岳春芳，張勝江，韓 露

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052； 2. 新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049)

新疆屬內(nèi)陸干旱地區(qū)，“荒漠綠洲、灌溉農(nóng)業(yè)”是其顯著特點(diǎn)。新疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展離不開(kāi)水資源的保障，離不開(kāi)水庫(kù)；而新疆灌區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展更是離不開(kāi)平原水庫(kù)。新中國(guó)成立前新疆就建設(shè)了巴楚縣紅海子水庫(kù)、烏魯木齊市紅雁池水庫(kù)、疏勒縣亞馬牙水庫(kù)三座平原水庫(kù)。隨著新疆大規(guī)模的水利工程建設(shè)，現(xiàn)已建成水庫(kù)577座，總庫(kù)容101.85 億m3，仍以小型水庫(kù)和平原水庫(kù)為主[1]。盡管新疆山區(qū)控制性樞紐的修建，可以逐步取代平原水庫(kù)，減少平原水庫(kù)的蒸發(fā)量大，減輕水庫(kù)周邊地下水位升高導(dǎo)致的環(huán)境質(zhì)量下降等問(wèn)題。但就當(dāng)前以及相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，由于平原水庫(kù)距離灌區(qū)近，灌溉供水管理方便，對(duì)于灌區(qū)農(nóng)業(yè)供水而言仍是不可或缺的。

1 平原水庫(kù)調(diào)度規(guī)則分析

1.1 平原水庫(kù)管理現(xiàn)狀

新疆平原水庫(kù)的主要作用通常是為灌區(qū)供水，水庫(kù)調(diào)度一般為常規(guī)調(diào)度，水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算長(zhǎng)度通常以月為單位。目前對(duì)平原水庫(kù)的管理主要存在以下問(wèn)題：

(1)重工程管理輕資源管理。在水庫(kù)的日常運(yùn)行管理中，工作重心主要在水工建筑物及其配套設(shè)施的管理上，對(duì)于大壩的安全，對(duì)于相應(yīng)供水設(shè)施的可靠與否投入了很高的關(guān)注度；但對(duì)水庫(kù)水資源的充分利用與否缺乏管理，管理范圍相對(duì)偏小。

(2)重計(jì)劃管理輕應(yīng)變管理。對(duì)水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行通常是通過(guò)歷史資料，選擇典型年作為代表年，根據(jù)計(jì)劃需水要求，進(jìn)行分析調(diào)節(jié)計(jì)算，制定出供水方案，按計(jì)劃供水。在實(shí)際運(yùn)行中，來(lái)水變化多端，水庫(kù)調(diào)度往往缺乏深入細(xì)致分析，應(yīng)變不夠，導(dǎo)致超計(jì)劃用水、放心水、保險(xiǎn)水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。不利于水資源的合理利用。

隨著最嚴(yán)格水管理制度的實(shí)施，對(duì)灌區(qū)地表水和地下水的用水都提出了限額要求，那么平原水庫(kù)的調(diào)度管理也勢(shì)必進(jìn)行調(diào)整，以落實(shí)最嚴(yán)格水管理制度。

1.2 平原水庫(kù)調(diào)度規(guī)則

1.2.1 調(diào)度管理思路

(1)水庫(kù)水與地下水聯(lián)合調(diào)度。新疆的農(nóng)業(yè)是灌溉農(nóng)業(yè)，而隨著新疆經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出，節(jié)水灌溉成為緩解矛盾的主要措施之一。因此，新疆灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉要向節(jié)水灌溉發(fā)展，節(jié)水灌區(qū)的平原水庫(kù)調(diào)度管理也要考慮供水對(duì)象的變化。也即以往常規(guī)灌溉，采用地面灌溉，由平原水庫(kù)供水；如今，有常規(guī)灌溉，也有節(jié)水灌溉，而節(jié)水灌溉可以由地面灌溉，也可以采用地下水灌溉，供水不單一依靠水庫(kù)。因此，平原水庫(kù)的調(diào)度管理必須將水庫(kù)水與地下水聯(lián)合考慮，采用聯(lián)合調(diào)度方式。

(2)地表水與地下水限額控制。由于灌區(qū)對(duì)地表水和地下水的用水總量都有限制要求，為保證兩者都控制在限額以內(nèi)，平原水庫(kù)的調(diào)度管理豐、平、枯水年應(yīng)有不同的策略。豐水年，應(yīng)充分利用地表水供水灌溉；平水年，在其枯水時(shí)段利用地下水供水灌溉；枯水年，適當(dāng)加大地下水的供水力度，抵抗干旱。優(yōu)先采用地表水灌溉，不足時(shí)采用地下水彌補(bǔ)，但地下水的開(kāi)采應(yīng)有固定的峰值，不宜超過(guò)。同時(shí)為避免地表水超引，還應(yīng)確定地下水的最小開(kāi)采量。應(yīng)在每年適當(dāng)?shù)臅r(shí)期核實(shí)前一階段地表水和地下水的供給量，若地下水開(kāi)采小于規(guī)定的最小量則接下來(lái)的時(shí)段應(yīng)優(yōu)先采用地下水灌溉。

1.2.2 調(diào)度管理規(guī)則

節(jié)水灌區(qū)平原水庫(kù)主要作用為灌溉供水，因此水庫(kù)的庫(kù)容由蓄水線及放水線分割成兩個(gè)區(qū)，蓄水線與放水線之間為灌溉的正常供水區(qū)，放水線之下為破壞供水區(qū)。蓄水線和放水線的制定根據(jù)來(lái)水、需水以及調(diào)度目標(biāo)測(cè)定。水庫(kù)調(diào)度管理主要考慮蓄放時(shí)間、水庫(kù)蓄放規(guī)則、蒸發(fā)滲漏損失等。具體操作時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)：

(1)為便于保障作物灌溉供水，水庫(kù)蓄水放水時(shí)段宜以旬為單位。

(2)正常供水區(qū)調(diào)度規(guī)則是先判斷是否達(dá)到灌溉要求，若達(dá)到，則該旬水庫(kù)不再放水；否則，應(yīng)供水。供水量為直接放至放水線所放的水量與滿足下游灌溉兩者之間的最小值。

(3)破壞供水區(qū)規(guī)則是當(dāng)旬水庫(kù)不再放水。

(4)水庫(kù)以上旬旬末庫(kù)存為標(biāo)準(zhǔn)，上旬旬末的庫(kù)存落到哪個(gè)區(qū)域，則當(dāng)旬就按該區(qū)域的調(diào)度規(guī)則蓄水或者放水。水庫(kù)旬初蓄水，若來(lái)水蓄滿，則將水庫(kù)余水棄掉。

(5)平原水庫(kù)蒸發(fā)滲漏損失量相對(duì)較大，條件允許的情況下旬末庫(kù)存不應(yīng)過(guò)高。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

軍塘湖河流域位于呼圖壁縣城以西 25.1 km處，軍塘湖河從源頭至紅山水庫(kù)河長(zhǎng)47.1 km，流域總面積1 218.2 km2。流域地表水多年平均來(lái)水量為3 065 萬(wàn)m3，地表水多年平均可利用量為1 656 萬(wàn)m3，河系徑流主要由山區(qū)地下水補(bǔ)給。地下水補(bǔ)給量為3 800 萬(wàn)m3，允許開(kāi)采量為1 900 萬(wàn)m3[3]。2010年軍塘湖河流域取水量為4 210 萬(wàn)m3，其中地表水、地下水取水量分別為1 616 萬(wàn)m3、2 594 萬(wàn)m3。農(nóng)業(yè)灌溉用水量為3 889 萬(wàn)m3，其中地表水、地下水分別為1 462 萬(wàn)m3、2 427 萬(wàn)m3。2010年流域用水總量控制目標(biāo)為4 030 萬(wàn)m3，其中：地表水1 616 萬(wàn)m3，地下水2 414 萬(wàn)m3。可見(jiàn)，2010年流域?qū)嶋H地下用水量超地下水控制量180 萬(wàn)m3。軍塘湖流域水庫(kù)供水范圍包括紅山村、小河村、聯(lián)豐村、甘河子林場(chǎng)。

2.2 水庫(kù)蓄水放水線的制定

如前所述，水庫(kù)蓄水線和放水線的制定需根據(jù)來(lái)水、需水以及調(diào)度目標(biāo)測(cè)定。軍塘湖河流域來(lái)水資料為27年水文資料，需水則根據(jù)流域現(xiàn)行灌溉制度，作物種植比例，灌溉面積統(tǒng)籌考慮。調(diào)度目標(biāo)的制定出發(fā)點(diǎn)是流域水資源能夠得到可持續(xù)利用，因此，根據(jù)長(zhǎng)系列的流域天然來(lái)水和農(nóng)業(yè)灌溉需水，目標(biāo)確定為年均總?cè)彼孔钌?，進(jìn)而確定出水庫(kù)的蓄水放水線。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

該流域目標(biāo)函數(shù)為長(zhǎng)系列年均調(diào)度缺水總量最少，即：

d3(k,j,r)+d4(k,j,r)

(1)

式中：zd為長(zhǎng)系列調(diào)度后缺水總量，萬(wàn)m3；d1(k，j，r)、d2(k，j，r)、d3(k，j，r)、d4(k，j，r)分別為第k年第j月第r旬的紅山村、聯(lián)豐村、小河村、甘河子林場(chǎng)調(diào)度后缺水量，萬(wàn)m3。

2.2.2 約束條件

(1)旬初庫(kù)存約束。

興

(2)

式中：wc(k，j，r) 為第k年第j月第r旬的旬初庫(kù)存，萬(wàn)m3；V興為紅山水庫(kù)興利庫(kù)容，取值為909.93萬(wàn)m3。

(2)旬末庫(kù)存約束。

死

(3)

式中：wm(k，j，r) 為第k年第j月第r旬的旬末庫(kù)存，萬(wàn)m3；FF(k，j，r)為天然來(lái)水量，萬(wàn)m3；V死為水庫(kù)死庫(kù)容，取值為181 萬(wàn)m3。

(3)水庫(kù)放水量約束。

(4)

式中：fsl(k，j，r)為第k年第j月第r旬的水庫(kù)放水量，萬(wàn)m3；xsxR(k，j，r)為第k年第j月第r旬旬末限制庫(kù)容，萬(wàn)m3。

(4)地下水量約束。

dxs3(k,j,r)+dxs4(k,j,r)]≤1 733

(5)

式中：dxs1(k，j，r)、dxs2(k，j，r)、dxs3(k，j，r)、dxs4(k，j，r)分別為第k年第j月第r旬的紅山村、聯(lián)豐村、小河村、甘河子林場(chǎng)地下水開(kāi)采量，萬(wàn)m3。

(5)其他約束。

①各變量非負(fù)。

②據(jù)常年觀測(cè)及氣候情況，水庫(kù)庫(kù)損比例為3%，即本旬水庫(kù)水量損失為旬初庫(kù)存水量的3%。

③根據(jù)流域農(nóng)業(yè)地下水控制要求，研究區(qū)年最大地下水開(kāi)采總量為1 733 萬(wàn)m3；根據(jù)當(dāng)?shù)氐叵滤闆r估算，年最小地下水開(kāi)采總量為1 328.5 萬(wàn)m3。

④根據(jù)基本地下水供水條件與優(yōu)化測(cè)算過(guò)程中出現(xiàn)的最大地下水取水量，旬最大地下水開(kāi)采峰值取分別為130.34、145.33、55.87 萬(wàn)m3。

2.2.3 模型求解

對(duì)上述模型采用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)計(jì)算程序，運(yùn)用差分進(jìn)化法求解。差分進(jìn)化法主要用于求解連續(xù)變量的全局優(yōu)化問(wèn)題，包括變異、交叉、選擇三種主要操作。該算法的基本思想是從某一隨機(jī)產(chǎn)生的初始群體開(kāi)始，通過(guò)變異、交叉、選擇三種操作，在每一代的進(jìn)化過(guò)程中，通過(guò)不斷地迭代計(jì)算，保留優(yōu)良個(gè)體，淘汰劣質(zhì)個(gè)體，引導(dǎo)搜索過(guò)程向全局最優(yōu)解逼近。

2.2.4 水庫(kù)旬灌溉放水限制庫(kù)容

將水庫(kù)灌溉放水限制庫(kù)容作為模型的未知變量，經(jīng)過(guò)模型模擬分析計(jì)算，得出以旬為單位紅山水庫(kù)最佳灌溉放水限制庫(kù)容，見(jiàn)表1。

表1 紅山水庫(kù)灌溉放水限制庫(kù)容 萬(wàn)m3

根據(jù)表1可知，各旬旬末水庫(kù)水位限制在此范圍內(nèi)，則可保障水庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行中總?cè)彼孔钌伲瑫r(shí)地下水的供給控制在限制范圍內(nèi)。

2.3 灌區(qū)枯水年的水量分配分析

以枯水年2000年(P=75%)為例，根據(jù)需水要求和長(zhǎng)系列模擬模型求解的水庫(kù)放水限制庫(kù)容進(jìn)行水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算，得到水量分配結(jié)果如下，見(jiàn)表2。

表2 枯水年軍塘湖河流域研究區(qū)農(nóng)業(yè)水量分配 萬(wàn)m3

由表2可知，在枯水年，紅山村灌溉缺水49.1 萬(wàn)m3；聯(lián)豐村灌溉缺水79.3 萬(wàn)m3；甘河子林場(chǎng)灌溉缺水60.2 萬(wàn)m3；流域研究區(qū)總灌溉缺水量188.6 萬(wàn)m3?？菟甑牡叵滤_(kāi)采量達(dá)到開(kāi)采限額。

通過(guò)對(duì)節(jié)水灌區(qū)平原水庫(kù)的調(diào)度分析，可以得到以下結(jié)論。

(1)通過(guò)長(zhǎng)系列的來(lái)水運(yùn)行模擬分析確定水庫(kù)的蓄水放水線，據(jù)此調(diào)度水庫(kù)簡(jiǎn)便易行。

(2)灌區(qū)地表水和地下水的用水量得到控制，從長(zhǎng)期看有利于該區(qū)域的水資源可持續(xù)利用。

[1] 鄧銘江,于海鳴,李湘權(quán),等. 新疆大壩建設(shè)進(jìn)展[J]. 水利水電技術(shù),2010,(7):29-35.

[2] 韓 露,岳春芳,張勝江，等. 基于總量控制的軍塘湖流域農(nóng)業(yè)水資源配置[J]. 節(jié)水灌溉,2015,(10):71-73.