涇惠渠灌區水資源論文

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1涇惠渠灌區地下水位合理埋深的確定

地下水的合理埋深是針對地下水的動態調控提出的，它不是一個確定的深度而是一個變化的范圍。灌區大量引用地表水灌溉將使區域地下水位上升，可能導致次生鹽堿化現象的出現，因此，地下水合理埋深的上限應是不引起土壤嚴重積鹽，危害作物生長的地下水最小埋深。地下水合理埋深的下限在一些關于灌區水量調控的研究中將其確定為生態水位（保持植物正常生長的最大地下水埋深），在降水稀少、缺乏灌溉的干旱地區將生態水位作為地下水合理埋深的下限是必要的［7］。涇惠渠灌區屬于半濕潤易旱區，降水較為豐富，灌溉充分，作物生長所依賴的土壤水除了地下水補給外，主要有降水、灌溉入滲及渠道滲漏的補給，地下水對其補給量所占的比例相對于以上幾種補給來源的補給量較小，且考慮到灌區出現的含水層枯竭、地面沉降及抽水成本等問題，涇惠渠灌區地下水合理埋深下限的確定應綜合考慮有利于地下水接受補給、動態恢復和機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、李鳳嶺等人對土壤積鹽與地下水關系的分析成果，根據防止土壤鹽堿化的重要指標－毛細上升高度和作物根系主要活動層厚度來確定地下水位合理埋深上限［8］，其計算公式如下：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層厚度，m。土壤毛細上升高度對不同的土壤質地是不同的，作物根系主要活動層厚度隨作物種類的不同而不同。灌區土壤質地與文獻［9］中所研究的地區的部分土壤質地類似，不同土壤質地的毛細上升高度可參考文獻［9］實驗得到的數據；研究區內作物主要活動層厚度可參考文獻［10］確定。根據式（1）可計算灌區不同分區地下水合理埋深上限。

1．2合理埋深下限的確定

根據涇惠渠灌區多年實測資料的分析以及實地考察，將涇渭河河漫灘及一級階地地區、涇河二級階地地區、涇河三級階地及渭河二級階地地區多年平均地下水埋深作為各分區有利于地下水接受補給、動態恢復的最大適宜埋深，即地下水合理埋深下限；黃土臺塬區地下水埋深較大，部分地區埋深超過了灌區一般農用機井的允許提水深度，因此綜合考慮該區能夠接受地下水接受補給及動態恢復的適宜深度和機井的允許提水深度，將該地區地下水合理埋深下限設定為25m，各分區地下水位埋深下限結果詳。

2灌區水資源聯合調控

2．1調控思路水資源聯合調控的模式

將地下水位的合理埋深上下限作為約束條件，首先根據各用水部門實際用水定額及工業經濟、農業發展和人口增長規模預測出各部門的需水量，然后以保證用水需求和充分利用地表水為目的，對地表水、地下水進行初步供需平衡，再次，將初步調控結果中的地表水、地下水利用量以及降水量、蒸發量、徑流量、氣溫等作為影響因素，利用PSO－RBF神經網絡預測出各分區的地下水位，根據地下水位對多種水源進行平衡調控。若某區預測結果超過了地下水合理埋深的下限，則利用水均衡法計算出極限埋深條件下的地下水可開采量，進行供需平衡（地表水供水量不變），對于缺水部分考慮以其他水源進行補充；若埋深小于上限，則調整井渠用水比，減少地表水引用量，適當增加地下水開采量。

2．2調控方案

設置針對灌區水資源利用特點、涵養水源及灌區節水工程的實施狀況，本文設置了兩種水資源聯合調控方案，基本方案和節水方案。基本方案是在滿足各行各業需水條件下對灌區水資源進行調控，該方案比較切合實際；節水方案是考慮灌區節水工程的實施狀況、節水意識的普及狀況及產業結構的調整，最大限度地減少各行業的用水定額，特別是通過調整灌區農作物種植比例來減少農業灌溉這一灌區最大耗水部門的用水量，從而使得灌區缺水量達到最小，該方案需調整灌區的發展模式及提高人們的節水意識，實施周期較長。

2．3供需水量預測

（1）需水量預測。需水量預測是保證水資源可持續利用的前提。涇惠渠灌區需水量預測包括農業、工業、生活及生態需水量預測。由于定額法考慮全面周到，因此運用定額法對各部門的需水量進行預測。

（2）供水量預測。可供水量是水資源供需平衡分析的要素，根據調控思路，對灌區地表水可供水量及其他水源（主要指污水回用及雨水集蓄）可供水量進行預測。對灌區蓄水工程、引水工程進行調節分析計算，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用于地下水回灌，工業用水，農業灌溉、城市非飲用水，景觀環境用水等，對緩解灌區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《西安市雨水利用規劃》、《西安市水中長期供求規劃》可估算出不同水平年各研究單元污水及雨水回用量。

2．4地下水埋深預測

本文采用粒子群算法（PSO）對RBF神經網絡參數進行優化［11，12］，并運用優化過的RBF神經網絡方法對涇惠渠灌區地下水埋深進行預測。通過對涇惠渠灌區1981－2010年觀測井資料分析，選用降雨量、蒸發量、徑流量、渠灌引水量、氣溫、地下水開采量6個指標為神經網絡的輸入變量，地下水埋深為輸出變量。運用實測數據檢驗，檢驗結果表明經PSO－RBF神經網絡模型預測出的埋深數據可達到較高的精度要求，實測值、預測值擬合曲線Fig．3FittingcurveofgroundwaterburieddepthPSO－RBF網絡模型具體構建步驟如下：①將RBF的中心、寬度以及網絡權值編碼成實數向量來表示種群中的個體。②初始化粒子群。③計算每個粒子的適應度，將粒子的當前位置作為初始pi，從種群中找出適應度最小的粒子作為初始pg；將當前適應度與的適應度進行比較，如果當前適應度更好，則更新pi；對于每個粒子，將其pi適應度與pg適應度進行比較，如果pi的適應度更好，則更新pg；④對每個粒子的速度和位置進行更新，產生下一代的粒子群。⑤如果當前的迭代次數達到預先設定的最大次數，則停止迭代，在最后一代找到全局最優解的近似值，否則，返回步驟③。⑥將pg對應的粒子作為RBF神經網絡的參數，利用RBF算法進行訓練，直至滿足條件，結束訓練。⑦利用灌區實驗站1959－2008年的年均降水量、徑流量、氣溫及蒸發量資料，1981－2008年的年均地下水開采量、渠灌引水量資料，建立時間序列模型，據此預測出灌區2009－2020年的年均降水量、徑流量、蒸發量、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練好的POS－RBF模型，對地下水埋深進行預測。

2．5調控結果按所設置的調控方案及調控思路

對涇惠渠灌區各水文地質分區水資源供需平衡分析，得到水資源調控結果（涇河二級階地地區所占面積最大，需水量最大，且考慮到篇幅限制，這里僅給出該地區調控結果）從上述可以看出：2015年75％保證率條件下，涇河二級階地地區未實行水資源供需調控時，總需水將達到36715萬m3，為滿足需水要求，地表水供水量為19000萬m3，同時需開采地下水17715萬m3，在該情形下運用PSO－RBF神經網絡對地下水位埋深預測，得出埋深為13．1m，超出了埋深下限12．5m，表明需進行供需調控。從需水調控角度出發，通過增加節灌面積，調整產業結構等措施，可將需水量控制在34399萬m3，節水量可達2316萬m3；從供水調控角度出發，以地下水極限埋深12．5m為約束條件，利用水均衡法計算出該地區地下水最大開采量應為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，導致出現缺水現象，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，涇河二級階地地區基本方案的需水量為38334萬m3，初始水資源調控情形下，地下水埋深將達到13．3m，較2015年增加0．2m，超出了埋深下限12．5m。經調控后，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，將出現少量缺水，其缺水率為4．9％。綜合說明，通過本次調控可緩解涇惠渠灌區水環境問題，將地下水位埋深控制在易于恢復且不發生鹽堿化的合適范圍內，同時將生活、工業污水經處理后作為供水水源，可彌補供水量不足，但在2020年仍出現少量缺水，建議新建、改建水利工程，適當增加地表水供水量。

3結論

（1）考慮到涇惠渠灌區屬于北方灌區以及灌區各水文地質分區富水性的差異，以水文地質分區為研究單元，對75％、50％保證率下的水資源進行調控，結果可靠。

（2）PSO－RBF神經網絡，很大程度上克服了RBF神經網絡不恰當選取網絡結構及參數所帶來的網絡收斂慢的問題。對涇惠渠灌區地下水埋深模擬預測結果表明，PSO－RBF算法具有較高的預測精度。

（3）按照所設定不同水文地質單元、植被類型條件下的水位埋深上下限值進行水資源調控，可維持灌區水資源可持續利用，緩解鹽漬化、地下水超采等問題。此外，對地下水埋深遠大于所設定的地下水埋深下限的局部地區，需進行地下水回灌補給，調蓄地下水庫容。

作者：李慧 周維博 賀軍奇 王金鳳 董起廣 黨永仁 單位:長安大學環境科學與工程學院 長安大學旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室 長安大學水與研究發展院 陜西省涇惠渠灌區管理局