灌排新技术常见问题解答5.docx

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灌排新技术常见问题解答5

灌溉排水新技术

百问百答

（第五期）

第4章灌区水资源优化管理

本章主要介绍灌区水资源优化管理的方法与技术，重点讲述了灌区水资源优化决策及地面水与地下水联合运行系统优化调度的数学模型。

44、什么是灌溉水资源优化管理？

灌溉水资源优化管理包括哪些内容？

灌区水资源优化管理是指在灌溉水源比较紧缺的地区，采用系统优化方法，合理利用灌溉水源，提高灌溉水资源的经济效益，提高灌区的总体产量。

灌区水资源优化管理包括两方面的内容：

①灌溉水量在空间上的合理分配，即在同一大型灌区内各个分灌区全年用水量分别分配多少。

各分灌区灌溉水量的分配，应以全灌区总体经济效益最高为准则，同时兼顾各分灌区经济效益。

②灌溉水量在时程上的合理分配，即根据各种不同来水过程，考虑灌区土质、气候特点和农作物布局等条件在时程上进行优化配水，使有限的灌溉水源获得最大的经济效益。

45、在进行灌区水资源优化配置时应遵循哪些原则？

在进行水资源优化管理配置时，应遵循以下原则：

（1）可承载原则可持续发展首先要求不允许破坏地球上生命支撑系统（如空气、水、土壤等），即处在可承载的最大限度之内，以保证人类福利水平至少处在可生存状态。

（2）综合效益最大原则可持续发展鼓励经济增长，但它不仅重视增长数量，更追求改善质量。

它以保护自然环境为基础，以改善和提高生活质量为目标，与资源、环境的承载能力相协调，追求经济效益、社会效益、环境效益的综合效益最大。

（3）可持续性原则通过水资源配置，以维持自然生态系统的更新能力和持续利用。

实现水资源可持续利用，不仅考虑到当代人，而且顾及到后代人，体现可持续原则。

（4）水资源利用和水患防治相结合原则在配置水资源的同时，也要注意与历史、现在和将来出现的水患治理相结合。

在实际确定水资源规划方案时，既要考虑水资源的分配需要，也要兼顾可能的水患防治需要。

（5）水资源利用和水资源保护相结合原则在面向可持续发展的水资源优化配置过程中，实际上已经考虑到水资源的保护问题，这里需要强调的是：

在制定水资源配置方案时应尽可能将废污水的排放减小到最低程度，以保持在水资源承载能力允许范围内。

（6）开源与节流并重原则这里主要针对：

在建立水资源优化模型时，要兼顾考虑“开源”途径和“节流”途径。

“开源”和“节流”是解决水资源需求的两条基本途径。

过去，人们对“开源”比较重视，常常靠兴修水利工程和设施，开发新水源，来增加水源的供水能力。

但是，在水资源相对贫乏、水资源利用率已很高的地区，增大水源供水能力已没有多大潜力，特别是在供水能力已经超过水资源可承载能力的地区，“开源”已经不可能。

这时，主要靠节水技术方法，实施节水措施，提高人们节水意识，建立节水型社会。

46、灌区用水量计算时，应包括哪些内容？

灌区用水是指工农业、城镇生活及其他部门的具体用水要求。

农业用水包括农业、林业、牧业、渔业、农村人畜生活饮用水及不纳入城市工业产值部分的乡镇企业。

农业灌溉用水计算步骤大致如下：

（1）估算灌区净灌溉用水量

（2）确定渠系水利用系数（3）计算地下水净灌溉水量（4）计算灌区需用地表水毛水量（5）计算灌区总毛用水量。

林业用水主要指苗圃育苗及果树灌溉用水。

根据苗圃、果树的面积和灌溉定额估算用水量。

农村畜牧业用水主要指大小牲畜和家禽的用水。

根据牲畜或家禽的头数和用水定额估算用水量。

渔业用水系指坑塘养鱼的水面蒸发和渗漏所消耗水量的补充值，其计算式为Wfh＝ω（αE－P＋S），式中：

Wfh为渔业用水量；ω为养殖水面面积；E为蒸发器所测的水面蒸发量；α为蒸发器折算系数；P为年降水量；S为年渗漏量。

渔业用水量也可用调查补水定额与养殖水面面积的乘积进行估算。

乡镇企业用水量指产值不列入城市工业产值内的乡镇企业用水量的，估算可通过典型调查进行，计算时可参考《中国农村给水工程设计水册》中的乡镇企业用水量标准。

对于这部分用水量的发展预测，可参考工业用水产值法或趋势法进行。

农村居民生活用水量的估算应根据典型调查，按不同类别居民的人均用水标准进行估算，估算公式为：

Win＝∑nimi，式中：

Wni为农村居民生活用水；ni为某种用水标准的人数；mi为某种用水标准。

47、灌区可利用水资源有哪些类型？

如何确定？

灌区可利用水资源系指通过工程措施具有一定保证率的可利用水的水量。

包括地表水资源可利用量和地下水可利用量。

（1）地表水资源可利用水量

广义的地表水资源是指存在于地球表面不同形态的水体总量，包括河流水、湖泊水、冰川水、沼泽水和海洋水等。

狭义的地表水资源是指从大气降落下来的水，扣除陆面、水域、植物等的蒸散发以及补给层地下水后的地表产水量。

当区域内蓄、引、提水量较大，即水利化程度较高时，可以根据工程的类别和大小采用分类、分级分析法计算可利用水量。

①蓄水工程可供水量

蓄水工程包括大、中、小型水库及塘坝工程。

大、中型水库和重点水库，一般都有实测资料。

实测放水系列能反映水库下游的需水量，因此在推算这类工程的可利用地表水资源时，应根据水库入库水量进行水库径流调节，确定不同保证率的可供水量。

推求多年调节水库的调节水量，可根据资料分别采用时历法和数理统计法。

求得水库可供水量以后，再按灌溉用水过程确定可供水量的月分配。

对小型水库及塘坝工程，缺少实测资料时，一般采用“复蓄指数”法来估算可利用地表水资源量。

“复蓄指数”是水库每年放水量与水库库容的比值。

可根据调查确定。

对丰、平、枯水不同代表年分别调查小型水库及塘坝的有效容积和复蓄指数n，进而求得不同代表年的塘坝可供水量，即W＝nV（V为有效库容）。

②引水工程可供水量

引水工程可供水量系指通过引水工程直接从江河、湖泊中自流引用的水量。

一般大型引水工程的引水口都有实测引水记录，无引水纪录时，可根据下游用水资料反推引水量，或根据引水工程的设计过水能力估算引水量。

③提水工程可供水量

提水工程可供水量则指通过动力机械设备提取的水量。

用提水工程的保灌面积，乘以综合毛定额，得其利用量。

如提水工程在水库放水渠道上，在计算水库可利用水量时，就不要计入提水工程内，以避免重复计算。

通过以上计算，最后按水资源分区，提出各流域（片）、各市、县、区和分区的各种保证率的可利用地表水资源量，供水资源规划使用。

（2）地下水可利用水量

地下水的用水部门一般包括农业、牧区草场、林业苗圃以及部分工业、城镇生活用水等。

在特定区域内，根据地下水的补给来源，通过对上述各部门地下水实际开采量的调查，分析不同地区单井出水量、井灌面积与定额、渠系有效利用系数等，进而确定地下水的可开采量和实际开采量。

在浅层地下水开发利用程度不高的地区，通常直接以农业、工业和生活用水量作为可供水量；而在地下水开发利用程度较高的地区，则需考虑补给量与用水量之间的平衡关系，计算有一定补给保证率的可开采量，以此作为该地区的地下水可供水量或可利用地下水量。

48、水库灌区优化决策数学模型的目标函数如何确定？

优化决策的数学模型主要由目标函数和约束方程两部分组成，目标函数有单目标与多目标、极大化与极小化以及物理量与经济量之分，选用哪类目标函数，则视决策问题的任务要求及其资料条件而定。

（1）以物理量来表达：

以灌区的灌溉面积最大或粮食产量最高为目标。

这种目标可用于灌溉工程的规划设计或水量调度的课题中，常常在灌溉来水量一定或灌溉库容一定情况下，寻求灌溉面积最大或粮食产量最高的方案，这种课题往往是确定性的。

（2）以经济量来表达：

用经济量作目标有较多优点，例如，不同计量单位可以通过货币转换为同一计量单位，于是用物理量表达的某些多目标课题，就能转化为单目标的课题。

可以把灌溉工程的投资、年运行费用、效益等联系在一起来考虑，使研究的问题更为全面和合理；也可以用动态经济分析的方法进行研究，把货币的时间价值考虑进去。

以经济量来表达的几种典型表达式如下：

1）以净效益现值最大为目标这种目标主要用于优化规划课题中。

2）以费用现值最小为目标当灌溉效益资料不足或效益是一个定值时，常采用费用现值最小作为择优准则。

如果水库灌区中还有电站、泵站等工程项目，则以这些项目的规模（或发电量、流量等）作为决策变量，写出其相应的效益、投资及运行费用的函数表达式，乘以现值因子后，综合到相应的目标函数式中即可。

此外，还可采用年运行费用最小和效益费用比最大等作为目标函数。

（3）多目标问题的目标函数对于多目标问题，其目标函数表示方式与单目标问题目标函数表达方式是类同的。

多个目标一般可用权重系数处理成单一目标，或把次要目标放入约束条件中，在目标函数中只体现一个主要目标。

前者称为权重法，后者称为约束法。

49、动态规划数学模型中有哪些变量？

如何选择？

动态规划数学模型主要包括阶段变量、状态变量和决策变量。

（1）阶段变量的选择表明研究课题在发展过程中所处的时间或空间的变量。

在灌溉管理运行课题中，常以时间作为阶段变量，一般可选择年、月或旬，在规划设计课题中，常可以空间概念来划分阶段，一般取工程类型如水库甲、水库乙、泵站甲、泵站乙作为阶段变量，也可以用分灌区1、分灌区2等作为阶段变量，此外也可以用灌区种植的作物类型作为阶段变量，如作物A、作物B、作物C等等。

（2）状态变量的选择在多阶段决策过程中，说明过程演变状况的变量就称为状态变量。

对于确定灌溉水库最优运行策略或灌溉水量分配的问题，一般可以选择水库水位、水库蓄水量或供给作物的有效水量等作为状态变量，在灌溉工程的规划设计课题中，可用泵站开机台数、闸门开启高度、水库水位等作为状态变量，并常以累计水量进行状态的转移。

（3）决策变量的选择从一状态演变到下一阶段状态的选择就称为决策，描述这个决策的变量就称为决策变量，在灌溉工程的系统分析中，一般常以流量或水量作为决策变量，在某些情况下，也可以进水闸尺寸、泵站装机等工程规模作为决策变量，因为它们都可以通过物理关系方程式转化为水量和流量。

50、地面水和地下水联合运用系统由哪几部分组成？

有何特点？

地面水与地下水联合运用系统的组成在不同地区不尽相同，但都包括以下各部分：

（1）地面水供水系统主要包括地面水源工程和地面水输配水渠道及建筑物等，其中地面水源工程可以是拦蓄调节地面水的河流水库，也可以是无调节措施的河流引水或扬水工程。

有些情况下还包括防洪、排沙等辅助工程。

（2）地下水供水系统主要包括地下水含水层（又称地下水库）和大量分散的管井建筑和抽水设备。

（3）灌区田间灌水系统该系统是将地面水或地下水输送分配到田间的灌溉沟渠及渠系上的建筑物和设备。

（4）灌区排水系统排泄暴雨径流或多余的引水量。

（5）其余组成部分如回灌地下水的设施等。

当灌区情况复杂，其不同部位的联合运用方式有较大差别时，一般需根据灌区的地形地貌、水文地质条件和地面水的供水特点，将其分成若干子区分别研究。

子区按其组成分三种类型，特点分别如下：

（1）井渠结合区这类子区既有地面水供水系统，也有井灌系统，供水比较可靠，但是工程投资大，年运行费用高。

有些井渠结合区采取井渠插花布局，井灌区既可利用本区的地下水，同时也可利用周围渠灌区的地下水（包括渠灌区的回归水）。

井渠结合不仅提高了灌区的供水保证程度，还能起到降低地下水位的作用，有利于除渍和防治次生盐碱化。

但是这种交叉布置的形式中，井灌和渠灌的投资及管理费用不同，井灌的土建费用小而机电维修费用大，渠灌则相反。

因此，在管理策略上要使井灌区和渠灌区的投资负担和管理费用相近，否则很难调度两种资源的合理使用，以至导致偏向其中一种水资源的开发。

（2）渠灌区这类子区一般没有适合于开发的地下含水层，其农业用水全部由地面水系统供水。

由于这类灌区的渗漏水量难于使用，故防渗是渠灌区节水的重要措施。

（3）井灌区也称纯井灌区，一般建设在地下水丰富或地面水引取十分困难的地方，是完全依靠地下水供水的灌区。

51、灌排系统模拟模型的运行规则如何？

在灌排系统的模拟研究中，运行规则是模拟模型的重要组成部分，引入运行规则正是模拟技术与数学规划的主要区别之一。

灌排系统模拟决策中的运行规则，略举如下几类：

水库运行规则即水库运行操作的基本依据，根据水库的蓄水状态、来水量以及用户用水要求，按照运行规则实施水库的放水和供水分配。

用水规则是指在不同水源状态下的用水次序和分配方式及原则。

减少供水时，需根据农业、工业、生活等用水量按规定的次序依次确定供水量。

用水区的划分，实际上包含了用水的优先次序，即首先为生活用水，其次为工业用水，最后为农业用水。

有时尚应对供水地区确定供水次序。

同一个用水部门也有分配规则，是同比例供水还是重点保证，也应在模型中予以规定。

地下水管理规程水文地质条件与农业生产、城镇建筑、社会环境等都有极其密切的关系，在开发利用地下水的地区，必须有效控制地下水的动态。

因此，对地下水位的最大和最小埋深必须有所限制，对深层地下水的开采量有所制约，同时对地面水和地下水的用水次序、用水比例等都应有所规定。

对地下水进行人工回灌的地方，还应在回灌时间和回灌地点的安排顺序方面做出规定。

社会和生态环境约束灌排工程可以改善发展农业的环境，同时也可能产生负面影响，这是必须防范的。

其防范措施反映在上述运行规则中去，其他社会约束也应体现在运行规则中。

对于确定灌排系统的运行策略研究，则常将运行的参数作为变量，通过不同参数组合的产出变化，研究最优运行规则。

同样，灌溉水的分配比例及优先供水次序等配水策略，也可以作为变量进行研究。

少数复杂的水资源模拟模型则将规划设计的决策和运行决策都作为变量进行研究。