淠史杭灌区水资源优化配置的研究_黄义德

作者简介黄义德（１９５１－），男，安徽肥西人，教授，从事水稻栽培及农业节水技术研究。

收稿日期２００５!１０!０５淠史杭灌区是新中国成立后我国自行设计、兴建的最大灌区，位于安徽省中西部大别山余脉的丘陵地带，设计灌溉面积７９．８６万ｈｍ２。

自投入应用以来，发挥了巨大的工程效益。

至２００４年，灌区累计农业供水１２９４亿ｍ３，城市供水３４亿ｍ３，累计增产粮食４１０亿ｋｇ。

要实现灌区的可持续发展，除应继续加强工程的续建配套与节水改造，加强工程管理外，更应加强对水资源的科学管理，对灌区的各种水源进行优化配置，实现灌区水资源的优化调度。

１灌区水资源优化配置的目标１．１干旱缺水年份（时段）目标干旱缺水年份，确保城市工业与生活用水。

利用节水灌溉制度下的定额供水，扩大抗旱供水面积，充分利用抽水抗旱，尽可能降低因灌溉缺水而引起的农作物减产损失。

在保证抗旱效益的前提下，考虑水库发电量提高。

根据水库蓄水情况，划分水库优化供水的保灌范围。

１．２水源充足的年份（时段）目标利用产量高具有可操作性的灌溉制度，满足水稻的丰产灌溉需要，提高粮食单产和灌区粮食总产量。

水库电站发电量最高，灌区内部抽水费用最低。

１．３实现灌区优化调度在水资源优化配置的基础上，通过优化调度，提高水资源利用效率，包括防洪蓄水优化调度和灌溉供水优化调度两个部分。

洪水调度，重点对后汛期逐步提高汛限水位进行研究，通过多蓄少泄，实现洪水资源化并减少泄洪对下游的影响，为灌区提供更为充足的可利用水源。

灌溉供水优化调度，根据水源蓄水，渠道输水时间，输水能力，灌区需水情况，天气预报，结合发电等效益，进行灌溉供水调度。

通过不同角度对调度方案进行模拟评判分析，确定最终调度方案。

２建立优化配置模型的主要变量及约束分析灌区的基本变量包括灌区的需水量、可供水量、外水抽水量（抽水费用）、灌区大水库的发电量等。

由于淠河灌区、史河灌区、杭埠河灌区是３个相对独立的灌区，因此建立数学模型应分别把３个灌区作为３个独立系统。

根据每个系统内灌区基本情况的差异，划分需水单元，需水过程按各个分区单元提出。

城镇生活和工业用水按定额法考虑；农业灌溉用水采用长系列调节，由降水开始，按彭曼公式推算充分灌溉定额再根据实际情况导出节水灌溉定额，或根据实验资料分析灌区作物需水定额。

２．１需水分析根据淠史杭灌区工程现状并结合灌区续建配套与节水改造进展，对灌区社会经济发展需水进行合理预测，结合近年来用水实际情况，分析灌区的用水需求及用水特点。

２．１．１灌溉需水。

根据灌区降雨特点及灌溉习惯，参照农业供水实际，渠首引水及提外水主要是针对灌区水稻泡田及生育用水而进行的，灌区其他作物需水主要以内部塘坝蓄水来进行。

因此在本预案中，农业灌溉需水主要考虑水稻田的需水，其他作物在考虑用水时采用定量法扣除。

水稻需水年型。

通过经验公式计算水稻生育期需水量，或利用灌区灌溉试验资料分析灌区水稻全生育需水量。

根据优化调度的实用性要求，计算平水年（平均年份的灌溉需水）及降雨５０％、８０％年份的水稻灌溉需水。

灌溉制度的选择在平水年份以充分灌溉提高水稻单产为目标，并适用于丰水年份；降雨５０％、８０％年份则以抗旱减灾效益为主，考虑尽可能地扩大抗旱灌溉面积，采用节水灌溉制度，控制供水。

所得灌溉定额与灌溉制度能够适应干旱或水源紧缺的年份。

本次优化计算中重点给出降雨５０％、８０％年份模型计算结果。

２．１．２城市工业与生活供水。

合肥市是灌区主要供水城市，由于董铺水库一直没有纳入灌区水资源调节计算，因此合肥市城市供水量年际变化量也较大。

但考虑到城市供水的保证率要求，实行城市供水定量预留，确保在灌溉期结束大水库有足够的蓄水满足城市用水。

城市供水中考虑各县城的用水。

２．１．３灌区乡镇及农村综合生活用水。

灌区乡镇及农村综合生活用水采用定量法计算，灌区小城镇建设较快，因此计算时充分考虑建制镇的集中需水。

居民点用水主要是取浅层地下水，建制镇用水主要以内部蓄水为水源。

２．１．４环境及其他用水。

根据发展的要求，适应灌区生态与环境的改善，适当考虑环境的用水。

２．２可供水量分析分灌区多种水源进行综合考虑，并实行联合调度，同时充分考虑现状情况下各种水源管理权限对调度的影响。

２．２．１渠首（水库）供水分析。

渠首可供水量主要是指上游水库蓄水和产水。

上游水库是灌区主要水源及可调控程度最高的水源，是灌区优化配置的核心部分。

水库水源优化配置的时间起点选择应结合灌区用水实际情况，一般在每年的春灌前４月１日作为一个周期的起点。

水量由４月１日的水库蓄水及后期来水两部分组成，其中需利用相关的水淠史杭灌区水资源优化配置的研究黄义德１，周银平２，陈来宝２，金丛岭２，王代林２，肖幼３，周虹３（１．安徽农业大学农学院，安徽合肥２３００３６；２．安徽省淠史杭灌区管理总局，安徽六安２３７１００；３．水利部淮河水利委员会，安徽蚌埠２３３０００）摘要通过对淠史杭灌区实时水资源供需状况的模拟运行，以及模拟运行方式的变化对灌区水资源整体供需关系的改变，优化配置出每片的供水量，评价出每个灌区片的实时水资源盈亏状态，为灌区的实时调度决策提供依据，以提高水资源利用效率。

关键词淠史杭灌区；水资源；优化配置中图分类号Ｆ３２３．２１３文献标识码Ａ文章编号０５１７－６６１１（２００６）１４－３５５４－０４安徽农业科学，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｎｈｕｉＡｇｒｉ．Ｓｃｉ．２００６，３４（１４）：３５５４－３５５７责任编辑曹淑华责任校对曹淑华文方法预测不同的保证率来水情况。

而判断整个供水量的丰枯情况则应当根据蓄水和来水之和判断，在保证率上重点选择降雨２５％、５０％、８０％年份。

可供水量还应扣除水库底水，水库最低蓄水根据历史干旱年份应用情况判断。

水库蓄水受到水库防洪限制水位控制，因此在超蓄或汛期时必须考虑因防洪需要可能造成的非发电泄水，而减少水源可利用量和发电量。

２．２．２塘坝可供水量。

灌区内部塘坝供水是灌区水源的重要组成部分。

在丰水年份，部分灌区塘坝蓄水基本满足了灌溉用水需求；但是在干旱年份，塘坝则无水可用，因此塘坝供水保证率较低。

塘坝供水量受到当地塘面率影响，并与当地径流系数有很大关系，江淮分水岭地区和沿淮平畈区的塘坝来水量存在较大区别。

因此计算塘坝供水单元应细化，即使在同一干渠的上下段也要区分开来。

塘坝供水通过农渠或直接进入田间，因此利用率较高，系数在０．９左右。

塘坝在灌区是个变化较大和难以调控的供水因素，在灌区推行未级渠系计量收费的政策导向下，塘坝在灌区供水的作用下将不断发生变化，因此在优化调度时，塘坝供水在细分单元的基础上更应体现实时性与动态性的特点，尽可能使优化的塘坝供水过程更接近实际情况。

２．２．３中小型水库可供水量。

灌区有反调节水库有效库容６亿ｍ３，在灌区规划水量平衡中主要起渠首引水反调节作用，不参与水量平衡计算。

但在实际运行中，中小型水库不仅仅承担反调节作用，按可供水量从４月１日开始计算，灌前中小型水库蓄水应纳入可用水量，同时灌区中小型水库有的有较大的来水面积，自身产水量较多，因此要分析部分中小型水库的来水。

由于调节水库以中型水库为主，主要位于干渠、分干渠中下游，不同水库的供水范围及引水渠系有较大区别，因此应根据不同的水库确定中小型水库蓄水的利用系数。

中型水库总体数量较少，一库确定一个系数；小型水库数量较多，单库蓄水量较少，因此小（一）型确定一个系数；小（二）型确定一个系数。

２．２．４外水补给。

由于各个灌区水库塘坝供水水源条件不同，同时受灌区工程能力限制，各灌区干旱年份提水与设计情况有较大差异。

基本上分为两种，一种是受工程限制，水库引水很少或没有水库供水灌区，不论什么年份，均需提水；另一种是上游水源短缺时，需要提水抗旱。

因此在分析提水量时要将这两种类型灌区分开。

抗旱补水灌区要充分考虑提水时外河、外湖水位，提水设施等不确定因素影响，尽量使提水量的预测符合实际情况。

２．３主要约束条件分析２．３．１灌区供水时间约束。

农业灌溉供水的季节性很强，水稻栽插及生育需水高峰期总体时间相对较短，如果不能及时灌溉，则可能造成损失，而且，不同的灌区片形成了一定的用水习惯规律。

因此，农业灌溉用水时间要确定一个符合实际情况的值。

２．３．２灌区供水的工程条件约束。

在灌溉要求的时间内，工程能力决定了灌溉供水量的多少，灌区现状条件下，部分干渠没有达到设计要求，特别是部分下游灌区一直难以按设计要求运行，因此要根据实际工程条件来分配水量。

２．３．３水库供水约束。

史河梅山电站发电放水流量难以满足渠首设计引水要求；史河灌区历年来用水矛盾较大，在用水紧张时要充分考虑各县区，特别是安徽、河南的用水比例约束（包括水量和流量）。

淠河灌区由于横排头调节能力逐年下降，而响洪甸、佛子岭满发电流量达４００ｍ３／ｓ，再加上区间来水，容易造成横排头溢流，因此要求上游水库供水流量保持相对的均衡。

２．３．４不同供水方式所对应的面积约束。

反调节中小型水库蓄水只能灌溉其控制范围面积，提外水灌区只能灌溉外水补给灌区，以水库引水为主的灌区在塘坝供水不足时只能从渠首引水灌溉。

２．３．５外水补给受到外河、外湖水位和提水站实际提水能力约束。

３优化配置模拟运行系统模型设计３．１系统模型的总体框架模拟以整个灌溉期分时段优化配置的水量平衡关系为联系，包括整个过程中的需水与供水关系。

为满足水量平衡关系及水资源配置功能的实现，整个模型系统主要由６部分组成（图１），核心是优化配置与水量平衡分析子系统。

整个淠史杭灌区的优化配置与模拟运行系统模型分３个灌区，按图１的框架模式分别建立。

每个灌区根据总干、干渠划分为不同的灌区片，每个灌区的需水及供水以及成果的输出均以干渠为基本单元，同时对３个灌区分别进行综合评价。

３．２田间需水计算子系统淠史杭灌区水稻灌溉需水约占灌区总用水量的９０％左右，因此田间需水量计算在本系统中以水稻田的灌溉需水量计算。

泡田期灌溉需水。

主要是泡田需水（泡田定额）和降雨利用率的关系。

在系统设计时，泡田定额和泡田期降雨利用率均参照灌区规划中的设计值。

如果降雨量不足，要计算出泡田灌溉需水；当降雨较多时，还要计算田间排水。

本田期灌溉需水。

首先要计算不同时段（该系统以旬为计算时段）水稻的需水量，采用以水面蒸发为参数的需水系黄义德等淠史杭灌区水资源优化配置的研究３４卷１４期３５５５３．３塘坝集水与可供水量计算子系统３．３．１根据降雨量拟定径流系数。

拦蓄旱荒地径流有效系数参照灌区规划报告中的值。

３．３．２拦蓄田间排水计算。

由于田间需水子系统中已经计算出排水量，因此，要确定一个合理的排水拦蓄系数。

３．３．３塘坝自身集雨。

由于灌区塘坝面积较大，自身集雨产水量也是塘坝水源重要组成部分。

３．３．４塘坝水损失主要是蒸发损失。

３．３．５塘坝供水由于保证率较低，因此，在灌区规划和实际运行调度时均要求控制运用，以降低前期用量较多导致后期干旱风险增大，因此本系统中用控制运用方法计算塘坝可供水量。