MIKE BASIN 在麻栗壩灌區(qū)水資源配置中的應用

孔春梅,連澤儉

(1.云南省水利水電勘測設計研究院,云南昆明 650021;2.水利部綜合事業(yè)局,北京 100053)

水資源配置是根據區(qū)域水資源問題,對區(qū)域水資源進行科學調度與合理配置,并提出合理的配置方案,實現(xiàn)水資源在不同區(qū)域和用水戶間公平有效分配,達到水資源可持續(xù)利用的目的[1-7]。MIKE BASIN 是由丹麥水利與環(huán)境研究所(DHI)開發(fā)的集成式流域水資源規(guī)劃管理決策支持系統(tǒng)軟件,其最大特點是基于GIS 的開發(fā)應用技術,以ArcGIS 為平臺引導用戶自主建立模型,具有不同時空尺度的水資源系統(tǒng)模擬計算以及結果分析展示、數據交互等功能[8-11]。

隨著隴川縣全面建設小康社會發(fā)展戰(zhàn)略的實施,水資源短缺問題日益突出,用水結構不合理、水質污染嚴重、用水效益低下、缺水與用水浪費并存等問題普遍存在,這種粗放型的水資源利用方式對水資源管理提出了極大的挑戰(zhàn)[12-13]。麻栗壩灌區(qū)是國務院確定的172 項節(jié)水供水重大水利工程之一,灌區(qū)的建設對建設國家商品糧基地、促進邊疆少數民族地區(qū)脫貧致富和地方經濟社會發(fā)展具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況

麻栗壩灌區(qū)處于高黎貢山西坡南部,位于云南省隴川縣中南部南宛河河谷盆地——隴川壩。灌區(qū)土地面積4.05 萬hm2,耕地面積2.61 萬hm2。麻栗壩灌區(qū)地勢平坦,土地肥沃,區(qū)域雨量豐沛,光熱條件優(yōu)越,有較好的糧食、甘蔗、優(yōu)質烤煙、反季蔬菜的生產種植條件,是發(fā)展農業(yè)生產的理想地區(qū)。麻栗壩灌區(qū)貫穿整個隴川壩子,隴川縣已被列入《全國新增500 億kg 糧食生產能力規(guī)劃(2009—2020)》(國辦發(fā)〔2009〕47 號)所確定的全國800 個產糧大縣名單中。

麻栗壩灌區(qū)水資源豐富,主要河流為南宛河,屬伊洛瓦底江水系瑞麗江一級支流。灌區(qū)多年平均降水量1 676 mm,但降雨時空分布不均,枯季11 月至次年4 月降水量僅占全年降水量的9.3%。與降水量相應,12 月至次年5 月徑流量只占全年徑流量的18.8%。5—10 月為雨季,雨量豐沛,降水量占全年總降水量的90.7%。

麻栗壩灌區(qū)雖然水利條件較差,但耕地條件較好,農業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆＝y(tǒng)籌布局灌區(qū)工程,優(yōu)化配置水資源,實現(xiàn)水源聯(lián)合調度,才能充分發(fā)揮灌區(qū)的資源優(yōu)勢,使灌區(qū)的缺水狀況得到根本改善,保證灌區(qū)經濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

2 MIKE BASIN 水資源配置模型的構建

2.1 MIKE BASIN 模型基本原理

MIKE BASIN 軟件以河流水系為主干,以工程、用戶以及分匯水點等為節(jié)點和相應水力連線構建流域系統(tǒng)圖,通過用戶建立的系統(tǒng)和各類對象實現(xiàn)動態(tài)模擬。模擬考慮多水源聯(lián)合供水,以不同方式下的水庫運行以及庫群聯(lián)合調度為計算方法,并對系統(tǒng)中農業(yè)灌溉、生活及工業(yè)用水進行計算,通過可修改調整的優(yōu)先次序或規(guī)則進行水量分配計算。

MIKE BASIN 模型遵循基本的水量平衡,在各個物理元素位置,其水量的進、出和蓄量變化之間是平衡的。首先根據各用水戶的重要性、用水的經濟效益和用水戶的社會影響等因素,制定好用水節(jié)點的優(yōu)先順序。在水資源模擬演算過程中,MIKE BASIN模型采用局部優(yōu)先性原理,優(yōu)先性最高的用水節(jié)點先獲得水,而且只有在其需水得到充分滿足的情況下,第二優(yōu)先性的用水節(jié)點才能獲得供水,其余節(jié)點以此類推。

2.2 研究區(qū)水資源系統(tǒng)網絡構建

整個麻栗壩灌區(qū)按照“多水源聯(lián)合調度、共同解決灌區(qū)內生產生活用水的”總體目標,發(fā)揮麻栗壩水庫“水量大、調節(jié)能力強”的優(yōu)勢,發(fā)揮周邊小水庫“水質好、位置高”的特點,構建以“麻栗壩水庫為核心,以東、西低、西高3 條干渠為動脈,以連通工程、引水工程為通道”的聯(lián)合供水系統(tǒng)。

按照“高水高用、近水先用、已有水庫先供、規(guī)劃水庫后供”的原則,綜合考慮小水庫所在位置及水質條件,對灌區(qū)內水源工程及用水戶進行水資源配置。根據現(xiàn)有水庫供水能力復核成果,海崗、丙寅水庫供水能力較大。規(guī)劃水平年對其供水任務進行調整,海崗水庫優(yōu)先滿足景罕鎮(zhèn)生活、一般工業(yè)、蔗糖園區(qū)用水后再進行農業(yè)灌溉;丙寅水庫優(yōu)先提供工業(yè)用水再進行農業(yè)灌溉,其余小水庫保持原有農業(yè)灌溉供水任務不變。

麻栗壩水庫由于自身水質原因且干渠輸水過程中可能存在面源污染的風險,不考慮作為灌區(qū)內生活用水。規(guī)劃水平年,在優(yōu)先滿足糖廠干流取水不足水量及一般工業(yè)用水的前提下,與周邊小水庫進行水量聯(lián)合調度,共同滿足3 條干渠內農業(yè)灌溉需水。

東干渠以上有4 座小(一)型水庫,分別為在建的弄回水庫和新建的近允、壯賽、南麻水庫。弄回水庫水質條件較好,首先保證章鳳鎮(zhèn)縣城生活用水后再進行農業(yè)灌溉;南麻水庫位置較高且距離特色工業(yè)園區(qū)較近,優(yōu)先滿足工業(yè)用水再進行農業(yè)灌溉;近允、壯賽水庫供水任務均為農業(yè)灌溉,近允水庫在滿足本區(qū)灌溉需水條件下,通過連通工程向麻栗壩東干渠補水。西高干渠以上規(guī)劃建設戶島、邦外兩座小(一)型水庫。戶島水庫優(yōu)先滿足隴把鎮(zhèn)生活用水,再提供本區(qū)農業(yè)灌溉需水;邦外水庫除提供本區(qū)灌溉需水外,與麻栗壩西高干渠連通向干渠內補水。麻栗壩水庫上游的清平片區(qū),通過引水工程來解決農業(yè)灌溉用水需求,規(guī)劃新建蕨葉壩水庫補充枯季引水灌溉不足水量,詳見表1。

表1 麻栗壩灌區(qū)水資源配置概化

對規(guī)劃區(qū)的供需水建立拓樸關系圖,將水庫及水源、各水利工程取水與分水口、各用水戶等概化為節(jié)點,將河道概化為有向線段,形成“規(guī)劃區(qū)水資源配置節(jié)點網絡圖”(圖1)。

2.3 目標函數、配置水平年、保證率及原則

以供水優(yōu)先性準則作為目標函數,綜合考慮各用水戶的社會影響、經濟效益、社會效益等多方面因素制定供水先后順序。結合區(qū)域社會經濟發(fā)展及水資源概況,確定本次配置的現(xiàn)狀基準年2011 年,規(guī)劃水平年2030 年。麻栗壩灌區(qū)灌溉設計保證率取P=80%,城鎮(zhèn)生活、農村生活和工業(yè)供水設計保證率取P=95%。配置過程中遵循如下原則:

a.灌區(qū)水資源供需平衡方案應是經濟效益、社會效益和環(huán)境效益最優(yōu)的方案,實現(xiàn)總體效益最佳。

b.灌區(qū)內用水部門主要分為3 類,即生活、工業(yè)及農業(yè)灌溉,供水水源優(yōu)先滿足生活和工業(yè)用水,然后滿足農業(yè)灌溉用水。

c.充分挖掘現(xiàn)有水利工程的潛力,并考慮節(jié)約用水措施。

d.由于麻栗壩水庫的東、西低、西高3 條干渠已在建設實施中,在配置時按“以水定地”的原則進行;其他范圍則采用“以地定水”的原則進行。

e.各工程可供水量復核要首先滿足河道下游生態(tài)最小需水,河道內生態(tài)用水量按控制斷面多年平均天然徑流量的20%預留下放。

圖1 基于MIKE BASIN 的灌區(qū)水資源配置模擬模型節(jié)點網絡

3 配置結果分析

規(guī)劃水平年水資源配置及供需平衡分析結果見表2。2030 年,麻栗壩灌區(qū)用水結構有了較大的調整,表現(xiàn)為農業(yè)用水所占比重下降,而城鄉(xiāng)生活和工業(yè)用水所占比重增加。通過水資源優(yōu)化配置,生活用水(包括農村生活用水和城鎮(zhèn)生活用水)、工業(yè)用水(包括糖廠用水、一般工業(yè)用水和工業(yè)園區(qū)用水)均能得到滿足。但農田灌溉用水仍缺1 036 萬m3,可通過調整區(qū)域內作物種植結構、發(fā)展低耗水的旱作農業(yè)、興建小水窖等五小水利工程等措施來緩解。

表2 水資源配置結果 萬m3

圖2 邊緣小水庫與麻栗壩水庫聯(lián)合向東干渠供水過程(P=80%)

圖3 邊緣小水庫與麻栗壩水庫聯(lián)合向西低干渠供水過程(P=80%)

圖4 邊緣小水庫與麻栗壩水庫聯(lián)合向西高干渠供水過程(P=80%)

根據水資源配置成果,得出保證率P=80%條件下3 條干渠內邊緣小水庫與麻栗壩水庫之間的水力聯(lián)系,見圖2～4。可以看出,東干渠灌片麻栗壩水庫與邊緣小水庫實現(xiàn)水量互補,西低干渠內只有一座小(一)型水庫,供水基本靠麻栗壩水庫解決,麻栗壩水庫優(yōu)先灌溉兩岸片東、西低干渠內耕地,而對于西高干渠灌片,麻栗壩水庫可供水量已經很少,灌溉水量很大程度依靠邊緣小水庫滿足,這也體現(xiàn)了邊緣小水庫的重要性與新建小水庫的必要性。麻栗壩水庫3 條干渠每年均留出一個月檢修,在此期間,邊緣小水庫能夠保證干渠內保秧保苗所需水量。

4 結論

在充分分析區(qū)域社會經濟發(fā)展條件及水資源開發(fā)利用條件的基礎上,利用MIKE BASIN 軟件構建了區(qū)域內的水資源配置模型,并給出了P=80%保證率下的水資源配置結果,具體如下:

a.通過水資源優(yōu)化配置,生活用水和工業(yè)用水均能滿足,但農田灌溉用水仍缺水1 036 萬m3,可通過調整區(qū)內作物種植結構、發(fā)展低耗水的旱作農業(yè)、興建小水窖等五小水利工程等措施來緩解。

b.麻栗壩水庫與邊緣小水庫具有較好的水量互補關系,說明興建邊緣小水庫對于緩解區(qū)內缺水狀況至關重要。