（水利工程专业论文）聊城市彭楼灌区运行管理体制及水资源合理配置技术研究.pdf

山东大擘工程项士学位论之 摘要 聊城市彭楼灌区是一处大型跨省跨流域调水引黄灌区，位于山东省聊城市 芋县和冠县境内，渠首彭楼引黄闸位于河南省范县。由于灌区刚刚建成，灌区 管理粗放，管理水平低，管理体制不健全，管理主体多，关系复杂，相互制约， 灌区水资源有效利用率低，效益低下。灌区自身水资源短缺，供需矛盾十分突 出，而入鲁引水流量规模小( 3 0 立方米秒) 、控制灌溉面积大( 2 0 0 万亩) 、节 水工程少，更加剧了灌区水资源供需紧张的矛盾。针对此种情况本文开展了彭 楼灌区运行管理体制及水资源合理配置研究，以期达到提高灌区运行管理水平， 提高灌区水资源有效利用率，提高灌区的经济、社会、环境等综合效益。 运行管理体制方面：本文结合我国当前灌区管理体制改革中提倡的用水户 参与灌溉管理的灌区管理模式与确保灌区经济可持续发展的水价制度改革理 论，深入分析彭楼灌区运行管理中存在的各种问题，从灌区实际情况出发，提 出了适合彭楼灌区的“灌区管理委员会+ 专管机构+ 用水户协会+ 农户”的运行 管理机制，同时也指出了灌区运行管理体制改革的对策。 灌区水资源合理配置方面：本文研究采用大系统分解协调理论，建立了具 有三层谱系的灌区水资源合理配置模型，模型目标函数是合理配置有限水资源， 使灌区总效益最大。具体在灌区总供水量不足的条件下，将灌区可调配的水资 源( 黄河水) 最优地分配给不同的子区，再由子区将所得水量和自产地面水、 地下水联合运用，最优地分配给不同的作物，各种作物在获得一定灌溉水量后， 将水量在不同生育阶段进行合理分配，从而确定水资源合理分配过程。 关键词：运行管理体制，用水户协会，水价，合理配置模型，大系统分解 协调，合理配置，彭楼灌区 山东大擘工程硕士学位论文 a b s t r a c t p e n g l o ui r r i g a t i o nd i s t r i c t i st h e b i gi r r i g a t i o n d i s t r i c t t r a n s f e r r i n g w a t e ra c r o s sp r o v i n c e sa n dr i v e rb a s i n s 1 i e si n s h e n x i a nc o u n t ya n dg u a n x i a n c o u n t y ，l i a o c h e n gc i t y ，s h a n g d o n g p r o v i n c e p e n g l o ug a t el i e si nf a n x i a nc o u n t y ，h e n a np r o v i n c e b e c a u s e t h e i r r i g a t i o n d i s t r i c ti sf u l f i l i e dj u s t n o w ，t h e l e v e lo f m a n a g e m e n t i ss t i l ll o w e ra n dt h e m a n a g e m e n ts y s t e m i sr a t h e rw e a k s o i tc r e a t e da n e g a t i r e e f f e c tt h a tw a t e r u s i n ge f f i c i e n c y i sl o wa n dt h e g r o s s b e n e f i ti ss o p o o r i nt h ea r e a b e c a u s eo ft h e l a r g ec o r r e s p o n d i n gi r r i g a t i o n a r e a ，t h es h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e ，t h el a c k o f w a t e r s a v i n g w o r k s ，t h e r ei sv e r ys h o r to fw a t e rr e s o u r c e s t ot h i s c a s e ， t h e p u r p o s e o ft h i s p a p e r i st or e s e a r c h o p e r a t i o n a n d m a n a g e m e n tm o d e la n dw a t e rr e s o u r c e so p t i m a l d i s t r i b u t i o ni n p e n g l o ud i s t r i c t ，s o a st o i m p r o v et h el e v e lo fm a n a g e m e n t ， u s i n ge f f i c i e n c y o ft h e i r r i g a t i o n w a t e r r e s o u r c e s ，t h eg r o s s b e n e f ito f e c o n o m y ，s o c i e t y ，e n v i r o n m e n t a n ds oo n o n o p e r a t i o n a n d m a n a g e m e n tm o d e l ，t h ep a p e r d i s c u s s e d c o n s u m e r p a r t i c i p a t i o n i nt h e m a n a g e m e n t r e f o r m a t i o na n dt h e t h e o r y o fw a t e r p r i c er e f o r m a t i o nf o rs u s t a i n e dd e v e i o p m e n t t h ea r t i c l e a n a l y s e s t h e p r o b l e m s i n i r r i g a t i o nm a n a g e m e n t f r o mp r a c t i c e a tl a s t ，t h ep a p e rp r e s e n t st h eo p e r a t i o na n d m a n a g e m e n t m o d e l “i r r i g a t i o n d i s t r i c t m a n a g e m e n t c o m m i t t e e + s p e c i a lm a n a g e m e n ts y s t e m + c o n s u m e ru n i o n + p e a s a n th o u s e h o l d e r ” t h e p a p e ra l s op r e s e n t s t h er e f o r m a t i o nc o u n t e r m e a s u r e so f m a n a g e m e n tm o d e li n t h ei r r i g a t i o nd i s t r i c t o nw a t e rr e s o u r c e s o p t i m a ld i s t r i b u t i o n ，b y u s i n g d e c o m p o s i t i o na n dh a r m o n y t h e o r y o f l a r g es y s t e m ，t h ep a p e r b u ii t p a t t e r n o f w a t e rr e s o u r c e so p t i m a ld i s t r i b u t i o n t h e 2 山东大学工程硕士擘住论丈 p a t t e r n h a st h r e el a y e r s d i s t r i b u t et h ed e f i c i e n t a n di t sf u n c t i o n w a t e rr e s o u r c e r sa n d l a r g e s tg e n e r a l b e n e f i ti n g e n e r a l w a t e rs u p p l yi sn o t ( 1 e a d i n g f r o mt h ey e l l o wr t h e i r r i g a t i o n a i m sh o wt o c r e a t et h e d i s t r i c t w h e n e f f i c i e n t ，s o m e a v a i l a b l e i v e r ) s h o u l d b e g i v e n b r a n c ha r e ao p t i m a l l y ，t h e nt h eb r a n c ha r e aj o i n t st h e w a t e r ，s e l f p r o d u c e d s u r f a c ew a t e ra n d u n d e r g r o u n dw a t e r ， d i s t r i b u t e s c r o pg a l n d i s t r i b u t e t h e o p t i m a l b e n e f i ti n t h e mt od i f f e r e n t c r o p so p t i m a l l y w h e n ac e r t a i n a td i f f e r e n t o f i r r i g a t i o n y i e l d p h a s e w a t 色r t ot h e g a i n e d f i n a l l y e v e r y w a t e r ，w a t e rs h o u ld b e r e a s o n a b l y ，s oa s t om a k e d i s t r i b u t i o n p r o c e s s a n dc r e a t et h el a r g e s t g e n e r a l t h ei r r i g a t i o nd i s t r i c t k e yw o r d s ： m o d eo f o p e r a t i o n a n d m a n a g e m e n t i n i r r i g a t i o n d i s t r i c t ，c o n s u m e r u n i o n ，w a t e rp r i c e ，p a t t e r n ，d e c o m p o s i t i o n a n d h a r m o n yt h e o r y o f l a r g e s y s t e m ，o p t i m a l d i s t r i b u t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：蚴。 日期：丛丝：竺夕 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：扛髦季啦师签名：日 期： 山东大擘工程硕士擘住论文 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 1 1 1 选题背景 彭楼引黄灌区最早是1 9 5 8 年由山东省水利勘测设计院设计，1 9 5 9 年由当时 聊城专区所辖的范县、莘县共同兴建的一个大型灌区，包括范县、莘县的全部 耕地，设计灌溉面积1 9 1 万亩，规划八条干渠。灌区建成后，1 9 6 0 年和1 9 6 1 年 曾实现全灌区灌溉受益，1 9 6 2 年因涝碱问题而停灌。1 9 6 4 年行政区划调整，灌 区北金堤以南部分( 六个区) 成为河南省范县，彭楼引黄闸划归黄委会管理， 北金堤以北部分( 五个区) 并入莘县划归山东省。由此，彭楼引黄灌区成为跨 省灌区。 现聊城市彭楼引黄灌区是原彭楼引黄灌区的山东部分。是国家农发办1 9 9 3 年批准建设的大型跨省跨流域引黄灌区，渠首为河南省范县境内的彭楼引黄闸， 范县境内输水渠道长度1 7 5 公里。灌区位于聊城市莘县、冠县境内，南依北金 堤，东临陶城铺和位山灌区界，西靠河南、河北省界和漳卫河，北至冠县临清 交界处，灌区总面积1 9 3 0 5 k 一，耕地和经济林地面积2 0 0 5 万亩，设计引黄入 鲁流量3 0 立方米每秒，实际灌溉补源面积1 2 0 万亩。 彭楼引黄灌区所在的莘县、冠县是鲁西北棉粮主要产区，这一带属于高亢 贫水区，水资源极度短缺。当地地表水资源由于降雨稀少且缺水调蓄工程，基 本无法利用；客水资源中的卫河、金堤河由于上游节制，供水逐年减少，灌溉 季节基本无水可引；该区域群众长期以来主要依靠井灌，为生产生活所迫，大 量超采地下水，造成灌区内地下水位逐年下降，已形成大面积地下水漏斗区， 漏斗区面积占灌区总面积的9 8 ，引发了诸如土壤退化、人畜饮水困难、水土流 失加剧等一系列的环境生态问题。彭楼引黄灌区的建成送水，在相当程度上缓 解了灌区的缺水状况，并促进了聊城市莘冠两县的社会和经济发展，改善了当 地特别是“马西贫困区”的生态环境，经济和社会效益显著。但随着区内农业 实行立体化种植，复种指数的提高，农业需水量逐步增加；乡办、村办企业进 一步发展，工业产值迅速增长及人民生活水平不断改善，区内工业、生活等用 水量增大，灌区内缺水的局面并未得到根本改善。同时，也由于灌区管理水平 低，管理体制没理顺，管理机制不健全，运行管理模式不适应灌区发展实际， 山东大学工程硕士学位论文 管理技术手段租放，管理思路理念落后，更加剧了灌区的供用水矛盾，导致了 灌区水资源利用率低，灌区效益差。 针对以上问题，本文拟根据彭楼灌区实际情况，进行灌区运行管理体制和 水资源合理配置技术研究，以期理顺灌区管理体制，提高灌区运行管理水平， 建立适应灌区现状及未来发展的管理运行模式，创新管理理念，从体制和技术 上达到灌区水资源合理利用，以充分发挥灌区总体效益，确保灌区长远可持续 发展。 1 1 2 研究意义 当前，水资源短缺已成为制约国民经济发展、社会生产力提高的“瓶颈”， 农业用水危机的黄牌已经在许多国家和地区亮出。在灌溉水资源有限的情况下， 提高灌区管理水平，建立适应灌区特点的运行管理机制，建立科学化的水资源 调度机制，成为缓解农业用水危机的一条重要举措。因此，近年来各国都在加 强灌溉管理，探讨灌溉管理的新模式，研究合理调配灌区内有限水资源的方式 方法。我国一方面水资源短缺，另一方面却由于管理不善存在着农业用水过度 浪费的现象。据有关方面资料，节水潜力的5 0 在于管理，灌区效益的充分发挥 关键在于管理。对于聊城市彭楼引黄灌区而言，灌区管理体制不顺，管理粗放， 而灌区内缺水十分严重，灌区为高亢贫水区，且灌区设计为灌溉补源模式，灌 区不能完全正常灌溉。因此，探讨其管理运行模式，研究灌区有限水资源的合 理配置，充分发挥其灌溉水资源的效益，更具深远的战略意义。总体来讲，我 国的灌溉水利用率很低，平均为0 4 0 左右。彭楼灌区的渠系水利用率与我国平 均水平基本持平。而国际上的一些发达国家，灌溉水的利用率已达0 8 以上。 相比之下，我国的差距很大，农业节水的潜力也很大而且，过多的水量损失 会引起灌区局部地下水位升高，土壤盐碱渍害，导致农业减产，甚至恶化灌区 生态环境。因此，搞好灌区运行管理改革和水资源合理配置研究，提高灌区灌 溉管理技术水平是进一步挖掘农业节水潜力，提高水资源灌溉效益的一个主要 途径，也是我国建设节水型农业和现代化灌区的必由之路。 从宏观层面上讲，灌区运行管理体制和水资源合理配置技术研究将对我国 北方地区开展农业水资源的科学管理和优化配置灌溉水资源提供参考和决策依 据，对科学普及、推广节水型灌溉农业起到推动作用，对提高北方灌区综合管 2 山东走季工程硕士学位论文 理水平有重要的参考和应用价值。从微观层面上就彭楼灌区而言，其实际应用 价值表现在有利于提高灌区水资源的有效利用率，有利于提高灌区单方水粮食 生产率，有利于提高灌区运行管理水平，有利于提高灌区的可持续发展能力， 从而全面提高灌区的经济、社会、环境效益。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 灌区运行管理研究 在当今世界上很多地方，对灌区的开发利用存在着两方面的误区：一方面 开发条件较好的新建灌区水资源工程己不多见，余下可供开发利用的工程大多 都是一些难度很大且开发费用很高的硬骨头项目，往往比较难以付诸实施，而 人们却乐此不疲地去进行开发。另一方面，众多已建成的灌区因管理不善而长 期效益低下，达不到设计要求。对于这些灌区，只要适当改善其管理状况就可 取得可观的效益，尤其在管理水平较低的广大发展中国家效益会更高。但人们 却往往忽视提高灌区的管理水平，这种情况在我国也不少见。因此，在我们这 样一个既缺水又缺资金的发展中国家，应把加强已有灌区的水资源管理、提高 现有灌区的运行管理水平当做当前水利建设的重点来实施。我国许多灌区现行 管理上存在许多弊病，主要表现在： ( 1 ) 水利工程供水的水价形成和水费收缴机制还没有完全确定。多数灌区 在向用水户收取水费过程中，某些行政部门截留、挪用水费灌区管理单位对 水费没有支配权；不少地方仍采取“搭车”的方式，将其他收费和水费捆在一 起征收，并采取层层加码的方式，大大加重了用水户的经济负担，引起用水户 的强烈不满和反感，挫伤了用水户管好工程用好水的积极性。 ( 2 ) 由于受历史、经济体制等多种客观因素的制约，灌区专管机构不是真 正意义的具有独立经济地位的市场主体，仍受到行政部门的过多限制，灌区管 理职责不清，产权关系不明，管理粗放。一方面，在经营管理上处处受政府的 制约，缺乏必要的自主权；另一方面，它还代行一部分政府职权，和群管组织 的关系成为上下级关系，并非平等的商品买卖关系。而绝大多数群管组织仍是 各级乡、村组织包办代替的产物，并没有把广大用水户真正吸收到群管组织中 来，发挥当家做主的作用，因而未能将民主参与灌区管理工作真币落到实处。 ( 3 ) 灌区管理工作没有实行法制化。不少地方仍由长官意志决定灌区的各 山东大学x - 程硕士学位论文 项管理工作，以人治代替法治。在灌区实际管理工作中，不是管理制度不健全， 就是制度执行不力，科学化、人性化、和谐式的管理思想、理念还没有得到各 级政府、广大用水户和灌区管理人员的认可和落实，人们依然习惯于用行政命 令的方式管理灌区，忽视了灌区管理的科学性、规律性。致使灌区的水资源效 益得不到充分发挥，灌区管理水平也一直在低层次上徘徊。 正是在这种情况下，为了克服灌区管理中所存在的种种弊端，世界上许多 国家都在积极推进用水户参与灌溉管理，我国灌区也开始引入了“参与式灌溉 管理”的概念。早在1 9 世纪末2 0 世纪初，随着现代灌溉管理的初步形成，为 了保证灌区灌溉工程在经济上可以持续发展，以美国为代表的西方国家开始建 立一种由农民拥有并且负责运行管理的灌区模式。从2 0 世纪8 0 年代中期开始， 世界上许多国家将灌溉系统的部分或全部管理权移交给农民组织。近2 0 年来， 政府管理的灌溉工程e h 于资金不足：工程设施每况愈下，而用水户由于得不到 及时、足额的灌溉供水，因而对工程的运行管理漠不关心。这些国家认识到成 本回收不足、工程缺乏维护、基础设施老化陈旧、灌区服务质量下降、灌溉面 积减少、农业减产、农民不满以及农民不愿交水费等问题实际上已经构成了恶 性循环。为此，世界各国纷纷采取措施，制定有关政策、法规，鼓励用水户更 多的参与灌区灌溉管理工作，以改进灌区的管理体制与运行机制。其做法就是 将部分或全部灌区管理职能从国家机构转移到非政府组织或以农民为主的社团 组织手中。此类组织一般由灌溉工程受益区用水户组成，或者用水户在该组织 中占有重要位置。这种管理权限的下放旨在通过改进灌溉管理，使其与用水户 的实际需求更紧密地联系，以减轻政府负担，提高水分生产率和灌区整体效益。 我国的参与式灌溉管理研究起步较晚，但发展较快。1 9 9 6 年，在水利部农水司 的支持下，由中国灌区协会召开的“用水户参与灌溉管理改革研讨会”在四川 省都江堰灌区举行，这是我国把“参与式灌溉管理”概念引入灌区管理单位的 最早的一次会议。都江堰会议上确定了“结合我国国情，吸收借鉴国际先进经 验，创造具有中国特色的参与式灌溉管理模式”的方针，并选定了开展这 一改革探索工作的试点单位。随后又分别在湖北省漳河灌区和北京召开了两次 研讨会。1 9 9 9 年5 月，在江苏宿迁市宿豫县皂河灌区召丌了“用水户参与灌溉 管理现场会”，来自全国2 2 个省、直辖市，自治区的5 0 多个灌区及主管单位的 4 山东大擘工程硕士学位论文 1 2 0 多名代表参加了会议。会上对开展参与式灌溉管理试点单位的做法及经验进 行了学习、考察和交流。这次会议对于深化灌区管理体制改革，促使灌区管理 适应社会主义市场经济发展的要求，逐步实现灌溉工程的良性运行有着积极的 推动意义。2 0 0 0 年7 月，中国灌区协会在水利部农水司的领导下，在世界银行 的资助下，在湖南省铁山灌区召开了有政府部门、大型灌区、科研院所、“经济 自立灌区”( s i d d ) 试验区、用水户协会组织及有关国际组织参加的“大型灌区 灌溉改革研讨会”，会上集中汇集了全国各地开展这项工作的经验。目前，全国 灌区参与式灌溉管理工作正逐渐推广。经过几年的努力，全国已成立农民用水 户协会数百个，参与式灌溉管理工作在我国已经取得了初步的成果和经验。 1 2 2 灌区水资源合理配置研究 灌溉水资源合理配置研究内容包括：非充分灌溉条件下的农作物的经济灌 溉定额、最优种植比例、最优灌溉制度，农作物间灌溉水量最优分配，灌区多 水源联合调配及地区间灌溉水量调配等。 对于非充分灌溉条件下农作物问的最优水量分配，首先在水源不足的情况 下，如何安排每一种作物的种植面积，即最优种植比例问题。其次，在作物种 植比例已定时，各作物之间在全生长期及生长期的各个阶段的水量最优分配问 题。目前采用较多的是线性规划模型( l p ) 求解二定水量在各作物之间的分配 比例最佳问题。而对于已定种植比例，作物全生长期及生长期的各个阶段的水 量优化问题，常以阶段水分生产函数为依据，利用大系统优化技术，采用d p 或 聚合l p d p 模型求解。 k u m r 和k h e p a r ( 1 9 8 0 年) ，将作物全生育期水分生产函数分为若干段，然 后采用可分规划技术，用l p 模型求解了作物最优布局问题；1 9 8 9 年，姚崇仁提 出了一个l p 模型，用于求解限额供水时，每次灌水不同灌水定额时作物最优灌 溉面积；1 9 9 2 年，r a u i i l a n 和m o b a n 开发了一个干旱管理的专家系统。该系统模 型库中也采用了l p 模型用于根据历史干旱经验及对于未来的干旱预测，确定缺 水条件下的最优作物布局；1 9 9 6 年，d e j u a n 在水分生产函数中考虑灌水均匀度 对产量的影响，以此为基础用l p 模型求解了最优作物布局：1 9 9 3 年，a l i x a d e h 提出了一个一定水量下求作物最优种植面积的n l p 模型，用于确定不同效益费 用比时某种作物的最优种植面积。徐建新( 2 0 0 0 年) ，采用动态规划方法进行了 山东大学工程硕士学位论文 己定种植结构下，作物水量优化分配及渠系实时灌溉的研究。非充分灌溉条件 下的最优灌溉制度的设计过程，是一个将定灌溉水量在作物各生育阶段进行 合理分配的多阶段决策过程，用的比较多的是动态规划( d p ) 或随机动态规划 ( s d p ) 模型求解。 张展羽等( 1 9 9 3 年) ，认识到各阶段灌水量对产量影响的模糊性，将模糊动 态规划技术应用于非充分灌溉制度的设计。其中某阶段及其以前灌水量之和为 模糊状态变量，各生育阶段灌水量为模糊决策变量；同年张展羽等基于m o r g a n 模型，用二维动态规划模型求解了冬小麦的灌溉制度。山西省水科所王仰仁、 荣丰涛( 1 9 9 5 年) ，根据作物产量与耗水量关系，考虑了时间提前或推后对产量 的影响，以灌区全部地块综合平均产量为目标，建立了庞庄水库灌区的冬小麦 优化配水模型。在1 9 9 7 年他们又以j e n s e n 模型为基础，对山西省主要农作物 水分生产函数中的参数进行了试验研究。 武汉水利电力大学李远华、崔远来等( 1 9 9 4 至1 9 9 5 年) ，以水稻非充分灌 溉的试验资料为基础，分析了适用于我国北方中稻的水分生产函数模型，提出 了应用中稻水分生产函数在水源不足条件下水稻优化灌溉制度设计方法。1 9 9 9 年，又将降雨视为随即变量，用随机动态规划模型求解了稻田非充分灌溉的最 优灌溉制度。与以往模型相比，其主要改进为模型基于水分敏感指数累积函数， 求得了以旬为时段的敏感指数值，使优化配水适合短期配水的要求。1 9 9 7 年刘 钰和里斯本技术大学农学院的j l t e i x e i r a 及l s p e r e i r a 建立了模拟农田根 层土壤水循环的计算机模型i s a r e g 。这一模型可模拟根层土壤水分变化， 计算作物需水量和灌溉需水量，也可以用于制定多种供水限制条件下的优化灌 溉制度。1 9 9 4 年，郭宗楼采用非线性规划( n l p ) 求解了冬小麦的最优灌溉制度； 1 9 9 7 年6 h a h r a m a n 和s e p a s k h a h 用n l p 模型求解了不同效益费用比时冬小麦的 灌溉问题；实际上，将以上n l p 模型中的非线性规划目标线性化，即可用线性 规划( l p ) 求解( 陈亚新1 9 9 5 年) 。 灌区多水源联合供水，统一调度，就是把地表水、地下水看作是一个统一 的整体统筹兼顾，合理利用。在丰水年，优先利用地表水，少用或不用地下水， 既可以减少地表弃水又能使地下水得以储存。在枯水年，当地表水不足时再动 用地下水，以保证供水需要。曾赛星和李寿声( 1 9 9 1 年) ，用l p _ d p 模型对井渠 6 山东走学工程硕士学位论吏 结合灌区优化灌水技术进行了研究。在第二层l p 模型中，同时考虑了地面水和 地下水各时段( 月) 在各子系统( 作物) 之日j 的协调分配。 水利部灌溉研究所的黄宝全、沈菊艳( 1 9 9 2 年) 以山西省翼城县利民灌区 为例，借助j e n s e n 模型，用优化的方法，以灌区灌溉净效益最大为目标函数， 以灌区各时段的可供水量为决策变量，将供水同作物产量联系起来，对灌区渠 灌系统、泵站系统和井灌系统进行统一管理，联合运用，以期实现灌区地表水 和地下水的统一调度，达到灌溉用水的三个优化：每一时段内各种作物间用水 量的分配的优化，三种水引用量的优化；年内各时段用水量的优化。康绍忠， 李永杰，马孝义( 1 9 9 9 ) 利用大系统分解协调模型和模糊技术研究泾惠渠灌区 地表、地下水联合优化调度模型，得出其丰，平、枯年水资源利用方案。 综上所述，灌区水资源合理配置研究中，一般都是单独进行多水源联合优 化调度，或作物灌溉制度和种植结构优化，或多作物间水量的最优分配，而完 整的区域水资源优化模型( 既包括多水源联合运用，又包括各子区的水量优化 分配、多作物间水量优化和单一作物灌溉制度优化) 是很少见的。 1 3 课题主要研究内容 课题的内容包括2 部分，第1 部分是灌区运行管理体制研究，本文对参与 式灌溉管理从灌区的组织、经营管理及灌区运行管理改革对策三方面进行探讨。 第2 部分是灌区水资源合理配置技术研究。 1 3 1 灌区运行管理体制研究 1 灌区的组织管理 结合我国当前进行的灌区管理体制改革和大力提倡的用水户参与灌溉管理 的灌区管理模式，深入分析、探讨各种改制形式的利弊，从彭楼灌区实际情况 出发，提出一种适合彭楼灌区的组织管理形式并对该形式的功能进行深入剖 析。 2 灌区的经营管理 以水资源价格杠杆促进水资源的合理配置，研究制定科学合理的水价，使 所收水费既能满足灌溉工程的良性运行，又使灌区农民负担不致过重。达到提 高水费征收率，“以水养水，促进灌区可持续发展”的目标。 3 灌区管理改革的对策 7 山东欠学工程硕士擘住论文 建立适合彭楼灌区自身特点的运行管理机制，需要当地政府、水管单位和 水消费者三方协同努力，共同解决制约灌区运行管理新体制实施的各种矛盾和 问题。本文根据彭楼灌区的实际，针对性地提出灌区运行管理改革的对策。 1 3 2 灌区水资源合理配置技术研究 灌区水资源合理配置技术研究是指灌区的多水源联合合理调配研究，其主 要研究灌区内的地面水和地下水联合开发的最优规划和最优调度。本文主要研 究采用大系统分解协调模型，模拟灌区多种灌溉水源联合合理分配决策过程， 进行灌区灌溉水资源合理配置。即在灌区总供水量不足的条件下，如何将灌区 可调配的部分水资源( 黄河、金堤河水) 最优地分配给不同的子区，再由子区 将所得水量和自产地面水、地下水联合运用，最优地分配给不同的作物，各种 作物在获得一定灌溉水量后，又将水量在不同生育阶段进行合理分配，从而确 定水资源合理分配过程，以使灌区总效益最大。不同子区之间的配水属于灌区 总系统的优化；多作物之间的分配属于每个子区子系统的优化，这部分优化内 容包括子区内地面水、地下水联合优化调度和多作物间水量的合理分配；作物 各生育阶段之间的配水属于每个作物子系统的优化。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，构成一个具有三层谱系结构的大系统，并用大系统分解协调模型求 解。本文建立的灌溉水量最优分配的分解协调模型结构见图卜1 。 8 图1 1灌区大系统优化配水分解协调模型 山末失擘工程硕士擘住论文 1 3 3 课题研究内容之间的相互关系 本研究课题内容灌区运行管理体制改革与灌区水资源合理配置技术有着内 在的、有机的联系。这两部分内容研究的目的都是促进灌区的可持续发展、确 保灌区走上一个良性运行的状态。所不同的是灌区运行管理体制是研究灌区发 展的根本，是属于基础地位的研究，而灌区的水资源合理配置技术则是在灌区 发展的更高阶段的研究课题，是从灌区的血液水资源的优化配置角度来提 升灌区的现代化水平的。灌区的运行管理体制研究包括灌区的组织管理体制和 灌区的经营管理两大部分，组织管理体制就是要建立一套适合彭楼灌区现状及 未来发展的管理结构体系，是灌区发展的基础性工作，是实现灌区水资源合理 配置调度的基础，也是灌区进行经营管理的基础。灌区的经营管理研究的主要 内容是建立灌区有效农业水价激励制度，水价是关系到灌区是否能良性运行发 展的关键因素之一，有效的农业水价激励制度一方面可增强灌区可持续发展的 后劲，另一方面也可以潜移默化地调动用水户实现灌区水资源的优化配置，是 社会经济措施的合理配置。而灌区的水资源合理配置研究则是从技术的角度去 探讨如何实现灌区水资源的优化配置调度。可以说两者相辅相成，互为补充， 缺一不可。仅有良好的优化配置技术，而调动不起广大用水户的积极性，是无 法实现水资源的合理配置的；仅有科学合理的水价，可以调动广大用水户进行 水资源优化配置的积极性，但这只是一种粗放的、初级阶段的水资源的合理配 置，必须引进先进的技术手段、方法，以实现科学合理的灌区水资源优化配置。 总之，灌区的运行管理体制和水资源合理配置技术都是灌区合理配詈水资 源、节约用水的关键，都是灌区可持续发展的关键因素，两者相互补充，相互 促进。所不同的是灌区运行管理体制是基础，而水资源合理配置则是技术、方 法，是从技术的角度去研究如何充分利用灌区有限水资源的。 1 4 主要研究方法与技术路线 1 4 1 灌区运行管理体制研究 首先分析灌区管理体制的发展、现状和各种形式，并结合彭楼灌区实际提 出灌区的运行管理体制模式和水价激励制度。然后将灌区运行管理新模式从组 织管理和经营管理两方面进行深入研究。最后在此基础上，提出彭楼灌区运行 管理体制改革的对策。 9 山东大擘工程硕士学位论文 1 4 2 灌区水资源合理配置技术研究 首先，确定灌区水资源总体分配原则，即灌区水资源分配计算是在先生活、 工业，后农业的供水原则和含水层不低于允许最小蓄水量的约束条件下进行。 并认为外来引水可以在子区间分配，地下水及自产径流仅供相应的子区使用， 子区间水量分配构成供水关联约束。然后，在扣除工业和生活用水后，将余留 水量全部用于农业。分别进行灌溉制度，多作物间的水量分配，子区间水量分 配的优化，把求出的各局部最优解通过其相互关联聚合起来，寻求全系统的最 优结果，包括作物的最优灌溉制度，多水源在各作物问的最优配水量，分配给 各子区的最优供水量。在水资源合理配置求解过程中，借助于计算机进行优化 计算，寻求各阶段最优解。灌区水资源合理配置求解过程见图卜2 。 1 0 灌溉制度优化 相对产量一水量关系 子区内地面水、地下水在多作物间的优化 子区效益水量关系 子区间水量优化 农业用水 工业甩水l - l 灌区总水资源 图卜2 灌区水资源合理配置求解过程图 山东大学工程硕士学位论文 第二章彭楼灌区基本情况与水资源供需平衡分析 2 1 灌区基本情况 2 1 1 自然地理概况 灌区属暖温带半干旱大陆性季风气候区，四季分明，光照充足，温度适中， 雨热同步。春季干旱多风；夏季炎热多雨，易成洪涝；秋季温和凉爽，降水减 少；冬季寒冷干燥，雨雪稀少。灌区多年平均降水量5 5 7 9 毫米，多年平均蒸 发量1 2 1 8 毫米，蒸发量为降雨量的2 1 8 倍。降水不足，且时程分配极不均匀： 一是年际间丰枯悬殊。最大年( 1 9 6 4 年) 降水量1 0 1 9 2 毫米，最小年( 1 9 9 2 年) 降水量2 6 8 6 毫米，最大为最小的3 7 9 倍；二是年内分配不均，3 5 月份多年 平均降水量仅7 9 3 毫米，占年降水量的1 4 2 。6 9 月份多年平均降水量为 4 1 3 6 毫米，占年降水量的7 4 1 。灌区年平均气温为1 3 3 c ，平均无霜期为 1 9 9 天。 彭楼灌区属黄河冲积平原，由于受历史上黄河泛滥沉积的影响，灌区微地 貌类型复杂，岗、坡、洼相间分布，以河滩高地和缓平坡地为主，占总面积的 7 7 1 。 根据县级农业区划所进行的土壤普查资料，灌区内共有三种土壤类型；以 沙质土和壤土为主，占灌区总面积的8 5 7 2 ；沙质土分布于古河道及其决泛点 附近，壤质土主要分布于缓平坡地和浅平洼地上，粘质土分布于洼地中心部位。 灌区浅层地下水为第四纪黄河冲积平原孔隙水。含水层岩性主要为粉细砂， 局部有中租砂；地下水动态属“入渗补给蒸发、开采”型，其水平运动比 较滞慢，垂向交替运动频繁，接受大气降水和其他地表水体的补给，消耗蒸发 和开采。按照浅层淡水底界面埋藏深度、含水砂层厚度、单井出水量和矿化度， 将浅层地下水开采条件分为丰富区、较丰富区和贫乏区。其中，浅层淡水丰富 区和较丰富区( 宜井区) 面积1 7 1 9 2 2 平方公里，占总面积的8 9 0 6 。 2 1 2 社会经济概况 灌区内的莘县、冠县都是以种植业为主的农业大县，工业基础薄弱。种植 业以小麦、玉米、林果和蔬菜为主，畜牧业仅限于家庭饲养，以猪、牛、羊和 鸡为主。按1 9 9 0 年不变价格统计，2 0 0 3 年国内生产总值6 0 2 4 亿元，其中农业 总产值2 2 1 l 亿元，粮食总产量7 5 1 亿公斤。灌区社经情况见表2 1 。 山东大学工程硕士学位论文 表2 - 1聊城市彭楼引黄灌区社经基本情况表 乡耕粮食棉花 自然 人口( 万人) 国内生 县 镇 总面积 地单产单产 村产总值 别 ( 个 其中： ( k m 2 )( 万 ( k g ( k g ( 个) 总人口 ( 月元) ) 农业 亩)亩) 亩) 莘县 1 99 3 28 1 8 07 0 3 41 1 2 0 5 1 0 55 6 2 5 1 33 4 9 5 5 l 冠县 1 55 2 56 2 7 15 6 2 38 1 09 55 1 44 3 82 5 2 8 3 9 合计 3 41 4 5 71 4 4 5 11 2 6 5 71 9 3 0 5 2 0 0 5 3 9 4 7 7 6 0 2 3 9 0 2 1 3 灌区水利工程和水资源开发利用情况 聊城市彭楼引黄灌区于1 9 9 8 年5 月动工复建，2 0 0 3 年8 月骨干工程全部完 成。共完成输沙渠、沉沙池、输水渠及输水干渠开挖整治8 2 8 5 公罩，新建各 类桥、涵、闸、渡槽等建筑物1 2 7 座。项目总投资1 8 4 亿元，其中河南省段投 资5 8 0 0 万元，全部由国家投资，山东省部分投资1 2 6 亿元，除省市财政出资 4 0 0 0 万元外，全部由莘、冠两县自筹资金建设。工程完成的主要是骨干渠道及 配套建筑物，分干支渠及其以下工程基本未予配套。 灌区按照水资源条件和用水特点，分为三个不同的灌溉区。i 区：引黄、引 金灌溉区。该区位于灌区西南部，南靠金堤，西至省界，东至大沙河、徒骇河， 区域总面积1 2 3 0 平方公里，耕地1 0 8 万亩。该区以引金和引黄为主，不足水 量由井灌补充。区：井渠结合引黄正式灌区，灌区马颊河以南大部分除i 区 外均属该区。区域总面积6 2 4 0 4 平方公里，耕地6 3 万亩，其中徒骇河以南为 原道口引金灌区控制范围。该区实行井渠结合以地下水采补平衡为控制，地上 水与地下水联合运用，按作物需水要求制定灌溉制度，适时灌水。区；相机 引黄蓄灌补源区。该区包括马颊河以北的全部及徒马之间局部，总面积1 1 8 3 4 6 平方公里，耕地1 2 6 2 万亩，由于地理位置的特殊性，区域地表水严重匮乏， 在上游灌区用水间隙集中供水，利用于，支沟和坑塘等调蓄补源抗旱，开展小 麦冬灌和春播作物播前储水灌溉。 彭楼灌区设计引黄水量3 9 8 亿立方米，实际年引黄水量在1 5 - 2 0 亿立方 1 ：2 山东大擘x - 程硕士学位论文 米，远未达到设计引水量，灌区内缺水严重，自建成以后，共引黄河水6 0 亿 立方米。而同时灌区灌溉水利用系数仅为0 4 ，工业用水重复利用率不足2 0 ， 存在严重的水资源浪费现象。 彭楼灌区现状( 2 0 0 3 年) 水利工程实际供水量约5 1 3 亿立方米，其中，引 黄1 7 2 亿立方米，引金堤河0 8 亿立方米，开采地下水2 4 2 亿立方米，徒马 河道拦蓄利用量约0 1 9 亿立方米。彭楼灌区国民经济各部门现状实际年用水量 5 1 3 亿立方米，其中农业用水4 2 0 亿立方米，工业用水0 4 2 亿立方米，城乡 生活及牲畜用水0 2 7 亿立方米，其他用水0 2 4 亿立方米。 灌区内现有徒骇河、马颊河两条骨干排涝河道，长9 9 5 公里；流域面积1 0 0 平方公里以上的排涝干沟1 0 条，长2 2 9 公里；流域面积3 0 1 0 0 平方公里的排 涝支沟3 7 条，长2 8 2 7 公里。这些排涝河沟六七十年代虽曾先后按“六四年雨 型”除涝，4 六一年雨型”防洪标准进行了治理和初步配套，但经过3 0 多年的 运用，河沟淤积严重，平均降低排涝能力达5 0 ，桥、涵、闸等建筑物老化退化， 完好率仅仅2 0 。田间排涝工程几乎全部报废。 2 2 灌区水资源供需平衡分析 开展水资源供需平衡分析需首先确定和预测灌区国民经济和社会发展各项 指标。 根据灌区经济发展现状及其规划，2 0 0 3 年工业总产值5 9 2 2 亿元，年增长 率按1 2 ，预测2 0 1 0 年工业总产值将达到1 3 0 9 2 亿元；利用三次指数平滑法 预测2 0 2 0 年工业总产值将达到2 8 8 5 5 亿元。灌区2 0 0 3 年有效灌溉面积1 4 7 3 万亩，农业总产值2 2 1 1 亿元，粮食总产量7 5 l 亿公斤。规划2 0 t 0 年灌区有 效灌溉面积达到2 0 0 万亩，其中喷、滴、管灌等商标准田问节水灌溉面积达到 3 5 6 万亩预测农业总产值达到3 1 1 9 亿元，增长率为5 0 4 ，粮食总产量达 到1 1 0 4 亿公斤；规划到2 0 2 0 年灌区有效灌溉面积达到2 0 0 万亩，其中喷、滴、 管灌等高标准田问节水灌溉面积7 8 5 万亩，预测农业总产值达到4 4 o o 亿元， 年增长率为3 5 ，粮食总产量1 3 6 1 亿公斤。 2 0 0 3 年灌区内大、小牲畜存栏量为3 8 7 万头( 只) ，预计到2 0 1 0 年大、小 牲畜存栏量为4 5 0 万头( 只) ；到2 0 2 0 年大、小牲畜存栏量为5 0 0 万头( 只) 。 2 0 0 3 年灌区总人口为1 4 4 5 2 万人，其中农业人口为1 2 6 5 7 万人。非农业 山东大擘工程硕士学位论文 人口为1 7 9 5 万人。根据国家有关计划生育政策及灌区人口增长情况，并考虑 今后农业人口向城市转移的趋势，预测到2 0 1 0 年灌区总人口将达到1 5 0 7 0 力 人，其中农业人口1 2 2 0 3 万人，非农业人口2 8 6 7 万人；到2 0 2 0 年灌区总人 口将达到1 6 0 0 0 万人，其中农业人口1 1 5 8 3 万人非农业人口4 4 1 7 万人。 灌区社