灌区规划应用实例.ppt

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2.7应用实例应用实例一、一、灌区规模的最优规划灌区规模的最优规划实例实例2-1长江中游某支流上游，拟建年调节水库一座，多年平均来水量为21400万m3，可控制最大灌溉面积64万亩，根据地形、土壤、水资源状况等条件，灌区可划分为三部分，见图2-12。

北灌区：

位于灌区北部，属深丘区，地形起伏，土地分散，因地面高程较高，故必须从水库提水灌溉，土壤肥力较差，灌溉效益较低，为提高当地群众生活水平，北灌区开发面积应不小于9.5万亩。

中灌区：

属浅丘区，可自水库引水自流灌溉，土壤条件稍优于北灌区，以种植水稻、小麦为主，根据地形、水源状况分析，中灌区的开发面积至少应为16.8万亩。

南灌区：

地形起伏较小，南部平坦，港汊较多，进入平原圩区，作物以水稻、棉花为主，这里水资源条件比较优越，对于水库不能提灌的耕地，可从外河逐级提水解决干旱问题。

因此，南灌区的开发面积，可视水库水源状况确定。

E北灌区北灌区中灌区中灌区南灌区南灌区FACDBQ=42.5Q=28.0Q=8.0灌溉面积灌溉面积9.5年毛灌定额年毛灌定额=600月毛灌定额月毛灌定额=100年增产值年增产值=240配套投资配套投资=168.0运行费运行费=16.0灌溉面积灌溉面积？

年毛灌定额年毛灌定额=610月毛灌定额月毛灌定额=130年增产值年增产值=360配套投资配套投资=89.6运行费运行费=6.0灌溉面积灌溉面积16.8年毛灌定额年毛灌定额=600月毛灌定额月毛灌定额=100年增产值年增产值=300配套投资配套投资=89.6运行费运行费=6.0水库供水量水库供水量21400万万m3利用当地径流利用当地径流=1/3（总用水量）（总用水量）总灌溉面积总灌溉面积64万亩万亩水源工程投资水源工程投资=8000万元万元根据灌区规划资料,各段渠道的设计流量、各部分灌区的灌溉用水定额和灌溉增产值见表2-12和表2-13.灌区中,当地地面径流（包括塘堰及小型水利设施）的供水能力为总用水量的1/3.根据相似灌区历年产量资料和调查资料分析,灌区效益分摊系数为0.4.表表2-12渠道设计流量渠道设计流量渠道名称ABBCEF设计流量（m3/s）42.528.08.0按照概算编制办法计算得水库及渠首工程的净投资为8000万元,灌区配套工程及田间工程的投资,以相似地区的扩大指标进行估算,北灌区的投资为168.0元/亩（包括泵站、渠道、配套工程和田间工程等）,中、南灌区的投资为89.6元/亩,全部建设资金于建设的第一年投入,工程一年建成,次年即可投入运用.根据类似灌区资料分析,北灌区的年管理和运行费用为16元/亩,中、南灌区的管理和维修费用为6元/亩,以折算率为12%、分析期为40a计算,问如何开发北中南三部分的灌溉面积,使工程投产年初的净效益现值为最大.解:

1.建立数学模型设该水库开发北、中、南三灌区的灌溉面积分别为x1、x2、x3万亩时,基准年的净效益现值为最大.

（1）目标函数.根据三灌区的投资、运行费用及兴修水利工程后的增产效益来建立目标函数.1）基准年的确定.按题意,以建设年初为基准年.2）资金流程图.以效益或费用为纵坐标（箭头向上表示效益,箭头向下表示费用）,以年份序号为横坐标,画出效益费用的资金流量图如图2-13.3）.建立目标函数：

以折算率为12%，灌溉效益分摊系数为0.4，分析期为40a，以净效益现值最大为目标建立目标函数为:

0123440上式中,i=12%,n=39,化简后得目标函数为:

maxZ=438.09x1+758.04x2+934.46x3-7143.2

（2）约束条件1）、灌溉面积约束：

根据题意,北灌区的开发面积应不小于9.5万亩,中灌区的开发面积至少应为16.8万亩,全灌区最大灌溉面积为64万亩,于是建立约束条件为：

x19.5x216.8x1+x2+x3642）水库供水量约束：

水库年来水量为21400万亩m3,北、中、南三灌区的多年平均灌溉毛定额分别为600、600、610m3/亩,塘堰及小型水利设施的供水能力为灌区总用水量的1/3,于是:

2/3（600x1+600x2+610x3）214003）渠道输水能力约束：

根据用水高峰月（7月份）的灌溉用水量及渠道的输水能力,建立渠道输水能力的约束为：

100x18318.64=2143（x121.43）100x2+130x342.5318.64=11383（x1+x2+1.3x3135）130x328318.64=7499（x357.69）4）非负约束.所有决策变量均为非负实数,即x10x20x30对约束方程组进行分析可知，水库供水约束整理后为x1+x2+1.02x353.5，一定可以满足灌溉面积的第三个约束x1+x2+x364，对上述数学模型进行化简和整理后，可得目标函数maxZ=438.09x1+758.04x2+934.46x3-7143.2约束条件x19.5x216.8x1+x2+1.02x353.5x121.43x1,x2,x302.求解根据解算结果,当折算率为12%,分析期为40年时,北灌区设计灌溉面积应为9.5万亩,中灌区设计灌溉面积应为16.8万亩、南灌区设计灌溉面积应为26.67万亩。

基准年的最大净效益现值为34675.78万元。

实例实例2-2.长江中游某圩垸（图2-14）由于汛期（59月）外江水位高于垸内田面高程,除少数年份江水短期回落有可能自排外,一般均需利用垸内湖泊、河网滞蓄和泵站抽排.该地区排水面积、原有水利设施、规划标准及有关经济指标见表2-16.要求在规定的10年一遇三日暴雨排完得除涝标准下，确定该圩垸的最优湖泊水面率x1、河网水面率x2和相应排涝装机容量x3，以使工程总费用为最小.土地和耕地面积圩垸总面积43.4km2土地利用系数0.7水田占圩垸总耕地面积的比值0.5农副业生产情况粮食单产（稻谷）500kg/亩粮食单价0.3元/kg粮食生产成本以粮食产值的50%计湖泊鲜鱼单产50kg/亩鲜鱼单价0.8元/kg养鱼成本以鲜鱼产值的50%计现有水利设施现有水面率12.6%其中湖泊水面率3.8%河网水面率8.8%湖泊滞涝有效水深为0.8m河网滞涝有效水深为0.8m现有抽排装机容量2020kw相应抽排流量22.6m3/s相应抽排设计扬程7m左右平均湖堤长度为7500m/km2排涝输水必须的河网水面率为3%圩垸允许最大湖泊水面率为15%圩垸允许最小或水面率为2%抽排装机容量多年平均电费2元/kw规划标准及现有经济指标除涝标准10年一遇三日暴雨三日排完设计降雨量为235mm设计排水历时为3d水田允许滞涝水深为50mm降雨期三天的蒸发量为10mm湖泊滞涝工程有效使用年限为50a贴现率6%围湖土堤长度单价3元/m土堤年运行费用以土堤投资的4%计抽排装机投资800元/kw抽排站有效使用年限为25a抽排站年费用以投资的10%计圩垸耕地农田基本建设投资100元/亩圩垸耕地农田基本建设年运行费用以投资的10%计解:

1.建立数学模型

（1）目标函数。

这一问题的目标函数可写为式中：

C1单位面积湖面的全部支出现值，元/km2；C2单位面积河网的全部支出现值，元/km2；C3单位千瓦抽排装机全部支出现值，元/kw；F圩垸总面积43.4km2；x2专门用于排涝输水的河网水面率1）C1的计算:

C1=C1a+C1b-C1c-C1d式中C1单位面积湖面的全部支出现值，元/km2C1a湖面多年农业产值损失现值，元/km2C1b湖泊修筑围堤的成本现值，元/km2C1c农田基本建设成本现值，元/km2C1d湖面多年养殖收入现值，元/km2其中C1a=A1lyPr（1-r）（P/A，I，n）C1b=LaCl+Ca（P/A，I，n）C1c=A1lCc+Cf（P/A，I，n）C1d=A1FfPf（1-f）（P/A，I，n）式中:

A1平方公里的亩数；l土地利用系数；y单位耕地面积粮食（稻谷）产量，kg/亩；Pr1980年粮食（稻谷）的单价，元/r粮食（稻谷）生产成本占其产值的百分数；La湖泊的围堤长度，m/km2Cl围湖土堤的单位长度造价，元/mCa围湖土堤的年运行费用，元/mCc圩垸农田基本建设投资，元/亩Cf圩垸农田基本建设的管理和运行费用，元/亩Ff湖泊鲜鱼单产，kg/亩Pf鲜鱼单价,元/kgf养鱼成本占鲜鱼产值的百分数；（P/A,I,n）等额年金计算现值时的复利系数。

根据给出的资料数据，代入上述公式中，则:

C1a=15000.75000.3（1-0.5）=124.11（万元/km2）C1b=75003+750034%=3.67（万元/km2）C1c=15000.7100+15000.710010%=27.05（万元/km2）C1d=1500500.8（1-0.5）=47.28（万元/km2）C1=C1a+C1b-C1c-C1d=124.11+3.67-27.05-47.28=53.45（万元/km2）2）C2的计算:

C2=C1a-C1c+C2aC2a=C2k+C2c式中C2开挖单位面积河网的全部支出现值，元/km2C2a开挖单位面积河网的成本现值，元/km2C2k开挖河网的投资现值，元/km2C2c河网系年运行管理费用现值，元/km2根据经验统计，河网提供的滞涝容积，大约需要开挖的土方；而每平方公里河网水面可提供滞涝容积为：

，故相应需开挖土方，如开挖每土方单价为元，则开挖河网投资为元。

所以开挖河网的成本现值C2a为：

C2a=80+804%=130.43（万元/km2）故C2=C1a-C1c+C2a=227.50（万元/km2）1）C3的计算c3=c3a+c3b+c3c+c3d式中C3单位千瓦抽排装机全部支出现值，元/KW;C3a单位千瓦抽排装机的投资，元/KW;C3b抽排站每千瓦更新费，元/KW;C3c单位千瓦装机多年管理运行费用现值，元/KW;C3d单位千瓦装机多年运行电费现值，元/KW.把数据代入上述公式中，则c3=0.23万元/kw将以上确定的各项参数值和有关的给定值代入目标函数方程式，经整理得目标函数minZ=23.2x1+98.7（x2-x2）+0.23x32）约束方程1）水量平衡约束。

这一约束即相应于规划水面率为和的湖泊、河网滞蓄容积，以及装机容量为的泵站在设计排涝历时内的抽排水量之和，应等于设计频率降雨所形成的径流量，即H湖Fx1+H河Fx2+Tx3/104=W式中H湖、H河湖泊和河网滞涝有效水深，取0.8m；T设计排涝历时，d；单位装机容量每天抽排的水量，886m3/（KWd）W设计频率降雨产生的总径流量，104m3。

W=0.1F（P-E）-田h田=0.143.3（235-10）-0.550=868104（m3）2）最小河网水面率约束。

规划的河网水面率应大于圩垸排涝输水所必需的河网水面率x2x2/式中x2/专门用于排涝输水的河网水面率，可按经验确定，长江中游湖区可取2%3%。

故x233）最小抽排装机约束。

湖区设计暴雨，在汛期往往前后两次相继出现，为了保证湖泊、河网能滞蓄第二次暴雨径流，因此必须足够的抽排装机容量使滞蓄于湖泊、河网中的第一次暴雨径流在第二次暴雨到来之前抽排出去，即x3x39804）最大湖泊水面率约束。

南方平原圩区，一般地少人多，为了保证必要的农田面积，所规划的湖泊水面率x1应该有一定的限度，不应大于允许的最大湖泊水面率x1/，即x1x1/式中x1/允许的最大湖泊水面率，一般取10%15%.取x1155）最小湖泊水面率约束。

有时为了满足湖区养鱼、供水等多种经营和综合利用的要求，所规划的湖泊水面率x1应不小于最小湖泊水面率x1/,，即:

x1x1/式中x1/最小湖泊水面率，按该圩区具体情况，确定为2%.x12把上述目标函数和约束条件写在一起，则其数学模型可完整写出如下：

目标函数minZ=23.2x1+98.7x2+0.23x3-98.7x/2约束条件34.72x1+34.72x2+0.27x3=868x23x3980x115x12x1,x2,x302求解:

x1=14.45x2=3x3=980minZ=560.4第二阶段：

以原规划的约束条件及目标函数为数学模型，并把表2-16中