王 昕，李慧麗，王 薇，朱 軍

(山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南250013)

大型灌區(qū)事關(guān)糧食安全、飲水安全和生態(tài)安全，是我國糧食生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)規(guī)?；?jīng)營的重要基地。山東省53個(gè)大型灌區(qū)，糧食產(chǎn)能占全省的53%，是山東省農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)增長的重要支撐，同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

山東省地處黃河最下游，當(dāng)?shù)厮Y源嚴(yán)重短缺，人均和畝均水資源占有量僅為全國平均占有量的1/6左右。黃河流經(jīng)山東省9個(gè)市(地)、25個(gè)縣(區(qū))，是山東省主要的客水資源。山東省53處大型灌區(qū)中30處屬于引黃灌區(qū)，沿黃現(xiàn)有引黃閘63座，設(shè)計(jì)引水能力2 424 m3/s，設(shè)計(jì)灌溉面積2 505萬 hm2，由于黃河水資源供不應(yīng)求，現(xiàn)有效灌溉面積僅為1 938萬 hm2，約占全省總有效灌溉面積的40%。引黃灌區(qū)承擔(dān)沿黃地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活供水任務(wù)，已經(jīng)成為沿黃地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)的生命線。長期以來，引黃灌區(qū)普遍存在工程設(shè)備老化、管理粗放、技術(shù)落后等問題，造成水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，用水效率較低，有必要對引黃灌區(qū)現(xiàn)代化技術(shù)集成并示范推廣，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)向現(xiàn)代水利和可持續(xù)發(fā)展水利的轉(zhuǎn)變。

1 示范灌區(qū)基本情況及存在問題

1.1 小開河引黃灌區(qū)基本情況

小開河引黃灌區(qū)地處山東省北部，黃河下游左岸，黃河三角洲腹地，縱貫濱州市中部。灌區(qū)自1993年開工建設(shè)，于1998年建成運(yùn)行，涉及濱州市的濱城區(qū)、開發(fā)區(qū)、惠民縣、陽信縣、沾化縣、無棣縣6個(gè)縣(區(qū))，土地面積224.73萬畝，設(shè)計(jì)灌溉面積110萬畝。灌區(qū)干渠全長94.15 km，建成輸沙渠及襯砌51.3 km，沉沙池4.16 km，輸水渠38.69 km(其中襯砌24.4 km);支渠84條，配套建筑物163座，沿渠共有支渠進(jìn)水閘44座，口門40座，灌區(qū)干支渠配套建筑物完善，為實(shí)施信息化測水量水技術(shù)提供了必要的建設(shè)基礎(chǔ)。由于小開河壩后村莊密集，無沉沙條件，而灌區(qū)下游無棣境內(nèi)有可供沉沙的大量鹽堿荒地，因此沉沙池設(shè)在灌區(qū)的中下游，為水沙遠(yuǎn)距離調(diào)控技術(shù)及水資源優(yōu)化配置研究創(chuàng)造條件。

1.2 灌區(qū)存在的問題

1.2.1 水資源供需矛盾突出，過度依賴引黃水，造成泥沙淤積、環(huán)境退化等問題

小開河灌區(qū)自建成以來年均引水近2.0億m3，占灌區(qū)總用水量的85%以上，灌區(qū)對引黃水的依賴程度高。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，小開河灌區(qū)的水資源將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。首先，黃河水資源本身比較緊張，沿黃各地對黃河水資源的需求量都呈上升趨勢。其次，本地地下水資源匱乏，灌區(qū)上游處于魯北淡咸區(qū)，而下游處于魯北濱海區(qū)，面臨著地下水超采以及由此帶來的咸水入侵等問題，地下水環(huán)境非常脆弱。第三，黃河下游含沙量大，長期引水帶來的泥沙淤積，降低了工程使用壽命，泥沙的堆積也造成了灌區(qū)土地沙化、生態(tài)環(huán)境惡化等環(huán)境問題。

1.2.2 工程逐漸老化，末級渠系建設(shè)滯后、不配套

小開河引黃灌區(qū)自建成以來已運(yùn)行10多年，存在工程老化、失修、有效灌溉面積衰減等問題，灌區(qū)突出問題是與骨干工程配套的末級渠系建設(shè)較為滯后，大部分灌區(qū)農(nóng)民灌溉方式是以戶為單位，采用移動(dòng)泵提水灌溉，灌溉周期長，灌溉水利用效率低，導(dǎo)致整個(gè)灌區(qū)灌溉效益不高。

1.2.3 鹽堿地分布廣泛，容易引發(fā)次生鹽堿災(zāi)害造成生態(tài)環(huán)境惡化

灌區(qū)地處黃河三角洲，地理位置、形成原因及氣候條件造成鹽堿地在灌區(qū)廣泛分布。小開河灌區(qū)建成以后，大水漫灌使各類鹽堿土壤的面積有了大幅度的下降，但是灌區(qū)土壤中的鹽分并沒有大量排出灌區(qū)外，只是進(jìn)行了土體剖面或區(qū)域間的再分配，一旦用水不科學(xué)、排水不暢，造成地下水位升高，土壤次生鹽堿化很容易發(fā)生。

1.2.4 灌區(qū)信息化建設(shè)缺少統(tǒng)一規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)，缺乏資金支持

小開河灌區(qū)結(jié)合續(xù)建配套節(jié)水改造項(xiàng)目的實(shí)施開展了信息化建設(shè)工作，但總體來講，灌區(qū)信息采集點(diǎn)少，無法對用水戶的用水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;觀測手段也相對落后，大部分仍是采用簡單的、經(jīng)驗(yàn)的方法進(jìn)行觀測，測量精度較低;信息傳輸手段比較單一，時(shí)效性差，難以滿足實(shí)時(shí)調(diào)水的需求;重硬件、輕軟件，不但使得硬件不能充分發(fā)揮效力;灌區(qū)管理人員技術(shù)水平低，使得建成的信息系統(tǒng)使用難、管理維護(hù)更難，無法充分發(fā)揮已建系統(tǒng)的作用。

2 引黃灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)技術(shù)集成

針對灌區(qū)存在問題，從水資源可持續(xù)開發(fā)利用為出發(fā)點(diǎn)，以灌排工程技術(shù)為保證，灌區(qū)信息的自動(dòng)(人工)采集為基礎(chǔ)，三維虛擬技術(shù)為支撐，結(jié)合灌區(qū)水量計(jì)量、工程監(jiān)控、水資源配置等具體需求，集成多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置、灌排系統(tǒng)工程技術(shù)和信息化綜合管理等三方面現(xiàn)代化建設(shè)先進(jìn)技術(shù)。

2.1 多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置

針對引黃灌區(qū)存在水資源供需矛盾、泥沙長距離輸送以及地下水環(huán)境保護(hù)三大現(xiàn)實(shí)問題，以灌區(qū)效益最大為目標(biāo)建立水量模型，以減少高含沙引水量為目標(biāo)建立水沙模型，以地下水合理埋深為目標(biāo)建立地下水位控制模型，經(jīng)濟(jì)效益通過水量模型考慮，環(huán)境效益則在水沙和地下水位控制模型中體現(xiàn)。

2.1.1 水量模型

考慮水資源配置效益，以引黃水、地表水及地下水在各區(qū)各行業(yè)內(nèi)的最佳經(jīng)濟(jì)分配效果為目標(biāo)，限制條件為引黃水總量約束、地表水及有效降雨量約束、灌溉用水約束、工業(yè)用水約束、生活用水約束等。

以月為單位，以經(jīng)濟(jì)效益最大為考量，則目標(biāo)函數(shù)為:

式中:Wri，j，k為 k 時(shí)段 i子區(qū) j行業(yè)地表水用水量;Wgi，j，k為 k時(shí)段i子區(qū) j行業(yè)地下水用水量;Wdi，j，k為 k時(shí)段i子區(qū) j行業(yè)引黃水用水量;αi，j為 i子區(qū) j行業(yè)引黃水利用凈效益;βi，j為 i子區(qū) j行業(yè)地表水利用凈效益;γi，j為 i子區(qū) j行業(yè)地下水利用凈效益。

2.1.2 水沙模型

按照黃河不同時(shí)段含沙量的實(shí)際情況，將低含沙量期間的引水總量與高含沙量期間的引水總量的差值作為控制目標(biāo)，所以其形式為:

式中:π為調(diào)節(jié)系數(shù);Π為上游區(qū)域集;Ω為指標(biāo)集，表示黃河含沙量小的月份。

2.1.3 地下水位控制模型

根據(jù)《濱州市地下水超采區(qū)成果報(bào)告》，濱城區(qū)、惠民處于地下水開采漏斗區(qū)，該報(bào)告認(rèn)為小開河灌區(qū)較為合理的埋深范圍是3～6 m。從目前地下水位觀測資料看，灌區(qū)的地下水埋深大部分不到3 m，因此本模型將上限的3 m處理為模型的目標(biāo)，即越接近3 m越合理。

式中:msi，k為i區(qū)域k時(shí)段的地下水埋深

2.1.4 模型求解與配置結(jié)果分析

采用分層序列法，首先將水量模型作為第一級模型，求解經(jīng)濟(jì)效益最大化的方案，然后將最優(yōu)解放寬，作為第一級的控制目標(biāo)，以約束條件的形式嵌入第二級水沙模型，求得水量-水沙最優(yōu)控制方案，再放寬此最優(yōu)解作為第二級的控制目標(biāo)，連同第一級的控制目標(biāo)一起嵌入水量-水沙-地下水位控制模型，以此實(shí)現(xiàn)三級模型的耦合，最終確定綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、泥沙和地下水位三方面問題的水資源優(yōu)化調(diào)度方案。

經(jīng)過水量、水沙、地下水位控制模型的逐步優(yōu)化，雖然經(jīng)濟(jì)效益有所下降，但最后效益仍保持在最優(yōu)值的90%以上，高含沙水占總引水的比例降低2%，地下水位目標(biāo)則提高40%以上。

小開河灌區(qū)共劃分為濱城區(qū)、開發(fā)區(qū)、惠民縣、陽信縣、沾化縣、無棣縣6個(gè)用水戶，多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置方案可以使各縣區(qū)的生活用水保證率達(dá)到95%以上，而工業(yè)用水則達(dá)到了100%的保證率，農(nóng)業(yè)用水在75%水文年也達(dá)到了60%的保證率。

2.2 灌排系統(tǒng)工程技術(shù)

灌區(qū)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力的標(biāo)志是“旱澇保收”，只有“引得進(jìn)、排得出、灌得上、降得下”，才能滿足提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力和農(nóng)民增收的要求。山東引黃灌區(qū)大多灌排一體，多年灌排水量資料分析表明，灌排比基本一致，多灌則多排，少灌則少排。因此，在灌區(qū)大力發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)減少引水量，不僅節(jié)約水資源，而且直接減少排水，相當(dāng)于增加了排水效益。

2.2.1 節(jié)水灌溉技術(shù)

針對小開河灌區(qū)以糧食作物為主、灌溉管理較為粗放的特點(diǎn)，節(jié)水灌溉形式以渠道防滲襯砌技術(shù)和管道輸水灌溉技術(shù)為主。由于引黃灌區(qū)干、支渠多為自流明渠，適合采用渠道防滲襯砌技術(shù)，主要以梯形、矩形斷面形式為主，利用混凝土、砌石、水泥土等材料實(shí)施。

灌區(qū)的末級渠道因無法自流到田間，節(jié)水灌溉形式多采用管道輸水灌溉技術(shù)。在灌區(qū)的宜井區(qū)大力推廣“機(jī)井+無井房+射頻卡計(jì)量+PVC管道+給水栓”的低壓管道輸水灌溉技術(shù)，配套窄短畦田，進(jìn)行地面精準(zhǔn)灌溉。低壓管灌系統(tǒng)采用輸配水兩級PVC固定管道為宜，單井出水量多在30 m3/h左右，控制面積50～90畝，灌水定額在40～50 m3/畝，畦寬1.55 m、畦長40 m左右;在非宜井區(qū)采用“泵站+恒壓變頻+PVC管道+給水栓”規(guī)?；艿垒斔喔燃夹g(shù)，灌系統(tǒng)采用輸配水三-四級 PVC固定管道，控制面積1000～3 000畝，畦寬3.5～4 m，畦長100～140 m。

2.2.2 暗管排水鹽堿地改良技術(shù)

小開河灌區(qū)位于黃河三角洲，是山東省典型的鹽堿地，如果用水不當(dāng)很容易引起土壤次生鹽漬化。灌區(qū)內(nèi)鹽堿土壤的分布狀況是從渠首向下游逐漸增加的趨勢，大面積的鹽堿土壤集中分布在下游的無棣和沾化兩個(gè)縣，上中游陽信等地也有部分鹽堿土壤，一般零星分布且不連片。

小開河灌區(qū)以砂壤土為主，由于溝坡易坍塌等問題，明溝排水改堿效果差，灌區(qū)地下水埋深較淺，大部分在1.0～3.2 m，鹽堿地改良適合采用暗管排水技術(shù)。

暗管排水鹽堿地改良技術(shù)采用波紋塑料管為排水材料，暗管的埋深計(jì)算公式:

式中:hq為暗管埋設(shè)深度;ht為作物要求的地下水埋深，由主要作物根系活動(dòng)層0.5 m，砂壤土毛管水強(qiáng)烈上升高度為1.2 m左右，確定臨界水深1.7 m;Ht為滯留水頭，取0.2 m;h'為暗管中水深，取0.1 m。

由式4可知灌區(qū)暗管埋深hq≥2.0 m。

暗管埋設(shè)間距利用優(yōu)化模型進(jìn)行分析，以單位面積投資最小為優(yōu)化準(zhǔn)則，

式中:Z為單位面積上的投資，元/畝;C為暗管及濾料的單價(jià)，元/m;D為土方單價(jià)，元/m3;b為埋管時(shí)開挖溝寬，m;h為埋深，m;B為間距，m。

根據(jù)灌區(qū)地下水降落速度、排水排鹽量、土體脫鹽、鹽班面積縮小的變化，綜合分析認(rèn)為暗管埋設(shè)2.0～2.3 m、間距70～90 m的排水改堿效果較好。春季能使淺層地下水位7～9 d降到臨界深度以下，排水量占灌水量的20%以上。

2.3 信息化綜合管理平臺(tái)開發(fā)

針對大型灌區(qū)具有工程的分散性、水資源的有限性、水情雨情的變化性、農(nóng)作物需水的實(shí)效性、灌溉供水的動(dòng)態(tài)性等方面的特點(diǎn)，導(dǎo)致灌區(qū)水管理工作的復(fù)雜性，而且目前大型灌區(qū)工程老化和水資源浪費(fèi)嚴(yán)重、用水效率較低，管理粗放，技術(shù)落后，對灌區(qū)進(jìn)行信息化建設(shè)十分必要。

灌區(qū)信息化建設(shè)涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、三維仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，通過對各項(xiàng)技術(shù)的集成，實(shí)現(xiàn)信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)和處理等。系統(tǒng)平臺(tái)以開放式協(xié)議語言為基礎(chǔ)，采用面向?qū)ο?OOP)和圖形化的可編程技術(shù)，具有較強(qiáng)的兼容性和可擴(kuò)展性;運(yùn)行環(huán)境采用微軟的故障轉(zhuǎn)移和均衡負(fù)載群集技術(shù)，保證了平臺(tái)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)處理的高效性;通過整合不同公司、不同語言開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控類型多樣化和多種監(jiān)控設(shè)備及數(shù)據(jù)的集中管理。系統(tǒng)平臺(tái)具備開放的業(yè)務(wù)接口，只需在平臺(tái)上增加相應(yīng)軟件模塊和接口，即可實(shí)現(xiàn)對各種新業(yè)務(wù)的監(jiān)控和管理。

小開河灌區(qū)沿干渠建設(shè)自動(dòng)實(shí)時(shí)信息采集點(diǎn)41處，其中纜車測流2處，電磁流量計(jì)1處，多普勒測流4處，超聲波水位計(jì)9處，視頻監(jiān)控18處，閘門自控2處，地下水位觀測2處，雨量(含墑情)2處，自動(dòng)氣象站1處。以渠道水位、渠道流量、視頻、土壤墑情、氣象信息、自控信息自動(dòng)采集為基礎(chǔ)，以公共通信網(wǎng)絡(luò)為依托，以地理信息系統(tǒng)(GⅠS)為框架，結(jié)合先進(jìn)的三維虛擬仿真技術(shù)，針對灌區(qū)水量計(jì)量、水資源配置、工程監(jiān)控等具體需求，形成網(wǎng)絡(luò)化、智能化的現(xiàn)代化灌區(qū)信息管理平臺(tái)。

3 結(jié)語

針對引黃灌區(qū)水資源供需矛盾突出、部分區(qū)域土壤鹽堿化和泥沙長距離輸送三大問題以及灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)先進(jìn)技術(shù)集成的現(xiàn)實(shí)需求，建立了水資源優(yōu)化配置多目標(biāo)數(shù)學(xué)模型，采用分層序列法進(jìn)行模型耦合優(yōu)化，提出了多用戶的水資源優(yōu)化配置方案;集成了渠道防滲襯砌與管道輸水兩項(xiàng)節(jié)水灌溉技術(shù)，開發(fā)了暗管排水鹽堿地改良技術(shù);建立了基于公共通信網(wǎng)絡(luò)的氣象、墑情、水位、流量等信息自動(dòng)采集系統(tǒng)，建立了基于三維虛擬仿真技術(shù)的灌區(qū)信息化綜合管理平臺(tái)。多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置、灌排系統(tǒng)工程技術(shù)以及信息化綜合管理平臺(tái)等多項(xiàng)技術(shù)的集成為現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，提高了灌溉水利用率，實(shí)現(xiàn)科學(xué)調(diào)配水量，提升了灌區(qū)管理水平，降低了灌區(qū)管理成本，創(chuàng)新灌區(qū)工程管理模式，為灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)提供模板。

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