（农业水土工程专业论文）沙坡头北干渠供水工程跃进渠灌区优化配水研究.pdf

摘要 随着人口持续增加，灌溉农业面积不断扩大，工业化和城市化快速发展，城乡居民生活水平 不断提高，人类社会对水的需求急剧增长：科学合理的利用水资源显得尤为重要。本论文立足跃 进渠灌区，对灌区内的工业需水量、农业需水量、生活需水量分别采用工业的发展预测与万元产 值方法、f a o ( 联合国粮食及农业组织) 推荐使用彭曼修正法和水量平衡方程、人口与牲畜增长预 测和用水定额法进行需水量预测。运用线性规划理论，对跃进渠灌区余丁段作物种植面积进行了 优化。本论文主要取得了以下结论： ( 1 ) 通过计算，得到跃进渠灌区2 0 0 4 年工业、城镇生活、农村生活、农业灌溉需水量分别 为n1 8 8 6 万m 3 、1 3 0 4 9 万m 3 、1 8 0 9 2 万m 3 、2 3 2 0 0 0 0 万一，2 0 1 0 年工业、城镇生活、农村 生活、农业灌溉需水量分别为2 9 1 6 3 6 万m 3 、1 7 4 8 7 万m 3 、1 9 4 6 3 万m 3 、1 4 7 9 7 9 3 万m 3 ，2 0 2 0 年工业、城镇生活、农村生活、农业灌溉需水量分别为3 9 5 1 7 2 万m 3 、3 0 0 6 0 7 万m 3 、2 0 4 3 0 万 m 3 、1 4 7 9 7 9 3 万m 3 。对灌区水资源可供量进行计算和分析得出2 0 0 4 年、2 0 1 0 年和2 0 2 0 年可供 水量分别为3 0 9 9 5 0 0 万m 3 、2 5 0 1 4 5 9 万m 3 、2 5 6 1 4 6 6 万m 3 ，余缺量分别6 3 6 4 7 3 万m 3 、6 9 3 0 8 0 万o 、6 3 6 0 1 l 万m 3 。从以上结果可以看出，随着时间的推移，人民生活质量的提高，通过节水 措施农业灌溉需水量减少，城镇生活需水量增加过快。 ( 2 ) 以跃进渠第一管理所余丁段为例，对其种植结构进行优化，使该段2 4 9 4 9 亩土地，增 加收入1 8 7 2 6 6 6 3 6 1 元：分析求解结果，该段麦套玉米、水稻、单种玉米、枸杞、果树的种植比 例由原来的0 4 4 ：0 2 6 ：0 2 0 ：0 0 9 ：0 0 1 优化为0 3 ：0 2 ：0 1 5 ：0 2 5 ：0 1 ；从上述比例变化中得知，套种玉 米种植比例减少1 4 ，水稻减少6 ，单种玉米减少5 ，枸杞增加1 6 ，果树增加9 ：得出在 保证粮食安全的前提下，加快农业产业结构调整，提倡扩大种植灌溉定额小、产出效益大的经果 林和枸杞，是该灌区的一种合理的选择。 本文的研究成果，不仅对北干渠灌区水资源合理配置和水资源高效利用具有重要参考作用， 而且对宁夏区域节水型社会建设具有重要意义 关键词：需水量，预测，线性规划，优化配水，种植结构 a b s t r a c t a st h ep o p u l a t i o nc o n t i n u e st og r o w , e x p a n d i n ga 托ao fi r r i g a t e da g r i c u l t u r e , i n d u s t r i a l i z a t i o na n d r a p i du r b a n i z a t i o n # i s i n gl i v i n gs t a n d a r d so fu r b a na n dr u r a lr e s i d e n t s , h u m a ns o c i e t y , t h er a p i d l y i n c r e a s i n gd e m a n df o rw a t e r ；s c i e n t i f i ca n dr a t i o n a li ti si m p o r t a n tt ow a t e rr e s o u r c e s t h ep a p e rb a s e d 0 1 3y n e j i nc a n a li r r i g a f i 0 6 ，o ni r r i g a t i o nw a t e rd e m a n di nt h ei n d u s t r i a l ，a g r i c u l t u r a lw a t e rd e m a n d , w a t e r d e m a n df o r e c a s t sw e u s e da n d1 0 0 0 0y u a no fi n d u s t r i a l o u t p u tv a l u eo ft h ed e v e l o p m e n to f m e t h o d s ，f a o ( f o o da n da g r i c u l t u r eo r g a n i z a t i o n ) r e c o m m e n d e dp e n m a na m e n d m e n ta c ta n dt h e w a t e rb a l a n c ee q u a t i o n , p o p u l a t i o na n dl i v e s t o c kg r o w t hf o r e c a s t i n ga n dw a t e r 敝e dm e t h o dt of o r e c a s t w a t e rd e m a n d t h eu o fl i n e a rp r o g r a m m i n gt h e o r yt ol e a po v e rt h es m a l ls e c t i o no fc a n a li r r i g a t i o n d i s t r i c t sc r o pp l a n t i n ga r j i so p t i m i z e d f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a nb ed r a w n ： ( 1 ) b yc a l c u l a t i n g ，v u e j i n c a n a l i r r i g a t i o n d i s t r i c ti n2 0 0 4b y i n d u s t r i a l , u r b a nl i f e , r u r a l l i f e ，a g r i c u l t u r a li r r i g a t i o nw a t e rd e m a n df o r1118 8 6 0 0m j ，13 0 4 9 0 0m ，18 0 9 2 0 0m 3 ，2 3 2 0 0 0 0 0 0m 3 , 2 01 0 i ni n d u s t d a l , u r b a nl i f e , r u r a l f i f e ，i r r i g a t i o n w a t e rd e m a n df o r2 9 1 6 3 6 0 0m j ，1 7 4 8 7 0 0m 3 ) 1 9 4 6 3 0 0 o ，1 4 7 9 7 9 3 0 0 m = ，2 0 2 0 i n i n d u s t r i a l ，u r b a nl i f e , n a a lf i f e , a g r i c u l t u r a li r r i g a t i o nw a t e rd e m a n df o r 3 9 51 7 2 0 0m 3 ，3 0 0 6 0 7 0m 3 ，2 0 4 3 0 0 0m ? ，1 4 7 9 7 9 3 0 0m 3 o ni r r i g a t i o nw a t e ra v a i l a b i l i t yc a l c u l a t i o na n d a n a l y s i so ft h e2 0 0 4 ，2 0 1 0a n d2 0 2 0w e r e3 0 9 9 5 0 0 0m 3 ，f o rw a t e r 2 5 0 1 4 5 9 0 0m ? ，2 5 6 1 4 6 6 0 0m 3 ，s u r p l u s a n dd e f i c i e n c y , r e s p e c t i v e l y6 3 6 4 7 3 0 0 m j , 6 9 3 0 8 0 0 0 m 3 , 6 3 6 0 11 0 0 m 3 ，1 1 地r e s u l t sc a nb es e e nf r o mt h e a b o v e ，o v e rt i m e ，i m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fp e o p l e sl i v e s ，t h r o u g hw a t e r - s a v i n gm e s s u i a ；t or e d u c e i r r i g a t i o nw a t e rd e m a n d , u r b a nw a t e rc o n s u m p t i o ni n c r e a s e dr a p i d l y ( 2 ) t oy a e j i nc a n a lo v e rm a n a g e m e n to ft h es m a l ls e c t i o no ft h ef i r s tc h a n n e l ，f o re x a m p l e ，t o o p t i m i z et h es t r u c t u r eo fi t sp l a n ts ot h a tt h es o c t i o no f2 4 9 4 9a c t e so fl a n d , i n c r e a s er o v e n u e 1 8 ，7 2 6 ，6 6 3 6 1y u a n ；a n a l y s i st os o l v ear e s u l t ，t h i ss e c t i o no fw h e a tc o r n ，r i c e ，o n ek i n do fc o r n , m e d l a r , f r u i t t r e e st h e g r o w i n gp r o p o r t i o no ft h eo r i g i n a l 0 4 4 ：0 2 6 ：0 2 0 ：0 0 9 ：0 0 1 o p t i m i z e df o r 0 3 ：0 2 ：0 1 5 ：0 2 5 ：0 1 ；p e r c e n t a g ec h a n g ef r o mt h ea b o v et h a t ，t h ep r o p o r t i o no fi n t e r c r o p p i n gm a i z e c u l t i v a t i o nd e c r e a s e db y1 4 , r i c eb y6 ，s i n g j e - s p e c i e sc o r nd e c r e a s e db y5 ，16 w o l f l x m yf r u i tt r e e s t oi n c r e a s e9 ；c o m ei nu n d e rt h ep r e m i s eo fe n s u r i n gf o o ds e c u r i t y , a c c e l e r a t ea g r i c u l t u r a ls t r u c t u r e a d j u s t m e n t , p r o m o t i n gt h ee x p a n s i o no fs m a l ls c a l ei r r i g a t i o n ，c u l t i v a t i o n ，p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yb ya l a r g ef o r e s ta n dc h i n e s ew o l f b e r r yf r u i t ，i st h ei r r i g a t i o no f ar e a s o n a b l ec h o i c e r e s u l t so ft h i ss t u d y , n o to n l yf o rt h en o r t hc a n a li r r i g a t i o nd i s t r i c tw a t e rr e s o u r c e sr a t i o n a l a l l o c a t i o na n de f f i c i e n tu s eo fw a t e r 髓爆o u “：e sh a sa ni m p o r t a n tr e f e r e n c e , b u ta l s ow a t e r - s a v i n gs o c i e t y i nn i n g x i ar e g i o no fg r e a ts i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：w a t e rr e q u i r e m e n t ，f o r e c a s t ，l i n e a rp r o g r a m m i n g ，o p t i m i z a t i o no fw a t e rd i s t r i b u t i o n , p l a n t s t r u c t u r e h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 研究生签名：a 班渤 时间：如，口年，月谢日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位 论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 时间：切f 。年，月留日 时间：。 年j ，月才日 z 、0 坤人巳 衫 7 yy 挑 蝎 孙 0 签 名 生 签 究 师 研 导 宁夏大学硕卜学位论文第章绪论 1 1 选题背景及研究意义 第一章绪论 水资源是人类生存和经济社会发展的物质基础，也是生态系统和自然环境中不可缺少的最主 要构成因素之一。随着我国经济的快速发展和城市工农业用水的迅速增长，水资源短缺的形势越 来越严峻，日益成为制约经济社会发展的瓶颈。尤其是上世纪九十年代至今，粮食产量需求剧增 使得水资源供需矛盾更加突出，并直接影响到社会经济的可持续发展。按现状用水量统计。全国 在中等干旱年缺水3 5 8 亿m 3 ，按国民经济发展计划目标测算，到2 0 3 0 年全国将缺水4 0 0 0 - 5 0 0 0 亿m 3 ，到2 0 5 0 年全国将缺水6 0 0 0 - - 7 0 0 0 亿m 3 1 】。 黄河流域属资源型缺水区，黄河水资源时空分布不均，水资源分布与供水区人口、耕地不匹 配等特点，进一步加剧了黄河流域工农业生产及城镇生活、农村人畜用水对黄河的依赖性，同时 也决定了引扬黄灌溉对农业生产的重要作用。据统计，黄河流域灌溉农业较旱地农业一般增产3 - 5 倍。在占全流域总耕地面积4 5 左右的灌溉面积上，生产了占全流域总量7 0 以上的粮食和大部 分经济作物，引黄灌区己成为黄河流域及沿黄各省( 区) 乃至全国重要的粮棉生产基地，灌区的开 发与建设极大地促进了流域社会经济的发展。 宁夏回族自治区人民政府为解决西夏区工业用水和贺兰山沿线的生态环境与农业用水需要， 对原有的渠道改建和续建，现称北于渠。北干渠包括原有的中卫市美丽渠、中宁县跃进渠和新建 成的西夏渠，正确、合理的分析北干渠灌区水资源量，对灌区水资源管理、水资源合理配置以及 区域节水型社会建设的目标，都具有极为重要的意义。 本文作为宁夏宁西供水有限公司科技攻关计划项目北于渠供水工程水资源优化配置方案研 究的一部分，经过对跃进渠灌区的实地调研和查阅相关资料，现将跃进渠段灌区存在问题总结如 下： ( 1 ) 跃进渠灌区为老灌区，工程设施老化失修，渗漏严重，水资源利用率低，灌溉水利用 系数小，农业上采取大水漫灌，大引大排的粗放型灌溉方式，j 引比高达o 5 8 左右；农业用水浪 费严重。 ( 2 ) 灌区在工业用水上，全区万元工业增加值用水量高，工业用水重复利用率较低，供水 管网损失率较高。 ( 3 ) 灌区作物种植结构需要调整，高耗水、低产、低效益作物不合理种植过多，需要更合 理的引导。 ( 4 ) 灌区管理相对滞后，管理机构庞大、臃肿，信息化程度不高，相对不科学问题。 针对以上问题本文从灌区需水量预测作为切入点，对灌区的需水量进行定量的预测和分析， 对作物的种植结构进行优化。 宁夏大学硕仁学位论史第一章绪论 1 2 相关领域的国内外研究现状 1 2 1 需水量预测研究现状 l w m a y s 等( 1 9 9 2 ) 2 1 ，将水价、人口、居民人均收入、年降雨量等作为相关因子，建立了 中长期用水量与相关因子间的对数和半对数回归模型，该模型在美国t e x a s 州中长期用水预测中， 获得了满意的效果。s l z h o u a 等( 2 0 0 0 ) 3 1 ，建立了时间序列预测方法用于m e l b o u r n e 的用水预 测，并取得了很好的效果。s l z h o u 等( 2 0 0 2 ) 【4 l ，建立的时间序列模型将日用水量和时用水量 模型进行了对比。b r e k k e 等( 2 0 0 2 ) 1 5 】，用逐步回归法进行用水量预测，它比用重回归分析法建 立模型所需时间少。j a i n 等( 2 0 0 2 ) 嘲，对8 种模型分别进行了评价，对短期用水量进行了预测， 并用最高日用水量，最高温度日的日用水量及全天下雨时的日用水量进行了测试、检验。d d a y 等( 2 0 0 3 ) 【刀，分析了对最高日用水量产生影响的非气候因素，并对最高日用水量进行了预测。 g i s t a u 耵，l e o n i ds h v a r s t e l ，u r i s h a m i 和m o r d e c h a if e l d m a n 9 等学者均作了大量的实践研究工作。 潘鸣钟( 1 9 8 7 ) t o l ，将目前国内外所采用的工业用水预测方法，归纳为四种类型：产量法、产 值法、相关法、综合法。并分析了各类方法的原理j 算式、优缺点及适用条件。同时，根据我国 工业用水的实际情况，提出了一个提高利用率为主的综合法。张雅君等( 2 0 0 1 ) l ，在深入地研究 了目前常用的需水量预测方法的基础上，对需水量预测方法进行了科学的分类，重点评析了 a r m a 、回归分析、指标法、灰色预测、人工神经网络、系统动力学等预测方法的优缺点及适用 条件，并对具体预测过程中的方法择优问题进行了探讨。钟平安等( 2 0 0 1 ) i t 2 l ，综合了趋势法、分 块预测法、相关法、分行业重复利用率提高法等方法的优点，导出了包含以上诸方法的综合预测 通用公式，该公式具有结构简单、通用性强的特点，从理论上揭示了常用预测方法的内在联系， 尤其便于编制计算机通用软件，为大区域水资源规划与管理中涉及多部门、多行业复杂组成的工 业系统的需水量预测提供了一个有效的方法。实际应用表明，该方法与供需分析和优化配置模型 集成，可提高方案分析的灵活性和效率。秦长海等( 2 0 0 8 ) t 1 3 】，利用定额法、趋势预测法等不同的 研究方法对宁夏的生活、生产及生态需水量进行了预测，确定了宁夏地区未来不同水平年、不同 降水频率下的需水总量。结果表明：宁夏生活需水量与第二、三产业需水量呈增长趋势，但是由 于农业需水量下降较大，使宁夏总需水量呈下降趋势。需水量预测结果为宁夏的水资源配置和产 业结构调整提供了基础依据。 1 2 2 优化配水研究现状 优化配水对于灌区水资源的合理配置非常重要，国内外也有很多研究实例及成果。w i l l i s ( 1 9 8 7 ) 0 4 1 ，应用线性规划方法求解了一个地表水库与四个地下水含水单元构成的地表水地下水 运行管理问题，地下水运动用基本方程的有限差分式表达，目标为供水费用最小或当供水不足情 况下缺水损失最小，同时，用s u m r 法求解了一个水库与地下水含水层的联合管理问题。m k u m a r 等( 2 0 0 2 ) o s 】，基于多年的实测长序列气象资料，利用以最高温度、最低温度、最大湿度、最小湿 度、太阳辐射和风速作为输入和修改的p e n m a n - m o n t e i t h 法计算的e t o 作为输出的神经网络模型 进行e t o 的估算与预测，取得了良好的效果。s i r m a k 等( 2 0 0 3 ) h 6 j ，利用多年实测长序列气象资料 2 宁夏大学硕卜学位论文第一章绪论 分别建立了湿润地区以太阳辐射、净辐射与最高温度和最低温度计算e t o 的线性方程式。r o b i n w 缸d l a wj o n a t h a nb a r n e s ( 1 9 9 9 ) t 1 7 1 ，在o p t i m a la l l o c a t i o no f i r r i g a t i o nw a t e rs u p p l i e si nr e a l t i m e 一文 中提出了灌溉水量在复杂渠系网络中分配的非线性优化模型。g a r p m e r k l e y 等( 2 0 0 0 ) t 1 8 1 ，以全灌 区取得净效益最大为目标，给出了不同灌溉面积上不同作物种类的最优灌溉面积的数学模型。 e c k i p k o r i rd r a e ( 2 0 01 ) l l 研，在o p t i m a la l l o c a t i o no fs h o r t - t e r mi r r i g a t i o ns u p p l e 一文中建立了在供 水不足情况下，用于短期配水决策的动态规划配水模型，作者假设作物实际与潜在蒸发蒸腾量的 比值等于作物实际灌水量与需水量的比值，将灌溉面积分成n 个种植同种作物的田块，以分配给 各田块上的水量为决策变量，以各田块可用于分配的水量为状态变量进行求解。a r s u r y a v a n s h i 和j m o h a nr e d d y ( 1 9 8 6 ) 刚，在o p t i m a lo p e r a t i o ns c h e d u l eo f i r r i g a t i o nd i s t r i b u t i o ns y s t e m s 一文中提 出以配水渠道的总工程投资最小为目标建立了o - l 整数规划模型，假设配水渠道由若干条子渠组 成，配水渠道上的每个出水口可从任意一条子渠引水，则要使工程总投资最小( 即配水渠道的断面 尺寸最小) 就得使同时输水的子渠数达到最少。 姚崇仁( 1 9 8 9 年) 【2 l 】，在j e n s e n 提出的作物产量模型的基础上，考虑作物前一个生育期的灌水 状况对本次灌水的影响，以及充分利用天然降雨，以灌区最大净收益为目标，建立了寻求各次灌 水不同类型土壤和灌水定额的灌溉面积的线性规划模型。吉光泽( 1 9 9 2 ) t 2 2 1 ，利用m l 目标规划技 术，编制渠系优化配水计划的方法，在人民胜利渠田庄支渠北翟坡西斗渠应用的结果表明，既有 明显的节水效果，又可满足引黄灌区“集中水流快浇，防止渠道淤积”的要求。这一编制渠系优 化配水计划的方法，可应用于任何规模的配水系统，小规模的配水系统，可用手算求解o - i 目标 规划模型：大规模的配水系统，可借助于计算机求解模型。汪志农等( 1 9 9 3 ) t 2 3 j ，在适用于半干旱 灌区某次配水的优化模型一文中，分别以全灌区净灌溉增产值最大和某次灌水全灌区水费收入 最高为目标建立了两种适用于半干旱灌区某次配水的优化模型。第一个模型在目标函数上有所改 进，以净灌溉增产值最大为目标省去了对不灌水面积的求解，降低了决策变量的数量，第二个模 型实际上是追求到达斗口的计量水量最大即干支渠上的输水损失达到最小。王艳芳( 1 9 9 8 ) 【2 4 】，根 据宁夏井灌( 排) 区机井运行费用高而效率低的实际情况，运用动态规划原理，建立了以井灌( 捧) 区机井运行费用最小为目标的多阶段优化模型，可用于确定井灌( 排) 区机井运行的最优井数和经 济指标，从而提高现有井灌( 排) 区的运行管理水平及经济效益：用优化模型在确定井灌区年费用 最小的同时，可以确定出井灌区机井运行的最优井数和经济指标，具有较强的实用性；该模型也 可适用于井灌区同型机井运行的优化调度；把动态规划理论用于井灌( 排) 区的机井运行优化调度 是一种偿试，目的在于为井灌( 捧) 区的科学管理和自动控制提供参考。吕宏兴等( 2 0 0 0 ) 2 5 】，建立 了配水渠道流量优化调度o 1 线性整数规划模型。模型适用于支渠以下各级配水渠道在来水流量 确分水渠道流量彼此相同且按“定流量、变历时”方式轮灌时的优化配水方案决策。并提出了各 轮灌组引水时间均一化处理方法，使各轮灌组在同一引水时间结束灌溉，从而可使配水渠道进水 闸能在同一时间关闭。尹大凯等( 2 0 0 3 ) 渊，为实现银北灌区水资源联合调度，减少引黄水量，充分 利用地下水的目标，对选定典型区的地表水、地下水联合调度进行模拟，对井渠结合灌溉模式和 运作方式进行了计算。通过三维的数值模拟计算发现，在规划渠系利用条件下，可以根据当地实际 情况，在来水保证率低的春灌或冬灌期实旋井灌，以控制地下水位，减少土壤返盐，也可以对部 分农田采用集中井灌的方式，以提高用水效率。宋松柏等( 2 0 0 4 ) 1 2 7 】，改进了“定流量，变历时” 渠道运行方式的轮灌配水优化模型，应用遗传算法进行了配水渠道流量优化的0 1 整数规划模型 3 宁夏大学硕十学位论文第一章绪论 lai aiii , , _ i ! _ _ mi ! 鼍皇曼曼皇寰曼曼曼曼舅 求解。遗传算法采用了锦标赛选择，算术交叉和交换变异算子，应用m a t l a b 6 0 编制了相应的求 解程序，求解结果表明，该结果优于常规方法求解结果，说明该算法设计是可行的。贾玉平等 ( 2 0 0 4 ) 2 引，从模型参数、输配水技术和管理体制等方面分析了优化配水难以在灌区实施的原因， 指出实行优化配水还必需加强田间试验，完善渠道量水设施，提高量水技术，建立适应现行管理 体制的配水模型，同时继续推进灌溉管理体制改革。于国丰等( 2 0 0 4 年) 【2 9 1 ，在对渠系结构及优化 配水模型抽象概化的基础上，以v c _ 卜 6 0 为开发平台，开发了一种渠系优化配水的通用化软件。 该软件以渠系层状树形结构图、空间布局概化图、渠道特征参数数据库直观表达复杂渠系上下级 关系、空间布局和特征参数；并实现了上述图形与数据库的交互，使用户可以方便地完成复杂渠 系的空间布局搭建、渠道特征参数的输入与修改。在对渠系配水过程分析的基础上，建立了所需 参数少、通用性强、计算结果稳定可靠的渠系优化配水模型，用户输入配水要求后，软件可自动 确定渠系优化配水相关的参数，求解并输出配水结果。王文科等( 2 0 0 4 年) 网，该文在对银川平原 水资源分布特点、开发利用现状及存在问题分析的基础上，以区域发展、生态环境保护和水资源 可持续利用为依据，利用系统分析原理，建立了银川平原水资源优化配置模型，运用模型对区内 工农业、生态环境用水以及地表水与地下水联合开发的合理配置进行了分析研究。结果表明：在 满足不同水平年工农业及生态用水情况下，优化的地表水与地下水合理配水比例是：对盐渍化比 较严重地区在实施地表水与地下水联合开发中，地下水开采所占比例大约在4 0 5 5 之间；盐渍 化中等地区，地下水开采占比例大约在3 5 4 0 ；盐渍化程度较弱地区地下水开采所占比例小于 3 5 。这一结果有利于调控地下水位，体现了地表水与地下水联合开发的原则，节约了水资源， 为区内水资源宏观开发利用与生态环境改善提供了科学依据。李彬等( 2 0 0 6 ) i ”】在“等流量、变历 时”的轮灌分组的优化模型上，采用遗传算法进行了优化，选用了高斯适应度函数，并根据约束 条件的特点，提出了二维编码并对选择、交叉和变异过程进行了改进，仿真结果表明该改进的遗 传算法效果良好。马孝义等( 2 0 0 6 ) 1 3 2 1 针对目前国内外现有的渠道优化配水模型，都是在下级渠道 配水流量相等这一假定条件的基础上建立的，这与绝大多数渠系实际配水要求不相符合这一问 题，建立了下级渠道引水流量不等情况下的渠道优化配水模型，研究了模型的遗传算法的编码及 适应度设计方法，编制了v c 程序，并用于冯家山灌区北干十一支共2 4 条斗渠道的实际配水过 程中进行了对比验证。结果表明，渠系优化配水过程较原配水过程斗渠配水时间搭配合理、支渠 配水流量均匀，符合优化配水原则，渠系渗透损失水量比原方案可减少1 7 8 。表明模型及其求 解算法是可行的，可为下级引水渠道流量不等时的渠系优化配水决策提供理论和技术支持。马承 新( 2 0 0 6 ) 3 3 l 根据位山灌区位于黄河下游、引水含沙量高、测流断而变化大的特点，编制了位山灌 区渠系优化配水决策支持系统，主要内容包括来水管理、需水管理、水情资料管理、实际配水统 计、配水方案拟定和系统设置等，创新性地进行了多站水量平差计算。李彬等( 2 0 0 8 ) 1 3 4 】对于分水 口的流量不相同的情况，提出了以引水开闸时刻和引水结束时刻作为优化变量，以灌溉期总流量 保持恒定为目标函数的优化模型，该模型自然满足一次性引水约束条件。采用了多点交叉的改进 遗传算法对该模型进行优化求解，提高了收敛速度，优化结果表明该优化模型及求解方法较好地 解决了分水口非等流量的问题。 4 宁夏大学硕十学位论文第一章绪论 1 3 本文的研究目标、内容及拟解决的关键问题 1 3 1 研究内容 1 3 1 1 跃进渠灌区用水量预测研究 ( 1 ) 工业用水量预测 在对灌区进行预测分区的基础上，根据各分区企业的用水特点和资料收集情况，采用工业的 发展预测与万元产值方法进行供水区需水预测。 ( 2 ) 农业用水量预测 农业需水根据试验结果和f a o ( 联合国粮食及农业组织) 推荐使用的“彭曼修正法”和水量平 衡方程进行预测。 ( 3 ) 生活用水量预测 在对灌区城镇生活与农村生活和牲畜的发展预测用与用水定额法，对资料较全的城镇也采用 回归分析法；对生活用水量进行预测。 1 3 1 2 优化配水方案研究 搜集整理优化配水模型，分析模型的原理，建立适合跃进渠灌区的线性规划优化配水模型， 对作物种植结构优化，引导农户正确调整种植结构，使作物产出效益最大化 1 3 1 3 拟解决的关键问题 ( 1 ) 解决跃进渠灌区工业、农业、生活用水量的预测问题； ( 2 ) 解决跃进渠灌区线性规划优化配水方案的问题； 1 3 2 预期目标 运用适合灌区实际情况的预测方法，对灌区用水量( 农业用水、工业用水、生活用水) 进行 预测，对可供水量进行分析，得出灌区需水量与供水量的关系；基于线性规划理论，建立水资源 优化配置模型，运用适合的方法进行求解，确定灌区最优化种植面积优化方案。 1 4 研究方法及技术路线 1 4 1 研究方法 工业需水预测主要采用定额法和万元产值法；农业需水预测使用f a o 推荐使用的“彭曼修 正法”和水量平衡方程：灌区城镇生活与农村生活和牲畜主要采用发展预测和用水定额法，对资 料较全的城镇也采用回归分析法；运用线性规划理论进行灌区作物种植面积优化配置。 5 宁夏人学硕：学位论文第一章绪论 曼曼舅皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼鼍曼曼曼曼曼! 曼曼皇皇鼍量曼皇曼曼曼m e i i _ _ ii i i i； 一 ；i ；i l l ；h i 量曼曼曼曼量曼鼍曼曼鼍曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼吕 1 4 2 技术路线 本文采用的技术路线，如下图1 1 所示。 1 5 本章小结 技术路线图1 - 1 本章主要叙述了课题的选题背景及研究意义和灌区存在问题，介绍了本论文相关研究领域国 内外的研究现状和进展，概括了本文的研究目标、内容及拟解决的关键问题和研究方法、技术路 线。 6 ：暑奁茎矍圭茎垒耋圣茎三茎彗耋耋童量董圭堡鎏 21 灌区概况 第二章跃进渠灌区基本概况 跃进渠灌区位于宁夏卫宁灌区北部地理位置介于东经t 0 6 0 ，北纬3 7 0 4 5 范围西起胜金关， 东至青铜峡铝厂北靠贺兰山台地，南临黄河，控制高程1 1 4 5 m - 1 2 0 0 m 之间，干渠开口位于中 卫市镇罗镇张园村黄河北岸流经中卫市镇罗镇，过胜金关后沿山台地西向东北行，先后经过中 宁县余丁乡、石空镇、枣园乡、国营渠口农场、青铜峡市广武乡，尾水汇入广武乡境内的碱沟后 入黄河，干渠全长约8 0 l m l 。灌区狭窄呈l 型东西长约8 0 k i n ，南北宽约1 - l o k m 涉及中宁县 余丁乡、石空镇、枣园乡、国营渠口农场、青铜峡市广武多四个地区。原 殳计灌溉面积2 5 万亩， 其中自流1 0 万亩，扬水1 5 万亩，现状实际灌溉面积l85 0 万亩其中自流1 3 8 0 万亩，扬水4 7 0 万亩( 含太阳粱扬水一期灌区35 0 万亩) ，计入在建的渠口农场太阳粱扬水二期的18 8 万亩，总 灌溉面积为2 03 8 万亩旧。灌区渠系分布见f 囤2 - i 22 流域概况 集系h 布由2 一 跃进渠灌区主要河流有黄河干漉及其支流。黄河千流自中夏中卫市南长滩入境，流经卫宁灌 区至青铜峡水库，进入青铜峡灌区至石嚆山市头道坎毗下麻黄沟 境，宁夏境内流程3 9 7 k m t 其 中跃进渠灌区内流程9 2 k i n ，占黄河宁夏段全长的2 33 。多年平均径流量以1 9 5 3 1 9 9 9 年系列计 算下河沿入境水量为3 0 7 亿m 。1 9 8 6 年以米，由于龙羊峡水库投a 蓄水运行。年来水量明显 偏小，1 9 8 6 - 1 9 9 9 年下河沿站平均来水量其有2 7 97 亿m 。 黄河流经灌区段主要支流有清水河和红柳河流域面积1 5 5 4 5 姘，多年平均天然径流量2 2 3 亿m 3 水文特点是径流量小，年际变化大水质差，泥抄多。此外沿黄河两岸尚有山洪沟3 0 宁夏大学硕卜学位论文第二章跃进渠灌区基本概况 多条，汇流面积3 8 3 2 k m 2 ，多年平均天然径流量o 1 3 亿m 3 ，多年季节性沟道，汛期水量占年径 流量的9 0 1 0 0 ，常形成山洪，难以利用。 2 3 水文气象 灌区深居内陆，属于干旱与半干旱气候带，大陆性气候特征明显，干旱少雨，蒸发强烈，风 大沙多。多年平均降雨量1 9 8 r a m ，多集中在七、八、九三个月，占年降雨量的7 0 左右。灌区 多年平均蒸发量( e 6 0 1 型) 1 2 8 1 m m ，干旱指数4 8 8 5 ，是典型的没有灌溉就没有农业生产的地区。 灌区平均气温8 8 ，气温日较差1 3 3 1 4 3 ，日照时数2 8 4 6 - 2 9 0 1 h ，大于l o 的积温 3 2 0 5 3 3 5 1 。灌区气候干燥，多年平均相对湿度5 1 5 6 ，年内以四月份最小，八月份最大，并 呈现冬春干燥，夏秋稍湿的趋势。灌区无霜期1 4 5 1 8 3 d ，最大冻土深度8 2 c m ，一般1 1 月下旬开 始结冻，第二年3 月下旬开始解冻，结解冻时间1 0 5 1 2 4 d 。全年多风，平均风速2 4 2 9 m $ 多为 偏北风。灌区主要气象要素见表2 1 。 灌区主要灾害有干旱、霜冻、冰雹、大风、风沙、热干风及水稻冷害等。 表2 1 灌区主要气象要素表 降雨量( r a m ) 水面蒸发量( 蛐) ( 戡的l 型) 气温( ) 日照( h ) 多年平均 作物生育期 多年平均 作物生育期 多年平均 极端最高最低 1 0 积温 多年平均 2 4 工程地质与水文地质 2 4 。1 工程地质 灌区主要有两大地貌类型：卫宁冲积平原和卫宁北山丘陵地貌。 ( 1 ) 卫宁冲积平原地貌 卫宁平原以黄河冲积平原为主，并兼有部分山前洪基扇和荒漠。地势呈西高东低，南北向中 部的黄河倾斜之势。黄河冲积平原受黄河不断下切和地壳运动的影响，形成数级阶地，自黄河河 床及河漫滩地向两侧又可划分为i 、i i 、级阶地。i 级阶地前缘陡坎高约l - 3 m ，地面平坦， 地下水埋藏较浅。级阶地前缘陡坎高约2 - 6 m ，地面向黄河倾斜，坡降较大，地下水位深。 级阶地只零星分布。卫宁平原一级阶地发育，左岸阶地较右岸宽，阶地属典型的二元结构，表层 8 j 2 4 4 ； 船 姬 m 踟 抛 懿 秘 踟 l 耋 ! 坌 m 玎 m & 泓 粥 撒 ； 抛 m 掰 眦 蛇 泌 川 舢 删 圳 娜 莹| 蛇 一 飙 撇 以 哪 一 一 宁夏大学硕学位论文第二章跃进渠灌区基本概况 为壤土层，其下为卵石层。 ( 2 ) 卫宁北山丘陵地貌 卫宁北山丘陵处黄河冲积平原北侧及西侧，构造剥蚀严重。海拔介于1 2 5 0 - 1 5 0 0 m 。常以缓 坎与卫宁冲积平原边缘相接。山脉走向基本与主构造线方向一致。由于构造作用，沟谷宽缓，切 割较深。跃进渠线即沿卫宁北山丘陵与卫宁冲积平原的边缘布展。 2 4 2 水文地质 根据灌区地貌单元，水文地质可分为卫宁冲积平原单元及卫宁北山丘陵单元两类。 ( 1 ) 卫宁冲积平原 该单元地下水类型主要是第四系松散堆积物孔隙潜水，潜水含水层岩性主要为近期冲积的砾 石、卵石层，局部夹中细砂层及粘性土透镜体，厚度一般1 0 - 1 5 m ，水位埋深一般i - s i n ，一般由 河床向两侧山区边缘增大。富水性一般由上游至下游，由河床向山边减弱。钻孔涌水量由大于 2 0 0 0 m 3 d 至1 0 0 1 0 0 0 m 3 d ，矿化度由河床向两侧山区边缘增高，由小于i g l 增至l - 3 9 l ( 2 ) 卫宁北山丘陵 该单元属基岩裂隙水，地下水埋深条件较复杂，受大气降水补给。水位埋藏深，没有统一的 地下水位，其矿化度l - 3 9 l 。 2 5 灌区水资源现状 2 5 1 灌区水资源 跃进渠灌区水资源的基本特点是降水稀少，蒸发强烈，水资源量有限，部分水质较差，农业 发展主要依靠黄河过境水资源。 ( 1 ) 灌区地表水资源 根据调查，跃进渠灌区多年平均径流深约为2 2 7 m m ，则当地地表水资源量约为3 1 8 万m 3 灌区地势平坦，沟渠纵横，缺乏拦蓄条件，地表水开发困难。 ( 2 ) 灌区地下水资源 跃进渠灌区地下水资源主要由渠系渗漏、田间渗漏和降雨入渗补给。 跃进渠灌区地下水资源总量为0 8 0 2 亿m 3 ，可开采系数通过对地下水开采条件和实际开采现 状综合分析确定为o 7 ，则地下水可开采量为0 5 6 1 亿m 3 。 ( 3 ) 黄河过境水资源 近十年，黄河干渠地表水资源平均2 7 1 7 亿1 3 1 3 ，矿化度0 3 - 0 7 9 l ，p h 值7 5 8 4 ，满足灌溉 用水要求，是灌区得以生存和发展的主要水源。根据国家批准的黄河水资源分配方案，宁夏年均 可利用黄河过境水资源量为4 0 亿o 其中跃进渠灌区可利用量按引排差计算，多年平均为2 7 9 亿m 3 。 ( 4 ) 灌区水资源总量 跃进渠灌区多年平均当地地表水资源0 0 3 2 亿m 3 ，无可利用量：地下水资源0 8 0 2 亿m 3 ，灌 9 宁夏大学硕十学位论文第二章跃进渠灌区基本概况 区年均可利用黄河过境水资源量2 7 9 亿m ? ，灌区水资源总量为3 6 2 4 亿m 3 ，其中可利用水资源 总量为3 3 5 1 亿m 3 。 2 5 2 水资源利用现状 跃进渠灌区主要引用黄河水，现状年平均灌溉引水总量2 3 2 亿m 3 ，工业用水和人需饮水主 要开采地下水，现状年用水量约为2 3 6 万m 3 。 2 6 灌区管理与水费征收 跃进渠灌溉管理由水利厅统一管理，水利厅设有灌溉管理局，灌区设跃进渠管理处，隶属于 水利厅管理。目前的管理模式为专管与群管相结合，管理处主要负责干渠、支干渠及其建筑物管 理，支渠及以下工程由各县水务局及其乡镇水管站管理，2 0 0 4 年管理处共有职工9 1 人。 灌溉用水实行“以亩定量，计划用水，按方收费”的水费征收办法，现水价标准，自流灌区 1 2 分1 0 ，扬水灌区1 0 分m 3 ，另收征工款4 0 元厂卣。 水费及征工款分别交管理处和有关县，主要用于工程维修和管理费用开支。 2 7 本章小结 本章以跃进渠灌区为主线，介绍了研究区的灌区概况、流域概况、水文气象、工程地质与水 文地质以及灌区水资源现状和灌区管理与水费征收的情况等。 l o 宁夏大学硕 ：学位论文第三章跃进渠灌区水量平衡分析 第三章跃进渠灌区水量平衡计算与分析 针对跃进渠灌区现状存在的问题，对灌区需水量进行定量的计算与预测，为科学、有 效的利用的灌区水资源提供科学的依据；本章就灌区需水量进行预测，同时进行可供水量 计算，做出灌区水资源供需平衡分析。 灌区水资源供需平衡计算与分析是指在一定的某灌区区域范围内，就水资源的供给与 需求，以及它们之间的余