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)展離不開水資源的保障，離不開水庫；而新疆灌區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展更是離不開平原水庫。新中國成立前新疆就建設(shè)了巴楚縣紅海子水庫、烏魯木齊市紅雁池水庫、疏勒縣亞馬牙水庫三座平原水庫。隨著新疆大規(guī)模的水利工程建設(shè)，現(xiàn)已建成水庫577座，總庫容101.85 億m3，仍以小型水庫和平原水庫為主[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，減少平原水庫的蒸發(fā)量大，減輕水庫周邊地下水位升高導(dǎo)致的環(huán)境質(zhì)量下降等問題。但就當(dāng)前以及相當(dāng)長一段時(shí)期內(nèi)，由于平原水庫距離灌區(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 平原水庫調(diào)度規(guī)則分析

1.1 平原水庫管理現(xiàn)狀

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

(1)重工程管理輕資源管理。在水庫的日常運(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)水庫的調(diào)度運(yùn)行通常是通過歷史資料，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，來水變化多端，水庫調(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 平原水庫調(diào)度規(guī)則

1.2.1 調(diào)度管理思路

(1)水庫水與地下水聯(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。因此，平原水庫的調(diào)度管理必須將水庫水與地下水聯(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)，但地下水的開采應(yīng)有固定的峰值，不宜超過。同時(shí)為避免地表水超引，還應(yīng)確定地下水的最小開采量。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，若地下水開采小于規(guī)定的最小量則接下來的時(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)平原水庫主要作用為灌溉供水，因此水庫的庫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)來水、需水以及調(diào)度目標(biāo)測(cè)定。水庫調(diào)度管理主要考慮蓄放時(shí)間、水庫蓄放規(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)旬水庫不再放水。

(4)水庫以上旬旬末庫存為標(biāo)準(zhǔn)，上旬旬末的庫存落到哪個(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。水庫旬初蓄水，若來水蓄滿，則將水庫余水棄掉。

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

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河長47.1 km，流域總面積1 218.2 km2。流域地表水多年平均來水量為3 065 萬m3，地表水多年平均可利用量為1 656 萬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m3，允許開采量為1 900 萬m3[3]。2010年軍塘湖河流域取水量為4 210 萬m3，其中地表水、地下水取水量分別為1 616 萬m3、2 594 萬m3。農(nóng)業(yè)灌溉用水量為3 889 萬m3，其中地表水、地下水分別為1 462 萬m3、2 427 萬m3。2010年流域用水總量控制目標(biāo)為4 030 萬m3，其中：地表水1 616 萬m3，地下水2 414 萬m3?？梢?，2010年流域?qū)嶋H地下用水量超地下水控制量180 萬m3。軍塘湖流域水庫供水范圍包括紅山村、小河村、聯(lián)豐村、甘河子林場。

2.2 水庫蓄水放水線的制定

如前所述，水庫蓄水線和放水線的制定需根據(jù)來水、需水以及調(diào)度目標(biāo)測(cè)定。軍塘湖河流域來水資料為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)長系列的流域天然來水和農(nóng)業(yè)灌溉需水，目標(biāo)確定為年均總?cè)彼孔钌伲M(jìn)而確定出水庫的蓄水放水線。

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為長系列調(diào)度后缺水總量，萬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、甘河子林場調(diào)度后缺水量，萬m3。

2.2.2 約束條件

(1)旬初庫存約束。

興

(2)

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

(2)旬末庫存約束。

死

(3)

式中：wm(k，j，r) 為第k年第j月第r旬的旬末庫存，萬m3；FF(k，j，r)為天然來水量，萬m3；V死為水庫死庫容，取值為181 萬m3。

(3)水庫放水量約束。

(4)

式中：fsl(k，j，r)為第k年第j月第r旬的水庫放水量，萬m3；xsxR(k，j，r)為第k年第j月第r旬旬末限制庫容，萬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、甘河子林場地下水開采量，萬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，水庫庫損比例為3%，即本旬水庫水量損失為旬初庫存水量的3%。

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

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

2.2.3 模型求解

對(duì)上述模型采用Fortran語言編寫計(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)生的初始群體開始，通過變異、交叉、選擇三種操作，在每一代的進(jìn)化過程中，通過不斷地迭代計(jì)算，保留優(yōu)良個(gè)體，淘汰劣質(zhì)個(gè)體，引導(dǎo)搜索過程向全局最優(yōu)解逼近。

2.2.4 水庫旬灌溉放水限制庫容

將水庫灌溉放水限制庫容作為模型的未知變量，經(jīng)過模型模擬分析計(jì)算，得出以旬為單位紅山水庫最佳灌溉放水限制庫容，見表1。

表1 紅山水庫灌溉放水限制庫容 萬m3

根據(jù)表1可知，各旬旬末水庫水位限制在此范圍內(nèi)，則可保障水庫長期運(yùn)行中總?cè)彼孔钌?，同時(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)需水要求和長系列模擬模型求解的水庫放水限制庫容進(jìn)行水庫調(diào)節(jié)計(jì)算，得到水量分配結(jié)果如下，見表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m3

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

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

(1)通過長系列的來水運(yùn)行模擬分析確定水庫的蓄水放水線，據(jù)此調(diào)度水庫簡便易行。

(2)灌區(qū)地表水和地下水的用水量得到控制，從長期看有利于該區(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.