汾河灌区水资源优化配置研究.pdf

r e es t m c t w e m o d e lo ft h ef i r s tl a y e ro fn o n s u f f i c i e n ti r r i g a t i o n o fc r o p su n d e ri r r i g a t l o n s y s t e mo p t i m i z a t i o nm o d e l b a s e do nc r o pw a t e rp r o d u c t i o nf u n c t i o n t od e t e r m i n et h eo p t i m a l c r o pi r r i g a t i o ns y s t e m m o d e lo ft h es e c o n di n t e r l a y e ro p t i m i z a t i o no fc r o pw a t e r d i s 恤b u t l o n m o d e l t h em o d e lf o rt h et h i r dl a y e ro 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 na m o n g w a t e rs e c t o r m o d e l t h ef o u n hl a y e ro p t i m i z a t i o nf o rt h ew h o l ei r r i g a t i o nw a t e rd i s t r i b u t i o n m o d e l t h eu t i l i t y f u n c t i o nt h r o u g ht h ec o o r d i n a t i o nb e t w e e n m o d e l s 4 i r r i g m i o nm e t h o df o rs o l v i n gt h eo p t i m a la l l o c m i o n m o d e li sp r o p o s e d o p t i m i z a t l o n u s i n gt h ei d e ao ft o p d o w nl a y e rb yl a y e r r e s p e c t i v e l y a n dt h eu s e o fd y n a m i cp r o g u m l n g m e t h o df o rs o l v i n gl i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e l 5 1a p p l i c a t i o nm o d e lf o ro p t i m a la l l o c m i o no fw a t e rr e s o u r c e sf e n h ei r r i g a t i o nd i s t r i c t h a sb e e np l a n n i n gl e v e li n d i f f e r e n tw a t e ri r r i g a t i o no nc r o p t y p ea n dg r o w t hs t a g e o f d i s t r i b u t i o no ft h ew a t e rs e c t o rp r o g r a m sa n di r r i g a t i o nw a t e rd i s t r i b u t i o np r o g r a m k e yw o r d s o p t i m a la l l o c a t i o no f w a t e rr e s o u r c e s w a t e rd e m a n d f o r e c a s t i n g s u p p l ya n d d e m a n db a l a n c e w a t e rp r o d u c t i o nf u n c t i o md y n a m i cp r o g r a m m i n g i i i 目录 目录 1 绪论 1 1 1 研究背景与意义 1 1 2 国内外研究概况 1 1 2 1 国外研究进展 一1 1 2 2 国内研究现状 3 1 3 存在的主要问题与发展趋势 5 1 3 1 主要存在问题 一5 1 3 2 发展趋势 一5 1 4 研究内容和技术路线 6 1 4 1 主要研究内容 一6 1 4 2 技术路线 7 2 灌区概况 8 2 1 自然概况 8 2 1 1 自然地理 8 2 1 2 灌区地形地貌 8 2 1 3 气象水文 8 2 1 4 河流水系 l0 2 1 5 水文地质 lo 2 2 社会经济概况 1 o 2 2 1 产业结构 10 2 2 2 区域经济 1o 2 3 灌区水资源状况 1 0 2 3 1 水资源利用分区 1o 2 3 2 水资源量 1 1 2 4 水资源开发利用现状 1 2 2 4 1 供水工程现状 1 2 2 4 2 水资源开发利用程度分析 13 2 5 灌区土地利用现状 1 3 2 6 灌区存在的主要问题 1 3 3 汾河灌区需水量预测和供需水量平衡分析 15 3 1 代表年及水平年的选取 l5 3 2 需水预测原则 15 3 3 灌区需水量预测方法 1 5 3 4 灌区供需水量计算 1 7 西安理工大学硕士学位论文 3 4 1 工业需水量 18 3 4 2 生活需水量 18 3 4 3 农业需水量 1 9 3 4 4 生态需水量 2 1 3 5b p 神经网络的农业灌溉需水量预测 2 4 3 6 供需水量平衡分析 2 6 3 6 1 供需平衡计算 2 6 3 6 2 水量供需平衡结果 2 7 3 7 本章小结 2 9 4 灌区水资源优化配置模型及其解法 3 0 4 1 灌区水资源系统及其优化配置 3 0 4 1 1 灌区水资源系统 3 0 4 1 2 灌区水资源优化配置 3 0 4 2 灌区水资源优化配置模型 3 1 4 3 汾河灌区水资源大系统模型 3 4 4 3 1 水源水质配置模型 3 5 4 3 2 水量优化配置模型 3 6 5 模型求解 4 8 5 1 作物参数确定 4 8 5 1 1 作物生育阶段划分 4 8 5 1 2 作物生育阶段有效降雨量 4 8 5 1 3 作物缺水敏感指数确定 4 9 5 1 4 土壤含水率及土壤容重 4 9 5 1 5 作物各生长阶段耗水规律 5 0 5 1 6 土壤计划湿润层深度 5 0 5 1 7 地下水利用量 5 0 5 1 8 各部门用水定额约束 5 1 5 1 9 其它参数的确定 5 1 5 2 灌区水资源优化配置成果分析 5 l 5 2 1 单一作物优化灌溉制度结果分析 51 5 2 2 多种作物间优化配水方案 5 4 5 2 3 各用水部门之间优化配水方案 5 6 5 2 4 全灌区优化配水方案 5 8 5 3 本章小结 5 9 6 总结与建议 6 0 i i 目录 6 1 总结 6 0 6 2 建议 6 0 致谢 6 2 参考文献 6 3 附录 6 7 i i i 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景与意义 水资源是人类社会一切生产 生活的物质基础 是不可替代的重要自然资源 随着人 口的迅速增长和经济的高速发展 人类社会对水的需求急剧增长 水资源供需矛盾日趋突 出 已经成为制约社会经济发展的重要因素 我国是一个水资源相对短缺的国家 水资源 总量约为2 8 万亿m 3 居世界第6 位 人均占有量约为2 4 0 0 m 3 仅为世界人均占有量的 1 4 由于水资源时空分布极不均衡 加剧了区域水资源形势的恶化 使供需水矛盾更加 尖锐 1 1 0 目前 水资源存在的问题主要有以下几个方面 1 供水量日益不足 供需矛盾 突出 2 农业用水量巨大 用水效率低下 3 水环境污染严重 可利用水量日益减少 我国用水结构中 农业用水约占7 8 工业用水约占1 0 城市用水约占1 2 左右 农业用水效率过低 表明我国农业节水潜力巨大 目前 通常采用的节水灌溉措施 主要 可以分为三种 即灌溉节水措施 农业节水措施和管理节水措施 其中 灌溉优化配水属 于管理节水措施 通过对灌区水利工程优化调度 调整灌溉水量在时间和空间上的分布 因此 水资源优化配置是解决水资源供需矛盾问题的最有效途径 灌区水资源优化配置是指在某一特定灌区 按照灌区的需水要求 遵循有效性 公平 性和可持续性等原则 利用各种工程与非工程措施 按照市场经济的规律和资源配置准则 通过合理调度需求 保障有效供给 维护和改善生态环境质量等手段和措施 实现水资源 优化调度 胡 我国是一个农业大国 灌溉农业是我国社会经济发展的基础 汾河流域是 山西省工业集中 农业发达的主要地区 工业产值占山西省的4 6 农业产值占全 省的6 4 汾河灌区从汾河引水灌溉 是山西省最大的自流灌区 也是全省主要的 粮食产地之一 但是 由于地下水过度开采 地表水利用不足 正常年份水库可调蓄的 水量只有6 亿m 3 灌区节水拥有很大的节水潜力 因此 如何充分利用现有水资源 使 灌区水资源优化配置 缓解灌区用水紧张局面 对实现社会经济的可持续发展和人民生活 改善具有十分重要的意义 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究进展 国外以水资源系统分析为手段 水资源合理配置为目的的研究 首先源于2 0 世纪4 0 年代m a s s e 提出的水库优化调度问题 到了2 0 世纪5 0 6 0 年代 主要是提出一些设想 如科罗拉多 1 9 6 0 1 的几所大学对计划需水量的估算及满足未来需水量的途径进行了研 讨 体现了水资源优化配置的思想 b u r a s 等 1 9 6 1 1 首次把d p 法引入联合运用系统 用以解决地面水库和地下水库蓄水分配问题 b u r a s 1 9 6 3 1 针对包含一个地表水库 西安理工大学硕士学位论文 地下水库和两个独立灌区的假定系统 建立了动态规划模型 以确定地下水库 人工回灌 工程的规模 各灌区的灌溉面积以及地表水库 地下水库的供水策略 f l i n n 和m u s g r v a e 1 9 6 7 d 1 论证了动态规划方法应用于灌溉季节最优水量分配的可行性 并建立了相应的 确定性动态规划模型 该模型含有一个描述系统任意阶段的状态变量 即在灌溉季节内的 可分配水量 h a l l 和b u t c h e r 19 6 8 0 1 提出了一个包含两维状态变量的确定性动态规划 模型 把可分配的水量和土壤含水量作为状态变量 确定系统任意阶段的初始状态 模型 采用相乘模型 结果表明相乘模型较相加模型计算更方便 同时 系统分析的其它方法如 线性规划 非线性规划等在水资源优化配置的应用也越来越广泛 m o o r e 等 1 9 7 1 1 1 以美国加里福尼亚帝国河流域农场为研究对象 针对不同的灌水量和水质 提出了农场最 优需水计划 用线性规划 l p 法使水土资源的收益最大 从而获得最优种植结构 c o r d o v a 和b r a s 1 9 7 9 n 曼 1 对利用随机控制原理和方法在作物生长季节内最优分配灌溉水量以取 得最大经济效益问题进行了大量研究 其研究是在考虑了土壤水分胁迫对作物生长响应 土壤含水量的季节变化动态和降雨过程随机性的情况下 一定水量在作物全生育期内进行 分配的问题 m a r i n o 和m o h a m m d i 1 9 8 3 铂针对加利福尼亚中心河谷工程水库群 分 别用l p d p n l p i d p d i f f d p 及p o a 法进行优化调度研究 结果表明p o a 比其它 方法都好 d i n a r 1 9 8 7 n 5 1 提出了一个二层结构大系统模型 l p d p 模型 用于求解多种 作物灌溉水量最优分配 v a l d e s s t r z e p e k 1 9 9 2 n 钉提出了由随机动态规划和线性规划 组成的多库系统时空聚集 解集方法 v a s i l i a d i s k a r a m o u z 1 9 9 4 n 7 对所谓需求驱 动随机动态规划方法和贝叶斯决策理论进行了探讨 v e u d a l 和k u m a r 1 9 9 6 8 1 考虑来 水的随机性 提出了一个求解灌水量最优分配的l p s d p 模型 s h e n g f e n gk u o g a r y e m e r k l e y 等人 9 1 以全灌区净效益最大为目标 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 r 等n 0 1 建立在供水不足情况下 用于短期配 水决策的动态规划配水模型 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 将灌溉面积分成多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 此外 还出现了一些新的优 化算法 如遗传算法 模拟退火算法等 并在水资源优化中应用 1 删 2 0 0 2 年 w i l l i s 应用线性规划方法求解了1 个地表水库与4 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 t 法求解了1 个水库与地下水含水层的联合管理问题 v e n m u r i 利用峰值与决策变量之间的效用关系 将遗传算法应用于含水层的污染治理 通 过偏微分方程模拟了地下水的动态变化 g i d e o no r o n 等在2 0 0 8 年以地下水的污染程度最 小为目标 建立了日本大阪地区的地下水渗流过程模型 一 为水资源的优化提供更准确 的数据 水库优化调度研究在上世纪7 0 年代以前主要集中在对模型和算法的改进上 进 入上世纪8 0 年代 随着计算机和人工智能技术等引入水资源系统 人们的注意力转向更 大范围实际应用 一条河流 一个流域的复杂水资源系统应用软件开发研究 如决策支持 2 l 绪论 系统 d s s 专家系统 e s 以及二者的结合智能决策支持系统 i d s s 等 2 8 2 9 由于水 库调度的系统应用软件的研究 开发和利用 缩短了理论与实际的差距 为水库调度研究 走向实际开辟了方向 1 2 2 国内研究现状 水资源优化配置应当遵循公平性 有效性和可持续性的原则 对特定流域有限的 不 同形式的 不同水质的水资源 运用系统分析理论与优化技术 以水资源系统分析为基础 考虑水资源系统演化过程 综合分析水资源开发利用对社会经济 生话和生态的影响 采 取各种工程措施和非工程措施 通过合理抑制需求 保障有效供给 维护和改善生态环境 质量等手段与措施 对多种可利用水资源在区域内和各用水部门间进行最优化分配 以期 获得最佳综合效益 以及水质和水量的统一和协调 最终目的是实现以水资源可持续利用 和支撑国民经济的可持续发展 在保证社会经济 资源和生态环境协调发展的基础上 最 大限度地发挥水资源的综合效益 其实质在于提高水的配置效率 3 0 1 0 我国水资源科学分 配方面的研究起步较晚 但发展很快 经过多年的研究已取得了丰富的成果 2 0 世纪6 0 年代 开始了以水库优化调度为先导的水资源分配研究 吴沧浦 1 9 6 0 d 年首次提出年 调节水库的最优运用d p 模型 施熙灿 1 9 8 2 妇提出无水文预报条件下用罚因子法考虑 调度图可靠性模型 并对广东枫树坝 新丰江水电站进行了实例计算 费良军d 明等人应 用系统工程的理论和方法 建立了多目标 确定性的蓄 引 提 灌溉及发电水资源系统 的联台优化调度数学模型 将逐步优化法和混合试探法有机结合求解联合优化调度数学模 型 结果表明该解法收敛速度快 该模型能充分利用水资源 发挥各工程的潜力 使系统 取得最大的灌溉效益和综合效益 袁宏源等 1 9 9 0 蜩用二维d p 模型求解了黑龙港地区 多种旱作物的最优灌溉制度 模型的状态变量为各阶段初可供水量及土壤含水量 决策变 量为实际灌水量及腾发量 并用逐次渐进法 d p s a 对二维d p 模型进行了求解 张展羽 1 9 9 3 l 佰1 基于m o r g a n 模型 用二维d p 模型求解了冬小麦的最优灌溉制度 李同斌等 1 9 9 5 以石佛寺水库为例 建立了地表水和地下水联合调蓄的模拟分析模型 其中 对 地下水采用分布参数模型 对地表水采用集中参数的动态模型n 李寿声等 1 9 9 7 d q 以作物水肥生产函数为基础 用二维d p 模型求解了控灌条件下稻田优化灌溉制度 崔远 来等 1 9 9 9 b 门将降雨量视为随机变量 用随机动态规划 s d p 模型求解了稻田最优灌溉 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需要 郑士勋 钉 2 0 0 3 建立两层动态规 划模型d p d p 模型用于河南省原阳县堤南灌区水资源优化调度研究 在建立第二层数 学模型时 将地下水和地表水综合考虑 在模型中体现出取用地下水成本较高的事实 负 汝安等 0 1 应用l p d p 模型 对山东省桓台县地面水 地下水在各种作物间及在各作物 不同生育阶段间进行最优分配 水淼 日 2 0 0 3 通过对陆浑灌区水资源量及其开采利用 量的分析 采用系统分析方法 建立以陆浑水库 当地地表水和地下水为水源系统 农业 3 西安理工大学硕士学位论文 灌溉 城市供水 农村饮水 环境用水等为用户系统的数学规划模型及模拟模型 提出了 各用水部门的发展方向 目标及农业节水工程措施 赵丹等 日针对干旱半干旱地区日益 严重的水资源短缺和生态环境问题 以系统分析的思想为基础 建立了面向生态和节水的 灌区水资源优化配置序列模型系统 提出了综合考虑节水 水权 生态环境等因素的多目 标多情景模拟计算方法 得出了比较合理的南阳渠灌区水资源优化配置方案 最大限度的 利用了当地水资源 刘涵等 针对关中西部灌区水资源供需矛盾突出的现状 提出对其 主要水源工程实行联网调水的设想 并应用大系统分解协调原理 建立了三层递阶优化调 配模型 采用模拟技术与优化技术相结合的方法对其进行求解 得到了不同规划水平年来 水较枯时的单灌区调度和联网调水结果 可以实现关中西部灌区水资源的合理调配 张长 江等 1 以经济效益最大为目标 建立灌溉供水量最优分配的分解协调模型 以作物子系 统为第一层 建立求解单一作物非充分灌溉条件下灌水量在各生育期的最优分配的动态规 划模型 然后以区域大系统作为第二层 建立不同作物之间水量最优分配的模型 在此基 础上 提出了协调模型求解方法步骤 根据作物布局和地下水分布给出了不同作物在各生 育期地下水的最优分配量 以提高区域农业水资源承载能力 潘林等 2 0 0 6 4 5 1 建立了灌 区多种作物间灌溉水量的最优分配问题的数学模型 并采用了一种混合式遗传算法模拟退 火遗传算法 s a g a 来求解 杨晓茹 钉 2 0 0 6 结合引汉济渭调水工程 在分析研究受水 区供水现状的基础上 对受水区进行供需水平衡分析 提出不同水平年引汉济渭调水工程 调水量 李丹等n 力以漳河灌区的水资源系统为研究对象 针对灌区多水源 多用户的特 点 考虑经济效益最佳 建立了水资源优化配置模型 通过对模型的求解 得出了潭河灌 区在不同保证率下的水资源优化配置结果 张丽等 2 0 0 7 钉以宝鸡峡灌区为例 计算分 析了农田灌溉需水量及其变化趋势 并进行了灌区供需水量平衡分析 王松林等 们以各种 作物全生育期的水分生产函数为基础 在农业种植结构不变的条件下 采用动态规划法进 行有限水资源的合理分配 以获得最大效益 并将建立的模型应用到花园口灌区中 根据 作物的种植面积 得到不同作物的灌溉效益 利用建立的动态规划数学模型 进行了灌区 水资源在作物的优化分配 为灌区科学管理提供了一定依据 陈晓楠等b 2 0 0 8 针对 灌区水资源优化配置模型存在等式约束的特点 在分析粒子群算法寻优策略的基础上 建 立了基于粒子群的大系统优化模型 刘旭等b 门 2 0 0 8 运用大系统分解协调原理 以查 哈阳灌区为例 建立了具有两层结构基于r a g a 大系统分解协调的灌区水资源优化调度模 型 郑红 2 0 0 9 b 口对石津灌区提出了一套较实用的灌溉水量调配模式 纵观国内外水资源配置研究 诮朋 国外主要考虑了水资源产权界定 组织安排和经济 机理对配置效益的影响对水资源配置机制进行了研究 认为纯粹的市场或纯粹的政府都难 以满足合理配置的要求 制度和经济是医治市场和制度失灵的良方 有效的流域水资源管 理政策和体制是解决配置冲突的根本途径 多年来 在世界各国水利专家 学者的共 同努力下 水资源配置理论和方法研究已经取得了长足的进展 且在经济社会和科学技术 的高速发展过程中不断发展和完善 取得了很多有价值的成果 研究方法上 模型由单一 4 1 绪论 的数学规划模型发展为数学规划与模拟技术 向量优化理论等几种方法的组合模型 对问 题的描述由单目标发展为多目标 特别是大系统优化理论 计算机技术和新的优化算法的 应用 使复杂多水源 多用水部门的水资源优化配置问题变得较为简单 求解也较为方便 研究对象的空间规模上 由最初的灌区 水库等工程控制单元水量的优化配置研究 扩展 到不同规模的区域 流域和跨流域水量优化配置研究 1 3 存在的主要问题与发展趋势 1 3 1 主要存在问题 目前灌区水资源优化配置研究中存在的主要问题 1 重视水资源配置的经济效益研究 而忽视整体的可持续发展 在己有的灌区水资源优化配置模型中 目标多以经济效益最大 或供水量最大 缺水 量最小等 片面地追求经济效益而忽视了社会 经济 环境之间的相互协调及可持续发展 的要求 其结果会造成环境的恶化和资源的短缺 因此 在对灌区水资源进行分配时 考 虑到合理的生态需水量 保护灌区的生态环境 是我们目前亟待研究的课题 2 重视水量的优化配置 轻视水质的配置 已有的研究成果多是在分析水资源配置系统特点的基础上 借助优化理论建模并求 解 得到有限的水资源量在各子区和用水部门间的合理分配方案 很少考虑水资源配置过 程中水质的合理配置 3 现在大多数灌区在灌溉时只是对水资源进行了优化配置而没有合理的优化调度 既没有体现动态的水资源调度过程 因而水的利用效率不高 甚至造成了水资源的浪费 4 在建立优化调度模型和求解时 有的学者使用高新技术和复杂的数学模型 却不 能反映决策者的愿望 使模型计算量大且缺乏实用性 因此 要避免建模的盲目性 5 以往水资源优化调度模型多采用线性规划 非线性规划 动态规划 模拟技术等 以及它们之间的有机结合 这些方法应用于复杂大系统时会受到一定的限制 新发展起来 的智能优化方法 如遗传算法 g a 模拟退火算法 s a 禁忌搜索 t a b u 人工神经网络 a n n 和混沌优化等 对于离散 非线性 非凸等大规模优化问题充分显示出其优越性 1 3 2 发展趋势 半个世纪以来 在各国学者的努力下 水资源优化配置取得了丰富的成果 获得了巨 大的经济效益和社会效益 目前 灌区水资源系统优化配置的研究方法主要有 常规方法 动态规划 随机规划 模糊优化 模拟技术 多目标规划 灰色理论 大系统理论等 然 而水资源优化配置研究 在理论上还有不成熟之处 在应用上还存在着很大的局限性 随 着社会科技的进步 学者们对水资源优化配置提出了新的挑战 灌区水资源优化配置将在 以下几方面加强重点研究 s 西安理工大学硕士学位论文 1 充分考虑降雨对水资源优化配置的影响 目前灌区水资源优化配置过程中 一般不考虑降雨对农业灌溉的影响 或仅仅考虑某 一年型降雨农业灌溉的影响 由于降雨具有不确定性和随机性 因此 不考虑降雨或仅考 虑某一年型降雨对灌区的水资源配置结果将造成一定的偏差 2 坚持协调发展的原则 走可持续发展的道路 从水资源优化调度观念出发 协调 调度过程中水资源的复杂关系 兼顾除害与兴利 当前与长远 局部与全局 在社会经济 发展与生态环境保护两方面进行权衡 合理分配社会经济用水与生态环境用水 根据自然 规律和经济规律 在社会经济发展需求 水资源高效持续利用和资源环境承载能力之间寻 找平衡 3 加大生态水资源优化配置 力求社会综合生态效益 在水资源开发利用中人们往往只注重经济效益 进行高强度的开发和利用 忽略了人 类生存的自然生态系统 超越了生态环境的承载能力 导致生态环境恶化 进而影响人类 的经济和社会的发展 因此 应以社会效益 经济效益和生态效益为目标进行水资源优化 调度 充分考虑生态需水量 4 立足宏观水资源系统整体 提高系统理论应用意识 在水资源优化配置过程中 不仅考虑复杂的水资源系统本身 而且要提高系统理论应 用意识 用系统的观点把社会 经济 生态 人口系统密切联系起来 多方面 多层次的 进行综合管理 才可能实行可持续发展 5 应用3 s 技术和优化新方法 新发展起来的智能优化方法 如遗传算法 g a 模拟退火算法 s a 禁忌搜索 t a b u 人工神经网络 a n n 和混沌优化等 对于离散 非线性 非凸等大规模优化问题充分显示 出其优越性 必将被越来越广泛地应用 1 4 研究内容和技术路线 1 4 1 主要研究内容 本文在查阅大量国内外相关文献资料的基础上 结合山西汾河灌区实际 采用理论分 析 方法研究与实证应用相结合的技术路线 主要研究内容如下 1 阐述水资源优化配置问题提出的背景和意义 综述国内外研究进展 介绍汾河 灌区自然经济概况 指出灌区存在的主要问题 2 预测灌区近远期规划水平年的需水量 并对灌区进行供需平衡分析 3 以灌区经济效益最大为目标 兼顾生活 工业 农业和生态环境各部门的用水 要求 建立了灌区水资源优化配置模型 4 根据汾河灌区实际 确定优化配置方案 5 分析总结研究成果 提出需要进一步研究的问题 6 1 绪论 1 4 2 技术路线 本文采用调查收集资料 理论分析和实例研究相结合的技术路线 1 采用定额法分别对汾河灌区规划水平年生活 工业和农业需水量进行预测 将 生态需水量分为河道内和河道外分别计算 用神经网络算法对农业需水量进行预测 并用 长系列法对灌区进行水量供需平衡分析 2 以大系统优化理论为基础 建立四层灌区水资源优化配置数学模型 第一层以 作物水分生产函数为基础 利用j e n s e n 模型求解单作物在非充分灌溉条件下各生育阶段 分配的水量 得到各种作物的最优灌溉制度 并将效益反馈到第二层 第二层以农业效益 最大为目标 采用动态规划模型 得到各种作物之间的最优分配水量 并将最大效益反馈 到第三层 第三层以子灌区各部门净效益最大为目标 将各用水部门用水效益统一折算后 建立水量在工业 生活 农业和生态用水部门之间的水量最优分配线性模型 并将各部门 配水方案传递到第四层 第四层以全灌区综合净效益最大为目标 得到各子灌区的最优配 水量 灌区水资源优化配置技术路线见框图1 汾河灌区基本资料收集整理 水资源状况分析 灌区来水分析ii 灌区用水分析 橐il 橐ii 纂 i 橐il 囊il 蓁ll 蓁ii 蓁 灌区供需水量平衡计算 建立大系统分解协调模型 模型求解及分析 优化配水方案 结论与建议 图1 技术路线框图 f i g 1 1 t e c h n i c a lr o u t ef i g u r eo f t h i ss t u d y 7 西安理工大学硕士学位论文 2 灌区概况 2 1 自然概况 2 1 1 自然地理 汾河灌区位于山西省中部太原盆地 北起太原市北郊上兰村 南至晋中地区介休县洪 相村 西以太汾公路和磁窑河为界 东以太三公路和南同蒲铁路为界 长约1 4 0 k m 东 西宽约2 0 k m 灌区跨太原 晋中 吕梁三市 1 2 个县 市 区 共5 6 个受益乡 镇 的4 8 8 个村 全灌区控制土地面积2 0 5 5 5 万亩 其中耕地面积1 5 6 8 4 万亩 设计灌溉面 积1 4 9 5 5 万亩 是山西省最大的自流灌区之一 全灌区分为四个灌排渠系相对独立的灌 区 即一坝灌区 二坝汾东 汾西灌区和三坝灌区 一坝灌区灌溉面积3 0 8 7 万亩 二坝 汾东灌区灌溉面积3 1 5 4 5 万亩 二坝汾西灌区灌溉面积5 2 2 万亩 三坝灌区灌溉面积 3 4 9 3 5 万亩 汾河水库除农业灌溉任务外 还担负着太钢和太原第一热电厂的工业供水和汾河 公园 迎泽公园 森林公园等生态园林供水任务 2 1 2 灌区地形地貌 灌区内地形平缓 属太原盆地的底部 为冲积平原 总的地形趋势由东北向西南倾斜 地面高程由8 1 0 m 缓变至7 3 5 m 地面自然坡降南北为1 1 0 0 0 一 1 1 2 5 0 东西为1 1 5 0 0 1 1 2 0 0 2 1 3 气象水文 灌区地处北纬3 7 3 8 度 东经1 1 2 度 气候属大陆性季风带 四季分明 春季多风 干燥 夏季多雨 炎热 秋季多晴 冬季少雪 寒冷 据汾河灌溉管理局资料 最高气温 3 9 4 最低气温零下2 5 5 年平均气温9 5 最大冻土深0 9 5 m 一般十一月初结 冻 次年三月解冻 年日照2 3 0 3 小时 灌区平均无霜期为1 7 1 天 多年平均降雨量为 4 5 3 1 m m 年际降雨量变化很大 年内分配不均 汛期降雨量占全年降雨的7 2 多年 平均蒸发量1 0 3 1 9 m m 为多年平均降雨量的2 2 8 倍 由于降雨量分配不均 加之蒸发与 降雨量相差悬殊 形成 十年九早 春旱秋涝 旱涝交错 的特点 汾河灌区干流设有四个水文站 其中兰村水文站断面多年平均年径流量5 2 l 亿m 3 其中汛期径流量占全年的7 6 在兰村水文站上游6 6 k m 建有山西省最大的水库 汾河 水库 是灌区的主要水源 2 灌区概况 图2 1 汾河流域水系图 f i g2 1f e n h er i v e r b a s i nw a t e rs y s t e mm a p 9 西安理工大学硕士学位论文 2 1 4 河流水系 汾河是黄河第二大支流 也是山西省最大的河流 流域面积3 9 4 7 1 k m 2 河长6 9 4 k m 平均纵坡1 8 8 包括忻州 太原 晋中 吕梁 临汾 长治 运城7 个市的4 5 个县 市 区 主要支流有岚河 潇河 昌源河 文峪河 磁窑河 双池河 洪安涧河 浍河等 在众多支流中 最大的支流为文峪河 流域面积4 1 1 2 4 k m z 河长1 5 8 6 k m 潇河次之 流域面积3 8 9 4 k m z 河长1 4 7 o k m 岚河流域面积排在第四位 但泥沙含量最大 灌区河 长1 5 7 6 k m 河道平均比降为o 5 汾河流域水系图见图2 1 2 1 5 水文地质 汾河灌区位于太原盆地底部 属于冲积平原区 地下水类型属松散岩类孔隙水 按含 水层岩性 地下埋深及水动力特征结合本灌区实际开采深度 分为浅层潜水和中层承压水 地下水可开采总量为9 3 5 8 万m 3 流向与地面坡度基本一致 浅层地下水埋深2 3 m 兰 村水文站断面多年平均年径流量5 2 1 亿m 3 其中汛期径流量占全年的7 6 2 2 社会经济概况 2 2 1 产业结构 灌区土地肥沃 主要种植作物有小麦 玉米 棉花 水稻 蔬菜 果林和复播杂 粮 其种植比例分别为3 5 4 5 7 2 6 5 和3 0 复播指数为1 3 2 2 2 区域经济 全灌区总人口1 1 5 0 万人 其中农业人口1 0 7 0 人 灌区土地面积2 0 5 5 5 万亩 总耕 地面积1 5 6 8 4 万亩 灌溉面积1 4 9 5 5 万亩 人均占有耕地面积1 4 7 亩 人均纯收入1 8 9 0 元 全区粮食总产量3 7 0 5 万吨 农业总产值为8 7 3 亿元 人均纯收入5 9 3 元 由于产业 单调 农业生产得不到充分改善 常受旱灾威胁致使农业生产水平低而不稳 农民收入偏 低 人民生活水平中等偏下 2 3 灌区水资源状况 2 3 1 水资源利用分区 灌区现有引水枢纽工程三处 分别为一坝 二坝和三坝 根据灌区引水控制范围的不 同 全灌区由4 个相对独立的灌溉区域组成 即一坝灌溉区域 控制灌溉面积3 0 8 7 万亩 南北长约5 0 k m 北起太原市尖坪区上兰村 南至小店区王吴村 二坝汾东灌溉区域 控 制灌溉面积3 1 5 4 5 万亩 二坝汾西灌溉区域 控制灌溉面积5 2 2 万亩 北起二坝渠首 1 0 2 灌区概况 即清徐县长头村 南至三坝渠首 即平遥县南良庄 南北长约5 0 k m 三坝灌溉区域 控 制灌溉面积3 4 9 3 5 万亩 北起三坝渠首 即平遥县南良庄 南至介休市洪相村 南北长 约4 0 k m 灌区面积分布在汾河两岸 灌区供水水源主要来源于上游汾河水库放水及一 二 三坝区间来水和提取部分地下水 据1 9 5 6 年 2 0 0 0 年水文系列统计 渠首以上多年 平均径流量为7 1 3 亿m 3 灌区可控制利用的水资源总量为4 3 3 亿m 3 汾河灌区系统概 化图见图2 2 一 一 图 圈 水源 水库 大坝 灌区 图2 2 汾河灌区系统概化图 f i g2 1t h es y s t e mm a po ff e n r i v e rr e s e r v o i ri r r i g a t i o ng e n e r a l i z a t i o n 2 3 2 水资源量 汾河灌区主要水资源包括三部分 一是上游汾河水库来水 二是汾河二库 一坝 二 坝 三坝区间来水 三是地下水 汾河水库总库容7 2 1 亿m 3 多年平均来水量为3 6 7 5 亿m 3 汾河二库位于汾河水库下游 属串联水库 控制区间面积2 3 4 8 k m 2 设计兴利库 容0 3 3 亿m 3 汾河水库 二库区间来水量1 1 6 1 2 亿m 3 二库以下区间来水量5 5 7 亿 m 3 汾河灌区地下水年可开采量o 9 3 5 8 亿m 3 一 灌区水资源利用包括工农业用水 生活用水等 工业用水主要指灌区所担负的太原钢 铁公司太原第一热电厂及部分公园用水 由水库承担 农业灌溉用水以地表水和城市污水 为主 开采部分地下水 生活用水 包括人畜及乡镇企业用水 主要依靠地下水资源承担 汾河灌区水资源和地表水资源情况分别见表2 1 和表2 2 西安理工大学硕士学位论文 表2 1 汾河灌区水资源量表单位 亿i n 3 t a b l e 2 1t h es c a l eo ff e n r i v e ri r r i g a t i o nw a t e r 10 8m 3 表2 2 汾河灌区水资源频率分析表单位 万m 3 t a b l e 2 2f r e q u e n c yo fi r r i g a t i o nf e n r i v e r 1 0 4m 3 项目1 矿1 笋篙寿1 矿 而 筹掣熹 而 汾河水库 3 6 7 5 30 5 43 06 3 2 0 05 0 2 0 0317 0 02 2 3 0 015 2 0 0 二库区间 1 1 6 1 2o 6 82 52 2 1 0 01 6 8 0 0 9 5 0 05 9 0 03 3 0 0 灌区区间 2 2 2 6 00 5 81 33 8 6 0 03 2 3 4 02 1 3 7 01 3 4 9 0 7 0 7 0 灌区开采利用的引黄水 工业污水及地下水 见表2 3 表2 3 污水及地下水来水量单位 亿m 3 t a b l e 2 3w a t e ra n dg r o u n d w a t e ri n f l o w 10 8m 3 2 4 水资源开发利用现状 2 4 1 供水工程现状 a 主体水源工程现状 汾河水库是汾河灌区主要供水水源 坝址位于太原市娄烦县下石家庄村 距一坝渠首 约6 5 k m 通过汾河河道向一坝 二坝和三坝灌区供水 水库兴建于1 9 6 0 年 控制流域 面积5 2 6 8 k m 2 设计总库容7 0 亿1 t 1 3 兴利库容3 5 5 亿i n 3 死库容0 2 4 亿m 3 据1 9 9 0 年实测资料 水库泥沙已淤积3 3 亿m 3 自运行以来 平均年供水量3 5 亿m 3 b 引水工程现状 1 一坝渠首工程 位于太原市上兰村 该工程始建于明朝初期 为堆石壅水工程 后经1 9 5 0 年 1 9 5 3 年 1 9 7 0 年三次维修改建成目前规模 由鱼咀式引水浆砌石溢流坝和东 西干渠进水闸 冲沙闸组成 总设计引水能力2 8 m 3 s 控制灌溉受益面积3 0 8 7 万亩 同时还担负着向太 原钢铁公司和太原第一热电厂工业供水任务 2 二坝渠首工程 汾河二坝渠首引水枢纽工程位于清徐县长头村西 系一座低水头拦河引水闸坝工程 是汾西灌区 汾东灌区 墩化电灌站的渠首 灌溉太原市 晋中 吕梁地区的8 3 7 4 5 万 亩耕地 东西干渠现引水能力4 3 1 t 1 3 s 该工程始建于1 9 3 0 年 于1 9 6 7 年彻底改建成目 1 2 2 灌区概况 前规模 由拦河闸 土坝 东西干一号闸组成 设计流量1 6 0 0m 3 s 校核流量2 0 0 0m 3 s 3 三坝渠首工程 三坝渠首工程位于平遥县南良庄村南 是一座低水头拦河水闸坝工程 担负着平遥 介休 汾阳三县的3 4 9 3 5 万亩土地的灌溉用水任务 设计流量1 5 0 0m 3 s 校核流量2 0 0 0 m 3 s 三坝枢纽工程由拦河闸 土坝 原泄水闸 东四支渠首 西干渠首组成 c 灌溉渠系工程现状 汾河灌区现有四级固定渠道 即干 支 斗 农渠 全灌区共有各级灌溉渠道2 7 5 8 条 总长3 5 3 1 9 3 k m 已有渠系建筑物1 0 5 3 5 座 但由于多年运用和年久失修 现有建筑 物工程完好率较低 灌区干 支渠为续水灌溉 斗以下渠系为轮灌 d 井灌工程现状 全灌区有农用井2 4 3 2 眼 其中已配套1 7 3 5 眼 待配套6 9 7 眼 根据农业灌溉和人畜 饮水调查资料 已开采地下水6 4 9 5 万m 3 2 4 2 水资源开发利用程度分析 汾河灌区是一个严重缺水地区 目前灌溉水利用系数仅为0 4 8 通过做好渠系防渗和 老化工程的配套 减小水量损失 提高水的利用效率 可使灌区用水紧张形势得到改善 2 5 灌区土地利用现状 汾河灌区总土地面积2 0 5 5 5 万亩 设计灌溉面积1 4 9 5 5 万亩 其中自流灌溉面积 1 3 1 8 1 万亩 扬水灌溉面积1 3 4 0 6 万亩 由于灌区田面工程配套较差 中低产田面积占 绝大部分 田间节水灌溉面积仅3 1 2 5 万亩 且绝大部分为渠井双灌 据统计 汾河灌区 19 7 9 19 8 8 年十年平均灌溉面积为1 2 0 4 3 万亩 达不到原设计要求 2 0 世纪8 0 年代末 9 0 年代期间 灌区先后对部分建筑物和田面工程进行了配套改建 使得灌溉面积有所改 盖 口0 汾河灌区土壤盐渍化情况比较普遍 盐渍化面积占总灌溉面积近1 5 约1 0 万亩 占灌区灌溉面积的6 7 其中轻度盐化面积7 4 8 万亩 占盐渍化土壤7 4 8 中度 重度 盐化面积2 5 2 万亩 占盐渍化土壤的2 5 2 主要分布在二坝汾西灌区及三坝灌区 随 着区域地下水埋深的不断下降 灌区内盐碱危害大大减轻 盐碱地面积零星分布在三坝灌 区的少数地区 2 6 灌区存在的主要问题 1 灌溉水量不足 目前全灌区年平均毛引用水量3 5 亿m 3 灌水次数平均仅为1 6 次 毛灌溉定额仅为 2 3 4m 3 亩 不能满足作物需水要求 加之一坝至二坝之间年径流量逐年减少 据统计 西安理工大学硕士学位论文 平均每年减少8 0 0 万m 3 汾河水库淤积逐年增加 有效库容平均每年减少1 4 0 0 万m 3 供水能力不断减少 再加上工业用水剧增 造成灌溉用水日益紧张 2 建筑物年久失修 工程老化 汾河灌区大部分建筑物是上世纪五 六十年代修建的 工程老化 设备落后 管理不 便 渠道及建筑物已运行5 0 余年 工程老化 破损 毁坏严重 截止1 9 9 8 年 全灌区骨 干建筑物完好率仅为3 5 3 灌水有效利用程度低 用水浪费严重 据实测资料分析 全灌区渠系有效利用系数为o 6 1 灌溉水有效利用系数仅为o 4 8 若计入汾河河道输水损失 库水的有效利用系数仅为0 2 7 1 损失三分之二的可供水量 主要原因是河道输水渗漏量大 干支渠防渗衬砌只有1 2 3 8 k m 其余的干支渠和斗农渠均 无防渗 在已防渗的干支渠中 已有5 8 k m 防渗损坏 不能发挥其防渗作用 加上渠系建 筑物不配套 灌水方法落后 9 5 土地仍用传统的地面灌溉技术 田间工程差 用水浪费 严重 1 4 3 汾河灌区需水量预测和供需水量平衡分析 3 汾河灌区需水量预测和供需水量平衡分析 本章分别用定额法和b p 神经网络法对灌区需水量进行预测 通过对这两种预测方法 结果的分析 得出了山西省汾河灌区规划水平年的需水量 3 1 代表年及水平年的选取 汾河灌区供水主要是汾河流域的地表径流 当地表径流供给不足时 汾河水库予以补 充 汾河水库为多年调节水库 采用年径流系列选择代表年 代表年采用平水年 保证率 p 5 0 枯水年 p 7 5 和特枯年 p 9 5 三种年型 本文选取2 0 0 8 年为现状水平年 2 0 1 5 年为近期规划水平年 2 0 2 5 年为远期规划水平年 3 2 需水预测原则 1 供水与灌区社会经济发展相适应的原则 社会经济的发展需要足够的水源 水 的有效供给又保障和促进着社会经济发展 需水预测必须依据灌区国民经济发展各项指 标 全面考虑社会各方面的用水需求 综合分析 合理预测 2 推行科学用水 节约用水的原则 需水预测要充分考虑科技进步 各用水部门 采用先进的用水技术 用水工艺 更新用水设备 提高水的有效利用率和重复利用率等因 素 合理确定各用水部门的用水定额 3 保证重点 统筹兼顾的原则 需水预测应首先考虑满足城乡居民生活用水 统 筹兼顾农业 工业用水和生态等其它用水需求 在水资源不足地区 适当限制城市规模和 耗水量大的工业 农业的发展 4 不同分区 不同行业区别对待的原则 农田灌溉需水量以三种代表年进行需水 量计算 工业需水按不同类别的综合平均万元产值用水量进行预测 5 可持续发展原则 水的需求必须与灌区水资源条件相适应 必须考虑水资源的 承载能力 服从生态环境目标 考虑生态环境改善用水 保障水资源的可持续利用 以支 持经济社会的可持续发展 3 3 灌区需水量预测方法 由于水资源系统的复杂性 影响因素的不确定性 目前灌区需水量预测常用的方法主 要有 定额法 多元线性回归法 用水时间序列法 灰色预测法 人工神经网络法等方法 珀 多元线性回归法是一种统计方法 不仅能用于预测 还能解释各变量之间的关系 但 是 由于影响因素复杂性和不确定性