錢凱旋，解建倉(cāng)，閆小斌，左崗崗，于碧含，馮永祥

（西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048）

0 引言

由于我國(guó)南北方水量分布的差異，以及工業(yè)、生產(chǎn)生活造成的水環(huán)境污染，導(dǎo)致可利用水量十分有限。作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，灌區(qū)是重要的糧食生產(chǎn)基地，提高灌溉配水管理水平，保障糧食安全，提高糧食產(chǎn)量，意義重大。如何在水資源短缺的狀況下，合理高效地利用水資源值得深入研究。

當(dāng)下灌區(qū)配水管理過(guò)程中存在以下一些問(wèn)題，使得水資源利用效率很低：1）傳統(tǒng)的配水管理多采用灌溉制度、規(guī)則等進(jìn)行配水管理，沒(méi)有落實(shí)到具體的人和事，導(dǎo)致粗放式管理；2）傳統(tǒng)灌溉規(guī)則仍然基于“水多多用、水少少用”實(shí)施，更多采取以供定需的做法，無(wú)法實(shí)現(xiàn)以以需定供的方式進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉[1]；3）灌區(qū)的用水方式受到諸多外界環(huán)境因素的影響，氣候與地貌條件是主要影響因素，缺乏必要因素的考慮直接造成后續(xù)決策的失誤；4）農(nóng)業(yè)灌溉方式仍然以傳統(tǒng)的地面漫灌為主，嚴(yán)重影響著用水效率[2]。

此外，水資源的合理開發(fā)利用及分配是提高用水效率的基礎(chǔ)。目前，對(duì)于水資源的分配主要通過(guò)編制灌區(qū)用水計(jì)劃實(shí)現(xiàn)，編制用水計(jì)劃的依據(jù)是主要作物的灌溉制度、可供水源情況、渠系工程、用水單位情況等幾個(gè)方面[3-4]，但是，編制用水計(jì)劃可行性并不高。首先，編制用水計(jì)劃雖然有一定的參考價(jià)值，但是無(wú)法應(yīng)對(duì)作物在生長(zhǎng)過(guò)程中因?yàn)榄h(huán)境的變化而導(dǎo)致的需水量的變化。其次，灌溉制度主要是通過(guò)對(duì)灌溉定額、方式進(jìn)行總結(jié)及分析得到的，目前通過(guò)灌溉定額進(jìn)行灌區(qū)灌溉無(wú)法有效提高水資源利用率，因?yàn)樽魑锷L(zhǎng)過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，提前根據(jù)以往的資料信息預(yù)測(cè)作物灌溉方式及灌溉量雖有一定參考性，但卻無(wú)法考慮不斷變化的環(huán)境去預(yù)知現(xiàn)實(shí)需求。

隨著信息化的發(fā)展，將信息化技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域有著一定的成效。但是，目前對(duì)于灌區(qū)的信息管理主要體現(xiàn)在配水端的水量監(jiān)測(cè)方面，無(wú)法對(duì)水質(zhì)及需水端采取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋[5-6]。為此，基于灌區(qū)管理過(guò)程中存在的問(wèn)題，考慮現(xiàn)有信息建設(shè)的局限性，通過(guò)綜合集成平臺(tái)建立配水規(guī)制指導(dǎo)下的灌區(qū)配水管理。

1 灌區(qū)配水規(guī)制

傳統(tǒng)的灌區(qū)灌溉配水涉及的管理辦法有灌溉定額管理、制度等，這類方法沒(méi)有對(duì)供水端的水資源條件和用水端的用水需求變化提出可供操作實(shí)施的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，具有宏觀性及靜態(tài)不變特征，在實(shí)際灌溉配水過(guò)程中達(dá)不到節(jié)約用水的需求。因此需要采用一整套彈性的，能夠根據(jù)配水管理需求發(fā)展變化的規(guī)章制度保障灌區(qū)高效的配水管理，促進(jìn)節(jié)約用水。

配水規(guī)制是對(duì)宏觀的灌溉制度和規(guī)則的細(xì)化落實(shí)，能夠?qū)?yīng)到具體的人和事，是指導(dǎo)灌溉實(shí)施的具體的、可操作的辦法，是對(duì)灌溉實(shí)施過(guò)程中各種邊界條件的定義，也是多種情景狀態(tài)的設(shè)定，可以針對(duì)灌區(qū)配水需求的變化做出彈性的調(diào)整。在灌區(qū)配水過(guò)程中涉及到用水端和供水端，用水端的需水和供水端的不同水源類型的水資源儲(chǔ)量隨時(shí)間而變化，有時(shí)供大于需，有時(shí)則是需大于供。因此從節(jié)約用水、保護(hù)水生態(tài)環(huán)境及糧食安全的角度出發(fā)，配水規(guī)制應(yīng)當(dāng)對(duì)不同情境下的配水管理做出明確的規(guī)定，例如豐水、平水和枯水狀態(tài)下的配水。

基于此，提出配水規(guī)制分為基本、競(jìng)爭(zhēng)及應(yīng)急3 個(gè)規(guī)制，其中，基本規(guī)制保障灌區(qū)糧食安全要求下的基本用水需求，競(jìng)爭(zhēng)規(guī)制在資源約束變化的條件下，對(duì)灌區(qū)用水做出彈性定額調(diào)整，應(yīng)急規(guī)制則指導(dǎo)極端狀態(tài)下的配水管理。

為實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水與環(huán)境保護(hù)目標(biāo)，需要對(duì)多水源進(jìn)行組合灌溉，并同時(shí)考慮水質(zhì)和水量，因此可將 3 類規(guī)制進(jìn)一步細(xì)分，結(jié)果如表 1 所示。

各規(guī)制簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：

1）土壤環(huán)境容量限制規(guī)制。土壤環(huán)境容量限制規(guī)制是灌區(qū)配水管理的基本規(guī)制，是任何時(shí)空條件下均需要考慮的規(guī)制。此規(guī)制通過(guò)結(jié)合土壤環(huán)境容量的限制，對(duì)配水過(guò)程中的灌溉水質(zhì)提出明確的要求，并考慮配水過(guò)程中水體中的有機(jī)、無(wú)機(jī)、重金屬等污染在土壤中的滯后富集，以達(dá)到保護(hù)水土環(huán)境的目的。

2）糧食安全規(guī)制。糧食安全規(guī)制對(duì)保證灌區(qū)糧食安全基本產(chǎn)量的最少配水水量提出基本要求，也是灌溉配水過(guò)程需要考慮的基本規(guī)制。當(dāng)天然來(lái)水較少時(shí)，需要保證這一基本用水需求；在極端干旱狀態(tài)下，如果這一基本需求被破壞，需要考慮采用應(yīng)急規(guī)制應(yīng)對(duì)，即通過(guò)多水源灌溉或者壓縮其他行業(yè)用水滿足。

表 1 灌區(qū)配水管理規(guī)制

3）水源類型優(yōu)先規(guī)制。水源類型優(yōu)先規(guī)制是在考慮基本規(guī)制的基礎(chǔ)上需要進(jìn)一步考慮的競(jìng)爭(zhēng)性規(guī)制，通過(guò)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)性用水管理，達(dá)到保護(hù)某一類水源的目的，如京津冀地區(qū)地下水超采嚴(yán)重，需要尋找多種其他替代性水源組合灌溉壓采地下水。多水源有地表水、地下水、外調(diào)水、非常規(guī)水四大類，其中非常規(guī)水又分為雨水調(diào)蓄資源、污水處理廠污水、微咸水及海水淡化水資源。水源類型優(yōu)先規(guī)制通過(guò)設(shè)定非常規(guī)水資源的配置優(yōu)先級(jí)，達(dá)到節(jié)約用水的目的。

4）水源地距離最近優(yōu)先規(guī)制。水源地距離最近優(yōu)先規(guī)制也是考慮基本規(guī)制的前提下需要考慮的競(jìng)爭(zhēng)性規(guī)制。由于短距離輸水能夠明顯降低灌區(qū)配水過(guò)程中的水量損失，所以在條件允許的前提下應(yīng)該盡量考慮短距離輸配水。在基本規(guī)制的前提下，采用此規(guī)制進(jìn)行配水管理，能夠達(dá)到節(jié)約用水的目的。

5）作物類型優(yōu)先灌溉規(guī)制。作物類型優(yōu)先灌溉規(guī)制是在基本規(guī)制的基礎(chǔ)上考慮糧食安全和經(jīng)濟(jì)效益最大化的競(jìng)爭(zhēng)性規(guī)制。此規(guī)制在供水不能滿足全部種植作物的需水要求時(shí)，可以在滿足其他作物基本需水的前提下，進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)性配水灌溉，即基于不同的目標(biāo)（節(jié)水最大、經(jīng)濟(jì)效益最大、種植成本最低等）選擇優(yōu)先給目標(biāo)作物灌溉，用相同的水資源量產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益。

6）多水源同期混合灌溉規(guī)制。多水源同期混合灌溉規(guī)制為應(yīng)急性規(guī)制，當(dāng)發(fā)生極端事件（如干旱或洪澇災(zāi)害）時(shí)，天然水資源不能滿足灌區(qū)的基本用水需求，基本用水規(guī)制中的糧食安全規(guī)制被破壞，需要采取一定的應(yīng)急應(yīng)對(duì)措施。既然天然來(lái)水不能滿足糧食安全規(guī)制下的基本用水需求，就要考慮采取非常規(guī)水資源灌溉措施，而非常規(guī)水資源一般水質(zhì)差別較大，因此要結(jié)合常規(guī)水資源進(jìn)行灌溉。多水源同期混合灌溉規(guī)制在一次灌水過(guò)程中，根據(jù)作物的需水要求及土壤環(huán)境容量限值，可對(duì)具有不同水量和水質(zhì)的多水源進(jìn)行混合，達(dá)到極端事件應(yīng)急應(yīng)對(duì)的目的。

7）多水源分期灌溉規(guī)制。多水源分期灌溉規(guī)制為另一種應(yīng)急性規(guī)制，當(dāng)同期混合灌溉的水質(zhì)超出土壤環(huán)境容量的限值后，需要將具有不同水質(zhì)的水資源分期進(jìn)行配水灌溉，如在水質(zhì)較好與較差之間交叉進(jìn)行，以達(dá)到為水土環(huán)境自凈爭(zhēng)取緩沖時(shí)間的目的，降低污染物在土壤中富集帶來(lái)的負(fù)面影響，從而降低生態(tài)環(huán)境污染的程度。

這 3 類規(guī)制從保障糧食安全、節(jié)約用水、保護(hù)水土環(huán)境的角度提出，規(guī)制確定下來(lái)便不能輕易隨發(fā)展而變，但是可以隨著管理需求的變化增加新的規(guī)制，從而使得整套配水規(guī)制能夠彈性調(diào)整，滿足配水管理過(guò)程中需求的動(dòng)態(tài)變化。

在規(guī)制運(yùn)行過(guò)程中，針對(duì)不同的情況采用合適的規(guī)制，達(dá)到對(duì)灌區(qū)配水的管理。如現(xiàn)存的規(guī)制在評(píng)價(jià)分析后不能有效地滿足管理要求，可以針對(duì)具體情況完善增加規(guī)制，從而達(dá)到對(duì)灌區(qū)的有效管理。目前針對(duì)一般及極端干旱條件的情況采取不同的規(guī)制，而基本規(guī)制是運(yùn)行的保障基礎(chǔ)，如在具體的實(shí)施過(guò)程中產(chǎn)生問(wèn)題，則可針對(duì)具體的問(wèn)題完善增加規(guī)制。對(duì)于增加完善的內(nèi)容，通過(guò)綜合集成平臺(tái)的可移植性特點(diǎn)快速定制，從而對(duì)具體的問(wèn)題能快速有效解決。具體管理過(guò)程如圖 1 所示。

圖 1 灌區(qū)配水管理過(guò)程

不同的灌區(qū)對(duì)于規(guī)制的選擇有很大的差異性，通過(guò)對(duì)規(guī)制的選取可以生成灌區(qū)的配水方案。建立如表 2 所示的農(nóng)業(yè)節(jié)水評(píng)價(jià)指標(biāo)庫(kù)[7]，通過(guò)評(píng)價(jià)及賦權(quán)方法的選擇，根據(jù)指標(biāo)庫(kù)中的指標(biāo)對(duì)配水方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，方案合理即可實(shí)施，不合理則對(duì)規(guī)制重新選取及根據(jù)實(shí)際情況增加完善規(guī)制，從而動(dòng)態(tài)生成合理的配水方案。

表 2 評(píng)價(jià)指標(biāo)庫(kù)

2 灌區(qū)配水管理

在常規(guī)灌區(qū)配水過(guò)程中，考慮用競(jìng)爭(zhēng)性規(guī)制滿足基本規(guī)制下的最小需水和環(huán)境保護(hù)要求，即同時(shí)考慮采用基本和競(jìng)爭(zhēng)性規(guī)制進(jìn)行灌溉配水；在極端事件影響下，灌區(qū)配水需要考慮采用應(yīng)急性配水規(guī)制滿足基本規(guī)制下的最小需水和環(huán)境保護(hù)要求，即同時(shí)考慮采用基本和應(yīng)急規(guī)制進(jìn)行灌溉配水。由于灌溉需水要求和水資源約束是動(dòng)態(tài)變化的，所以配水規(guī)制要能夠識(shí)別這種動(dòng)態(tài)變化。采用知識(shí)可視化綜合集成技術(shù)將規(guī)制組件化，并在基于數(shù)字、邏輯拓?fù)浠驑I(yè)務(wù)流程等水網(wǎng)的知識(shí)圖上組織灌區(qū)配水管理業(yè)務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)配水規(guī)制對(duì)灌區(qū)配水管理的指導(dǎo)。

2.1 配水規(guī)制的組件化

灌區(qū)配水管理是以綜合服務(wù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過(guò)組件、Web Service、知識(shí)可視化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。組件是可重用的計(jì)算機(jī)執(zhí)行單元，開發(fā)人員可以方便地將這些對(duì)象單元組合到更大的程序中，而不用考慮對(duì)象本身的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)[8]。組件具有相對(duì)獨(dú)立的功能，當(dāng)需要完成某項(xiàng)任務(wù)時(shí)，與該任務(wù)相關(guān)的組件將被運(yùn)行，而其它組件不會(huì)被執(zhí)行。在應(yīng)用系統(tǒng)中主要分為通用基本、領(lǐng)域公共性、應(yīng)用專用等 3 類組件[9]。組件的特點(diǎn)如下：

1）可重用度高。不同的業(yè)務(wù)功能模塊可以共用1 個(gè)組件，避免了重新開發(fā)，提高了效率。

2）可擴(kuò)展性強(qiáng)。只需在原有組件接口的基礎(chǔ)上增加新的接口便可以擴(kuò)展。

3）接口透明。組件是根據(jù)組件的功能進(jìn)行開發(fā)的，因此組件的輸入和輸出接口是完全透明的，確定的輸入得到確定的輸出。

4）使用便捷。只需明確組件的輸入與輸出，不必考慮組件是如何實(shí)現(xiàn)的。

5）便于協(xié)同開發(fā)。每個(gè)組件都具有完整的功能，且相互獨(dú)立，應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)時(shí)可同時(shí)開發(fā)不同組件，提高系統(tǒng)的開發(fā)效率。

2.2 規(guī)制組件指導(dǎo)配水管理的操作流程

確定配水規(guī)制的實(shí)現(xiàn)流程后，采用組件的方式描述輸入與輸出接口，對(duì)其進(jìn)行組件化。組件化的一般流程如下：1）明確組件的功能、結(jié)構(gòu)，確定編寫組件的思路；2）創(chuàng)建程序工程包，鏈接灌區(qū)配水管理數(shù)據(jù)庫(kù)；3）確定組件所對(duì)應(yīng)的程序編號(hào)，并注冊(cè)組件。配水規(guī)制組件開發(fā)完成后，可加載至業(yè)務(wù)知識(shí)圖中進(jìn)行調(diào)用。知識(shí)圖描述配水管理的對(duì)象，如水源、供水對(duì)象、輸配水路徑，這些邊界條件是配水規(guī)制組件的輸入，輸出則為配水方案。繪制好知識(shí)圖后，利用綜合集成平臺(tái)的組件定制功能進(jìn)行組件定制。通過(guò)編寫主程序?qū)Τ绦蜻M(jìn)行測(cè)試，測(cè)試完成后對(duì)源代碼進(jìn)行封裝上傳到后臺(tái)服務(wù)器，并通過(guò)在 UDDI（Universal Description Discovery and Integration）注冊(cè)后發(fā)布，輸入 UDDI 服務(wù)器地址，選擇組件服務(wù)，從組件庫(kù)中找到所需的組件，測(cè)試完成后保存該組件。最后把定制好的組件添加到知識(shí)圖中的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，相互關(guān)聯(lián)的組件用線連接，以便數(shù)據(jù)的流通，并進(jìn)行保存、打包知識(shí)圖操作，運(yùn)行灌區(qū)配水管理系統(tǒng)，檢查程序是否可以正確運(yùn)行。

3 灌區(qū)配水管理應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)知識(shí)可視化綜合集成技術(shù)[10]，基于模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，搭建石津灌區(qū)南分干灌域的配水管理系統(tǒng)，進(jìn)行灌溉規(guī)制指導(dǎo)下的智慧配水實(shí)例仿真。根據(jù)《FAO-56 作物需水量計(jì)算指南》對(duì)石津灌區(qū)南分干灌域的作物需水量進(jìn)行計(jì)算，南分干灌域的灌域代碼為 SJIAA0120000，棉花作物的種植面積為566.67 hm2。基本原理如下：首先分析理想狀態(tài)下，當(dāng)?shù)貧夂蛞蛩貙?duì)蒸散發(fā)的影響，算出參考表面騰發(fā)量；其次，考慮在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（耕作優(yōu)良、土壤水分充足的大田狀況）作物的生長(zhǎng)狀態(tài)，采用單作物或雙作物系數(shù)法，將參考表面騰發(fā)量折算至標(biāo)準(zhǔn)作物騰發(fā)量；最后確定偏離標(biāo)準(zhǔn)條件的管理及環(huán)境脅迫對(duì)騰發(fā)量的影響，引入水分脅迫系數(shù)，將標(biāo)準(zhǔn)作物騰發(fā)量折算至非標(biāo)準(zhǔn)作物騰發(fā)量，即為作物實(shí)際騰發(fā)量。根據(jù)作物面積和實(shí)際騰發(fā)量，即可得出灌區(qū)作物需水量，部分模擬仿真計(jì)算結(jié)果如表 3 所示。明確作物需水量后，針對(duì)石津灌區(qū)中存在的問(wèn)題分析、總結(jié)，提出灌區(qū)灌溉配水規(guī)制，根據(jù)灌溉規(guī)制的內(nèi)容，定制相應(yīng)的業(yè)務(wù)組件以滿足對(duì)石津灌區(qū)的配水管理，具體內(nèi)容如圖 2 所示。根據(jù)圖 2 左側(cè)的流程可以先分析計(jì)算出作物需水量，然后以問(wèn)題為導(dǎo)向提出規(guī)制并制定相應(yīng)的組件，根據(jù)不同的問(wèn)題選擇相應(yīng)的規(guī)制去解決。基于規(guī)制進(jìn)行配水管理，在配水過(guò)程中面對(duì)著諸多問(wèn)題，如果現(xiàn)存的規(guī)制無(wú)法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行有效解決，可根據(jù)具體情況結(jié)合綜合集成平臺(tái)可移植性、可擴(kuò)展性、協(xié)同開發(fā)便捷等特點(diǎn)，對(duì)規(guī)制進(jìn)行完善增添并快速定制，提高解決問(wèn)題的時(shí)效性。

表 3 南分干灌域棉花作物需水量計(jì)算結(jié)果

對(duì)灌區(qū)作物實(shí)施灌溉，需要考慮是否滿足作物的生長(zhǎng)需求，同時(shí)也需要滿足對(duì)環(huán)境生態(tài)的保護(hù)。因此，對(duì)灌區(qū)進(jìn)行灌溉時(shí)，在選取基本規(guī)制（土壤環(huán)境容量限制、糧食安全）的基礎(chǔ)上，同時(shí)需要根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況選取競(jìng)爭(zhēng)或應(yīng)急規(guī)制。在規(guī)制選取的基礎(chǔ)上，在賦權(quán)和評(píng)價(jià) 2 種方法庫(kù)中選取合適的賦權(quán)及評(píng)價(jià)方法，對(duì)灌區(qū)的灌溉方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。本次模擬選取競(jìng)爭(zhēng)規(guī)制中的水源類型優(yōu)先規(guī)制，通過(guò)對(duì)水源地及土壤本底值的考慮，選取能達(dá)到保護(hù)土壤環(huán)境及保證糧食安全的配水方案 1，并選取賦權(quán)方法為專家評(píng)判法的模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表 4 所示，說(shuō)明選取的灌溉方案合理。

圖 2 基于規(guī)制的灌區(qū)配水管理系統(tǒng)

表 4 方案評(píng)價(jià)結(jié)果

在配水過(guò)程中根據(jù)所選規(guī)制對(duì)水源地及水源地的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行篩選，基于對(duì)土壤本底值的考慮，選取合適的配水方案。根據(jù)配水方案進(jìn)行合理性評(píng)價(jià)后，實(shí)施配水方案及灌區(qū)配水，南分干灌域棉花作物在 2017 年 9 月 1 日的灌溉結(jié)果如表 5 所示。

表 5 南分干灌域棉花作物灌溉結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)灌區(qū)配水管理問(wèn)題進(jìn)行梳理后，基于綜合集成平臺(tái)運(yùn)用規(guī)制對(duì)灌區(qū)配水得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)對(duì)灌區(qū)配水管理過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)歸納，提出采用規(guī)制的手段對(duì)其進(jìn)行管理配水，實(shí)例研究表明，運(yùn)用規(guī)制的手段指導(dǎo)配水管理是切實(shí)可行的。

2）在理論基礎(chǔ)之上，通過(guò)在具有可移植性、操作性強(qiáng)的綜合集成平臺(tái)上對(duì)灌區(qū)進(jìn)行配水管理，能夠有很高的時(shí)效性與適應(yīng)性。

3）對(duì)于灌區(qū)配水管理的研究是基于規(guī)制進(jìn)行的，但是目前的規(guī)制并不很健全，需要在今后對(duì)規(guī)制進(jìn)行更深層次的研究。