灌区水资源优化配置数学模型研究与应用

采用系统工程理论,以民权县引黄灌区为例,以灌区年净灌溉效益最大为目标,以当地地表水、地下水及引黄水、灌区各行业需水量、机电井出水能力、适宜地下水埋深等为约束条件,对灌区＂三水＂在不同水文年、不同农作物及农作物生育期间进行了优化分配,为区域水资源管理部门统筹调度＂三水＂资源提供了决策指导。     

漳河跨界河流区域农田灌溉需水量预测

漳河跨界河流区,水资源开发程度高,灌区规模大,农业需水量占全区总需水量的80%以上。本文结合漳河跨界河流区农田灌区规模,以2015年为现状年,2020年和2030年为预测年,并设计平、枯、特枯水年三种水利年型,对区域灌区农业用水高峰月份进行需水量预测。计算结果显示:2020年红旗渠灌区需水量最大,小跃峰渠灌区需水量最小;20230年大跃峰灌区需水量最大,小跃峰渠灌区需水量最小。     

基于多目标模糊规划的灌区多水源优化配置

以黑龙江省和平灌区为例,构建基于多目标模糊规划的灌区多水源优化配置模型,该模型能够在提高农业灌溉用水净效益的同时有效减少农业灌溉水量,促进和平灌区多水源高效配置。采用具有非线性隶属度函数的模糊多目标规划求解模型,得到不同流量不同水源下的最优配水方案。结果表明:不同流量水平下水稻不同生育阶段均存在缺水现象,低流量下需从柳河水库引入外调水才能保证水稻的最小需水量。为保证灌区整体效益,按照引水工程、提水工程、井灌工程的先后顺序进行配水,并得到多目标配水模型在不同情景下的运行稳定情况。该模型可以高效地进行灌区多水源在作物各生育阶段的优化配置。     

基于农业可持续发展的锦西灌区灌溉水资源配置研究

为探索不确定环境下通过灌溉水资源优化配置方法促进灌区农业的可持续发展，选取黑龙江省锦西灌区为研究区域，以随机规划、多目标规划等方法为基础展开研究。结果表明：优化后不同供水情景下，灌区灌溉总耗水量节约1.3~3.9亿m3，灌溉水资源生产力提高0.85~1.01kg/m3，可促进农业经济效益增长0.18~6.90亿元，且优化后各配水方案中生态配水量控制在0.4亿m3以上，降低农业污染物排放量1.28~3.13万t，灌区农业生产环境显著改善。优化后，不同情景、不同模糊隶属度函数所对应的各灌溉水资源配置方案的经济效益、生态效益、社会效益均存在明显差异，不确定性要素对灌区农业可持续发展影响显著。以农业经济效益、水资源利用均衡性指数、农业水分生产力、农业污染物排放强度、GWP排放量以及农业水资源利用比率为主要指标，对优化后各配水方案的综合可持续性进行分析，确定各供水情景下的最优配水方案，最优方案的可持续性指数均高于0.4。最优配水方案可在稳定灌区粮食产量的基础上，有效提高水资源利用效率，改善灌区生态环境，保障灌区农业的可持续发展。     

大型灌区水资源供需平衡与节水改造效益分析

灌区的节水改造是一项以水资源高效利用为核心的系统工程。根据浙江省大型灌区水源工程状况，对农业灌溉、工业用水和生活用水需水量进行了预测，以此进行了灌区现状年和规划年的水资源平衡计算。根据实施节水改造灌区的效益情况，对节水改造规划工程实施后的经济效益和社会效益进行了分析。     

大型灌区水资源供需平衡与节水改

灌区的节水改造是一项以水资源高效利用为核心的系统工程。根据浙江省大型灌区水源工程状况，对农业灌溉、工业用水和生活用水需水量进行了预测，以此进行了灌区现状年和规划年的水资源进行平衡计算，根据实施节水改造灌区的效益情况，对节水改造规划工程实施后的经济效益和社会效益进行了分析。     

泾惠渠灌区作物种植结构变化对灌溉需水量的影响

研究种植结构变化对灌区作物需水量和灌溉需水量的影响,能够为作物生育期的灌溉用水管理和农业水资源规划提供基础数据。依据泾惠渠灌区实测降水和蒸发蒸腾等气象数据,采用FAO推荐的Penman-Monteith公式和作物系数法计算灌区主要作物需水量;通过频率计算和配线法确定灌区丰水年(25%)、平水年(50%)和枯水年(75%)的有效降水量;根据1988—2014年Landsat卫星遥感影像提取的泾惠渠灌区不同历史时期农业种植结构数据,计算典型水文年份灌区总灌溉需水量,并分析作物需水量和灌溉需水量在不同典型水文年的年际和月际变化。结果表明,随着泾惠渠灌区农业种植结构的变化,灌区总的作物需水量和灌溉需水量都呈现显著下降趋势。但泾惠渠灌区在1988—2005年间,单位面积平均作物需水量和平均灌溉需水量都基本保持不变,随后均呈小幅下降趋势。各月份作物总需水量和总灌溉需水量除6月份之外,其余各月份都呈现显著下降趋势;但在此期间,灌区单位面积平均作物需水量和平均灌溉需水量除在4、8、9月份呈下降趋势,而6月份呈显著增加趋势外,其余各月份基本保持不变。灌区总的作物需水量和灌溉需水量的下降主要是由农作物种植面积大量减少所致,种植结构的变化对其影响较小,但灌区种植结构调整后的作物需水量状况更符合区域有效降水特点。     

区域农田灌溉用水量测算方法研究分析

农田灌溉用水是农业用水重要组成部分,区域灌溉水量数据是国家开展农田水利基本建设和用水调度管理的基础。灌区是农田灌溉的基础单元,因此需以灌区来开展区域农田灌溉用水统计。针对区域灌区数量多、受益范围大、水源众多等特点,对不同规模灌区分别提出了用水量计算方法及典型灌区选取要求,并根据灌区特点提出渠首计量点的设置思路。以浙江省为例,采用点面转化方法,基于不同规模的典型灌区测算全省灌溉用水量,为最严格水资源管理制度和水资源公报编制提供依据。     

月灌溉用水量分布式优化模型

针对大型灌区作物种植结构复杂、不同区域作物需水量差异较大的特点,以GIS为平台,建立了灌区月灌溉用水量分布式优化模型.模型将灌区栅格化,以每个栅格的月灌溉用水量作为决策变量,以作物生育阶段作物水分生产函数为基础,以灌区作物产量最大为优化目标,考虑了水量平衡、渠系配水能力、水资源投入量、灌水时间、可供水量以及非负共6个约束条件.以澳大利亚马兰比季灌区2006—2007年8月、10月和12月的优化结果为例,优化后月灌溉用水的高峰期与河流径流的高峰期同期,且优化后的灌溉用水量小于同期观测值.此外,优化后的配水结果存在将有限的水资源向经济价值高的作物转移的趋势.因此,月灌溉用水量分布式优化模型可以用于大型灌区内不同尺度月灌溉用水量的优化模拟,且优化后的配水方案更加节水高效.     

基于C#和ArcEngine技术的灌区需水量计算系统

为了及时准确获取灌区需水量数据,利用ArcEngine和C#作为开发平台和语言,结合GIS和RS的数据分析与影像处理功能,开发灌区需水量计算的应用系统。系统以遥感热红外波段反演的不同农作物土壤体积含水率与灌区的土地分类影像为依据,并根据不同作物的灌溉制度设置计算参数,经过系统运算可以快速得到灌区灌溉需水量的大小。通过对陕西泾惠渠灌区实例数据的计算结果分析表明,系统具有动态监测和实效性,为指导灌区进行水资源优化配置和精准灌溉提供重要的基础数据。     

基于供需水量平衡分析的灌区机井布局模式

针对机井布局缺乏合理科学规划,造成的北方灌区地下水采补失调问题,以宝鸡峡灌区为研究区,在灌区地下水资源综合评价的基础上,划分地下水开发利用类型区;以充分灌溉和非充分灌溉条件下的灌区供需水量平衡分析为依据,拟定不同的井灌地下水开采规模方案,并通过地下水数值模拟计算,确定合理的地下水开采规模;运用传统计算方法和基于遗传算法的优化方法计算灌区规划机井数,单井灌溉面积及井距,确定灌区机井合理布局模式.计算结果表明：开采方案Ⅱ（采补平衡）条件下,灌区地下水位埋深年内变幅最小,且呈微小上升趋势,地下水采补基本平衡,缺水率可控制在1%左右,利于涵养地下水源.针对现有机井数量,灌区需做如下调整：塬上灌区需新建机井53眼,塬下灌区需减少机井242眼,以利于灌区合理开发利用地下水资源.     

灌区自然供水条件下的水资源短缺风险模型及应用

以河南省陆浑灌区1970—2013年的年降水量和年参考作物腾发量为基础,运用Frank Copula函数构建了灌区自然供水条件下的水资源短缺风险模型,并对灌区自然供水条件下的水资源供需联合分布和组合遭遇概率进行了分析。结果表明,Frank Copula函数能较好地模拟降水量与ET_0之间的相依关系,所构建的联合分布模型能很好地描述降水量与ET_0的联合概率分布特性;不同量级年降水量和年ET_0的2类联合分布概率可通过该模型进行耦合量化。     

大型灌区渠道闸门一体化测控系统

基于自动化控制、网络通信和测量等技术,设计并研发了能够实现信息采集-处理-决策-信息反馈-监控-共享一体化的灌区闸门测控设备,并在甘肃省景电灌区进行了应用和验证.结果表明:渠道闸门一体化测控系统实现了灌区流量数据自动监测、收集和计算分析,提高了计量精度;能够对数据进行存储、查询与展示,实现了数据的共享,形成了灌区水资源管理数据库;实现了渠道流量远程自动控制与调节,提高了管理水平和管理效率;实现了智能手机远程操作,提高了办公效率.灌区闸门测控一体化测控系统的实施减少了灌区现场维护的次数,降低了设备运行成本,极大地提高了灌区水资源管理效率.研究成果可为中国大型灌区水资源科学管理提供有力的技术支撑,对闸门量水测流技术进步进行了有益的探索.     

基于线性规划和MODFLOW耦合技术的人民胜利渠灌区水资源优化配置研究

【目的】确定人民胜利渠灌区合理的农业水资源优化配置方案,为灌区水资源管理和机井布置提供科学依据。【方法】针对人民胜利渠灌区水资源分配不合理及灌区生态环境恶化问题,按照灌区地形地貌、工程类型和灌溉水源特点将灌区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3个计算单元,基于线性规划方法和MODFLOW地下水数值模型对灌区各计算单元进行不同水文年水资源优化配置,并模拟优化配置后地下水位动态变化。【结果】确定了不同水文年灌区的水资源优化配置方案:灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区不同水文年的井渠比例有所不同,平水年井渠比分别为1/3.14、1/3.25、1/2.92,丰水年分别为1/3.47、1/3.66、1/3.24,枯水年分别为1/2.75、1/2.77、1/2.60;平水年计算单元Ⅰ区模拟地下水埋深相比初始埋深下降0.01 m,水资源总量基本处于平衡状态;计算单元Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相对于初始埋深分别上升了0.12、0.15 m;丰水年灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相比初始埋深分别上升了0.1、0.23、0.3 m;枯水年灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相比初始埋深分别下降了0.17、0.08、0.04 m。【结论】线性规划方法和MODFLOW地下水数值模型相结合能较好地模拟灌区地下水流场和预测地下水动态变化趋势,进而确定合理的水资源优化配置方案。     

基于模糊综合评价的赣抚平原灌区水资源承载力研究

针对灌区用水结构特点,构建了适合灌区的水资源承载力评价指标体系,利用层次分析法确定评价指标的权重,并与模糊综合评价法有机结合,以赣抚平原灌区为例进行具体计算与分析。结果显示,现状年、2020年和2030年,赣抚平原灌区水资源承载力综合评分值分别为0.603 4、0.590 3和0.653 8,表明该地水资源开发利用已经初具规模,但仍有较大的开发利用潜力,水资源对社会经济发展有较好的保障。通过对影响水资源承载力的18个指标和4个子系统进行独立的模糊综合计算,结果表明灌区供水量分配指标骤减引起2020年水资源承载力的小幅下降,随着水利工程改造和节水型社会的建设,水资源利用率大幅提高,2030年灌区水资源承载力又有所增强,水资源承载状况表现为良好的发展态势。     

基于GIS的赣抚平原灌区数据库构建和空间分析

为实现灌区信息的统一化管理和空间分析,提高灌区管理工作的效率和水平,构建了一个基于ArcGIS的灌区信息管理系统.以数据库为手段,通过数据收集、组织、编辑、转换实现对灌区多源空间数据和属性数据的融合分析,可实现数据的维护、可视化管理和统计分析,特别是基于ArcGIS的统计分析功能,实现灌区土地利用类型、高程和坡度的分布规律及其相互关系的统计分析.以江西省赣抚平原灌区为例,在多源空间数据和属性数据的基础上,构建了灌区基础地理信息数据库,实现了灌区信息的集中管理、查询、统计和维护更新.基于统计分析得到了灌区高程、坡度和土地利用类型的空间分析规律.结果表明:灌区大部分地势平坦,主要以农业用地为主.高程较低地势起伏较小时,主要的土地利用类型是水稻,随地势增高和坡度变陡,林地所占的比重逐渐增大,成为主要的土地利用类型.     

灌溉水价与灌区灌溉用水量关系研究

运用经济学理论分析了灌溉水价与灌区灌溉用水量的关系,根据2000—2009年对关中地区冯家山、羊毛湾、石堡川3个灌区的实际调查资料,对不同灌区建立农业灌溉用水需求函数,计算灌溉用水需求价格弹性。研究表明,关中地区3个灌区中,石堡川灌区弹性最高,为-1.11;冯家山灌区和羊毛湾灌区弹性分别为-0.47和-0.69,即灌溉水价提高1%,灌溉用水量将下降0.47%～1.11%。对于现行水价较低的灌区,水价调高对该灌区将产生明显的节水效应;对现行水价较高的灌区,水价继续调高。     

基于土壤湿度参数的自动化节水灌溉装置在草坪绿地上的应用

草坪建植和养护需要消耗大量水资源，而我国人均淡水量仅有2 240 m3，是世界平均淡水拥有水平的1/4，因此，草坪业在我国发展缓慢，群众接受度较低。基于土壤湿度参数的绿地草坪自动化节水灌溉装置由控制器、传感器、电磁阀及中央控制器构成，理论核心是草坪调亏灌溉理论。装置通过在草坪土层中安装测定土壤持水量的传感器，采集土壤湿度信息，将数据反馈给控制终端，控制终端结合草坪草的性质及传感器反馈的信息，确定出该草坪所处的水分需求状态，从而通过控制电磁阀开闭来控制灌溉量，对灌溉进行有效调控。该装置具备数据采集、灌溉控制、参数设置和数据处理等功能，可以精准控制土壤湿度，减少草坪耗水量、提高水分利用率，并设置适当水分胁迫，使草坪在更低的耗水量下长势更优。该文论述了装置的组成及运行原理，并结合市场现有灌溉装置进行对比与分析。结果表明，该装置实现了对草坪需水程度的实时监测与智能调控，减少无效灌溉，提升灌溉效率，可以发展出以减少灌溉定额、提升草坪质量为目的的新型灌溉模式，降低草坪养护成本。      

节水灌溉与水资源优化配置对农业种植结构影响研究

安徽省水资源紧缺,发展节水灌溉是缓解水资源供需矛盾,实现水资源优化配置,促进农业种植结构调整,实现农业可持续发展的根本措施.建立了相应的水资源优化配置数学模型,分析了节水灌溉和水资源优化配置对农业种植结构的影响,并给出实例分析,对安徽省8个节水灌溉分区分别提出了不同的农业种植模式.