驗片區，并以某一片區作為未采取任何改善手段的對照區域，得出采用不同技術手段后的區域水資源短缺情況，如圖3所示。由圖3可知，四種不同新型灌溉技術或改良技術均能夠取得良好的改善效果，在該年的不同月份，各種技術均達到了提高水資源利用率、降低區域水資源短缺量的目的。進一步分析可知，田間高效節水工程技術在每個月的降低效果相近，其曲線走向形態與未采取任何技術手段區域的水資源短缺曲線相近；而大畦改小畦技術、農藝節水灌溉技術、骨干工程改造的工程節水技術則在1—4月節水效果明顯，而在高需水時間段的改良效率比較差。這是由于高需水期間也是流域的豐水期，河流及相應水渠的水位更高，因此造成的水資源浪費幾率與滲漏量更大。

圖3 該流域灌區在采用不同技術后一年內區域水資源短缺情況

基于流域灌區在采用不同技術后一年內區域水資源短缺情況，得出在不同改善技術下流域年總水資源短缺量，如圖4所示。由圖4可知，在未采取任何改良技術手段的情況下，區域的總水資源短缺量高達116.9×106m3。采取不同的灌溉技術后，水資源短缺量均得到了一定的改善，其中，采用大畦改小畦技術后水資源短缺量為73.20×106m3，改良效果達37.38%；采用農藝節水灌溉技術后水資源短缺量為36.70×106m3，改良效果達68.61%；骨干工程改造的工程節水技術后水資源短缺量為33.60×106m3，改良效果達71.26%；采用田間高效節水工程技術后水資源短缺量為57.75×106m3，改良效果達50.60%。由此可見，采用骨干工程改造的節水技術與農藝節水灌溉技術能夠取得良好的改良效果，大幅改善了區域的灌溉效率低下現狀。

圖4 不同改善技術下流域年總水資源短缺量

4 結論

本文依托某流域灌溉區節水灌溉改造工程，基于WEAP模型基本理論，深入分析了該流域灌區灌溉效率低下的主要原因及水資源短缺現狀，并得出以下結論。

(1)該灌區供水端供水量能夠滿足需水段的需水要求，但灌溉效率低下導致水資源大量浪費，供水量無法滿足實際需水量。

(2)適應區域條件的新型灌溉技術與改良技術主要有大畦改小畦技術、農藝節水灌溉技術、骨干工程改造的工程節水技術及田間高效節水工程技術，基于WEAP模型，得出區域最優改良技術方案為骨干工程改造的節水技術與農藝節水灌溉技術，改良效率分別高達68.61%與71.26%。