基于灌区需水与水库兴利调度的水资源优化配置研究与应用

水利水电技术第４１卷２０１０年第９期　基于灌区需水与水库兴利调度的水资源优化　配置研究与应用　马德海，马乐平　（甘肃省疏勒河流域水资源管理局，甘肃玉门　７３５２１１）　摘要：甘肃疏勒河灌区水资源优化决策支持系统通过对流域水资源特征、灌区需水量、水库调蓄功　能以及生产力结构布局等矛盾的分析，建立了可持续发展水资源优化配置模型和多目标的目标函数、　分解协调模型，可在不增减供、需水量的前提下提高水资源的配置效率，实现了节水、增产、保护生　态的综合效益。　关键词：灌区需水；水库调度；水资源优化配置；研究应用；疏勒河灌区；甘肃省　中图分类号：ＴＶ２１３．９（２４２）　文献标识码：Ｂ　文章编号：１０００—０８６０（２０１０）０９—０００１－０４　Ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｗａｔｅｒ　ｄｅｍａｎｄｓ　ｏｆ　ｉｒ￣ｇａｔｉｏｎ　ａｒｅａ　ａｎｄ　ｕｓｅｆｕｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ＭＡ　Ｄｅｈａｉ，ＭＡ　Ｌｅｐｉｎｇ　（Ｇａｎｓｕ　Ｓｈｕｌｅｈｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ｂａｓｉｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｂｕｒｅａｕ，Ｙｕｍｅｎ　７３５２１　１，Ｇａｎｓｕ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍａｄｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒａｄｉｃｔｉｏｎ　ａｍｏｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，ｗａｔｅｒ　ｄｅｍａｎｄｓ　ｉｎ　ｉｒｒｉｇａ－　ｔｉｏｎ　ａｒｅａ，ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｓｔｏｒａｇｅ　ａｎｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｅｔｃ．，ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｏｐｔｉ—　ｍｉｚｅｄ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｆｏｒ　ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｍｕｌｔｉ—ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ—ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ａｒｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｄｅｃｉｓｉｏｎ—ｍａｋｉｎｇ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｆｏｒ　Ｓｈｕｌｅｈｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ｂａｓｉｎ　ｉｎ　Ｇａｎｓｕ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ；　ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｐｒｅｍｉｓｅ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ａｎｄ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｂｏｔｈ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ａｎｄ　ｄｅｍａｎｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｂｅｎｅｆｉｔ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ－ｓａｖｉｎｇ，ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｅｃｏ—ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ　ａｒｅａ；ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ；ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ａｌｌｃａｔｏｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ；ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；　Ｓｈｕｌｅｈｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ　Ａｒｅａ；Ｇａｎｓｕ　１　引言　的是运用现代科学方法去科学管理。随着计算机技　术的应用以及与工程实际相适应的数学模型的运　水资源综合利用是一个复杂的系统工程，水资　源与经济、社会、生态环境之间相互联系，它们之　间既相互依赖、相互促进又相互制约。研究水资源　优化配置，其目的是以水资源优化决策支持系统为　用，水资源优化配置计算逐渐由经验法转向更为精　确的优化算法，使得水资源配置更加准确，为灌区　水资源分配提出相关的决策依据，实现水资源可持　续利用。为此，甘肃疏勒河灌区于２００４年开展了　《水资源优化配置的研究与应用》工作，２００８年项　目投入运行，取得了显著的效果。　手段，实现水资源的节约保护和可持续利用，确保　水资源与经济、社会、生态环境的协调发展，使有　限的水资源得到合理配置、高效利用，为工农业生　产和人民生活、生态环境提供水资源保障，以获得　最佳的经济、社会和生态综合效益。要实现水资源　收稿日期：２０１０—０７．２０　作者简介：马德海（１９５３一），男，东乡族，教授级高级工程师，副局　长，总工程师。　的科学、优化分配，不只是修建水利工程，更重要　ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏ１．４１　Ｎｏ，９　马德海，等∥基于灌区需水与水库兴利调度的水资源优化配置研究与应用　２研究区域　疏勒河流域位于我国西北部的甘肃省河西走　续发展水资源优化配置模型。　３．１　目标函数　基于可持续发展观点，确定在某一时段　内各　目标描述如下：经济目标为人均ＧＤＰ最大，社会目　标为人均粮食占有量最大，生态环境目标为生态需水　率必须满足该时段的最大目标值。目标函数表达式如　下　廊，全长６６５　ｋｍ，流域面积４．１３万ｋｍ　，年平均气　温７～９℃，年平均降水量不足５０　ｍｍ，蒸发量１　５００　～３　２００　ｍｍ，干旱少雨，风沙大，蒸发量高，自然条　件差，是我国极度干旱地区之一。流域内地表水主要　来源为出山径流，多年平均径流量ｌ０．３１亿ｍ　，在　时空分布上受大气降水和温度变化的影响较大。在时　Ｆ（Ｘ）ｍａｘ：【，　（　），Ｆ２（　），Ｆ３（　）】　（１）　式中，Ｆ　（Ｘ），Ｆ２（ｘ），Ｆ３（Ｘ）分别为经济目标、社　间上，夏季径流量大，为融雪和雨洪补给，冬春季则　以地下水补给为主，径流量较小，同时年径流总量随　气候周期变化呈枯丰交替；在空间上，中下游径流量　一般呈逐年减少趋势，这与上游引水量增大和灌溉水　利用量提高导致河水量的衰减有直接关系。该地区的　水资源利用以农业灌溉为主，兼顾工业和生态用水，　水资源的分配由上游来水、三大水库调蓄和供水需求　等因素调节。多年来由于人为因素，竞相开垦耕地，　在短短１Ｏ年内土地耕种面积由６５万亩增长至１３４．４２　万亩，总水资源毛利用率达到９１％。大量河水引入　灌溉，生态用水逐年下降，原有的水资源（地表一地　下一地表）转化功能受到很大改变，因此，水资源的　优化配置对该地区经济、社会、生态可持续发展有着　极为重要的意义。　３区域可持续发展水资源优化配置模型约束　因素　水资源决策支持系统与三大水库联合调度之间有　着密切的联系。来水预测为水库调度提供了可供水量　依据，并结合灌区水利工程输水能力可计算出防洪调　度和兴利调度的最优方案；水资源决策支持系统将计　算出农业、工业以及生态需水量，为水库调度提供需　水依据，同时制定出调度方案并分配水量。　水资源优化配置包括需水管理和供水管理２方　面，在需水方面通过调整产业结构和种植结构比例，　积极发展高效节水农业，抑制需水增长势头，以适应　较为不利的水资源条件。在供水方面则是协调各行　业、各单位竞争性用水，加强管理，并通过工程措施　改变水资源天然时空分布与农业灌溉布局不相适应的　被动局面。考虑水资源与社会经济和生态环境等各种　因素，以实现区域社会经济发展和生态环境可持续协　调发展的目的，构建反映多目标因素的目标函数，以　水资源可承载模块、经济社会发展模块、可持续发展　模块、区域水资源循环模块、社会经济一生态环境一　水资源互动关系模块等作为约束因素，建立区域可持　２　会目标、生态环境目标。　３．２约束条件　（１）水资源约束模块。　总水量平衡约束公式为　总：　，地表水＋　ｒ地下水＝Ｐ＋Ｐ１一Ｅ　（２）　式中，Ｐ为降水量；Ｐ　为调入和入境水量之和；Ｅ为　各种蒸发量与耗水量、出境水量之和。　可利用水资源约束公式为　Ｑ可利用＝∑ａｉｑ　（　１，２，３，４，５）　（３）　式中，０　为水资源利用系数；ｑ　为水资源量；ｉ＝１，　２，３，４，５，分别表示区域水资源、地下水资源、人　境水、可再生水、调入水。　（２）社会经济发展约束模块。　主要由人口发展模块和经济发展模块构成，表示　如下　Ｊ．ＰＬ口（　）　Ｐ人口（　一　）（　＋　人Ｌ＝Ｉ）　ｒ４１　【Ｇ（，工业，　农业）　Ｃ￣Ｘ１，　式中，Ｇ（，工业，　农业）为工业ＧＤＰ和农业ＧＤＰ的目标　函数；Ｇ规划为ＧＤＰ规划目标；Ｐ人口为人１：３需水量；ｔ　为规划时段；ｋ为人口自然增长率。　（３）各系统互动关系约束模块。　主要考虑社会经济一水资源一生态环境系统之间　的互动关系，公式如下　Ｑ系统：Ｑ社＋Ｑ生　Ｑ社：　ｐ　（，ⅢＡ　ＰＡｎ）　（５）　（｝生＝ｐ河道＋Ｑ地下水补给　式中，Ｑ社为社会经济用水量；Ｑ生为生态用水量；ｐ　为第　个部门用水定额。　（４）系统“可承载”约束模块。　水资源系统“可承载”约束模块采用模糊数学中　的“隶属度”进行构建，在构建过程中，考虑经济、　社会、生态环境、水资源系统本身的影响因素选取各　水利水电技术第４ｌ卷２０１０年第９期　马德海，等∥基于灌区需水与水库兴利调度的水资源优化配置研究与应用　评价指标。理论上选取的指标越多表明精确度越高，　但这样会导致计算量过大，并且许多指标收集起来很　困难。因此在实际研究中，往往依据所研究区域的实　式中，ｋ　为部门偏离度，　ｉ越大表示部门偏差越大；　ｋ为结构总协调度，ｋ越大表示协调度越好；　为部　门实际生产结构指标；ｕ　为部门最优化结构指标。　际特征，选取具有代表性的关键指标进行分析，这不　会影响对整个系统的评价结果。将整个系统划分为水　在实际研究中，应制定相关标准值为约束边界，对产　业结构进行调整。　资源子系统、生态环境子系统、社会经济子系统３个　子系统，各子系统又包含诸多单项指标。系统综合可　承载模型如下　３　４灌区水资源优化配置的分解协调模型　疏勒河灌区水资源的分配由上游来水、三大水　￡　＝∑ａｌＬ　ｉ＝１　（６）　库调蓄和供水需求等因素调节，其主要以农业灌溉　为主，占总用水的９４％，由于农业系统的复杂性和　＝。兀　（７）　１　（　＜ｖ，ｉｌ）　糍（　）（８）　０　（　＞ｖｉ，２）　式中，Ｌ　为系统综合可承载程度；Ｌ　为各子系统隶　属度；ｔｔｑ为各单项指标的隶属度；　为第ｉ个指标的　实际值；ｖｏ　和　分别为　的临界值和理想值；ｍ为　子系统的指标个数；０　为第ｉ个指标的指数权重，０　的取值可以用层次分析法得到，也可以借鉴国内颁布　的相关指标，并结合区域实际情况由专家决策系统得　出。　作为约束条件时，　应在可承载满意范围之内，　并追求不同方案下可承载程度最大值，即Ｌ　＝ｍａｘ　［　。　，　…，　】，其中Ⅳ为规划方案个数。　（５）系统可持续发展约束模块。　根据水资源优化配置和区域可持续发展定义，可　持续发展约束模块应体现以下两个方面的原则，即水　资源可持续利用原则和社会经济系统各行业发展协调　原则。　水资源可持续利用模块为　∑Ｑ　生Ｑ　≤１　（９）／　总　式中，Ｑ　为部门用水量；Ｍ为部门数量；Ｑ总为总可　利用水资源量。　社会经济系统各行业发展协调模块。当水资源配　置最优时，存在着最优经济增长理论。依据直接消耗　系数矩阵的特征根和特征向量建立各产业结构的偏离　度和整个产业结构的总协调度，公式如下　ｒｋ　＝１一ｍｉｎ（　，Ｈ　）／ｍａｘ（　，Ｍ　）　Ｊ【　　（１ｏ）　ｋ：￣／ＸＩＵｉ１　／√　，厂　——；水利水电技术第４ｌ卷２０１０年第９期　多指标性，本次研究拟结合大系统分解协调理论，　基于可持续发展的观点，采用模糊多指标优选模型　对典型灌区进行研究、优化设计，并对典型灌区的　地表水和地下水进行联合调度，进行时空优化，选　择灌溉方式，制定合理的区域配水。种植结构由于　市场调解，以实际统计为准，作物的灌溉制度以现　状为准。　研究目标是将有限的水量通过昌马水库、双塔水　库、赤金峡３座水库联合优化调度，最优地分配给不　同的子区，再由子区根据灌溉制度最优地分配给不同　的作物，从而确定水资源最优配水过程，以使灌区综　合效益（经济效益、社会效益和生态效益等多种效益　目标的总称）最大。调水约束条件为：　（１）昌马水库下泄水量首先保证昌马灌区７０万　亩地灌溉，充分发挥赤金峡、双塔２个水库调蓄功　能，保证双塔、花海两灌区６４万亩灌溉。　（２）输入双塔、赤金峡水库的水位汛期不得超过　汛限水位，公式为　Ｈ汛≥日　（１１）　式中，　汛为指定的汛限水位；Ｈ为实际水位。　（３）双塔、赤金峡两水库蓄最小水量不得低于死　库容，灌溉期要保证所属灌区最小时段需水量（赤金　峡７　ｄ、双塔１２　ｄ），公式为　』　≥　（１２）　【　一　≥Ｗ日Ｎ　式中，　为实际库容；　为死库容；Ｗ日为日需水　量；Ｎ为保证天数（赤金峡７　ｄ，双塔１２　ｄ）。　（４）输水渠道，Ｑ　大于下游分水渠道需水量之　和，公式为　ＱＪｚ≥∑Ｑ　（ｉ＝１，２，３，…）　（１３）　式中，Ｑ　为上游输水渠道设计流量；Ｑ　为下游子分　水渠需水量。　不同子区间的配水属于灌区总系统的优化，多渠　３　马德海，等∥基于灌区需水与水库兴利调度的水资源优化配置研究与应用　系之间的分配属于每个子区子系统的优化，作物以灌　溉制度配水属于每种作物子系统的优化。将作物子系　统作为第一层，子区子系统作为第二层，灌区总系统　作为第三层，通过供水量将一、二、三层联系起来，　配方案，并且符合当地的实际情况。决策者直接参　与方案从设计到决策的全过程，集中各种知识和思　维，综合分析一个地区的水资源优化调度工作，实　现决策者能够自己以多年对一个地区的认识和经验　来选择更加符合实际、更加有利于发展的决策方　案。　则成为一个具有三层谱系结构的多目标的大系统，适　于用大系统分解协调模型求解。基于以上思路，我们　建立了求解灌区灌溉供水量最优分配的分解协调模型　三大水库联合调度系统中建立了来水量预测评价　（见图１）。　Ｉ　４ｏ４工业用水Ｉ　＝＝＝＝＝　Ｉ昌马水库Ｉ　第三层　／ｆ　Ｊ、　研究区　医亟口　ｌＪ医　圈　第二层　ｆｉ　子昌区马１　碲蕊硒　¨　¨　｛ｆ　第一层匝圈匝圈匝圈　图１分解协调模型　模型的求解：在进行模型求解思路时，首先对　第一层作物在现状灌水定额、种植面积、种植结构　比例条件下进行灌溉进度等优化设计，得到一组最　小需水量，并将这些决策信息传递给第二层。第二　层以第一层的决策作为输入，在渠道控制流量、渠　道水利用糸数等条件的约束下，进行水量优化，并　将优化结果传递至第三层。第三层在接到以上信息　后，综合考虑经济、生态、社会等多个目标，在预　测来水量、总供水量、考虑３座水库调蓄、兴利库　容以及防洪、地下水补给等多种因素的约束下，对　可调配的水量在子区间进行分配，并进行变量的协　调。第三层优化协调的结果，将自上而下传至第二　层，第二层在接受到优化结果后再次对可分配水量　进行协调，并将协调结果传递给第一层，第一层再　次进行优化，如此反复进行，最后达到全局最优为　止。一般来说，在考虑综合效益的情况下，以采用　单方水所产生的综合效益相等作为衡量是否达到最　优的标准。　疏勒河水资源管理系统是根据灌溉作物面积和　定额等基本数据确定供水需求，并通过供需平衡分　析来确定水库调度可分配水量，最终制定水资源分　４　模型，根据预测来水量的实际情况来实现灌区种植面　积、种植结构及结构比例的优化，提高了灌溉保证　率，实现了汛期与非汛期、不同灌区的水资源统一调　度和优化配置，这在同类技术中还是比较先进并且符　合灌区实际情况的。　５小结　优化配置是人们在对稀缺性资源进行分配时的　目标和愿望。一般而言，优化配置的结果对某个个　体的效益和利益并不是最高最好的，但对整个资源　系统而言，其总体效益和利益是最高最好的。随着　社会的不断进步和生产的不断发展，人们对水在质　和量两方面的需求将越来越高。但是自然界所能提　供的水资源量是有限的，所以需求与供给间的矛盾　必然存在，而且有增无减。这便是进行水资源优化　配置的前提条件。　水资源配置没有增加供水量，也没有减少需水　量，但它却使总体效益最大化。它的实质就是提高水　资源的配置效率，一方面是提高水资源的分配效率，　合理解决各部门和各行业之间的竞争用水问题，另一　方面则是提高水资源的利用效率，促使各部门或各行　业内部节约、高效用水。　通过水资源决策分析和优化配置，可以实现节　水、增产、保护生态的综合效益。甘肃疏勒河灌区通　过三大水库联合调度系统的建立，为实施灌区优化运　行调度，确保昌马、双塔和花海三大灌区农业灌溉提　供科学依据，为指导各灌区以及各部门和生态用水提　供可靠的依据，通过对水量的优化调度，确保了灌区　１３４．４２万亩农作物的适时灌溉，实现年节水４　２２５万ｒｎｊ，　年综合效益增加２１　７１５万元。　参考文献：　［１］　马德海，等．甘肃疏勒河灌区信息化工程研究与应用技术报告　ｃＲ］．２００８．　［２］　邱林，等．区域水资源可持续利用管理理论与应用［Ｒ］．　２ｏｏ３．　（责任编辑聂建平）　水利水电技术第４１卷２Ｏ１０年第９期