CN105528734A - 一种多层水资源管理的水量分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多层水资源管理的水量分配方法。该方法主要根据不同作物不同生长时期的实际水资源消耗量来计算灌溉单元的需水量，然后，根据渠道输水过程计算出每一级渠道（干渠、支渠、斗渠）渠口的引水量，其次，计算工业、生活、生态需水量，最后，根据计算的水资源供需比，计算不同用水部门和用水单元的水资源分配量。本发明应用于干旱和半干旱灌溉农业区域。实现不同层次的输水口水量的分配时间和分配量的计算，对匮乏的水资源进行合理安排。本发明在实施过程中，利用有效参数使计算精度高，经济实用，尤其在观测站点稀疏和经济欠发达地区更能发挥水量分配作用。
Description
技术领域
本发明涉及水资源管理领域，具体地说是涉及一种基于多层水资源管理的水量分配方法，该方法充分考虑了作物不同生长时期需水量，不同用水单元需水量对水资源分配过程的影响，使得水更加精确地分配到用水单元，从而能够有效地提高区域水资源利用率，尤其是农业水资源利用率。
背景技术
我国人均水资源占有量居世界第110位，被联合国列为13个贫水国之一（程国栋等,2006），水资源的短缺已严重威胁着我国各区域经济发展和粮食安全（Feng,1999），特别在以农业经济发展为主导的地区。我国耕地面积约为20.27亿亩，消耗了近70%的水资源量。由于农业用水量巨大，引起农业用水与生态用水、工业用水冲突，造成生态环境恶化，地下水位下降，为许多区域带来生态环境问题。传统的灌溉管理方法和高耗水型灌溉制度，造成这些地区灌溉水利用率很低，快速的城市化过程更加激化了各用水部门之间的矛盾，严重影响到这些地区的天然绿洲的需水及生存环境。在我国很多农业经济发展区域，依然以大水漫灌为主要灌溉方式，已灌溉定额为主要灌溉依据，加之农民节水意识淡薄，造成水资源浪费现象十分严重。因此，根据区域不同用水单元实际需水量和供水量的关系，精确分配水资源量，是提高区域水资源利用率的有效途径。
我国水资源管理具有很强的多层行政管理和同级多部门协同管理的特点，且许多地区，尤其是经济欠发达的区域，观测系统较落后，因此建立一种多层水资源管理的水量分配方法，科学管理水资源，对于解决水资源匮乏的西北地区来说意义重大。
发明内容
基于上述，本发明的目的在于建立一种基于多层水资源管理的水量分配方法。该方法主要根据不同作物不同生长时期的实际水资源消耗量来计算灌溉单元的需水量，然后，根据渠道输水过程计算出每一级渠道（干渠、支渠、斗渠）渠口的引水量，其次，计算工业、生活、生态需水量，最后，根据计算的水资源供需比，计算不同用水部门和用水单元的水资源分配量。该方法不但能够支持多层水管理部门之间协调公平地实施水资源分配，还能够对不同种植结构、水利工程建设和水政策情景做出快速的响应。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种多层水资源管理的水量分配方法，具体步骤是：
第一步：根据作物的种植结构，利用作物需水模型计算不同灌溉单元作物需水量，得到不同时间段内作物的实际需水量；
第二步：根据渠道灌溉过程，利用渠道模型计算不同时间不同级别引水口处流量，最终计算出总供水口处流量；
第三步：利用基于植被蒸腾与潜水位之间的关系的阿维里扬诺夫模型计算区域生态需水量；
第四步：根据工业发展规模和生成制造耗水量以及水利用率，利用工业需水模型计算区域不同时段的工业需水量；
第五步：根据区域人口规模、经济发展水平、人均收入以及水价，利用生活需水模型计算不同时段不同区域的生活需水量；
第六步：根据地表水与地下水位，计算时段区域可供给总水资源量，扣除生活和工业刚性需水量之后，计算农业供水比例；
第七步：根据可供水量，不同级别引水口流量，利用多层水分配模型可计算出多级引水口供水量，田间供水量和区域生活供水量以及生态供水量。
本发明的优点：
（1）本发明公开了一种针对不同空间层次、不同管理部门之间水资源分配方法，该方法主要根据不同作物不同生长时期的实际水资源消耗量来计算灌溉单元的需水量，然后，根据渠道输水过程计算出每一级渠道（干渠、支渠、斗渠）渠口的引水量，其次，计算工业、生活、生态需水量，最后，根据计算的水资源供需比，计算不同用水部门和用水单元的水资源分配量。
（2）本发明公开了一种能够适应不同地域的农业水资源分配方法，该方法能够融合不同地域的已有灌溉模式，水管理模式，并将其集成到该方法中，尤其适合干旱和半干旱灌溉农业区域。基于该方法，可以实现不同层次的输水口水量的分配时间和分配量的计算。
（3）该方法在实施过程中，参数化过程简单，但计算精度高，尤其在观测站点稀疏和经济欠发达地区更能发挥作用。
附图说明
图1多层水资源管理方法框架。
图2作物耗水模型的验证（张掖五星村）。
图3多层水资源管理模型计算的农业需水量与实际供水量的比较（黑河干流沿河17个灌区2008年）。
图4洪水河灌区2008年夏灌一轮汤庄13个社灌溉时间（时间单位：小时），（a）为当斗口渠口流量为1.7m3/s时，各渠口开口时间和灌溉过程；（b）为当斗口渠口流量为2.1m3/s时，各渠口开口时间和灌溉过程。
具体实施方式
在获取区域人口、工业、生态、水文和种植结构数据后，根据用水单位尺度划分和用水部门的不同，其实施过程主要分为三部分：第一部分根据用水单元尺度划分，计算不同尺度下区域需水量；第二部分根据用水部门的不同，计算不同用水部门的需水量；第三部分根据供水条件，计算不同尺度用水单元和不同用水部门的供水量，如图1所示：
一种基于多层水资源管理的水量分配方法，具体步骤是：
第一步：根据作物的种植结构，利用作物需水，计算不同灌溉单元作物需水量，得到不同时间段内作物的实际需水量；
（1）作物耗水计算：
ETP为日蒸发能力（mm/d），Ra为天文辐射日总量（MJ/(m2·d)），Tc为日平均气温（℃），Td为日最高气温与最低气温之差（℃），Kc为作物耗水系数，C0是转换系数，当Ra以mm/d为单位时，C0=2.3×10-3，而当Ra以MJ/(m2·d)为单位时，C0=9.93×10-4。
其中，GSC为太阳常数，0.0820MJ/(m2·d)，dr为日地相对距离的倒数，ωs为日没时角，rad；Φ为纬度，rad；δ为太阳赤纬，rad；J为1年中日序数（1-365）。
（2）不同空间尺度的作物需水计算：
基于水权面积和毛灌溉定额的作物的需水:
其中，Q为灌溉定额，m3/(亩·d)，A为作物种植面积，亩。
第二步：根据灌溉网络，利用网络渠道计算不同时间不同级别引水口、或管道分叉口处流量，最终计算出总供水口处流量；
（3）基于农渠渠口作物耗水流量计算:
其中，Wn为农渠渠口流量，m3/s，为农渠水利用率。
（4）基于水权面积和毛灌溉定额的农渠渠口流量计算:
（5）两种耗水模型的斗渠渠口流量计算:
其中，Wd为斗渠渠口流量，m3/s，为第i条农渠的渠口流量，m3/s，为斗渠水利用率；
（6）两种耗水的支渠渠口流量计算:
Wb为支渠渠口流量，m3/s，为第i条斗渠的渠口流量，m3/s，为支渠水利用率；
（7）两种耗水的干渠渠口流量计算:
Wm为干渠渠口流量，m3/s，为第i条支渠的渠口流量，m3/s，为干渠水利用率；
第三步：利用基于植被蒸腾与潜水位之间的关系，计算区域生态需水量：
其中，E为蒸发强度，mm/d，E0为某时段内日平均水面蒸发量，mm/d，H为某时段内地下水平均埋深，m，Hmax为潜水蒸发停止时的地下水埋深，又称潜水蒸发极限深度，m，b为与包气带土质、气候有关的指数，一般取1-3；
第四步：根据工业发展规模和生成制造耗水量以及水利用率，利用工业需水计算区域不同时段的工业需水量：
其中，为C区域工业需水量，m3，为第i个工业生产需水量，m3，α为工业废水循环利用率；
第五步：根据区域人口规模、经济发展水平、人均收入以及水价，利用生活需水计算不同时段不同区域的生活需水量：
其中，QL为城镇居民家庭生活需水量，m3，P为生活供水价格，元/m3，S为居民收入数据，元/年；Y供水人口，α、β、γ、c为常数，分为价格需求弹性系数、工资需求弹性系数、人口需求弹性系数；
第六步：根据地表水与地下水位，计算时段区域可供给总水资源量，扣除生活和工业刚性需水量之后，计算农业供水比例；
（8）最上一级水管理部门可调控总有效用水量计算：
其中，为最上一级水管部门可调控有效用水量，m3，为区域总有效供水量，m3，为调控系数；
(10)配水比例计算：
其中，δ为配水比例，Qs为区域需水量，m3，Qm为区域供水量，m3。
第七步：根据可供水量，不同级别引水口流量，利用多层水分配可计算出多级引水口供水量，田间供水量和区域生活供水量以及生态供水量；
(12)各级渠口供水流量计算：
其中，为第x级渠道第i个引水口门的引水流量（m3/s），为第x级渠道第i各引水口门的需水量（m3），n为第x级渠道的引水口门数量，QTotal为第x级渠道可供引水总流量（m3/s）。
(13)各级渠口供水时间计算：
其中，为第i级渠口引水时间，h，为第i级渠口引水量，m3，为第i级渠口流量，m3/s。
试验例
本发明以张掖市盈科灌区五星村为例，应用本方法具体实施和验证过程如下：
第一步：计算作物需水量及验证。已知五星村2008年制种玉米种植面积和作物系数，参照张掖市气象部门提供灌溉渠道的水利用率、长度，日最高温、最低温和平均纬度参数，利用作物耗水公式（、）计算出从2008年4月15日到10月1日作物的耗水过程，并利用张掖市盈科气象站观测数据对该结果进行了验证，其计算结果和验证如图2所示。
结果显示该方法计算的2008年制种玉米总耗水量（生长期）为798.39mm，观测到的实际蒸散量（作物生长期）为670.30mm，其相对误差为19.1%，模拟效果较好。
第二步：计算渠口引水量及验证。首先利用作物耗水公式（、）计算出五星支渠四斗三农三毛控制的灌溉区域在夏灌二轮和夏灌三轮的田间作物耗水量，利用农渠渠口流量公式（）、斗渠渠口流量公式（）、支渠渠口流量公式（）和干渠渠口流量公式（）计算出不同渠口的流量，以此作为渠口分水的基础。计算出的五星支渠四斗三农三毛毛口在夏灌二轮、夏灌三轮与秋灌一轮三个轮次中的分水量与观测引水量的差值分别为315.14m3、-165.50m3和-338.25m3，相对误差分别为19.3%、7.9%和15.4%。结果表明夏灌二轮和夏灌三轮计算结果与实际渠口引水量相差很大，主要原因是：从1999-2009年莺落峡月径流量过程线可以看出，每年1-5月份为径流量较小时期，从6月份开始径流量逐渐增大，夏灌二轮的时间段是从2012-6-6到2012-7-1，这段时间作物的需水量要大于河流的来水量，所以本发明计算的结果大于实际分配的水量，这个阶段为非充分灌溉阶段；而夏灌三轮的时间段2012-7-2到2012-7-27，秋灌一轮的时间段是2012-8-1到2012-8-22，此时河流径流量逐渐增大，灌溉量也逐渐增大，这时本发明计算出的作物实际需水量小于观测到的实际灌溉量，说明在这段灌溉时间内，有很多的水量被浪费。从分析结果可以看出：本发明能够从作物实际需水量方面定量计算灌溉量，这样能够有效地提高灌溉水利用率，因此，本发明在指导田间水分配过程中能够发挥很好的作用。
第三步：计算田间水分配过程。本发明选择了洪水河灌区中的13个社作为田间层次的灌溉配水的验证区域，通过灌溉定额、水权面积、水利工程参数以及不同级别渠道的水利用率，分别利用公式计算该区域的生态需水量，公式计算该区域的生活需水量，公式计算该区域的工业需水量，然后根据区域总可供水量，利用公式计算该区域的配水比例，引入公平分配的原则，所以每个社的配水比例都相同；利用公式计算渠口分配水量，其计算结果如表1所示。
表1洪水河灌区13个社夏灌一轮配水计划表
表1表明：本发明能够计算各级渠道的渠口引水量和输水损失量，包括斗渠、支渠和干渠，从而模拟多级渠道的水分配过程。当灌溉水分配计划实施时，利用流速计观测渠水流速，或通过观测渠道水尺，利用水位流量曲线估算出流量，结合灌区轮灌周期，利用公式计算，可计算出每个社的灌溉时间步长和开始灌溉时间。水资源管理决策者期望能够对变化的供水过程做出快速的响应，并提出水分配的可行性实施方案。图4表示当斗渠渠口流量发生变化时，汤庄13个社的灌溉时间变化和灌溉过程的变化。当斗渠渠口流量为1.7m3/s时，可以根据各渠口需水量，计算得出各渠口灌溉时间，见图4（a），根据每个社的灌溉顺序实施灌溉计划，开始灌溉时间由灌溉轮次周期和播种时间决定，它可以管理部门给定。13个社灌溉总时间为30.1小时。当斗渠渠口流量发生变化时，如流量变为2.1m/s，其斗渠渠口的灌溉时间和灌溉过程如图4（b）所示。每个社的灌溉时间相对缩短，13个社总灌溉时间缩短到24.4小时。根据供水量的变化对配水过程做出快速响应的过程能够有效地辅助水资源管理部门因地制宜地制定水分配计划。
第四步：灌区水分配过程。收集黑河干流沿河17个灌区各类作物参数、时段的供水总量、工业参数、生态需水计算参数、生活用水计算参数以及其他用水量，结合灌区间用水协议（水政策），利用以上提供的公式计算灌区水分配过程，其计算结果如表2所示。
表22008年黑河干流沿河17个灌区水分配计划表
注：表中选择该17个灌区地表水供水源都为黑河干流。
第五步：县区水分配过程。根据田间水分配计划和灌区水分配计划，计算出黑河干流沿河三县区（甘州、临泽和高台）2008年水分配方案，见表3。
表3黑河干流沿河3县区2008年农业水分配方案
表3显示，三县区农业用水阶段差别较大，主要原因是三县区种植结构差异较大，使各县区作物需求在时间序列上存在较大差异。从分配总量上看，本发明计算的10.06亿立方米的水量与2008年三县区实际的地表水消耗量10.5亿立方米非常接近，因此，本发明能够用于农业发展区域不同用水层次上的水资源分配过程。
Claims (1)
1.一种基于多层水资源管理的水量分配方法，具体步骤是：
第一步：根据作物的种植结构，利用作物需水计算不同灌溉单元作物需水量，得到不同时间段内作物的实际需水量；
（1）作物耗水计算：
ETP为日蒸发能力（mm/d），Ra为天文辐射日总量（MJ/(m2·d)），Tc为日平均气温（℃），Td为日最高气温与最低气温之差（℃），Kc为作物耗水系数，C0是转换系数，当Ra以mm/d为单位时，C0=2.3×10-3，而当Ra以MJ/(m2·d)为单位时，C0=9.93×10-4，
；
其中，GSC为太阳常数，0.0820MJ/(m2·d)，dr为日地相对距离的倒数，ωs为日没时角，rad；Φ为纬度，rad；δ为太阳赤纬，rad；J为1年中日序数（1-365）；
（2）不同空间尺度的作物需水计算：
基于水权面积和毛灌溉定额的作物的需水:
其中，Q为灌溉定额，m3/(亩·d)，A为作物种植面积，亩；
第二步：根据灌溉网络，利用网络渠道计算不同时间不同级别引水口、或管道分叉口处流量，最终计算出总供水口处流量；
（3）基于农渠渠口作物耗水流量计算:
其中，Wn为农渠渠口流量，m3/s，为农渠水利用率；
（4）基于水权面积和毛灌溉定额的农渠渠口流量计算:
（5）两种耗水的斗渠渠口流量计算:
其中，Wd为斗渠渠口流量，m3/s，为第i条农渠的渠口流量，m3/s，为斗渠水利用率；
（6）两种耗水的支渠渠口流量计算:
Wb为支渠渠口流量，m3/s，为第i条斗渠的渠口流量，m3/s，为支渠水利用率；
（7）两种耗水模型的干渠渠口流量计算:
Wm为干渠渠口流量，m3/s，为第i条支渠的渠口流量，m3/s，为干渠水利用率；
第三步：利用基于植被蒸腾与潜水位之间的关系，计算区域生态需水量：
其中，E为蒸发强度，mm/d，E0为某时段内日平均水面蒸发量，mm/d，H为某时段内地下水平均埋深，m，Hmax为潜水蒸发停止时的地下水埋深，又称潜水蒸发极限深度，m，b为与包气带土质、气候有关的指数，一般取1-3；
第四步：根据工业发展规模和生成制造耗水量以及水利用率，利用工业需水模型计算区域不同时段的工业需水量：
其中，为C区域工业需水量，m3，为第i个工业生产需水量，m3，α为工业废水循环利用率；
第五步：根据区域人口规模、经济发展水平、人均收入以及水价，利用生活需水计算不同时段不同区域的生活需水量：
其中，QL为城镇居民家庭生活需水量，m3，P为生活供水价格，元/m3，S为居民收入数据，元/年；Y供水人口，α、β、γ、c为常数，分为价格需求弹性系数、工资需求弹性系数、人口需求弹性系数；
第六步：根据地表水与地下水位，计算时段区域可供给总水资源量，扣除生活和工业刚性需水量之后，计算农业供水比例；
（8）最上一级水管理部门可调控总有效用水量计算：
其中，为最上一级水管部门可调控有效用水量，m3，为区域总有效供水量，m3，为调控系数；
(10)配水比例计算：
其中，δ为配水比例，Qs为区域需水量，m3，Qm为区域供水量，m3；
第七步：根据可供水量，不同级别引水口流量，利用多层水分配可计算出多级引水口供水量，田间供水量和区域生活供水量以及生态供水量；
(12)各级渠口供水流量计算：
其中，为第x级渠道第i个引水口门的引水流量（m3/s），为第x级渠道第i各引水口门的需水量（m3），n为第x级渠道的引水口门数量，QTotal为第x级渠道可供引水总流量（m3/s），
(13)各级渠口供水时间计算；
其中，为第i级渠口引水时间，h，为第i级渠口引水量，m3，为第i级渠口流量，m3/s。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |