引黃灌區(qū)水資源聯(lián)合利用耦合模型.pdf

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1、第27卷2011歪第4期4月農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)Transactionsof也eCSAE、，b1．27No．4Apr．201135引黃灌區(qū)水資源聯(lián)合利用耦合模型岳衛(wèi)峰1，楊金忠2，占車生3(1．北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院地下水污染控制與修復(fù)教育部工程研究中心，北京100875；2．水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(武漢大學(xué))，武漢430072；3．中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101)摘要：隨著引黃水量日益減少，如何有效利用有限的地表水和地下水，成為內(nèi)蒙河套灌區(qū)亟待解決的問題。該文以引黃水量最小和地下水開采量最大為目標(biāo)，以控制各用水區(qū)地下水位在適宜范圍作為約束

2、條件，通過動(dòng)態(tài)耦合地下水模擬模型與地表地下水聯(lián)合利用優(yōu)化模型，建立了灌區(qū)水資源聯(lián)合利用耦合模型，最后應(yīng)用此耦合模型對(duì)灌區(qū)2020和2030年的引黃水和地下水進(jìn)行了優(yōu)化分配。結(jié)果表明：通過合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和有效利用地表地下水，灌區(qū)2020和2030年的引黃水量分別為39．15、38．54億m3／a，可以達(dá)到國家規(guī)定的40億m3／a指標(biāo)。研究成果可為黃河流域乃至全國其它干旱灌區(qū)的水資源高效利用、鹽堿化防治等方面提供借鑒和參考。關(guān)鍵詞：水資源，優(yōu)化，模型，地下水，聯(lián)合利用，引黃灌區(qū)doi：10．3969a．issn．1002—6819．2011．04．007中圖分類號(hào)：TV213文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編

3、號(hào)：1002—6819(2011)-04—0035—06岳衛(wèi)峰，楊金忠，占車生．引黃灌區(qū)水資源聯(lián)合利用耦合模型[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(4)：35—40．YueWbifeng．YangJinzhong。ZhanChesheng．CoupledmodelforconjunctiveUSeofwaterresourcesintheYellowRiverirrigationdistrict『J1．TransactionsoftheCSAE'2011，27(4)：35--40．(inChinesewithEnglishabstract)0引言隨著人口的急劇增長和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)水

4、資源量和質(zhì)的要求在不斷提高，聯(lián)合利用地表水和地下水資源的重要性越來越受到人們的重視。上世紀(jì)60年代初，美國哈佛大學(xué)水規(guī)劃小組首先采用數(shù)學(xué)模擬方法解決地表水與地下水的聯(lián)合運(yùn)用問題，之后50年來，該問題的研究始終是水資源研究中最為活躍的領(lǐng)域之一。國內(nèi)外眾多學(xué)者在規(guī)劃技術(shù)、模型結(jié)構(gòu)、耦合方法等各個(gè)方面開展了深入的研究，并取得了豐碩的研究成果[1。71。綜合地表水和地下水聯(lián)合利用模型的研究情況，仍存在較多問題，尤其是在模型耦合方面，常用的嵌入法和響應(yīng)函數(shù)法都有明顯的局限性，主要表現(xiàn)在所建立的模擬模型不能精確刻畫地下水體的運(yùn)動(dòng)，尤其是對(duì)于大型、復(fù)雜的非線性地下水系統(tǒng)，在耦合時(shí)往往進(jìn)行了簡(jiǎn)化。因此，如何把

5、詳細(xì)描述水資源合理配置的優(yōu)化模型與精確刻畫水流運(yùn)動(dòng)的模擬模型進(jìn)行耦合，是聯(lián)合利用模型需要解決的關(guān)鍵問題。內(nèi)蒙河套灌區(qū)是黃河流域特大型灌區(qū)之一，現(xiàn)有灌溉面積5740km2，灌區(qū)多年平均引黃水量51．80億m3，約93％用于農(nóng)業(yè)灌溉，但灌溉水利用系數(shù)僅為0．30"-"0．36。根據(jù)灌區(qū)多年供需平衡分析結(jié)果，灌區(qū)地下水可開收稿日期：2010-06．30修訂日期：2010．09．28基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41001318、40901023)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃課題(2006AAl00207)。作者簡(jiǎn)介：岳衛(wèi)峰(1978一)，男，河南輝縣人，博士，主要從事水資源與水環(huán)境研究。北京北京師

6、范大學(xué)水科學(xué)研究院地下水污染控制與修復(fù)教育部工程研究中心，100875。Email：yuewf@bnu．edu．∞采量為13．22億m3，但利用率僅為11．2％。此外，根據(jù)國家對(duì)黃河引水量總體規(guī)劃的要求，內(nèi)蒙河套灌區(qū)的引黃指標(biāo)為40億m3，引黃水量的日益減少，使得水資源供需矛盾更加突出。如何有效利用地表水和地下水是維持灌區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題【8】。本文以優(yōu)化模型與模擬模型之間公共參數(shù)和變量作為耦合點(diǎn)，通過動(dòng)態(tài)耦合水資源優(yōu)化配置模型與地下水?dāng)?shù)值模擬模型，建立了灌區(qū)水資源聯(lián)合利用耦合模型，并對(duì)灌區(qū)2020和2030年的水資源進(jìn)行了優(yōu)化配置，對(duì)各區(qū)域地下水埋深進(jìn)行了模擬。本模型旨在通過宏觀

7、水量調(diào)控與微觀數(shù)值模擬相結(jié)合，達(dá)到既能有效利用灌區(qū)水資源，又能防止土壤次生鹽堿化的目的。1地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬模型1．1模型建立根據(jù)研究區(qū)含水層特性以及地下水開發(fā)利用情況，設(shè)定含水層為非均質(zhì)各向同性介質(zhì)，地下水?dāng)?shù)值模擬模型采用潛水非穩(wěn)定二維流動(dòng)方程進(jìn)行描述，數(shù)學(xué)模型如下·吖L“～-潮1+珈?，針∞=∥掣(訓(xùn))∈Q，r≥0H(x，y，0)=日o(z，Y)(3C,Y)EQ，t=0(1)K舊一曰)塑：』o