[基于GAMS的内蒙古河套灌区水资源联合利用分析]内蒙古河套灌区

　　摘要：根据国家和地方对黄河水量的分配比例，未来内蒙河套灌区引黄水量为40亿m3/a，而目前河套灌区多年平均引黄水量为52亿m3/a。随着引黄水量的逐年减少和灌区经济的快速发展，本地区水资源供需矛盾更加突出，合理利用有限水资源成为灌区的首要任务。通过灌区现状水资源供需平衡分析，并根据河套灌区中长期规划和水资源利用特点，设计了2种引黄水和地下水联合利用方案，同时对规划年水资源联合利用情况进行了优化分析，并对不同方案下的地下水动态变化进行了模拟。结果表明，通过优化产业结构、增加井渠结合灌溉面积，有效利用地下水资源包括微咸水，可以在40亿m3/a引黄水量下维持灌区可持续发展。 　　关键词：河套灌区；水资源；联合利用；GAMS 　　中图分类号：TV213文献标识码：A文章编号：16721683（2013）03001205 　　内蒙河套灌区是黄河流域特大型灌区之一，降水稀少、蒸发强烈，属于干旱、半干旱地区。灌区现有灌溉面积57.4 万hm2，多年平均引黄水量51.8亿m3/a。作为工业、生活重要水源的地下水主要靠引黄灌溉入渗补给，浅层地下水属于典型的入渗蒸发型，水分以垂直运动为主。随着节水改造工程的逐步落实，内蒙河套灌区的引黄指标将限定为40亿m3/a。在引黄水量的日益减少和人口、经济不断增长的情况下，灌区水资源供需矛盾更加突出。同时，由于地下水资源利用率较低，造成了区域土壤次生盐渍化，影响了灌区经济社会的可持续发展。因此，如何有效利用有限的水资源，改善区域生态环境，成为内蒙河套灌区亟待解决的首要问题[1]。 　　本文首先对灌区现状水资源供需进行了平衡分析，并根据河套灌区中长期规划和水资源利用特点，建立了适合河套灌区的水资源联合利用优化模型，选择2030年作为规划年，对两种情景下的水资源联合利用方案进行了分析，并模拟了规划年的地下水埋深动态变化。 　　1现状水资源供需平衡 　　根据灌区多年的引黄资料统计，河套灌区总干渠首多年平均引黄能力达到54.7亿m3/a，干渠实际引水能力为51.8亿m3/a，而分配到各灌域总的引水量为48.2亿m3/a。河套灌区现有灌溉面积为57.4 万hm2，按河套灌区总干渠续灌、干渠及以下渠道轮灌的实际情况以及灌区实测渠道水利用系数，各级渠道按面积加权得出的现状渠系水利用系数为042～0.46，灌溉水利用系数为0.30～0.36，引黄水量全部用于灌溉。灌区多年平均地下水开采水平较低，除了城镇生活、农村生活、牲畜饮用水和工业用水之外，在灌区小片分布有井灌区。根据表1多年平均供需平衡分析结果，灌区地表水全部用于灌溉，灌区多年平均地下水开采量为1.48亿m3/a，地下水利用率仅为144%。 　　另外，根据国家和地方的黄河水资源分配方案，初步确定内蒙河套灌区节水改造工程实施后，引黄水量指标为40亿m3/a。表1灌区水资源多年平均供用平衡分析结果 　　Table 1The annual average supply and demand balance of water resources in the irrigation district （unit：108 m3）亿m32灌区水资源联合利用模型 　　河套灌区主要靠引用黄河水进行农业灌溉，随着黄河水资源的日益减少，再加上分配给灌区的引黄水量将限制在40亿m3/a，其势必影响灌区经济的快速发展。另外，灌区地表水和地下水水力联系密切，且相互影响，灌区地下水主要靠引水渠系渗漏和田间灌溉入渗补给，因此，引黄水量的多少直接影响地下水的补给量，进而影响地下水的可开采量及地下水埋深；而在需水量一定的情况下，地下水可供水量同时也决定着引水量的多少。因此本文从河套灌区的实际出发，通过建立的优化模型对各个分区各个时段的地表水和地下水进行统一调配[26]，使得在既能满足各行业需水量又能充分利用地下水的前提下，总的引用黄河水量最小。 　　2.1变量设置 　　灌区内工业、生活及牲畜用水以开采地下水为主，引用的黄河水主要是进行农业灌溉，生态用水包括城镇绿化、生活服务用水和淋盐保墒用水，在计算时城镇绿化、生活服务用水归入到城镇生活用水里，而淋盐保墒用水属于秋浇水被分配给农业用水。因此，各灌域的用水行业包括城镇生活用水、农村生活用水、牲畜用水、工业用水及农业用水，分别用XT、XV、XL、XI和XA表示。后缀GW表示使用地下水源，SW表示使用地表水源，下标i、t表示第i分区t时段上述各用水行业分配的水量（i=1，2，3，4，5，分别代表一干灌域、解放闸灌域、永济灌域、义长灌域和乌拉特灌域；t=1，2，…，12，代表月份）。 　　2.2目标函数 　　在满足各约束条件下，目标函数即为引水量最小，用公式表示为： 　　minf（x）=min∑51i=1∑121t=1XASWi，t（1） 　　式中：XASWi，t为第i分区t时段引黄水量（万m3）； 　　2.3约束条件 　　（1）供水约束。 　　a.地表水可供水量约束。计算中各分区内地表用水量不能超过优化水平年可供地表水量，因而形成如下约束条件： 　　∑121t=1XASWi，t≤SWi（2） 　　∑51i=1SWi≤SQW（3） 　　式中：SWi为第i分区地表水可供水量（万m3）；QSW为灌区总的引水量（万m3）。 　　b.地下水可供水量约束。要求地下水开采量不能超过各分区地下水可开采量。而地下水可开采量可由地下水补给量乘以开采系数确定。另外，根据地下水矿化度的不同每个分区又分成k个小区： 　　XTGWi，t+XVGWi，t+XLGWi，t+XIGWi，t+ 　　XAGWi，t≤GWi，t（4） 　　GWi，t= 　　∑K1k=1（100αiPi，t+XASWi，tβi+XASWi，tηiγi+Qmi，t+Qyi，t1Fi）・Fi，kCi，k（5） 　　a.生活用水约束。水资源的合理分配是在满足资源约束的条件下，首先要达到人民生活用水的要求。根据用水标准分为城镇生活用水、农村生活用水和牲畜用水： 　　城镇XTGWi，t≥QTRGWi，t（6） 　　农村XVGWi，t≥QVRGWi，t（7） 　　牲畜XLGWi，t≥QLRGWi，t（8） 　　式中：QTRGWi，t、QVRGWi，t、QLRGWi，t分别为第i分区t时段城镇生活需水量、农村生活需水量和牲畜需水量（万m3）。 　　b.农业用水约束。为保证农作物生长需要，各分区抽取的地下水量和引地表水灌溉水量应最大程度地满足农作物需水量[7]。因而形成如下约束条件： 　　Mj，t，min≤XAWi，j，t1Aj≤Mj，t，mix（9） 　　∑J1j=1XAWi，j，t=XASWi，t+XAGWi，t（10） 　　式中：XAWi，j，t为第i分区t时段j作物的用水量（万m3）；Aj为j作物的种植面积（km2）；Mj，t，min、Mj，t，max为j作物t时段最小、最大灌水定额。 　　c.工业用水约束。为了维持工业经济的不断发展，各分区工业供水量应满足下列约束条件： 　　QIRWi，t，min≤XIGWi，t≤QIRWi，t，max（11） 　　式中：QIRWi，t，min、QIRWi，t，max为第i分区t时段工业最小、最大需水量（万m3）。 　　（3） 地下水位约束。 　　为防止由于地下水位上升或地下水位下降导致土壤盐渍化与沙漠化，必须将地下水位调控在一定的范围内。根据河套灌区土壤、植被等状况，设定灌区地下水适宜埋深为3 m[1，8]。另外，河套灌区地下水交换以垂向为主。因此，在忽略分区之间水平方向水量交换的前提下，第i分区地下水位约束可用如下不等式表示： 　　Hi，min≤Hi，t+1≤Hi，max（12） 　　Hi，t+1=Hi，t+αiPi，t1μi+ 　　XASWi，tβi+XASWi，tηiγi+XAGWi，tθi1100ηiFi-εi，t- 　　XTGWi，t+XVGWi，t+XLGWi，t+XIGWi，t++XAGWi，t1100ηiFi（13） 　　式中：Hi，min为第i分区允许最低水位值（m）；Hi，max为第i分区允许最高水位值（m）；θi为第i分区井灌回归系数；εi，t为第i分区t时段最低水位与最高水位之间蒸发强度（m3/m2）；μi为第i分区含水层给水度。 　　（4）渠沟过水能力约束。 　　a.引水渠道过水能力约束。 　　XASWi，t≤CWBi，max（14） 　　式中：CWBi，max为第i分区引水渠道最大过水能力（万m3）。 　　b.总排干沟过水能力约束。 　　（XTGWi，t+XVGWi，t+XLGWi，t+XIGWi，t+XAGWi，t）・ 　　Pdc≤DWBdc，max（15） 　　式中：DWBdc，max-总排干沟最大过水能力（万m3）；Pdc-排水系数。 　　（5）井灌开采能力约束。 　　XTGWi，t+XVGWi，t+XLGWi，t+XIGWi，t+ 　　XAGW≤COWi（16） 　　式中：COWi为第i分区开采井开采能力总和。 　　（6）非负性约束。 　　XTGWi，t、XVGWi，t、XLGWi，t、XIGWi，t、 　　XAGWi，t≥0 （17） 　　2.4模型求解 　　GAMS通用数学模型系统是世界银行与美国GAMS开发公司在20世纪90年代初开发的一种旨在建立和解决大型复杂数学规划问题的高级计算机软件。它面向分析解决综合问题的计算机用户，巧妙地融合了关系数据技术与数学规划理论，使应用中相互关联的数学模型与数据彼此独立，从而为用户在模型、算法和数据之间提供了一个便捷的接口。另外，它不需花费太多时间和精力去研究模型的算法，从而避免了动态规划中“维数灾”的障碍。 　　任何一个GAMS程序都由集合、数据、模型、求解、报告5个部分，如表2所示。利用这些语句再与一般的算术运算内部函数、基本设置及用户界面环境相结合，便可构成一个完整的模型系统[910]。 　　表2GAMS语言基本语句 　　Table 2Basic sentences of GAMS language 　　类型1命令1意义集合1SETS1集合的定义与赋值1SCALAR1单参数的定义与赋值数据1PARAMETERS1多维参数组的定义与赋值1TABLE1多维参数表的定义与赋值1VARIABLES1变量定义模型1EQUATION1方程定义1MODEL1模型定义求解1SOLVE1模型求解1DISPLAY1数据输出报告1FILE1数据输出路径及文件名定义1PUT1数据输出至指定文件3水资源联合利用方案分析 　　针对灌区水资源利用特点及节水改造工程实施情况，本文设置了2种联合利用方案。第一种方案是考虑节水工程改造和配套设施完善等进展情况，尤其是井渠结合灌溉面积的增加速度不可能过快。在满足各行业需水（包括地表需水和地下需水）条件下，河套灌区最小的引黄水量，本方案比较切合实际，命名为C1联合利用方案。第二种方案是考虑引黄水量受到限制（甚至不足40亿m3/a）时，增加井渠结合灌溉区域的面积，通过抽取地下水灌溉，以弥补地表水不足。该情况需要调整地区的发展模式，提高地下水开采能力，实施周期较长，本方案命名为C2联合利用方案。 　　另外，根据灌区中长期规划，设定2030年为规划年，规划年各部门需水量均根据当地相关部门发展规划计算得来。 　　3.1C1联合利用方案分析 　　利用本文建立的灌区水资源联合利用模型，对C1联合利用方案进行了水资源优化配置，供需平衡分析结果见表3，地下水埋深模拟结果见图5。 　　3.2C2联合利用方案分析 　　4结论 　　（1）两种联合利用方案下规划年2030年引黄水量分别为39.66亿m3/a和36.42亿m3/a，比多年平均减少了约18%和24%，而地下水利用率则分别提高了约67%和72%。因此，在合理调整产业布局、优化作物种植结构、采用先进灌溉技术、加强井渠结合灌溉、提高地下水利用率、协调分配各灌域引黄水量，以及全面落实续建配套与节水改造工程等前提条件下，可以在引黄水量减少的情况下维持灌区经济社会的可持续发展。 　　（2）本文所计算的地下水供水量，不仅包括了矿化度　　（3）从规划年供需平衡分析结果来看，部分灌域由于工业需水量的急剧增加，从而使得地表水有余，而地下水不足。因此，除了使用节水新技术和新设备、提高工业水的重复利用率外，也可以通过水权置换，把一部分地表水转让给用水量较大的工业，从而避免出现集中开采所导致的一系列生态环境问题。 　　参考文献（References）： 　　[1]王伦平，陈亚新，曾国芳.内蒙古河套灌区灌溉排水与盐碱化防治[M].北京：水利水电出版社，1993.（WANG Lunping，CHEN Yaxin，ZENG Guofang.Irrigation，Drainage and Salinization Control in Hetao Irrigation District of Inner Mongolia[M].Beijing：China Water Power Press，1993.（in Chinese）） 　　[2]马斌，解建仓，汪妮，等.多水源引水灌区水资源调配模型及应用[J].水利学报，2001，（9）：5963.（MA Bin，XIE Jiancang，WANG Ni，et al.Optimal Operation Model for Multireservoir in Irrigation Area and Its Application[J].Journal of Hydraulic Engineering，2001，（9）：5963.（in Chinese）） 　　[3]杨庆娥，李恒太，王晓琳，等.邯郸市南水北调供水区多水源联合调度研究[J].南水北调与水利科技，2007，5（4）：3739.（YANG Qinge，LI Hengtai，WANG Xiaolin，et al.Study on Joint Optimal Operation of MultiSource Water Supply of SouthtoNorth Water Transfer Project in Handan[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2007，5（4）：3739.（in Chinese）） 　　[4]Bharati L.，Rodgers C.，Erdenbergere T.，et al.Integration of Economic and Hydrologic Mmodels：Exploring Conjunctive Irrigation Wwater Use Strategies in the Volta Basin[J].Agricultural Water Management，2008，95（8）：925936. 　　[5]Safavi H.R.，Darzi F.，Marino M.A.SimulationOptimization Modeling of Conjunctive Use of Surface Water and Groundwater[J].Water Resources Management，2010，（24），19651988. 　　[6]吴丽，田俊峰.区域产业结构与用水协调的优化模型及评价.南水北调与水利科技，2011，9（4）：5154.（WU Li，TIAN Junfen.Optimal Model of Coordination between Industrial Structure and Water Resources Utilization as well as its Evaluation[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2011，9（4）：5154.（in Chinese）） 　　[7]Bogachan Benli，Suleyman Kodal.A Nonlinear Model for Farm Optimization with Adequate and Limited Water Supplies Application to the Southeast Anatolian Project （GAP） Region[J].Agricultural Water Management，2003，62：187203. 　　[8]赵锁志，孔凡吉，王喜宽，等.地下水临界深度的确定及其意义探讨―以河套灌区为例[J].内蒙古农业大学学报，2008，29（4）：164197.（ZHAO Suozhi，KONG Fanji，WANG Xikuan，et al.Confirming of Critical Depth of Groundwater Level and Discussion on its SignificanceTake Hetao Irrigation Area for Example[J].Journal of Inner Mongolia Agricultural University，2008，29（4）：164197.（in Chinese）） 　　[9]Brooke A.，Kendrick D.，Meeraus A.，et al.GAMSA User’s Guide[K].GAMS Development Corporation，Washington，DC，1998. 　　[10]王晓峰，党志良.西安城市供水多水源水量水质联合优化调度[J].西北大学学报（自然科学版），1999，29（5）：437440.（WANG Xiaofeng，DANG Zhiliang.A Study on Multisource of Water Quantity and Quality Union Optimal Dispatch of Xi’an City Water Supply[J].Journal of Northwest University （Natural Science Edition），1999，29（5）：437440.（in Chinese））1第11卷第3期