CN114757405B - 灌区水资源均衡优化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了灌区水资源均衡优化配置方法，通过供水总量约束和地下水埋深控制，以及逐时段地下水的合理考虑，可实现地下水和农业可供水分配量共同作用下的“真实”总量约束；通过不同用水单元供需调配的空间均衡，可实现用水单元有限水量的均衡，体现出区域社会经济发展的公平性；通过地下水埋深的控制，可实现区域用水总量约束下的社会经济用水与生态环境用水的均衡；通过逐时段的时间优化，在以上空间均衡约束下不同时段的均衡分配，包括灌溉用水周年年内和年际间的均衡分配，在保障地下水生态安全前提下实现区域各用水单元的时空间均衡分配，促进灌区“生态健康有调控‑生产用水有保障‑循环发展可持续”的健康协调发展。

Description

灌区水资源均衡优化配置方法

技术领域

本发明涉及水资源调控技术领域，特别是涉及灌区水资源均衡优化配置方法。

背景技术

农田是“山—水—林—田—湖—草—沙”有机组成中最大的人工生态系统，其健康发展成为我国农业发展的命脉、国家粮食安全的基石，又肩负着生态安全的重任。目前灌区用水普遍采用基于历史条件确定的灌溉定额水平进行当前需水的核定，忽略地下水通过毛管作用对作物的有效补给和节灌措施对水资源需求增长的限制，造成灌溉配水不能综合反映区域“真实”的水资源需求，进而造成可供水量的偏差，致使目前的实际分配的农业“用水总量红线”无法“真实”的体现用水总量的约束；另外也间接的造成区域供水分配的空间不均衡，引发地下水波动，造成土壤盐渍化或地下水超采等生态环境问题。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明旨在提供灌区水资源均衡优化配置方法，通过灌溉用水周年水资源优化配置和地下水模拟动态耦合反馈的方式可相对准确的实现用水总量和地下水位共同约束下的灌区水资源的时空均衡优化分配；在提高水资源利用效率的同时，保障灌区生产系统健康发展。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：提供了灌区水资源均衡优化配置方法，其包括步骤：

S1：获取灌区农业灌溉用水管理需求，将灌区划分为多个用水单元；

S2：根据灌区的遥感影像、无人机和统计资料，获取每个用水单元的土地利用情况和种植结构；

S3：获取地下水位监测数据，并筛选出灌溉周年时段每个用水单元的地下水位；

S4：根据气象条件、作物类型、地下水埋深，种植面积以及灌溉水利用系数，计算每个用水单元在用水周年中各时段的灌溉总需水量，并根据每个用水单元的灌溉总需水量，计算逐时段灌溉总需水量占用水周年剩余时段总需水量之比；

S5：根据灌区周年可供灌溉水总量，获得灌区当前时段可供灌溉水总量；

S6：根据灌区当前时段可供灌溉水总量和每个用水单元当前时段的灌溉需水量，计算当前时段每个用水单元的供水量和供水结构；

S7：判断当前时段每个用水单元的供水量是否满足均衡目标，若是，进入 S8，否则，优化调整当前时段各用水单元的供水量，调整水资源水平空间均衡优化配置和供水结构，直至满足均衡目标；

S8：获取每个用水单元当前时段的地下水位，判断每个用水单元当前时段的地下水位是否在其相应时间段的预设地下水位范围内，若是，则进入S9；否则调整供水结构后，返回步骤S6；

S9：将水资源水平空间均衡优化配置和供水结构作为灌区供水方案。

进一步地，在步骤S4中，所述灌溉总需水量的计算方法包括；

S41、计算每个用水单元潜在蒸发量：

式中，ET0_i，j为第i个用水单元在j时段内的潜在蒸发量，单位为mm，Δ为饱和水汽压-温度曲线斜率；R_n为典型作物冠层的净辐射；G为增热土壤消耗的能量；γ为湿度计常数；T为平均气温；u₂为2m高处的风速；e_a为饱和水汽压；e_d为实际观测水汽压；

S42、计算作物生长需水量：

ETc_i,j,k＝Kc_k×ET0_i,j

式中：ETc_i,j,k是第i个用水单元第j用水时段第k种作物生长需水量，单位为mm；Kc_k为第k种作物系数；ET0_i,j为第i个用水单元第j用水时段的潜在蒸发量，单位为mm；

S43、计算每个用水单元在用水的时段的有效降雨量：

PE_i,j,k＝min(P_i,j,k,ET_i,j,k)

式中，PE_i，j，k为第i个用水单元第j用水时段第k种作物有效面雨量；

S44、计算用水单元的地下水供水量：

G_i,j,k＝f_i,j,k(h_i)

式中：G_i,j,k是第i个用水单元第j用水时段第k种作物直接利用地下水的量， mm；f_i,j,k(h_i)是不同用水单元不同用水时段不同作物类型直接利用地下水的水量与地下水埋深关系式；

S45、计算每个用水单元灌溉需水净定额：

R_i,j,k＝666.67×(ETc_i,j,k-G_i,j,k-Pe_i,j)

式中，R_i,j,k是第i单元的第j月的第k种作物的灌溉需水净定额，单位为m³/ 亩；Pe_i,j是第i个单元第j月的有效降水量，单位为mm；Pe_i,j采用实时估算法和经验公式法获取；

S46、计算每个用水单元单位面积净灌溉需水量：

式中，W_i,j是第i用水单元第j用水时段的灌溉需水量，单位为m³；W_i,j,k是第i用水单元第j用水时段第k种作物的灌溉需水量，单位为m³；A_i,j,k是第i用水单元第j用水时段第k种作物的种植面积，单位为亩；η_i,k是第i个用水单元第 k种作物的农田灌溉水有效利用系数；

S47、汇总计算各用水单元年灌溉总需水量：

其中，W_i是第i个计算单元灌溉年需水量，单位为m³；m为作物生育期的月份，取3-9月和11月。

进一步地，根据每个用水单元在灌溉周年内的灌溉需水量和灌区周年内的灌溉需水量，确定灌区不同用水时段灌溉需水量占区域总灌溉需水量之比a_j (j＝1，2，…n)。

进一步地，在步骤S5中，若灌区农业灌溉为用水初期，则设灌区内可供灌溉用水总量为I，当前灌区生育期可供水量为：

W₁＝a₁*I；

式中，W₁为当前灌区生育期可供水量；

若灌区农业灌溉为非用水初期，则当前用水期可供水量为：

式中，W_j为灌区当前用水期可供水量，W_y为灌区在当前用水期前的用水量，I为灌区内可供灌溉用水总量。

进一步地，在调整灌区农业灌溉水资源空间均衡优化配置和供水结构时，空间均衡优化目标为任意两个用水单元的缺水率相差≤3％且同时求取各用水单元缺水率累计的最小值；在作物生育期内，用水单元任意两个月的平均缺水率相差≤5％且同时求取作物生育期内用水单元各月平均缺水率累计的最小值。

进一步地，在步骤S1中，根据灌区农业灌溉用水管控的河长要求，划分最小用水单元，表示为i，i＝1,2,3…,n，其中，i为第i个用水单元，n为灌区内的用水单元总数。

进一步地，在步骤S3中，基于地下水位监测数据，获取不同时段初不同用水单元的地下水水位h_i,to，h_i,to表示为第i个单元t₀时段地下水埋深；

通过灌区经验或土壤类型与毛管水上升方法获取用水周年保障灌区生态环境不退化、土壤不发生盐渍化的预设地下水位范围[h_i,t,min，h_i,t,max]。

本发明的有益效果为：本发明通过供水总量约束和地下水埋深控制，通过逐时段地下水的合理考虑，实现地下水和农业可供水分配量共同作用下的“真实”总量约束；通过不同用水单元供需调配的空间均衡，可实现用水单元有限水量的均衡分配，体现出区域社会经济发展的公平性；通过地下水埋深的控制，可实现区域用水总量约束下的社会经济用水与生态环境用水的均衡；时间优化，是在以上空间均衡约束下不同时段的均衡分配，包括灌溉用水周年年内和年际间的均衡分配，可在保障地下水生态安全前提下实现区域各用水单元的时空间均衡分配，促进灌区“生态健康有调控-生产用水有保障-循环发展可持续”的健康协调发展。

附图说明

图1为灌区水资源均衡优化配置方法的流程图。

图2为贺兰县灌区预设的地下水位范围的示意图。

图3为贺兰县灌区中不同用水单元的缺水率的数据表图。

图4为用水总量和地下水埋深控制用水周期末区域不同时段缺水情况的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1～图4所示，本发明提供了灌区水资源均衡优化配置方法，以贺兰县为例，其包括步骤：

S1：获取灌区农业灌溉用水管理需求，将灌区划分为多个用水单元；

进一步地，根据灌区农业灌溉用水管控的河长要求，划分最小用水单元，表示为i，i＝1,2,3…,n，其中，i为第i个用水单元，n为灌区内的用水单元总数。

S2：根据灌区的遥感影像、无人机和统计资料，获取每个用水单元的土地利用情况和种植结构；

S3：获取地下水位监测数据，并筛选出灌溉周年时段每个用水单元的地下水位；在步骤S3中，基于地下水位监测数据，获取不同时段初不同用水单元的地下水水位h_i,to，h_i,to表示为第i个单元t₀时段地下水埋深；

通过灌区经验或土壤类型与毛管水上升方法获取用水周年保障灌区生态环境不退化、土壤不发生盐渍化的预设地下水位范围[h_i,t,min，h_i,t,max]。

S4：根据气象条件、作物类型、地下水埋深，种植面积以及灌溉水利用系数，计算每个用水单元在用水周年中各时段的灌溉总需水量，并根据每个用水单元的灌溉总需水量，计算逐时段灌溉总需水量占用水周年剩余时段总需水量之比。

在步骤S4中，所述灌溉总需水量的计算方法包括；

S41、计算每个用水单元潜在蒸发量：

式中，ET0_i，j为第i个用水单元在j时段内的潜在蒸发量，单位为mm，Δ为饱和水汽压-温度曲线斜率；R_n为典型作物冠层的净辐射；G为增热土壤消耗的能量；γ为湿度计常数；T为平均气温；u₂为2m高处的风速；e_a为饱和水汽压；e_d为实际观测水汽压；

S42、计算作物生长需水量：

ETc_i,j,k＝Kc_k×ET0_i,j

式中：ETc_i,j,k是第i个用水单元第j用水时段第k种作物生长需水量，单位为mm；Kc_k为第k种作物系数；ET0_i,j为第i个用水单元第j用水时段的潜在蒸发量，单位为mm；

S43、计算每个用水单元在用水的时段的有效降雨量：

PE_i,j,k＝min(P_i,j,k,ET_i,j,k)

式中，PE_i，j，k为第i个用水单元第j用水时段第k种作物有效面雨量；

S44、计算用水单元的地下水供水量：

G_i,j,k＝f_i,j,k(h_i)

式中：G_i,j,k是第i个用水单元第j用水时段第k种作物直接利用地下水的量， mm；f_i,j,k(h_i)是不同用水单元不同用水时段不同作物类型直接利用地下水的水量与地下水埋深关系式；

S45、计算每个用水单元灌溉需水净定额：

R_i,j,k＝666.67×(ETc_i,j,k-G_i,j,k-Pe_i,j)

式中，R_i,j,k是第i单元的第j月的第k种作物的灌溉需水净定额，单位为m³/ 亩；Pe_i,j是第i个单元第j月的有效降水量，单位为mm；Pe_i,j采用实时估算法和经验公式法获取；

S46、计算每个用水单元单位面积净灌溉需水量：

式中，W_i,j是第i用水单元第j用水时段的灌溉需水量，单位为m³；W_i,j,k是第i用水单元第j用水时段第k种作物的灌溉需水量，单位为m³；A_i,j,k是第i用水单元第j用水时段第k种作物的种植面积，单位为亩；η_i,k是第i个用水单元第 k种作物的农田灌溉水有效利用系数；

S47、汇总计算各用水单元年灌溉总需水量：

其中，W_i是第i个计算单元灌溉年需水量，单位为m³；m为作物生育期的月份，取3-9月和11月。

进一步地，根据每个用水单元在灌溉周年内的灌溉需水量和灌区周年内的灌溉需水量，确定灌区不同用水时段灌溉需水量占区域总灌溉需水量之比a_j (j＝1，2，…n)。

S5：根据灌区周年可供灌溉水总量，获得灌区当前时段可供灌溉水总量；具体地，若灌区农业灌溉为用水初期，则设灌区内可供灌溉用水总量为I，当前灌区生育期可供水量为：

W₁＝a₁*I；

式中，W₁为当前灌区生育期可供水量；

若灌区农业灌溉为非用水初期，则当前用水期可供水量为：

式中，W_j为灌区当前用水期可供水量，W_y为灌区在当前用水期前的用水量， I为灌区内可供灌溉用水总量。

S6：根据灌区当前时段可供灌溉水总量和每个用水单元当前时段的灌溉需水量，计算当前时段每个用水单元的供水量；以各用水单元缺水率为空间均衡优化目标，获取当前时段灌区内用水单元水的水资源水平空间均衡优化配置和供水结构；具体地，在调整灌区农业灌溉水资源空间均衡优化配置和供水结构时，空间均衡优化目标为任意两个用水单元的缺水率相差≤3％且同时求取各用水单元缺水率累计的最小值；在作物生育期内，用水单元任意两个月的平均缺水率相差≤5％且同时求取作物生育期内用水单元各月平均缺水率累计的最小值。

S7：判断当前时段每个用水单元的供水量是否满足均衡目标，若是，进入 S8，否则，优化调整当前时段各用水单元的供水量，调整水资源水平空间均衡优化配置和供水结构，直至满足均衡目标；

S8：获取每个用水单元当前时段的地下水位，判断每个用水单元当前时段的地下水位是否在其相应时间段的预设地下水位范围内，若是，则进入S9；否则调整供水结构后，返回步骤S6；

S9：将水资源水平空间均衡优化配置和供水结构作为灌区供水方案。

本实施例以宁夏自治区贺兰县灌区为例，对本方案提供的方法进行说明。

参照步骤S1，根据贺兰县(河)渠长制管理中的灌溉区域与行政单元叠加形成的最小区域为用水单元，最终生成20个用水单元，如表1所示。

表1贺兰县灌区农业水资源时空均衡优化配置用水单元

参照步骤S2，如图2所示，将贺兰县及周边地下水埋深监测数据采用空间分析软件进行空间插值并提取现状年各用水单元内对应时段的平均地下水埋深；以及长期经验获得的不同时段各单元用水时段的地下水合理埋深。

根据步骤S3和步骤S4，通过统计年鉴和上报数据，获得不同用水单元的种植结构；然后考虑现状年不同用水单元的气象条件、种植结构、种植面积、作物系数、节水强度等计算各用水单元的作物生育期内逐月的需水量及同一时段区域需水量之比，见表2所示。

表2贺兰县各用水单元作物生育期内各月灌溉需水量单位：万m3

根据步骤S5，结合灌区可供水总量，根据步骤S4的比例，确定当前时段农业灌溉水地表和地下水可利用情况。现状年区域农业灌溉可利用总水量为45420 万m3，其中地表水为42909万m3、地下水为2511万m3。

根据步骤S6，综合步骤S5确定的区域当前时段灌溉可供水总量，与当前时段区域基本用水单元的需水量进行水资源空间均衡优化配置。在进行灌区农业灌溉水资源空间均衡优化配置时，空间均衡优化目标设置为任意两个用水单元的缺水率相差≤3％且同时求取各用水单元缺水率累计最小值。作物生育期内任意两个月的平均缺水率相差≤5％且同时求取作物生育期内各月平均缺水率累计最小值。

如图3所示，作物生育期内各月平均缺水率由187.58％降低至137.61％；作物生育期内任意两个月的平均缺水率之差控制在4.6％<5％。

经过用水期综合，最终空间均衡优化，各用水单元累计缺水率由现状的440％降为375.83％；任意两个用水单元最大缺水率之差控制在2.38％<3％；各用水单元缺水率见图4所示。

根据步骤S7，采用贺兰县平原区地下水数值模型，模拟获得以上用水期以上配水方案对应的地下水位埋深。对比控制范围见表3所示。

表3灌区地下水埋深优化单位：km²

经过地下水埋深优化，与现状年相比，地下水埋深位于合理生态水位控制阈值范围内的年均面积由189.20km2增加至192.82km2，增加了1.91％。

最终获得贺兰县整个用水周年供水方案的动态优化分配，见表4所示。

表4灌区农业灌溉水资源时空均衡优化配置方案单位：万m³

本发明可通过供水总量约束和地下水埋深控制，通过逐时段地下水的合理考虑，实现地下水和农业可供水分配量共同作用下的“真实”总量约束；通过不同用水单元供需调配的空间均衡，可实现用水单元有限水量的均衡，体现出区域社会经济发展的公平性；通过地下水埋深的控制，可实现区域用水总量约束下的社会经济用水与生态环境用水的均衡；时间优化，是在以上空间均衡约束下不同时段的均衡分配，包括灌溉用水周年年内和年际间的均衡分配，可在保障地下水生态安全前提下实现区域各用水单元的时空间均衡分配，促进灌区“生态健康有调控-生产用水有保障-循环发展可持续”的健康协调发展。

Claims (6)

1.灌区水资源均衡优化配置方法，其特征在于，包括步骤：

S1：获取灌区农业灌溉用水管理需求，将灌区划分为多个用水单元；

S2：根据灌区的遥感影像、无人机和统计资料，获取每个用水单元的土地利用情况和种植结构；

S3：获取地下水位监测数据，并筛选出灌溉周年时段每个用水单元的地下水位；

S4：根据气象条件、作物类型、地下水埋深，种植面积以及灌溉水利用系数，计算每个用水单元在用水周年中各时段的灌溉总需水量，并根据每个用水单元的灌溉总需水量，计算逐时段灌溉总需水量占用水周年剩余时段总需水量之比；

S5：根据灌区周年可供灌溉水总量，获得灌区当前时段可供灌溉水总量；

S6：根据灌区当前时段可供灌溉水总量和每个用水单元当前时段的灌溉需水量，计算当前时段每个用水单元的供水量和供水结构；

S7：判断当前时段每个用水单元的供水量是否满足空间均衡优化目标，若是，进入S8，否则，优化调整当前时段各用水单元的供水量，调整水资源水平空间均衡优化配置和供水结构，直至满足空间均衡优化目标；在调整灌区农业灌溉水资源空间均衡优化配置和供水结构时，空间均衡优化目标为任意两个用水单元的缺水率相差≤3％且同时求取各用水单元缺水率累计的最小值；在作物生育期内，用水单元任意两个月的平均缺水率相差≤5％且同时求取作物生育期内用水单元各月平均缺水率累计的最小值；

S8：获取每个用水单元当前时段的地下水位，判断每个用水单元当前时段的地下水位是否在其相应时间段的预设地下水位范围内，若是，则进入S9；否则调整供水结构后，返回步骤S6；

S9：将水资源水平空间均衡优化配置和供水结构作为灌区供水方案。

2.根据权利要求1所述的灌区水资源均衡优化配置方法，其特征在于，在步骤S4中，所述灌溉总需水量的计算方法包括：

S41、计算每个用水单元潜在蒸发量：

式中，ET0_i，j为第i个用水单元在j时段内的潜在蒸发量，单位为mm，Δ为饱和水汽压-温度曲线斜率；R_n为典型作物冠层的净辐射；G为增热土壤消耗的能量；γ为湿度计常数；T为平均气温；u₂为2m高处的风速；e_a为饱和水汽压；e_d为实际观测水汽压；

S42、计算作物生长需水量：

ETc_i,j,k＝Kc_k×ET0_i,j

式中：ETc_i,j,k是第i个用水单元第j用水时段第k种作物生长需水量，单位为mm；Kc_k为第k种作物系数；

S43、计算每个用水单元在用水的时段的有效降雨量：

PE_i,j,k＝min(P_i,j,k,ET_i,j,k)

式中，PE_i,j,k为第i个用水单元第j用水时段第k种作物的有效降雨量，单位为mm；P_i,j,k为第i个用水单元第j用水时段第k种作物有效面雨量，单位为mm；ET_i,j,k为第i个用水单元第j用水时段第k种作物生长理论需水量，单位为mm；

S44、计算用水单元的地下水供水量：

G_i,j,k＝f_i,j,k(h_i)

式中：G_i,j,k是第i个用水单元第j用水时段第k种作物直接利用地下水的量，mm；f_i,j,k(h_i)是不同用水单元不同用水时段不同作物类型直接利用地下水的水量与地下水埋深关系式；

S45、计算每个用水单元灌溉需水净定额：

R_i,j,k＝666.67×(ETc_i,j,k-G_i,j,k-Pe_i,j)

式中，R_i,j,k是第i单元的第j用水时段的第k种作物的灌溉需水净定额，单位为m³/亩；Pe_i,j是第i个单元第j用水时段的有效降水量，单位为mm；Pe_i,j采用实时估算法和经验公式法获取；

S46、计算每个用水单元单位面积净灌溉需水量：

式中，W_i,j是第i用水单元第j用水时段的灌溉需水量，单位为m³；W_i,j,k是第i用水单元第j用水时段第k种作物的灌溉需水量，单位为m³；A_i,j,k是第i用水单元第j用水时段第k种作物的种植面积，单位为亩；η_i,k是第i个用水单元第k种作物的农田灌溉水有效利用系数；

S47、汇总计算各用水单元年灌溉总需水量：

其中，W_i是第i个用水单元灌溉年需水量，单位为m³；m为作物生育期的月份，取3-9月和11月。

3.根据权利要求2所述的灌区水资源均衡优化配置方法，其特征在于，根据每个用水单元在灌溉周年内的灌溉需水量和灌区周年内的灌溉需水量，确定灌区不同用水时段灌溉需水量占区域总灌溉需水量之比a_j(j＝1，2，…n)。

4.根据权利要求1所述的灌区水资源均衡优化配置方法，其特征在于，在步骤S5中，若灌区农业灌溉为用水初期，灌区内可供灌溉用水总量为I，当前灌区生育期可供水量为：

W₁＝a₁*I；

式中，W₁为当前灌区生育期可供水量；

若灌区农业灌溉为非用水初期，则当前用水期可供水量为：

式中，W_j为灌区当前用水期可供水量，W_y为灌区在当前用水期前的用水量。

5.根据权利要求1所述的灌区水资源均衡优化配置方法，其特征在于，在步骤S1中，根据灌区农业灌溉用水管控的河长要求，划分最小用水单元，表示为i，i＝1,2,3…,n，其中，i为第i个用水单元，n为灌区内的用水单元总数。

6.根据权利要求1所述的灌区水资源均衡优化配置方法，其特征在于，在步骤S3中，基于地下水位监测数据，获取不同时段初不同用水单元的地下水水位h_i,to，h_i,to表示为第i个单元t₀时段地下水埋深；

通过灌区经验或土壤类型与毛管水上升方法获取用水周年保障灌区生态环境不退化、土壤不发生盐渍化的预设地下水位范围[h_i,t,min，h_i,t,max]。

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