收稿日期:1999-01-29；修订日期:1999-07-10 作者简介：李庆朝(1953-)，男，山东莘县人，山东聊城师范学院地理系副教授。长期从事水文、水
资源方面的教学与研究工作，发表论文30余篇。
文章编号:1000-0585(1999)03-0305-07
——以山东省聊城地区为例
李庆朝，张二勋
(聊城师范学院地理系，山东聊城 252059)
摘要：采用系统工程分析的方法，研究黄淮海平原渠灌、地下暗管灌、喷灌等农田灌溉工程配套模式，并就其用水、耗资、能耗及占用土地等在山东省聊城地区进行了实例分析。关 键 词：水资源；工程模式；目标函数；实例分析中图分类号:S274 文献标识码:A 农业水资源是指对农作物有浇灌意义的当地地表径流、可开采地下淡水以及由引入的地表客水。农
业水资源的开发利用，需要兴建各种排灌工程体系，包括渠道、扬水站、桥、涵、闸、路、机井等。农田灌溉模式，实质是对各种排灌工程体系的规划。对不同地区，规划的要求各异，然而旱、涝、碱综合治理，省水、省钱、省油(或电)和少占用土地，应当是普遍的要求，特别是对于水资源短缺，人均占有耕地日益减少的北方平原地区，这种要求尤其重要。因此，农田灌溉模式是一个多目标规划的问题。本研究设置四个目标函数，即灌溉用水最省，费用最少，能耗最少，占用土地最少。本文以黄淮海平原的聊城地区为例，所得的结论对黄淮海平原农业水资源规划具有一定的意义。 1 计算模型
本项目研究的对象是农田水利基本建设田块，其面积为666.667hm 2。假定在这个田块内，农作物除了由大气降水满足其需水外，还可以开采当地地下水及引用地表水进行灌溉。田块内的排灌工程体系的建设，要求作到旱、涝、碱综合治理，即既要满足灌溉用水，也要考虑排涝和控制地下水位，防止地下水位过高而导致作物受渍或产生次生盐碱化，避免地下水位下降形成降落漏斗。决策变量是灌溉方式、井距、排灌渠系关系等[1]。1.1 农业水资源的供需模拟计算 农业水资源的供需模拟即典型降水年内作物浇灌需水量平衡分析，求出逐时段的地表水和地下水灌溉用水量。作物的浇灌需水量指作物的毛灌溉定额，不同的作物品种，不同的灌溉方式如渠灌、地下暗管灌、喷灌等，其定额并不相同。作物的需水量H I 可以同时或分别由降水量P 、地表毛引灌水量H S 和地下水开采量H G 来满足。假设一年内分成若干时段$t
第18卷 第3期1999年9月
地 理 研 究
GEOGRAPHICAL RESEARCH
V ol.18,No.3
Sept.,1999
(例如月)，则对每个$t 均可写成如下供需平衡方程式[2,3]
:
H I =A õP +B õH S +C õH G
青梅1H
(1)
式中 A 为降水有效利用系数;B 为引灌地表水有效利用系数;C 为开采地下水的有效利用系数。公式(1)中的H I 和P 是已知的，引灌地表水量H S 及需开采地下水量H G 是待求的。H I 、P 、H S 、及H G 的单位均为mm 。
1.2 地表水排灌工程体系费用及占用土地计算
排灌工程体系是指基本建设田块内的排涝工程体系和灌溉工程体系。排涝工程体系是指排涝支沟、农沟以及与之配套的桥、涵、闸。灌溉工程体系按灌溉方式分成三种：渠灌、地下暗管灌和喷灌。不管那种灌溉方式，均要求排涝，均有排涝工程体系。排涝工程体系的兴建投资及管理维护费用，风险损失，占用土地面积等主要取决于排涝工程标准。1.2.1 渠道工程体系费用、能耗及占用土地面积计算
(1)扬水泵站、桥、涵、闸工程基建投资费C CT
C CT =(C BR +C CON +C GA )õY XX
(2)
式中 C BR 、C CON 、C GA 分别为桥、涵、闸投资费用；当不考虑调蓄，即不建闸时,C GA =0。
Y XX 为考虑了银行利率，在NT Y 年后的金额数，用下式计算:
Y XX =(1+f f )N TY
(3)
式中 ff 为银行利率,N TY 为计算年限。
(2)N TY 年限内分支渠及农渠全部费用C SS 1
C SS 1=C ST T (1)+C S TT (2)
(4)
式中 C SS T (1)、C SS T (2)分别表示分支渠及农渠全部费用。
(3)耗油量O L S 1和耗电量E L S 1
O LS 1=O L (1)+O L (2)
(5)E LS 1=E L (1)+E L (2)
(6)
式中 Q L (1)、Q L (2)分别为分支渠及农渠耗油量;E L (1)、E L (2)分别为分支渠及农渠耗电
量。
(4)渠道工程体系占用土地面积
¹排灌合一时，占地面积A SS
棒球棍材料A S S =
∑2
i =1S
S S
(i )õL L (i )(7)
式中 S S S (i )为排灌合一渠道上口宽(m);L L (i )为渠道长度。
º排灌分设时，占地面积A SS
A SS =
∑2
i =1
S
S
(i )õL L (i )(8)
式中 S S (i )为排灌分设渠道上口宽(m )，同一标准时S S (i )宽度应大于S S S (i )。1.2.2 地下暗管灌溉工程体系引灌费用、能耗及占用土地计算
对于同一作物品种，地下暗管灌溉定额将比渠道灌溉定额要小，由于输水和排涝需要，仍保留排灌合一的分支渠及农渠。 (1)引灌费用C S S 2计算
引灌费用包括渠系费用C S S 1，采用公式(4)计算。设地下暗管投资费用为C PC ，维修管理
306
地 理 研 究
18卷
费C PCR ，则暗管引灌费用为:
C SS 2=C PC +C PCR
(9) (2)引灌耗油量O L S 2及耗电量E L S 2
O L S 2=O L A (1)+O L A (2)
(10)E L S 2=E L A (1)+E L A (2)
(11)
式中 O L A (i )、E L A (i )分别为不同级别的暗管引灌耗油量或耗电量。 (3)占用土地和渠道灌溉系统一致，用公式(7)计算。1.2.3 喷灌工程体系的引灌费用、能耗及占用土地计算
对同一作物品种，喷灌的浇灌需水量H I 最小。由于输水和排涝要求，也要保留排灌合一的分支渠及农渠。
(1)引灌费用C S S 3计算
引灌费用包括渠系费用C S S 1，采用公式(4)计算，设喷灌系统建设投资费为P S CO ，设喷灌运转管
理维修费为P SER ，则引灌费用为:
C SS 3=C SS 2+P SCO +P S ER
(12) (2)引灌耗油量O L S 3、耗电量E L S 3
O LS 3=O L P (1)+O L P (2)(13)E LS 3=E L P (1)+E L P (2)
(14)
式中 O L P (i )、E L P (i )分别为不同级别的喷灌耗油量及耗电量。 (3)占用土地和渠道灌溉系统一致，用公式(7)计算。1.3 井灌费用及能耗计算[4]
(1)机井建设投资费用C C
C C =N W ELL õ(C
D +C T +C P +C O )õY X X
(15)
式中 N WEL L 为规划布机数;C D 为钻井、成井投资;C T 为输水设备费;C P 为机泵配套费;C O 为其它如井屋等建设费用。 (2)机井抽水费用C GW
C GW =T õG WC õN WEL L
(16)
式中 T 为机井抽水历时;G WC 为机井开机抽水每小时的用油费或用电费。 (3)机井的管理维修费C R
C R =N W EL L õW M R
(17)
式中 W MR 为每眼井每年维修管理费。 (4)N TY 年内机泵折旧损失费C PR
C PR =N WEL L õC P õ∑i =1
[(1-F K )i -1õF K ](1+f f )N T Y -i
(18)
式中 F K 为机泵年损耗率。 (5)井灌的费用C GG
C GG =C C +C R +C PR +C GW
(19) (6)井灌的耗油量O L GG 和耗电量E LGG
O L GG =T õG WO õN T Y õN W EL L
飞行模拟舱
(20)E L GG =T õG WE õN T Y õN W EL L
(21)
307
卡片式u盘
3期 李庆朝等：黄淮海平原农田灌溉模式及其效益的研究
式中 G WO、G WE分别为开机抽水每小时的耗油和耗电量。
2 实例研究
根据以上建立的模型，我们以山东省聊城地区为例作了研究。
2.1 农业水资源概况
聊城地区地处鲁西北黄泛平原，面积8590km2。多年平均降水量587.1mm。降水为当地浅层地下水的主要补给来源，多年平均达10.70×108m3。过境的黄河水资源量多年平均达420.3×108m3，有利于黄河水灌溉。
目前，引黄灌区设计灌溉面积36.6×104hm2。近10年来，平均年引黄河水达10.53m3。全区有配套机井67044眼，灌溉面积4.59×104hm2，局部地区已因过量开采地下水形成漏斗，而另一些地区由于排水不畅，产生土壤盐碱化。
2.2 决策变量对目标函数的影响
各目标函数不仅取决于决策变量，还取决于降水典型年和引黄量的多少。降水量分成丰、平、枯三种典型年，其保证率分别为25%、50%、75%。通过对位山灌区历年引黄量进行统计分析，亦可分成三个阶段，即多引水年、中引水年和少引水年。其保证率分别为25%、50%、75%。从规划的角度,75%保证率的降水年份和保证率25%的引黄量组合是比较现实可行的。决策变量的灵敏度分析即建立在此基础上。
本算例的决策变量为三种灌溉方式、五种井距，两种排灌渠布置方式。在满足各种约束条件下，从中出单项目标最优和多目标非劣的规划方案。为了深化对优化方案的认识，先分析决策变量对目标函数的影响。
2.2.1 灌溉方式对目标函数的影响 在排涝标准Q D=0.8mm/h、井距离D=300m的前提下，灌溉方式对各种规划目标的影响列于表1。表1说明，在30年的规划期内，渠灌，地下暗管灌、喷灌的费用比为:1∶0.70∶1.89，喷灌投资最大，地下暗管灌溉虽比渠灌增加一些投资，因省水而节省引灌和开采费用，所以总费用最小。油耗比是1∶0.44∶0.13；电耗比是1∶0.47∶0.15；由此可见，不同的灌溉方式，对能耗影响很大，喷灌仅是渠灌能耗的13%～15%，地下暗管灌也比渠灌节省能源50%以上。渠灌、地下暗管灌、喷灌的灌溉用水量的比例是1∶0.58∶0.2，喷灌是渠灌用水量的20%，非常省水，地下暗管灌也比渠灌省水近50%，总之，灌溉方式是非常灵敏的决策变量。由于喷灌省水，对地下水的开采量亦要减少，地下水位基本不下降。
表1中，渠灌方式是排灌合一，排涝标准Q D=0.88m m/h，地下暗管和喷灌也采用同一排涝标准，因此，三种灌溉方式占用土地面积是一样的。
表1 不同灌溉方式对目标函数的影响
Tab.1 Result of objective f unction under diff erent irrigation ways
方式
费用
/
万元
能 耗
油/t电/万kW h
灌溉总用
水量/mm
备 注
渠 灌1092.932841.51488.10651
地下暗管灌769.621243.6704.22378排灌合一
喷 灌2068.45374.3222.60128
308地 理 研 究18卷
表2 不同渠道布设方式对目标函数的影响Tab .2 Result of obj ective f unction under
dif f erent canal system
方式总费用/万元油耗/t
电耗/万k Wh
占地面积/%A 排灌合一1029.932841.51488.100.32B 排灌分设1232.062216.51175.61 1.37(B-A)/A
0.127
-0.22
-0.21
3.28
2.2.2 渠道布设方式对目标函数的影响 兹以排涝标准为0.8mm /h ，井距为300m 为例，计算结果列于表2。在采用同样的灌溉方式时(如渠灌)，对灌溉用水量没有影响，但对总费用、能耗和占用土地均有影响，排灌分设的费用比排灌合一增加12.7%，但能耗将减少21%～22%，排灌分设比排灌合一
多占土地，每基本田块多占7hm 2
，如整个聊
城地区都采用排灌分设，则要占用土地7.8×104hm 2，比排灌合一多占用耕地5.9×104hm 2。2.2.3 井距对目标函数的影响 当排涝标准Q D =0.8mm /h，排灌合一时，井距D 对目标函数的影响计算结果见表3。表3说明，井距越大，布井数则愈少，总费用愈低，井距从500m 变到300m ，总费用增加26%，油耗增加28%；若井距变到150m ，总费用增加58%，油耗增加39%。另外，如井距大于300m ，则因井数太少，而导致严重缺水。因此，井距在300m 为佳。
表3 不同井距对目标函数的影响
耐高温盘根Tab .3 Result of objective f unction under diff erent well distance
D /m 150200250300350400450500费用/万元1368.51216.681139.61092.91040.6461.7915.6868.6油耗/t 3089.22977.02899.02842.02720.02495.02366.02222.0电耗/万kW h 1609.51554.0
1516.31488.11428.61318.31255.31184.2缺水量/mm
19.8
56.4
77.3
102.0
2.3 最优和非劣规划方案
兹介绍从600个规划方案中出的单目标最优的方案和多目标非劣的方案。表4 各种灌溉方式的用水状况Tab .4 Situation of water demand under diff erent irrigation ways
项目
渠灌地下暗管灌
喷灌总用水量/mm 651382131地表水引水量/mm 296304127地下水开采量/mm 35578 4.0地下水最小埋深/m 3.02 2.58 2.60地下水最大埋深/m
5.30摆线齿轮
3.56
3.44
2.3.1 单目标最优的规划方案 (1)灌溉用水量最省的规划方案。影响灌溉用水量的是降水量，可供地表引水量，灌溉方式三个因素，当选定保证率为75%的降水年型以及保证率为25%的引黄量作为基本资料输入计算机，计算得表4。由表4可知，灌溉总用水量最省的方案是喷灌。(2)费用最少的规划方案。除了降水本身是天然提供的以外，所有决策变量均影响到费用，现将
不同灌溉方式各费用最少的方案列于表5。从表5可知，费用最少的规划方案是采用地下暗管灌溉、排灌合一渠系、井距为500m 的方案，该方案要比最省的渠灌方案节省费用22.6%。(3)能耗最小的规划方案。现将不同灌溉方式各自能耗最小的方案列于表6。从表6可知，喷灌、排灌合一、井距为300m 的方案最省能源。能耗最小的喷灌方案比渠灌在666.667hm 2基本建设田块，在30年内，节省油880t ；省电484万kWh 。喷灌、地下暗管灌渠灌各自最省能源的方案中，耗油量之比是1∶2.9∶3.4；耗电量之比是1∶2.8∶3.2。(4)渠系占地面积最小。排涝标准、渠道布设方式，对
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