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摘要：針對灌區水資源配置特點，著重從灌區水資源優化配置的內容和方法兩個方面進行了分析和總結。分析了灌區在不同行業、不同水源及不同作物間進行水資源優化配置實踐時，不同于其他區域水資源優化配置的特征；認為灌區水資源優化配置研究中，水資源模擬技術復雜、目的性不強，單獨的規劃優化技術缺乏對取用耗排過程的描述，并且優化的結果難以貼近實際。建議在未來的研究中，應深化灌區自然－人工二元水循環模擬研究，耦合模擬仿真、規劃優化和評價等多種技術，突出灌區水資源配置研究中生態環境效益的認知。

關鍵詞：水文學；優化配置；灌區；水循環模擬；評價

“保障國家糧食安全，核心在灌區。”灌區以占全國耕地49％的面積，生產了約占全國總量75％的糧食和90％以上的經濟作物。目前，灌區缺水現象十分突出，灌區內水土資源分配不均，有限的水資源缺乏統一調配，水源工程不能最大限度地發揮作用。因此，將有限的灌溉水量在時空上進行合理分配，提高灌區灌溉效益顯得尤為重要［1］。一般認為水資源配置是指在流域或特定的區域范圍內，遵循有效性、公平性和可持續性的原則，利用各種工程與非工程措施，按照市場經濟的規律和資源配置準則，通過合理抑制需求、保障有效供給、維護和改善生態環境質量等手段和措施，對多種可利用水源在區域間和各用水部門間進行的調配［2］。灌區水資源優化配置是區域水資源優化配置的重要方面，與流域或區域水資源配置既存在聯系又存在明顯不同。流域或區域水資源配置時，農業作為用水行業之一，與工業、生活、服務業等其他行業一起，在社會經濟目標前提下，參與用水分配。而灌區進行水資源配置時，農業灌溉用水是絕對的用水大戶，在社會經濟目標前提下，更強調農業用水的基礎性與重要性。流域或區域水資源配置時，一般根據水系、水利工程的分布或者行業用水特征，給出單元區域或者行業水量分配方案即可，而灌區水資源配置考慮的因素更多，配置方案更詳細。在農業用水保證的基礎上，不僅要考慮降雨、來水與作物生長階段的匹配，還要考慮灌區內水利工程的空間分布；不僅要考慮農業生產效益條件下的作物種植結構，還要考慮糧食安全前提下糧食作物播種面積的穩定。本研究主要針對灌區水資源配置的特點，對灌區水資源優化配置研究現狀進行梳理，弄清楚目前存在的主要問題，提出灌區水資源優化配置的發展趨勢。

1灌區水資源優化配置內容

1.1不同用水戶的水資源優化配置

1.11行業間的水資源優化配置

隨著灌區范圍及功能逐漸擴大，許多灌區不僅需要向農業供水，還兼顧工業、城鎮生活、服務業甚至生態環境供水。在灌區供水量不能滿足所需水量時，就會在不同行業、不同部門產生競爭用水問題。中國自20世紀60年代，開始了以水庫優化調度為先導的水資源配置研究。半個世紀以來，以國家科技攻關項目為導向，中國水資源配置研究先后經歷了：單純供需平衡、基于宏觀經濟的優化配置、面向生態的合理配置3個主要階段。當前，人們在關注水資源對經濟建設保障作用的同時，開始重視經濟發展與生態環境的用水協調，相應地，水量配置的對象也擴展到同時配置國民經濟用水和生態環境用水。灌區主要是對扣除工業、生活和服務業用水后的農業灌溉用水進行優化配置，大部分研究或者忽略了生態用水，或者將生態用水歸入農業用水。隨著灌區生態環境的惡化以及對生態用水的重視，越來越多的灌區水資源優化配置研究開始將生態需水納入配置范圍，尤其是在干旱灌區。近些年，有學者提出了生態灌區的概念，將灌區生態用水提升到一個新的高度，水資源配置的口徑也進一步擴大。如賴明華［3］以綜合效益最大為目標，兼顧工業、生活、農業、生態環境各部門的用水要求，建立了灌區水資源優化配置模型；石建勛［4］在對灌區各類生態用水進行定量化的基礎上，運用系統分析方法建立了考慮灌區生態需水的水資源優化配置模型。彭飛等［5］在干旱灌區建立了生態目標、經濟目標和社會目標最大的多目標水資源優化配置模型。

1.12作物水資源優化配置通過水資源在時間和空間上的配置，使得作物灌溉制度或者種植結構得到優化，是灌區水資源優化配置的重要落腳點，也是不同于城市、區域或流域水資源優化配置的最突出特征。早期的作物水資源優化配置僅研究單一作物的灌溉水量優化，并未考慮灌區所有作物的結構優化問題，也即灌溉制度的優化。作物進行灌溉的根本目的是給農田補充水分以滿足作物生長需求，獲得較高產量。在肥料、光照、耕地、管理措施等相同的條件下，作物生長季節的供水總量及供水量在全生育期內的分配，對農作物總產量有較大影響，作物減產程度隨不同作物不同生育階段的缺水程度而變化。研究作物產量與灌溉供水之間的關系，目的在于合理利用有限水資源，實現有限水量在作物生長期內合理配置，從而達到最大的作物產量。當一個灌區內種植多種作物時，由于不同作物生育期不同、產量對灌溉水量的敏感程度不同、產品的價格不同等因素，水資源量在時間及作物間如何分配影響到灌區總的種植收益。如何在一定水資源條件下，合理安排作物的種植結構，將有限的水資源分配到各作物之間，使全灌區獲得最大效益，是目前節水農業研究的重要課題之一。

1.2不同水源的水資源優化配置

多種水資源的聯合利用是節水型農業中的重要組成部分。灌區水源一般有地表水、地下水和其他水源。以水庫（群）蓄水為主要水源的灌區，水資源優化配置主要是充分利用水庫的調節性能，通過水庫水資源優化調度調整水庫來用水量的時間分布差異，提高水資源利用效率，同時根據灌區內部不同渠系之間的用水需求規劃，對水庫供水量進行優化分配。以河道徑流為主要水源的灌區，水資源優化配置則主要是對渠系供水過程進行設計，計算各渠系供水起始、持續時間，供水流量和供水量等變量。水資源的日益緊缺，作為水資源重要組成部分的地下水資源的開發利用和研究也日益受到重視。20世紀70年代開始了以地下水數值模擬、規劃和管理為主要內容的水資源分配研究，這些理論和方法被大量應用于北方平原井灌區。通常的做法為采用均衡法、模擬法、隨機方法等預測地下水位，估算灌區內可供開采的地下水量，在一定的約束條件下對作物種植結構或者灌溉制度進行優化［6－8］。隨著地下水評價方法的發展和應用，灌區水資源優化配置從單一的地表水或者地下水配置發展到地表水和地下水的相互轉化、聯合調度技術的研究［9］，這一變化使得整個配置系統更復雜，但也更貼近灌區用水實際。除了地表水和地下水，以池、塘、堰、坪壩蓄水為重要補充的其他水源，在南方丘陵灌區農業灌溉中發揮著重要作用，因此，一些灌區水資源配置研究中也融入了其他水的配置。通過建模，調控時采用先塘堰供水再渠道供水的方式，也有一些研究結合渠、塘、田復雜的水量轉化關系，充分考慮塘堰的調蓄供水作用，進行渠－塘優化調控［10］。

2灌區水資源優化配置方法

為了滿足不同灌區、不同水資源配置類型的要求，中國水資源配置實踐和方法研究都進行了大量的探索。研究方法主要有模擬技術、規劃優化技術以及模擬與優化耦合技術。

2.1灌區水資源模擬研究

由于水資源系統的復雜性，以及存在政治、社會、決策人偏好等各種非技術性因素，簡單使用某些優化技術并不能取得預期的效果，而模擬模型技術可更加詳細地描述水資源系統內部的復雜關系，并通過有效的分析計算獲得滿意的結果，從而為水資源宏觀規劃及實際運行調度提供充分的科學依據［11］。灌區水資源模擬模型可以分為確定性模型和隨機模型。確定性模型中，針對灌溉農業系統中農田尺度和灌區尺度的水分循環及其轉化規律，國內外的學者做了大量的試驗和模擬研究。農田尺度上，研發了作物生長模型、土壤水動力學模型、“四水”轉化、“五水”轉化模型等等，主要用于揭示作物水分利用、土壤水動態變化、不同水分轉化的田間微循環的單個或整個過程。而在灌區尺度上，分布式水文模型則被大量用于模擬灌區內水資源的分布、自然－人工復合水循環系統中水的運動和分配。如裴源生等［12］人開發了寧夏平原區分布式水循環模型，以人工引水和排水渠道作為劃分計算單元的基礎，全面模擬了寧夏平原區引、用、耗、排水量等水循環變化。近年來，隨著地下水開采利用量的增多，中國在灌區（尤其是干旱內陸灌區）地下水動態變化以及地表／地下水耦合模擬研究也進行了大量的探索。如張玉芳［5］以內蒙孿井灌區為研究對象，利用VisualMODFLOW軟件建立了研究區二維數值模擬模型，對現狀灌溉條件和優化灌溉條件下未來10a后的地下水水位進行了預測。此外，考慮到水文系統處是一個處在不斷變化之中的受多因素影響的非線性動力系統，為了對觀測到的隨機數據進行分析與處理，時間序列模型、神經網絡方法等一些隨機模型在灌區水資源模擬中也得到了廣泛的應用。如趙新宇等［13］在分析了影響引黃灌區退水主要影響因素的基礎上，應用神經網絡模型對灌區退水量進行了模擬和預測，取得了比傳統的退引比系數法更準確的結果。綜合灌區水資源模擬技術的研究情況，這些成果在極大地豐富對灌區水循環、水資源動態變化規律認識的同時，卻也存在一些不足。水資源系統以水循環和轉化為紐帶，串起了包括自然、人工、地表、土壤和地下等多個環節，組成成分眾多，相互關系復雜。雖然已有的研究在灌區水資源模擬做出了有益的探索，但是自然－人工二元水循環、地表水與地下水耦合模擬等方面的研究仍顯不夠，有待加強。此外，由于水資源系統本身的復雜性，即使經過概化處理，所建立的模擬模型依然結構龐大、參數眾多，且需要大量的數據做支撐，使用時需要結合專業人員的技術進行操作。因此，迫切需要加強對水資源模擬理論及方法的研究，提高水資源模擬軟件的實用性和可操作性。

2.2規劃優化技術研究

國際上以水資源系統分析為手段，水資源合理配置為目的的實踐研究，最初源于20世紀40年代Masse提出的水庫優化調度問題。中國在水資源配置方面的研究起步稍晚，但發展很快。隨著優化技術的發展及在灌區水資源優化配置中的應用，這一類方法大致可以劃分為線性規劃、非線性規劃、動態規劃、控制方法、神經網絡方法、遺傳算法、多目標決策技術、大系統理論與方法、隨機優化方法、模糊優化方法以及衍生的一些其他相關方法等。如楊玲［14］等按大系統分解協調原理，建立了以總效益最大為目標的灌區灌溉水資源遞階控制優化模型，采用動態規劃方法來求解，對灌區多水源水資源優化配置進行研究。由于灌區農業用水優化模型是一種高位非線性優化配置模型，傳統方法利用動態規劃結合大系統分解協調原理進行求解計算存在固有矛盾：狀態變量離散過少會降低計算精度，使計算結果偏差太大；離散過多，則又會大大降低計算效率［15］。隨著現代智能優化算法理論的發展，有學者把智能優化設計方法引入優化配置模型求解中。如陳述［16］等結合南方灌區渠、塘、田地復雜的水量轉化關系，建立了以灌溉區域效益最大為目標的渠－塘優化調控與田間多種作物優化配水相結合的耦合模型，采用了基于粒子群的人工蜂群算法對模型進行求解。劉博［17］等針對引水灌區，同時考慮灌溉用水總量和灌區時段供水量約束，以農作物產值最大為目標，建立了基于動態規劃—粒子蜂群算法的灌區農業水資源優化配置模型。關于這一類的研究有許多［18－19］，在此不一一贅述。這一類方法的研究中，配置模型經歷了從線性至非線性、單目標至多目標、單個系統至復雜大系統的轉變過程，考慮的因素更多，功能更強大。模型求解則依賴于優化算法的不斷改進或者引入智能方法來提高算法的尋優能力。規劃優化方法類似于“黑箱模型”，缺乏對灌區內水資源自然循環轉化、人工取用耗排過程的描述，尤其是排水，因此如何在優化過程中結合實際情況進行相應的調整，需要進一步研究。

2.3模擬與優化耦合技術

模擬模型直觀易懂、仿真性強，便于結合實際情況進行相應的調整，得到方案便于實施。優化模型通過設定目標函數和系統約束的方式，給出滿足給定要求下效益較好的結果，配置的目的性強，方案的經濟效益較好。模擬與優化模型的耦合便于發揮兩者的優勢，實現基于水循環模擬的水資源實時、動態和高效配置，當前已經有一些學者在這方面做出了嘗試。劉健民等［20］采用大系統遞階分析方法建立了模擬和優化相結合的三層遞階水資源供水模擬模型，并對京津唐地區的供水規劃和優化調度進行了應用研究。徐建新等［21］采用優化技術進行各種作物水量分配后，根據實際來水過程對灌溉過程采用模擬技術進行實時修正控制，建立了灌區水資源實時優化調配決策軟件。牛文淵［22］建立了內陸干旱灌區基于降雨徑流模擬的水資源配置與管理信息平臺，該平臺以集成水文模型為核心，計算了不同水文情景決策傾向的水資源優化分配模型。綜觀這一類研究，不難發現，雖然在水資源配置過程中都用到了模擬與優化技術，但是通常的方法是，模擬結果作為優化技術的基礎，或者通過對優化方案進行模擬仿真，進行配置方案的比選，兩種技術很少進行真正耦合，之間缺乏相互反饋。由于灌區水資源系統的復雜性，實現模擬和優化技術的耦合，還有很長的路要走。

3灌區水資源優化配置研究展望

3.1灌區自然－人工二元水循環模擬研究水資源優化配置要弄清楚水資源量、質、來源、利用領域，這是水資源優化配置的基礎。灌區中人類活動頻繁，強烈的人類活動改變了灌區天然水循環過程。在降水較少的干旱半干旱地區，人工取用耗排所形成的“取水—輸水—用水—排水—回歸”基本環節已起到主導作用，自然水循環過程退居次要地位。目前，自然－人工二元水循環模擬已經成為水循環研究的重要方向之一。要深入探討人工引水、輸水、用水與大氣降水、地表水、土壤水和地下水之間的相互作用機制，建立復雜灌溉渠系背景條件下的二元分布式水循環模擬模型，定量研究自然水與人工水之間的遷移轉化過程，實現水資源的實時動態配置，并為灌區水資源優化配置的后效評價奠定基礎。

32仿真模擬、規劃優化和評價

技術的耦合仿真模擬與規劃優化一直是水資源優化配置的重要技術手段。由于水資源配置的復雜性，僅使用數學優化方法避免了對水文變化過程的描述，但得到的配置方案難以貼近實際，完全采用模擬的方法則又需要大量的數據支撐模型，且目標針對性不強。因此需要借助計算機技術的發展，采用模擬—優化—模擬—評價的思路得到水資源配置的決策方案結果。通過分布式水文、水質模型和集總式水資源調配模型動態耦合起來，互相反饋，考慮人工水循環系統和天然水循環系統之間的動態作用，實現基于分布式模擬的水資源實時調配，提高水資源配置的動態性。再利用模擬技術的仿真性、可靠性強的優勢，分析各種配置方案的經濟、社會和環境影響，便于方案的選取和評價。由于配置方案決策因素眾多，各方面的效益指標在價值量度上也不統一，因此，在得到可行的配置方案和其模擬仿真結果后，還應對其實施后可能產生的效果做全面的評估，并考慮到所有涉及的方面，組成全面的評價體系（包括社會合理性、經濟合理性、生態合理性及效率合理性四大方面）［23］。

3.3重視灌區水生態、環境效益

灌區水資源優化配置要兼顧經濟－社會－資源－環境復合系統的協調，以往在水資源優化配置中忽略了水資源的生態、環境效益，生態、環境需水需求不滿足，嚴重影響了復合系統的平衡穩定。在水資源短缺的北方干旱地區，生態需水與經濟需水相互競爭，不考慮水資源的生態價值，導致了經濟需水擠占生態需水。而在水資源豐富的南方濕潤地區，在水資源開發利用中對水質保護重視不夠，存在水質性缺水。可持續發展要求以水資源可持續利用支撐和保障經濟社會的可持續發展，這要求在水資源配置研究中，充分考慮經濟發展與水資源、生態環境之間的相互協調。因此，如何從理論和技術上體現出對生態、環境需水的滿足，體現水資源配置的公平性和協調性，是水資源配置研究需要解決的問題之一。灌區水資源優化配置是農業高效用水研究的熱點問題，加強對水資源配置理論和方法的研究對提高水資源管理水平有重要意義。當前，在灌區水資源配置理論和方法上，不少學者進行了深入的研究，但還存在對灌區自然－人工水循環過程描述不清楚、采用的技術方法單一、缺乏水資源優化配置方案的后效評價以及配置過程中對生態、環境效益重視不夠等問題。今后的灌區水資源優化配置研究需要由集總式的、靜態的向分布式的、動態的方式，由單一的模擬、優化方法向多種技術的耦合，由低的水生態需水滿足度向高的滿足度發展，為灌區的可持續發展提供理論支撐。

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作者：靳曉莉；王君勤；高鵬 單位：四川省水利科學研究院