黃河水資源管理實(shí)踐探索

黃河水資源管理實(shí)踐探索

1重要成就和應(yīng)用1.1農(nóng)業(yè)退水規(guī)律難以掌握,影響黃河水資源高效利用黃河寧蒙灌區(qū)有效蓄水量約100萬hm。全年平均黃河水資源約148億3m，占黃河可供水量370億3m的40%。灌溉。寧蒙灌區(qū)地下水位高、土壤鹽漬化嚴(yán)重、灌溉定額大、取水口多、灌溉渠系工程布局復(fù)雜等,使得灌區(qū)渠道退水和田間排水量大、歷時(shí)長且過程復(fù)雜,退水總量和退水過程及其變化規(guī)律難以掌握,從而給黃河水資源統(tǒng)一管理和水量實(shí)時(shí)、科學(xué)調(diào)配帶來了很大困難。因此,研究寧蒙灌區(qū)的退水規(guī)律,計(jì)算并總結(jié)灌區(qū)取、耗、退水總量及其變化規(guī)律,可提高灌溉水利用效率,為強(qiáng)化黃河水資源統(tǒng)一管理、優(yōu)化配置和水量實(shí)時(shí)調(diào)度提供科學(xué)的依據(jù)和手段。1.2灌溉水實(shí)時(shí)調(diào)度優(yōu)化配置方案本項(xiàng)目研究的總目標(biāo)是計(jì)算并總結(jié)寧蒙各灌區(qū)的退水量及其變化規(guī)律,建立灌區(qū)水量優(yōu)化配置方案和黃河水量實(shí)時(shí)調(diào)度方案計(jì)算軟件系統(tǒng),為提高灌溉水利用效率和黃河水量調(diào)度服務(wù)。1.3水文年末取、退水過程預(yù)測模型應(yīng)用成果主要包括:①寧蒙灌區(qū)退水規(guī)律研究報(bào)告;②寧蒙各灌區(qū)不同水文年旬取、退水量過程預(yù)測計(jì)算模型;③寧蒙各灌區(qū)不同水文年旬取、退水總量計(jì)算軟件。2方法、內(nèi)容和完成順序2.1學(xué)習(xí)方法本項(xiàng)目擬采用資料分析、大田實(shí)驗(yàn)、灌區(qū)監(jiān)測和模型計(jì)算等研究方法。2.2寧蒙主要類型農(nóng)田退水規(guī)律研究寧蒙灌區(qū)的退水量主要包括三部分:排除農(nóng)田地下水,可分為農(nóng)田排水溝排水量、灌溉渠道直接退水量、山洪和暴雨徑流量。影響灌區(qū)退水規(guī)律的主要因素有灌區(qū)取水量、灌溉用水量、降雨量、渠道滲漏量、農(nóng)田騰發(fā)量、農(nóng)田四水(灌溉和降雨、騰發(fā)、土壤水、地下水)轉(zhuǎn)換規(guī)律、農(nóng)田排水能力、渠道退水量、排水溝網(wǎng)和退水渠網(wǎng)匯流規(guī)律等。主要內(nèi)容及需要解決的問題包括:(1)調(diào)查分析寧蒙灌區(qū)的基本特征和取水量、降雨量、灌溉水量和退水量資料,研究寧蒙各灌區(qū)不同水文年黃河取水量、灌溉耗水量和退入黃河水量的變化規(guī)律及年內(nèi)分布特征。(2)根據(jù)寧蒙各灌區(qū)降雨量、灌溉需水量和農(nóng)田騰發(fā)量變化規(guī)律,以旬為時(shí)段,建立不同水文年旬降雨量、灌溉需水量實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)模型。(3)通過大田試驗(yàn)和理論分析,研究灌區(qū)灌溉和降雨、農(nóng)田騰發(fā)、土壤水和地下水轉(zhuǎn)化規(guī)律。(4)通過小區(qū)試驗(yàn)、監(jiān)測和模型計(jì)算,研究寧蒙各灌區(qū)田間排水溝排水量及其變化規(guī)律,并分析各因素對排水規(guī)律的影響。(5)研究農(nóng)田各級排水溝網(wǎng)匯流規(guī)律,建立農(nóng)田排水量實(shí)時(shí)預(yù)測模型。(6)研究灌區(qū)黃河取水量、灌溉用水量等因素對灌溉渠道退水量及其變化規(guī)律的影響,研究退水渠網(wǎng)匯流規(guī)律,并建立渠道退水量預(yù)報(bào)模型。(7)研究寧蒙灌區(qū)降雨和山洪對灌區(qū)退水規(guī)律的影響。(8)研究寧夏沙湖、內(nèi)蒙古烏梁素海對灌區(qū)退水規(guī)律的影響。(9)在以上研究的基礎(chǔ)上,研究寧蒙灌區(qū)不同水文年各退水口的退水總量及其過程變化規(guī)律,建立寧蒙灌區(qū)旬退水量實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)模型。(10)研究開發(fā)寧蒙灌區(qū)退水量預(yù)測計(jì)算應(yīng)用軟件。(11)注意解決的主要問題:不同灌溉水量和降雨條件下,農(nóng)田排水溝排水量變化規(guī)律及各級排水溝匯流特征;寧蒙灌區(qū)黃河各退水口退水量及變化過程預(yù)測模型。2.3寧蒙農(nóng)田水分析模型的研究內(nèi)容第一階段,初步分清寧蒙灌區(qū)不同水文年的取水、耗水和退水量的關(guān)系,為取水許可總量控制、定額管理及流域水資源統(tǒng)一管理與調(diào)度提供依據(jù)。主要內(nèi)容為:①實(shí)地調(diào)查寧蒙各灌區(qū)自然條件、灌溉面積、灌溉排水和退水工程現(xiàn)狀;②收集各灌區(qū)取水量、灌溉水量、排水量和退水量資料,應(yīng)用3S技術(shù)核實(shí)灌溉面積,分析研究各灌區(qū)年取水量、灌溉用水量、退水量及年內(nèi)變化特征和三者間的關(guān)系;③研究分析寧蒙各灌區(qū)降雨特征,并建立降雨和灌溉需水量預(yù)測模型。第二階段,掌握寧蒙灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化規(guī)律,農(nóng)田排水溝排水量、渠道退水過程及其變化規(guī)律,以及退水溝渠網(wǎng)匯流特征。主要內(nèi)容為:①在灌區(qū)選擇典型地域,建設(shè)試驗(yàn)監(jiān)測區(qū),監(jiān)測降雨量、灌溉用水量、氣象資料、農(nóng)田騰發(fā)量、渠道滲漏量、農(nóng)田排水量、渠道取水量和退水量、降雨徑流量、地下水位和土壤水分等資料;②在試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行四水轉(zhuǎn)化試驗(yàn);③在灌區(qū)典型排水溝出口、退水渠進(jìn)出口觀測退水量及其變化過程;④研究各灌區(qū)取水量、灌溉用水量、排水溝排水量、渠道直接退水量及其變化規(guī)律和四者間的關(guān)系;⑤研究渠道退水量和各級排水溝排水量匯流規(guī)律。第三階段,掌握寧蒙灌區(qū)退水規(guī)律,建立寧蒙灌區(qū)各旬取、退水量計(jì)算模型,開發(fā)出相應(yīng)的灌區(qū)退水量計(jì)算軟件,為黃河水資源優(yōu)化配置、水量實(shí)時(shí)統(tǒng)一調(diào)度提供科學(xué)的技術(shù)手段。主要內(nèi)容為:①利用農(nóng)田水管理DRAINMOD模型進(jìn)行農(nóng)田排水量預(yù)測計(jì)算;②各灌區(qū)降雨和山洪對灌區(qū)退水規(guī)律影響的研究;③建立寧蒙灌區(qū)退水量預(yù)測計(jì)算模型,并用實(shí)測資料驗(yàn)證;④研究開發(fā)寧蒙灌區(qū)旬退水量預(yù)測計(jì)算軟件。3研究技術(shù)方法本項(xiàng)目擬采取水文資料計(jì)算分析、小區(qū)試驗(yàn)、灌區(qū)監(jiān)測、理論分析和模型計(jì)算相結(jié)合的技術(shù)路線。3.1技術(shù)方法流程技術(shù)路線流程見圖1。3.2農(nóng)田排水水分交流規(guī)律觀測在分析調(diào)查寧蒙各灌區(qū)土壤、氣候條件、作物種類、地下水位和農(nóng)田灌溉排水方式等基礎(chǔ)上,在寧蒙各灌區(qū)選定2～3個(gè)典型小區(qū),開展大田四水轉(zhuǎn)化、灌區(qū)水循環(huán)和農(nóng)田排水過程等試驗(yàn),各典型小區(qū)面積不少于35hm2,應(yīng)為相對獨(dú)立的灌排系統(tǒng),其中包括典型的斗、農(nóng)、毛輸水渠道和排水農(nóng)溝、支溝。(1)在灌區(qū)各試驗(yàn)小區(qū)設(shè)立氣象站,以觀測灌區(qū)氣溫、風(fēng)速、溫度、光照、蒸發(fā)和降雨過程。(2)在試驗(yàn)區(qū)選定一面積約300m2且具有代表性的平地,并將其分為三部分:①降水入滲TDR測定區(qū),擬設(shè)一個(gè)長5m,寬3m的測坑,并設(shè)地下水位觀測孔,其主要任務(wù)是用TDR時(shí)域反射儀進(jìn)行土壤垂直剖面水分觀測;②積水入滲試驗(yàn)區(qū),由測坑和積水小區(qū)及中子水分儀測孔、地下水觀測孔組成,主要任務(wù)是模擬地面灌溉入滲試驗(yàn)觀測,利用中子水分儀和TDR水分儀觀測土壤垂直剖面水分動態(tài)變化,以水均衡法分析研究灌溉條件下地表水、騰發(fā)水、土壤水和地下水四水轉(zhuǎn)化規(guī)律;③土壤水分運(yùn)動參數(shù)測定區(qū),主要應(yīng)用中子水分儀、雙套環(huán)入滲儀等進(jìn)行土壤水分入滲規(guī)律和參數(shù)的測定,參數(shù)主要為非飽和土壤導(dǎo)水率、土壤入滲參數(shù)、飽和導(dǎo)水率、土壤水?dāng)U散率等,這些參數(shù)將為農(nóng)田排水量計(jì)算奠定基礎(chǔ)。(3)農(nóng)田排水試驗(yàn)區(qū)。該區(qū)主要用于觀測在農(nóng)田灌溉、降雨、土壤蒸發(fā)和作物蒸騰耗水過程中農(nóng)田地下水位和農(nóng)田排水量的變化規(guī)律,以分析灌溉、降雨和騰發(fā)對農(nóng)田排水規(guī)律的影響:①在試驗(yàn)小區(qū),選擇兩個(gè)典型而且相鄰的農(nóng)田排水農(nóng)溝,在兩溝間垂直排水溝方向布設(shè)三排地下水位觀測孔,以觀測兩溝間不同位置地下水位的動態(tài)變化,在兩排水溝排水出口安設(shè)量水堰,以觀測排水流量;②監(jiān)測灌溉水量(灌溉定額)、降雨量、騰發(fā)量變化對地下水位和農(nóng)田排水量變化規(guī)律的影響。(4)在寧蒙各灌區(qū)各級典型排水溝出口處和退水口處安設(shè)量水設(shè)施,并監(jiān)測農(nóng)田排水量、降雨或山洪徑流量、渠道退水量及其變化過程。3.3寧蒙各類型農(nóng)田退水流量計(jì)算的4個(gè)基本內(nèi)容(1)根據(jù)歷史降雨觀測資料,分析寧蒙各灌區(qū)降雨特征,結(jié)合降雨預(yù)報(bào),利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,建立各灌區(qū)不同水文年的降雨量實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)模型。(2)根據(jù)寧蒙灌區(qū)各取水口和相應(yīng)的退水口以及上下游水文站的流量觀測資料,采用水量平衡法分析計(jì)算寧蒙各灌區(qū)不同水文年退水量及其變化過程。(3)根據(jù)各灌區(qū)灌溉面積、土壤條件、作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉制度和灌溉水利用系數(shù),計(jì)算各灌區(qū)灌溉用水量,將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法相結(jié)合,建立不同水文年灌溉需水量模型。(4)在試驗(yàn)、監(jiān)測資料分析及土壤水和地下水運(yùn)動參數(shù)確定的基礎(chǔ)上,建立灌區(qū)取水量、降雨量、騰發(fā)量與農(nóng)田排水量的關(guān)系,利用農(nóng)田水管理DRAINMOD模型預(yù)測計(jì)算農(nóng)田排水量,利用試驗(yàn)資料確定模型參數(shù)和驗(yàn)證模型。(5)應(yīng)用水文學(xué)產(chǎn)匯流原理,計(jì)算并研究灌區(qū)降雨和山洪徑流量及其變化規(guī)律。(6)應(yīng)用明渠非恒定流和計(jì)算水力學(xué)理論,建立農(nóng)田各級排水溝網(wǎng)和明渠退水溝網(wǎng)的匯流仿真模型,利用小區(qū)觀測資料確定模型參數(shù),并對模型進(jìn)行驗(yàn)證。(7)根據(jù)試驗(yàn)監(jiān)測和理論研究成果,對寧蒙各灌區(qū)退水口的退水流量,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),以灌區(qū)取水量、灌溉用水量、降雨量和農(nóng)田騰發(fā)量為參數(shù),以旬為時(shí)段,建立各灌區(qū)退水口流量實(shí)時(shí)計(jì)算預(yù)報(bào)模型。(8)開發(fā)寧蒙灌區(qū)退水量計(jì)算軟件包,該軟件包包括灌溉用水量、降雨量、灌區(qū)徑流量、農(nóng)田排水量、渠道退水量、排水溝網(wǎng)匯流量計(jì)算軟件。由于寧蒙灌區(qū)面積大、分布廣,因此農(nóng)田土壤空間變異性對土壤水分和地下水運(yùn)動的參數(shù)值影響很大,少數(shù)小區(qū)試驗(yàn)成果難以代表整個(gè)灌區(qū)的實(shí)際。本項(xiàng)目擬在小區(qū)試驗(yàn)成果基礎(chǔ)上,應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論研究農(nóng)田土壤水分和地下水運(yùn)動參數(shù)的空間變異性,以得到符合灌區(qū)實(shí)際的土壤水分運(yùn)動參數(shù),為模型計(jì)算奠定科學(xué)基礎(chǔ)。4灌排系統(tǒng)的3種主要技術(shù)本項(xiàng)目研究內(nèi)容主要涉及灌區(qū)灌溉需水量、灌區(qū)降雨、農(nóng)田排水計(jì)算及其溝網(wǎng)匯流規(guī)律、灌溉渠道退水量及其變化規(guī)律等,其研究難度大,要重視引進(jìn)國內(nèi)外成功的先進(jìn)技術(shù)來填補(bǔ)尚不成熟的缺陷,提高本項(xiàng)目研究成果的水平。近40年來,國內(nèi)外在農(nóng)田三水轉(zhuǎn)化理論與調(diào)控技術(shù)方面開展了大量研究工作,但這些研究多集中在工程技術(shù)和計(jì)算模型的求解方面,而對三水轉(zhuǎn)化機(jī)理本身揭示得不多,研究成果不成熟;在農(nóng)田排澇漬、鹽堿土改良和排水工程技術(shù)方面開展了大量研究與應(yīng)用工作,但真正將氣象、土壤、灌溉、降雨、農(nóng)業(yè)種植作物、地下水等系統(tǒng)完全考慮在內(nèi)而建立的排水量預(yù)報(bào)模型還很少見。如在引黃濟(jì)衛(wèi)和陜西涇惠渠灌區(qū)都實(shí)現(xiàn)了地表水和地下水并用、井渠雙灌,并在農(nóng)田排水,防治澇漬、鹽堿方面得到了應(yīng)用。20世紀(jì)80年代,美國北卡羅來納州立大學(xué)生物和農(nóng)業(yè)工程系R.Wayne.Skagge教授等人提出了農(nóng)田水管理的DRAINMOD模型,現(xiàn)已開發(fā)出計(jì)算機(jī)軟件包,該軟件模擬必須以長期的氣象資料為基礎(chǔ),主要輸入的資料包括氣象資料(氣溫、降雨、蒸發(fā)量)、土壤(土壤水分特征曲線、飽和導(dǎo)水率、透水層深度等)灌溉資料、作物資料以及排水系統(tǒng)基本參數(shù)(暗管、排水溝深度、間距等)、用來模擬計(jì)算地下水位變化及灌溉降雨情況下的農(nóng)田排水量及變化過程。DRAINMOD模型已被西安理工大學(xué)水電學(xué)院引進(jìn)并開發(fā)應(yīng)用。國外灌區(qū)排澇方面的研究主要集中在排澇流量的分析計(jì)算方面,如在低洼易澇地區(qū)的排澇模型和不同土地利用形態(tài)對徑流特性的影響方面,歐美及日本已開發(fā)了眾多的模型。水管理以及灌排系統(tǒng)的控制運(yùn)行問題是灌排設(shè)施能否充分發(fā)揮效益的關(guān)鍵所在,國外十分重視這方面的研究工作,從信息采集和管理、系統(tǒng)的調(diào)度決策、管理設(shè)施的配備到管理機(jī)制的完善等都開展了廣泛的研究。在信息的采集和管理方面,3S技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的應(yīng)用研究受到廣泛關(guān)注,有些技術(shù)已應(yīng)用于生產(chǎn)。如美國、日本等發(fā)達(dá)國家基本上實(shí)現(xiàn)了全國氣象臺站的聯(lián)網(wǎng),灌區(qū)中央控制系統(tǒng)可通過聯(lián)網(wǎng)直接獲取氣象信息,用于灌排系統(tǒng)的管理和調(diào)度。近年來,美國、日本等利用GIS已開發(fā)了考慮空間變異特性的作物需水量計(jì)算模型。水量調(diào)度決策方面,決策支持系統(tǒng)是國外研究較多