泾惠渠灌区水资源论文
１泾惠渠灌区地下水位合理埋深的确定
地下水的合理埋深是针对地下水的动态调控提出的，它不是一个确定的深度而是一个变化的范围。灌区大量引用地表水灌溉将使区域地下水位上升，可能导致次生盐碱化现象的出现，因此，地下水合理埋深的上限应是不引起土壤严重积盐，危害作物生长的地下水最小埋深。地下水合理埋深的下限在一些关于灌区水量调控的研究中将其确定为生态水位（保持植物正常生长的最大地下水埋深），在降水稀少、缺乏灌溉的干旱地区将生态水位作为地下水合理埋深的下限是必要的［７］。泾惠渠灌区属于半湿润易旱区，降水较为丰富，灌溉充分，作物生长所依赖的土壤水除了地下水补给外，主要有降水、灌溉入渗及渠道渗漏的补给，地下水对其补给量所占的比例相对于以上几种补给来源的补给量较小，且考虑到灌区出现的含水层枯竭、地面沉降及抽水成本等问题，泾惠渠灌区地下水合理埋深下限的确定应综合考虑有利于地下水接受补给、动态恢复和机井的允许提水深度等因素。
１．１合理埋深上限的确定
参考羊锦忠、李凤岭等人对土壤积盐与地下水关系的分析成果，根据防止土壤盐碱化的重要指标－毛细上升高度和作物根系主要活动层厚度来确定地下水位合理埋深上限［８］，其计算公式如下：Ｈｍｉｎ＝Ｈｐ＋Ｚ（１）式中：Ｈｍｉｎ为地下水合理埋深上限，ｍ；Ｈｐ为土壤毛管水上升高度，ｍ；Ｚ为作物根系主要活动层厚度，ｍ。土壤毛细上升高度对不同的土壤质地是不同的，作物根系主要活动层厚度随作物种类的不同而不同。灌区土壤质地与文献［９］中所研究的地区的部分土壤质地类似，不同土壤质地的毛细上升高度可参考文献［９］实验得到的数据；研究区内作物主要活动层厚度可参考文献［１０］确定。根据式（１）可计算灌区不同分区地下水合理埋深上限。
１．２合理埋深下限的确定
根据泾惠渠灌区多年实测资料的分析以及实地考察，将泾渭河河漫滩及一级阶地地区、泾河二级阶地地区、泾河三级阶地及渭河二级阶地地区多年平均地下水埋深作为各分区有利于地下水接受补给、动态恢复的最大适宜埋深，即地下水合理埋深下限；黄土台塬区地下水埋深较大，部分地区埋深超过了灌区一般农用机井的允许提水深度，因此综合考虑该区能够接受地下水接受补给及动态恢复的适宜深度和机井的允许提水深度，将该地区地下水合理埋深下限设定为２５ｍ，各分区地下水位埋深下限结果详。
２灌区水资源联合调控
２．１调控思路水资源联合调控的模式
将地下水位的合理埋深上下限作为约束条件，首先根据各用水部门实际用水定额及工业经济、农业发展和人口增长规模预测出各部门的需水量，然后以保证用水需求和充分利用地表水为目的，对地表水、地下水进行初步供需平衡，再次，将初步调控结果中的地表水、地下水利用量以及降水量、蒸发量、径流量、气温等作为影响因素，利用ＰＳＯ－ＲＢＦ神经网络预测出各分区的地下水位，根据地下水位对多种水源进行平衡调控。若某区预测结果超过了地下水合理埋深的下限，则利用水均衡法计算出极限埋深条件下的地下水可开采量，进行供需平衡（地表水供水量不变），对于缺水部分考虑以其他水源进行补充；若埋深小于上限，则调整井渠用水比，减少地表水引用量，适当增加地下水开采量。
２．２调控方案
设置针对灌区水资源利用特点、涵养水源及灌区节水工程的实施状况，本文设置了两种水资源联合调控方案，基本方案和节水方案。基本方案是在满足各行各业需水条件下对灌区水资源进行调控，该方案比较切合实际；节水方案是考虑灌区节水工程的实施状况、节水意识的普及状况及产业结构的调整，最大限度地减少各行业的用水定额，特别是通过调整灌区农作物种植比例来减少农业灌溉这一灌区最大耗水部门的用水量，从而使得灌区缺水量达到最小，该方案需调整灌区的发展模式及提高人们的节水意识，实施周期较长。
２．３供需水量预测
（１）需水量预测。需水量预测是保证水资源可持续利用的前提。泾惠渠灌区需水量预测包括农业、工业、生活及生态需水量预测。由于定额法考虑全面周到，因此运用定额法对各部门的需水量进行预测。
（２）供水量预测。可供水量是水资源供需平衡分析的要素，根据调控思路，对灌区地表水可供水量及其他水源（主要指污水回用及雨水集蓄）可供水量进行预测。对灌区蓄水工程、引水工程进行调节分析计算，可算出不同水平年地表水可供水量；污水及雨水回用水可广泛应用于地下水回灌，工业用水，农业灌溉、城市非饮用水，景观环境用水等，对缓解灌区水资源短缺有着重要的意义，因此可作为供水水源之一，参照《西安市雨水利用规划》、《西安市水中长期供求规划》可估算出不同水平年各研究单元污水及雨水回用量。
２．４地下水埋深预测
本文采用粒子群算法（ＰＳＯ）对ＲＢＦ神经网络参数进行优化［１１，１２］，并运用优化过的ＲＢＦ神经网络方法对泾惠渠灌区地下水埋深进行预测。通过对泾惠渠灌区１９８１－２０１０年观测井资料分析，选用降雨量、蒸发量、径流量、渠灌引水量、气温、地下水开采量６个指标为神经网络的输入变量，地下水埋深为输出变量。运用实测数据检验，检验结果表明经ＰＳＯ－ＲＢＦ神经网络模型预测出的埋深数据可达到较高的精度要求，实测值、预测值拟合曲线Ｆｉｇ．３ＦｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅｏｆｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｂｕｒｉｅｄｄｅｐｔｈＰＳＯ－ＲＢＦ网络模型具体构建步骤如下：①将ＲＢＦ的中心、宽度以及网络权值编码成实数向量来表示种群中的个体。②初始化粒子群。③计算每个粒子的适应度，将粒子的当前位置作为初始ｐｉ，从种群中找出适应度最小的粒子作为初始ｐｇ；将当前适应度与的适应度进行比较，如果当前适应度更好，则更新ｐｉ；对于每个粒子，将其ｐｉ适应度与ｐｇ适应度进行比较，如果ｐｉ的适应度更好，则更新ｐｇ；④对每个粒子的速度和位置进行更新，产生下一代的粒子群。⑤如果当前的迭代次数达到预先设定的最大次数，则停止迭代，在最后一代找到全局最优解的近似值，否则，返回步骤③。⑥将ｐｇ对应的粒子作为ＲＢＦ神经网络的参数，利用ＲＢＦ算法进行训练，直至满足条件，结束训练。⑦利用灌区实验站１９５９－２００８年的年均降水量、径流量、气温及蒸发量资料，１９８１－２００８年的年均地下水开采量、渠灌引水量资料，建立时间序列模型，据此预测出灌区２００９－２０２０年的年均降水量、径流量、蒸发量、气温、渠灌引水量、地下水可开采量。⑧将各影响因素变量值代入训练好的ＰＯＳ－ＲＢＦ模型，对地下水埋深进行预测。
２．５调控结果按所设置的调控方案及调控思路
对泾惠渠灌区各水文地质分区水资源供需平衡分析，得到水资源调控结果（泾河二级阶地地区所占面积最大，需水量最大，且考虑到篇幅限制，这里仅给出该地区调控结果）从上述可以看出：２０１５年７５％保证率条件下，泾河二级阶地地区未实行水资源供需调控时，总需水将达到３６７１５万ｍ３，为满足需水要求，地表水供水量为１９０００万ｍ３，同时需开采地下水１７７１５万ｍ３，在该情形下运用ＰＳＯ－ＲＢＦ神经网络对地下水位埋深预测，得出埋深为１３．１ｍ，超出了埋深下限１２．５ｍ，表明需进行供需调控。从需水调控角度出发，通过增加节灌面积，调整产业结构等措施，可将需水量控制在３４３９９万ｍ３，节水量可达２３１６万ｍ３；从供水调控角度出发，以地下水极限埋深１２．５ｍ为约束条件，利用水均衡法计算出该地区地下水最大开采量应为１３５３４万ｍ３；在地表水供水量保持不变的情况下，因限定了地下水开采量，导致出现缺水现象，缺水率为５．４％，通过增加雨水集蓄和污水回用工程可降低缺水率。同理，２０２０年７５％保证率条件下，泾河二级阶地地区基本方案的需水量为３８３３４万ｍ３，初始水资源调控情形下，地下水埋深将达到１３．３ｍ，较２０１５年增加０．２ｍ，超出了埋深下限１２．５ｍ。经调控后，水资源需求量可下降为３６８２１万ｍ３，地表水供水量为１８５００万ｍ３，地下水极限开采量为１３５３４万ｍ３，雨水集蓄和污水回用量为３０００万ｍ３，将出现少量缺水，其缺水率为４．９％。综合说明，通过本次调控可缓解泾惠渠灌区水环境问题，将地下水位埋深控制在易于恢复且不发生盐碱化的合适范围内，同时将生活、工业污水经处理后作为供水水源，可弥补供水量不足，但在２０２０年仍出现少量缺水，建议新建、改建水利工程，适当增加地表水供水量。
３结论
（１）考虑到泾惠渠灌区属于北方灌区以及灌区各水文地质分区富水性的差异，以水文地质分区为研究单元，对７５％、５０％保证率下的水资源进行调控，结果可靠。
（２）ＰＳＯ－ＲＢＦ神经网络，很大程度上克服了ＲＢＦ神经网络不恰当选取网络结构及参数所带来的网络收敛慢的问题。对泾惠渠灌区地下水埋深模拟预测结果表明，ＰＳＯ－ＲＢＦ算法具有较高的预测精度。
（３）按照所设定不同水文地质单元、植被类型条件下的水位埋深上下限值进行水资源调控，可维持灌区水资源可持续利用，缓解盐渍化、地下水超采等问题。此外，对地下水埋深远大于所设定的地下水埋深下限的局部地区，需进行地下水回灌补给，调蓄地下水库容。
作者：李慧 周维博 贺军奇 王金凤 董起广 党永仁 长安大学环境科学与工程学院 长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室 长安大学水与研究发展院 陕西省泾惠渠灌区管理局
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