涇惠渠灌區(qū)水資源論文

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1涇惠渠灌區(qū)地下水位合理埋深的確定

地下水的合理埋深是針對(duì)地下水的動(dòng)態(tài)調(diào)控提出的，它不是一個(gè)確定的深度而是一個(gè)變化的范圍。灌區(qū)大量引用地表水灌溉將使區(qū)域地下水位上升，可能導(dǎo)致次生鹽堿化現(xiàn)象的出現(xiàn)，因此，地下水合理埋深的上限應(yīng)是不引起土壤嚴(yán)重積鹽，危害作物生長(zhǎng)的地下水最小埋深。地下水合理埋深的下限在一些關(guān)于灌區(qū)水量調(diào)控的研究中將其確定為生態(tài)水位（保持植物正常生長(zhǎng)的最大地下水埋深），在降水稀少、缺乏灌溉的干旱地區(qū)將生態(tài)水位作為地下水合理埋深的下限是必要的［7］。涇惠渠灌區(qū)屬于半濕潤(rùn)易旱區(qū)，降水較為豐富，灌溉充分，作物生長(zhǎng)所依賴的土壤水除了地下水補(bǔ)給外，主要有降水、灌溉入滲及渠道滲漏的補(bǔ)給，地下水對(duì)其補(bǔ)給量所占的比例相對(duì)于以上幾種補(bǔ)給來源的補(bǔ)給量較小，且考慮到灌區(qū)出現(xiàn)的含水層枯竭、地面沉降及抽水成本等問題，涇惠渠灌區(qū)地下水合理埋深下限的確定應(yīng)綜合考慮有利于地下水接受補(bǔ)給、動(dòng)態(tài)恢復(fù)和機(jī)井的允許提水深度等因素。

1．1合理埋深上限的確定

參考羊錦忠、李鳳嶺等人對(duì)土壤積鹽與地下水關(guān)系的分析成果，根據(jù)防止土壤鹽堿化的重要指標(biāo)－毛細(xì)上升高度和作物根系主要活動(dòng)層厚度來確定地下水位合理埋深上限［8］，其計(jì)算公式如下：Hmin＝Hp＋Z（1）式中：Hmin為地下水合理埋深上限，m；Hp為土壤毛管水上升高度，m；Z為作物根系主要活動(dòng)層厚度，m。土壤毛細(xì)上升高度對(duì)不同的土壤質(zhì)地是不同的，作物根系主要活動(dòng)層厚度隨作物種類的不同而不同。灌區(qū)土壤質(zhì)地與文獻(xiàn)［9］中所研究的地區(qū)的部分土壤質(zhì)地類似，不同土壤質(zhì)地的毛細(xì)上升高度可參考文獻(xiàn)［9］實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)；研究區(qū)內(nèi)作物主要活動(dòng)層厚度可參考文獻(xiàn)［10］確定。根據(jù)式（1）可計(jì)算灌區(qū)不同分區(qū)地下水合理埋深上限。

1．2合理埋深下限的確定

根據(jù)涇惠渠灌區(qū)多年實(shí)測(cè)資料的分析以及實(shí)地考察，將涇渭河河漫灘及一級(jí)階地地區(qū)、涇河二級(jí)階地地區(qū)、涇河三級(jí)階地及渭河二級(jí)階地地區(qū)多年平均地下水埋深作為各分區(qū)有利于地下水接受補(bǔ)給、動(dòng)態(tài)恢復(fù)的最大適宜埋深，即地下水合理埋深下限；黃土臺(tái)塬區(qū)地下水埋深較大，部分地區(qū)埋深超過了灌區(qū)一般農(nóng)用機(jī)井的允許提水深度，因此綜合考慮該區(qū)能夠接受地下水接受補(bǔ)給及動(dòng)態(tài)恢復(fù)的適宜深度和機(jī)井的允許提水深度，將該地區(qū)地下水合理埋深下限設(shè)定為25m，各分區(qū)地下水位埋深下限結(jié)果詳。

2灌區(qū)水資源聯(lián)合調(diào)控

2．1調(diào)控思路水資源聯(lián)合調(diào)控的模式

將地下水位的合理埋深上下限作為約束條件，首先根據(jù)各用水部門實(shí)際用水定額及工業(yè)經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)發(fā)展和人口增長(zhǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)出各部門的需水量，然后以保證用水需求和充分利用地表水為目的，對(duì)地表水、地下水進(jìn)行初步供需平衡，再次，將初步調(diào)控結(jié)果中的地表水、地下水利用量以及降水量、蒸發(fā)量、徑流量、氣溫等作為影響因素，利用PSO－RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)出各分區(qū)的地下水位，根據(jù)地下水位對(duì)多種水源進(jìn)行平衡調(diào)控。若某區(qū)預(yù)測(cè)結(jié)果超過了地下水合理埋深的下限，則利用水均衡法計(jì)算出極限埋深條件下的地下水可開采量，進(jìn)行供需平衡（地表水供水量不變），對(duì)于缺水部分考慮以其他水源進(jìn)行補(bǔ)充；若埋深小于上限，則調(diào)整井渠用水比，減少地表水引用量，適當(dāng)增加地下水開采量。

2．2調(diào)控方案

設(shè)置針對(duì)灌區(qū)水資源利用特點(diǎn)、涵養(yǎng)水源及灌區(qū)節(jié)水工程的實(shí)施狀況，本文設(shè)置了兩種水資源聯(lián)合調(diào)控方案，基本方案和節(jié)水方案?；痉桨甘窃跐M足各行各業(yè)需水條件下對(duì)灌區(qū)水資源進(jìn)行調(diào)控，該方案比較切合實(shí)際；節(jié)水方案是考慮灌區(qū)節(jié)水工程的實(shí)施狀況、節(jié)水意識(shí)的普及狀況及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，最大限度地減少各行業(yè)的用水定額，特別是通過調(diào)整灌區(qū)農(nóng)作物種植比例來減少農(nóng)業(yè)灌溉這一灌區(qū)最大耗水部門的用水量，從而使得灌區(qū)缺水量達(dá)到最小，該方案需調(diào)整灌區(qū)的發(fā)展模式及提高人們的節(jié)水意識(shí)，實(shí)施周期較長(zhǎng)。

2．3供需水量預(yù)測(cè)

（1）需水量預(yù)測(cè)。需水量預(yù)測(cè)是保證水資源可持續(xù)利用的前提。涇惠渠灌區(qū)需水量預(yù)測(cè)包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活及生態(tài)需水量預(yù)測(cè)。由于定額法考慮全面周到，因此運(yùn)用定額法對(duì)各部門的需水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

（2）供水量預(yù)測(cè)?？晒┧渴撬Y源供需平衡分析的要素，根據(jù)調(diào)控思路，對(duì)灌區(qū)地表水可供水量及其他水源（主要指污水回用及雨水集蓄）可供水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)灌區(qū)蓄水工程、引水工程進(jìn)行調(diào)節(jié)分析計(jì)算，可算出不同水平年地表水可供水量；污水及雨水回用水可廣泛應(yīng)用于地下水回灌，工業(yè)用水，農(nóng)業(yè)灌溉、城市非飲用水，景觀環(huán)境用水等，對(duì)緩解灌區(qū)水資源短缺有著重要的意義，因此可作為供水水源之一，參照《西安市雨水利用規(guī)劃》、《西安市水中長(zhǎng)期供求規(guī)劃》可估算出不同水平年各研究單元污水及雨水回用量。

2．4地下水埋深預(yù)測(cè)

本文采用粒子群算法（PSO）對(duì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化［11，12］，并運(yùn)用優(yōu)化過的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)涇惠渠灌區(qū)地下水埋深進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過對(duì)涇惠渠灌區(qū)1981－2010年觀測(cè)井資料分析，選用降雨量、蒸發(fā)量、徑流量、渠灌引水量、氣溫、地下水開采量6個(gè)指標(biāo)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量，地下水埋深為輸出變量。運(yùn)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)PSO－RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)出的埋深數(shù)據(jù)可達(dá)到較高的精度要求，實(shí)測(cè)值、預(yù)測(cè)值擬合曲線Fig．3FittingcurveofgroundwaterburieddepthPSO－RBF網(wǎng)絡(luò)模型具體構(gòu)建步驟如下：①將RBF的中心、寬度以及網(wǎng)絡(luò)權(quán)值編碼成實(shí)數(shù)向量來表示種群中的個(gè)體。②初始化粒子群。③計(jì)算每個(gè)粒子的適應(yīng)度，將粒子的當(dāng)前位置作為初始pi，從種群中找出適應(yīng)度最小的粒子作為初始pg；將當(dāng)前適應(yīng)度與的適應(yīng)度進(jìn)行比較，如果當(dāng)前適應(yīng)度更好，則更新pi；對(duì)于每個(gè)粒子，將其pi適應(yīng)度與pg適應(yīng)度進(jìn)行比較，如果pi的適應(yīng)度更好，則更新pg；④對(duì)每個(gè)粒子的速度和位置進(jìn)行更新，產(chǎn)生下一代的粒子群。⑤如果當(dāng)前的迭代次數(shù)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的最大次數(shù)，則停止迭代，在最后一代找到全局最優(yōu)解的近似值，否則，返回步驟③。⑥將pg對(duì)應(yīng)的粒子作為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，利用RBF算法進(jìn)行訓(xùn)練，直至滿足條件，結(jié)束訓(xùn)練。⑦利用灌區(qū)實(shí)驗(yàn)站1959－2008年的年均降水量、徑流量、氣溫及蒸發(fā)量資料，1981－2008年的年均地下水開采量、渠灌引水量資料，建立時(shí)間序列模型，據(jù)此預(yù)測(cè)出灌區(qū)2009－2020年的年均降水量、徑流量、蒸發(fā)量、氣溫、渠灌引水量、地下水可開采量。⑧將各影響因素變量值代入訓(xùn)練好的POS－RBF模型，對(duì)地下水埋深進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2．5調(diào)控結(jié)果按所設(shè)置的調(diào)控方案及調(diào)控思路

對(duì)涇惠渠灌區(qū)各水文地質(zhì)分區(qū)水資源供需平衡分析，得到水資源調(diào)控結(jié)果（涇河二級(jí)階地地區(qū)所占面積最大，需水量最大，且考慮到篇幅限制，這里僅給出該地區(qū)調(diào)控結(jié)果）從上述可以看出：2015年75％保證率條件下，涇河二級(jí)階地地區(qū)未實(shí)行水資源供需調(diào)控時(shí)，總需水將達(dá)到36715萬m3，為滿足需水要求，地表水供水量為19000萬m3，同時(shí)需開采地下水17715萬m3，在該情形下運(yùn)用PSO－RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)地下水位埋深預(yù)測(cè)，得出埋深為13．1m，超出了埋深下限12．5m，表明需進(jìn)行供需調(diào)控。從需水調(diào)控角度出發(fā)，通過增加節(jié)灌面積，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等措施，可將需水量控制在34399萬m3，節(jié)水量可達(dá)2316萬m3；從供水調(diào)控角度出發(fā)，以地下水極限埋深12．5m為約束條件，利用水均衡法計(jì)算出該地區(qū)地下水最大開采量應(yīng)為13534萬m3；在地表水供水量保持不變的情況下，因限定了地下水開采量，導(dǎo)致出現(xiàn)缺水現(xiàn)象，缺水率為5．4％，通過增加雨水集蓄和污水回用工程可降低缺水率。同理，2020年75％保證率條件下，涇河二級(jí)階地地區(qū)基本方案的需水量為38334萬m3，初始水資源調(diào)控情形下，地下水埋深將達(dá)到13．3m，較2015年增加0．2m，超出了埋深下限12．5m。經(jīng)調(diào)控后，水資源需求量可下降為36821萬m3，地表水供水量為18500萬m3，地下水極限開采量為13534萬m3，雨水集蓄和污水回用量為3000萬m3，將出現(xiàn)少量缺水，其缺水率為4．9％。綜合說明，通過本次調(diào)控可緩解涇惠渠灌區(qū)水環(huán)境問題，將地下水位埋深控制在易于恢復(fù)且不發(fā)生鹽堿化的合適范圍內(nèi)，同時(shí)將生活、工業(yè)污水經(jīng)處理后作為供水水源，可彌補(bǔ)供水量不足，但在2020年仍出現(xiàn)少量缺水，建議新建、改建水利工程，適當(dāng)增加地表水供水量。

3結(jié)論

（1）考慮到?jīng)芑萸鄥^(qū)屬于北方灌區(qū)以及灌區(qū)各水文地質(zhì)分區(qū)富水性的差異，以水文地質(zhì)分區(qū)為研究單元，對(duì)75％、50％保證率下的水資源進(jìn)行調(diào)控，結(jié)果可靠。

（2）PSO－RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，很大程度上克服了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不恰當(dāng)選取網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)所帶來的網(wǎng)絡(luò)收斂慢的問題。對(duì)涇惠渠灌區(qū)地下水埋深模擬預(yù)測(cè)結(jié)果表明，PSO－RBF算法具有較高的預(yù)測(cè)精度。

（3）按照所設(shè)定不同水文地質(zhì)單元、植被類型條件下的水位埋深上下限值進(jìn)行水資源調(diào)控，可維持灌區(qū)水資源可持續(xù)利用，緩解鹽漬化、地下水超采等問題。此外，對(duì)地下水埋深遠(yuǎn)大于所設(shè)定的地下水埋深下限的局部地區(qū)，需進(jìn)行地下水回灌補(bǔ)給，調(diào)蓄地下水庫(kù)容。

作者：李慧 周維博 賀軍奇 王金鳳 董起廣 黨永仁 單位:長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 長(zhǎng)安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)安大學(xué)水與研究發(fā)展院 陜西省涇惠渠灌區(qū)管理局