基于规则的花凉亭灌区水资源优化配置

袁 媛

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司,安徽 合肥 230000）

0 引言

由于区域年内降雨时空分配不均,灌区内的农作物对于灌溉具有很强的需求,大型灌区在我国粮食生产中具有极其重要的地位,是我国粮食生产量保持稳定的基础[1-3]。随着灌区经济社会现代化进程的加快和经济结构转型升级,水资源短缺、利用率低、配置不合理等问题已经成为制约灌区发展的重要因素[4]。

灌区水资源配置是指在灌区范围内,通过实施调整种植模式、提高灌溉水利用系数等工程与非工程措施,对灌区内不同形式的水资源进行优化配置,以实现水资源的供需平衡与优化配置,保证灌区可持续发展[5-6]。本文从需水和用水两方面进行灌区水资源供需平衡分析,合理配置灌区供水与用水,提高灌区灌溉保证率,实现灌区的可持续发展[7]。

1 研究区域概况

花凉亭灌区位于安徽省安庆市、花凉亭水库下游,皖河流域长河右岸和华阳河流域（安徽部分）北部,东至望江县宝塔河、武昌湖、青草湖,南至华阳河流域的大官湖、黄湖、泊湖,西至宿松县孚玉镇, 北至长河。灌区设计总灌溉面积105.83 万亩,现状有效灌溉面积71.76 万亩,灌区现状包括总干渠1 条、分干渠4 条。灌区共分为太湖、宿松、望江、怀宁4 个分灌区[8]。灌区降水年际变化大,多年平均降水量1369 mm,年内主要集中在5 月～10 月、约占全年的64%。多年平均蒸发量1055 mm（80 cm 口径蒸发皿）,各月蒸发量差异较大,灌溉期5 月～10 月的多年平均蒸发量为735.1 mm,占全年蒸发量的69%。

2 数据来源

本文采用的数据主要包括1965 年～2020 年花凉亭灌区降水量、蒸发量和花凉亭水库来水量,灌区1965 年～2020 年渠首引水和灌溉供水量,2018 年～2020 年安庆市水资源公报,2018 年～2020 年太湖县、宿松县、望江县、怀宁县统计年鉴数据。其中降水量数据来自于安徽省水文局,水库来水量数据来自于花凉亭水库管理处,灌区引水及供水量数据来自花凉亭灌区管理处,水资源公报来源于安庆市水利局,统计年鉴分别来源于各县统计局,数据真实可靠。

3 水资源配置模型

3.1 系统概化

系统概化是指将具有共同属性的不同系统实体归纳为以各类参数表达的概念性元素,并建立框架描述各类元素内部和相互之间水量运移转换的物理过程[9]。本文结合花凉亭灌区行政边界、供水水源等情况,以各受水区作为基本计算单元,对花凉亭灌区的供水与用水现状模式进行整理、概化,得到花凉亭灌区供用水系统的概化图。其中花凉亭灌区水资源系统概化为5 个计算单元,需水部门划分为城镇用水（含城镇生态用水）、工业及三产用水、农村生活用水、农业灌溉用水4 类,供水水源分为塘坝供水、水库供水2 类。

3.2 水资源配置原则

水资源配置规则主要包括供水规则和用水规则两个方面。供水规则是模拟将各类水源通过不同工程的调蓄传输分配给各个用户的过程,用水规则是确保用水的合理性以及公平性,主要包括用户优先性原则和水源利用优先序原则[10]。

3.2.1 水库供水规则

花凉亭水库是灌区供水的主要来源,水库设计正常蓄水位88.0 m,汛限水位85.5 m,死水位74.0 m。根据花凉亭水库调度规程,水库灌溉、发电的原则是灌溉为主、发电为辅,灌溉用水期,灌溉结合发电；非灌溉期,根据库水位和来水情况,发电结合下游生态用水需求；保证重点,照顾全局,注重节约用水,尽可能调度发电用水用于灌溉,充分发挥水库调度综合利用效益。因此,当水库水位高于88.0 m（非灌溉期）或85.5 m（灌溉期）时,上游来水尽量通过发电下泄,直至水库水位降至此水位；当水库水位在88.0 m（85.5 m）和死水位74.0 m 之间时,根据下游缺水过程和生态水量要求发电。

3.2.2 塘坝供水规则

灌区内塘坝众多,可充分利用当地径流,对缓解灌溉高峰期输水压力有重要作用。塘坝来水包括旱荒地径流、水田排水、塘面来水三个部分。旱荒地径流通过灌区内降水量,采用降雨径流关系推求而得。旱荒地径流无法全部进入塘坝,其有效集水系数为0.8。稻田排水主要包括分蘖后期的烤田排水、黄熟期落干排水和雨量较大时的多余雨水。稻田排水进入塘坝的有效集水系数约为0.7。塘面来水由降雨、蒸发和渗漏计算。

3.2.3 用水规则

用户规则主要指优先满足灌区内生活需水,其次为工业用水,最后为农业灌溉用水；为保证粮食安全,最低农业用水优先级高于工业的用水需求。水源利用优先序原则是指优先配置可再利用的污水,河网供水应优先于水库供水利用。

3.3 系列年配置

根据花凉亭灌区实际供用水情况, 本文采用系列年配置的方法, 水库来水量根据花凉亭水库1965 年～2020 年共56 年的各月平均入库流量进行计算,基准年2020 年的需水量根据近三年的统计年鉴和水资源公报进行计算,规划年2025 年的需水量则是根据基准年的社会经济规模以及相关经济、农业发展政策进行推算。通过56 年的长系列供需平衡调算,对灌区水资源进行优化配置。

4 水资源配置结果与分析

本文根据构建的花凉亭灌区水资源配置模型,对灌区的用水、供水进行了长系列供需平衡调算,对各水平年不同水文情景下灌区水资源进行配置。

4.1 序列年水资源配置

根据计算的1965 年～2020 年序列年需水量对规划年灌区水资源进行配置,见图2。配置结果显示,规划年2025 年的56 年中有55 年水资源供需实现平衡,1 年有缺水,均为农业灌溉用水,缺水率42.8%,见图2。

图2 规划年1965 年～2020 年水资源供需配置情况

图3 基准年水资源配置方案

图4 规划年水资源配置方案

4.2 不同水平年水资源配置

4.2.1 基准年水资源配置方案

灌区基准年不同水文情景下水资源配置方案见表1,从配置结果可以看出,50%、75%保证率下灌区水量均能满足要求,90%保证率下灌区缺水2947.4 万m3,缺水率3.4%,均为农业灌溉缺水；当遭遇连续干旱时,花凉亭水库供水能力下降,灌区尾端的望江南、北分灌区缺水量最大。

表1 基准年水资源供需配置结果 单位：万m3

4.2.2 规划年水资源配置方案

灌区基准年不同水文情景下水资源配置方案见表2,从配置结果可以看出,2025 年随着灌区灌溉面积的增加,农业灌溉用水大量增加,占总需水量的59%。通过实施节水灌溉、提高水资源利用效率,并对水资源进行合理配置,50%、75%、90%保证率下灌区水量均能满足要求,灌区灌溉保证率满足90%。

表2 规划年水资源供需配置结果 单位：万m3

5 结语

本文以2020 年为基准年、2025 年为规划年,建立了花凉亭灌区水资源配置模型,通过1965 年～2020 年长系列供需平衡调算,对不同水文情景下灌区水资源进行配置,得到结论如下：

1）灌区基准年50%、75%保证率下不缺水,可实现水资源供需平衡,但90%保证率下灌区农业灌溉缺水较为严重。

2）通过实施节水灌溉、提高水资源利用效率,并对水资源进行合理配置,灌区规划年50%、75%、90%保证率下均不缺水,可实现水资源供需平衡,年均节水量4200 万m3,为灌区的可持续发展提供保障。

3）花凉亭水库水资源丰富,通过水库运行调度、优化水资源配置,其供水量可满足花凉亭水库灌区远期建设发展需求。