印度Rangawan司令部基于MIKE盆地的水资源共享和灌溉管理决策支持工具

抽象的

在本研究中，MIKE BASIN被用于印度中央邦和北方邦的跨州项目Rangawan水库的灌溉管理和水资源共享的决策支持工具。在决策支持工具中开发了两个独立的模型，分析了水资源共享和最优灌溉流量;第一个模型计算灌溉需求，并为第二个模型提供输入，后者根据两国之间的水资源共享协议计算水的供应和赤字。该模型已用于生成12种不同的情景，以评估中央邦实际种植模式的灌溉需求、供水和需求不足/过剩。模拟结果表明，在输水效率为60%、施用效率为70%的平均/湿降雨年，灌溉需水量为11.83 Mm^3.满意，无任何不足。通过提高效率、联合使用和按照决策支持系统应用方案的建议管理灌溉供应，可以使更多的区域进行灌溉。开发的模型可用于实时水库运行和灌溉规划，在变化的气候条件下，输送和应用效率，地表水和地下水的消耗利用，以及可能的径流和种植模式。

1.介绍

水库操作涉及许多决策变量和多个目标以及风险和不确定性。此外，相互冲突的目标导致运营商在制定业务决策方面的重大挑战。传统上，固定储层规则曲线用于引导和管理储层操作。这些曲线根据当前储层水平，水文条件，水需求和一年时间等不同的控制来指定储存器释放。然而，已建立的规则曲线通常不会有效地平衡不同用户的需求[1-3.］.水库系统优化与模拟是水库调度和灌溉管理的首选方法。优化是一项强大的技术，有助于分析复杂的水资源系统，以获得最经济/可行的解决方案。在许多情况下，决策者更感兴趣的是检查多个场景，而不是只看一个最优的单一解决方案[4.]. 因此，通过优化或开发以及情景检查，有可能改善水库运行政策。研究人员开发和应用了各种运行模型和决策支持系统（DSS），以解决水库供水问题，用于灌溉规划、洪水管理、发电、多目标运行和提高效率[5.-24］.发展决策支持系统和制定情景有助于项目当局就水库的运行作出适当决定，并向农民建议在干旱或少雨年份改变作物种植模式。

决策支持系统通常是为多用途单一水库系统开发的水库水资源管理冲突解决(RWM-CRSS)，该系统包括通信数据库管理和模型库管理系统[25］.利用遥感和地理信息系统(GIS)环境可以有效地确定印度Samrat Ashok Sagar水库的实际灌溉需求和水库运行情况。利用29年入库数据模拟分析，推导出水库运行规律曲线，以提前满足缺水地区的需求，避免严重歉收[26］.应用粮农组织的“CROPWAT”模型，利用农业气象和遥感数据(1986-1998年和2008年)计算亚穆纳运河西部种植的小麦和芥菜作物的灌溉需水量[27]. 水库运行中的主要问题是首尾河段的水量分配不当。在干旱年份，地表水和地下水的联合使用可在缓解指挥区的需求不足方面发挥重要作用。根据不同的土壤、农业和季节，采用两种不同的模型，即地下水平衡模型和地下水管理模型，确定私人和政府所有管井的最佳种植模式和地下水分配[28］.利用遗传算法和动力学规划，建立了地表水和地下水联合利用多目标遗传算法(MOGA)、约束微分动态规划(CDDP)和地下水模拟模型ISOQUAD [29]. 为优化规划，开发了伊朗中西部纳贾法巴德平原流域范围内地表水和地下水联合利用的模拟优化模型。该模型的结果证明了联合使用方法在半干旱地区水资源规划和管理中的重要性[30.］.

DHI开发的MIKE BASIN [31]，是一个多用途的、基于gis的流域模拟软件包，具有分析水资源共享问题和环境问题的能力。MIKE流域模拟模型被许多研究者应用，例如，位于泰国东北部的门河流域的河流水资源管理[32]和MIKE 11为越南和宾水库水库防洪调度规则分析[33］.回顾文献发现，大多数研究都是在与实际现场条件相关的预定义约束条件下推导最优解。值得注意的是，最优解有时不能解决复杂的现实世界情况。这促使研究产生了不同的需求、供应、气候、效率和联合使用地表水和地下水的情景，以得出运行时间表，以实现水库的最大效益。

2.学习区域和数据使用

Rangawan大坝项目是印度中央邦(中央邦)和北方邦(北方邦)的一个大型跨邦灌溉项目，根据一项水资源共享协议运营，该协议规定中央邦可以利用56.63毫米水资源^3.截至每年10月31日的哈里夫作物用水和11月1日的可用余额可按15的比例在MP和up之间分配 : 36.Rangawan大坝是一座土坝，位于MP恰塔普区Rangawan村附近。大坝长度为1.83米 公里，集水区面积约731.70 公里²．Rangawan水库总库容为163.57 Mm^3.活库容和死库容均为156.08 Mm^3.和7.50毫米^3.,分别。MP中的储层及其指令如图所示1．旱作区设计种植模式为小麦5600公顷，旱作878公顷，大豆10500公顷，水稻107公顷。现有的平均/湿降雨年渠道灌溉种植模式为小麦2820.71 ha和rabi 1819.84 ha g。

对Rajnagar区块21年（1988-2008）的降雨数据进行了分析。两个具有代表性的年份，1997年为1075年 年降雨量（湿/平均降雨量年）mm，2005年另一年的年降雨量为798.70 根据粮农组织的指导方针，mm作为旱年已被用作估算作物需水量的指示性年份[34]. 水库详细信息（如河床水位、坝顶水位、死库顶部和防洪水位）已用于确定水库性质。对九个地点的冉嘎湾水库区的土壤进行了测试，以确定田间持水量、萎蔫点、初始含水量、蒸发层深度和孔隙度。表中给出了MP部分中冉嘎湾水库渠道灌溉下的实际种植模式详情1已被用来估算作物需水量。

3.研究目的

Rangawan水库向MP和UP提供灌溉水。由于地形不均、沟渠无衬砌和出口条件差，该地区的MP部分经常发生干旱，并在运输和应用中遭受损失。由于良好的渠道/输水系统和平坦的地形，上游的水管理相对较好。由于缺乏适当的操作计划，MP的管理当局在拉比作物种植期间面临无法提供最佳和有保证的水的问题，这给农民造成了巨大损失。为了在两个州之间现有的水资源共享政策下得出水库的明智运行指南，本研究的目标如下：（一世）降雨量和储层储存分析，用于鉴定干燥，平均/湿降雨年份和流入水库;(2)Mike Basin模型作为决策支持工具在实时解决水分享问题和灌溉管理的决策支持工具;（iii）可变气候，水库储存，效率和MP部件的联合使用条件下的情景基于需求评估。

4.迈克盆地模型

MIKE BASIN的工作是在数字高程模型(DEM)或示意图河网的帮助下生成的数字化河网，在这些河网中，水库节点可以通过通道连接到命令、水电和用水用户节点。MIKE BASIN可以容纳多个多用途油藏系统或单个油藏，使用相关的操作规则曲线模拟指定操作策略的性能。在MIKE盆地模型中设置的水库可以作为规则曲线水库、分配池水库或湖泊运行。一般和运行属性包括高程-面积-容量表、水库特征水位、损失、规律曲线、防洪区、最小运行区、减少水位和减少百分比、远程流量规则以及按照管理政策运行水库的优先级。为了在MIKE BASIN中设置灌溉模型，需要开发各种子模型，这些子模型可以结合使用来定义命令中土壤、气候、灌溉方法和作物序列的异质性。利用气候、参考蒸散发(ET)、土壤水、径流(可选)、灌溉方法、作物、产量(可选)和作物序列子模型确定作物需水量和产量。气候子模式接受一些常用的气候输入，并将它们转换为参考ET子模式所需的输入。参考ET子模型为作物子模型提供了模拟每个时间步长的参考蒸散量。土壤水分模型的主要任务是在模拟过程中随时跟踪土壤蒸发量和作物蒸发量。

径流子模型有助于计算作为地表径流而没有进入根区的降水的比例。如果没有进行选择，则假定决选为零。灌溉子模型有助于指定如何以及何时灌溉给定的土地。灌溉模型需要一个湿润部分，这个湿润部分决定了灌溉过程中被湿润的农田表面的比例。作物子模型采用双作物系数模型，利用土壤含水量和参考蒸散量计算作物蒸散量和作物土壤蒸散量。基部作物系数()，其定义为作物蒸散量与参考蒸散量之比(/)假设在初始和中间阶段为常数，并认为在阶段之间遵循线性变化。根深()确定作物可抽取水分的深度，并假定达到最大深度()在中期的开始阶段。初始深度与最大深度的变化关系如下: 在哪里是初始基础系数，基肥系数是否处于中期，和为最小根深。MIKE盆地模型使用FAO 33产量模型，该模型计算作物潜在产量(）在最佳条件下（无土壤水分胁迫）。作物序列不是子模型，而是指定如何管理字段的便捷方式。灌溉节点代表包括一个或多个灌溉场的区域，其从相同的源中抽取水。灌溉节点代表田地的总灌溉需求，以及可选的作物产量。基于计算的需求，根据指定的分配规则从一个或多个来源，例如河流节点和/或储存器中提取水。通道是将水用户，灌溉节点和水电节点连接到河流或水库的段。流量损耗和流量时间序列是由于渗漏和蒸发损耗而定义损耗/增益所需的可选时间序列。迈克盆地模型具有大量建模，​​水转印，作物水计算，地下水和水质评估的能力;如果分配池储存器与灌溉节点连接，则无法模拟。为了克服这种缺点，已经开发了两个独立的迈克盆地模型，其中第一款模型计算了rangawan命令的灌溉需求。 The irrigation demands computed from the first model have been used as demand of user in the second MIKE BASIN model which computed supplies and deficits as per allocation policy among users (M.P. & U.P.).

5.方法

已为迈克盆地的MP部分勘察水库的MP部分制定了迈克盆地的决策支持。规则曲线将库识别为单一物理存储，所有用户已连接到它以从存储器中抽取水。储库的分配池具有物理存储，但个人用户在水位区域内具有某些存储权。湖泊是特定水库，没有应用操作规则[33]. MIKE盆地的水资源共享可以通过分配池水库实现，而在分配池水库中，无法从指挥部计算灌溉需求，因此，在拟议的DSS中，开发了两种不同的MIKE盆地模型。第一个模型用于计算降雨、水库蓄水量、作物和气候等可变情景下指挥部的灌溉需求，第一个模型的结果被用作第二个模型的输入，第二个模型用于计算灌溉供应、需求赤字、水库蓄水量等，根据不同用户的水资源份额为其提供。图中显示了冉嘎湾水库水管理DSS的开发和应用流程图2．

5.1。灌溉需求的模拟运行

为了估算灌溉需求，建立了MIKE BASIN模型，该模型由流域和水库组成，作为规则曲线水库，连接到具有不同土壤类群作物面积的命令节点。定义了作物需水量计算所需的所有子模型，并进行了模拟运行。在气候子模式中，气候变率对需水量的影响表现为降雨和气候参数的变化。该模拟运行的输出文件包括蒸发蒸腾、总灌溉需求、净流量、需求赤字、存储体积、渠道流量和模拟期间给定时间跨度的水库水位。

5.2。水资源共享的模拟运行

为了管理各州之间的水资源共享并确定供应和亏/过剩，在第二个模型中，从第一个模型中估计的不同时期的灌溉需求被用作用户对水的需求。第二个模型由一个水库和集水区节点组成，其中水库节点通过连接渠道与两个用水户(MP和UP)连接。水库的一般属性被定义为分配池水库，其中所有可用的和进入的水按照指定的用户份额进行分配。现场调查表明，通过局部抽取地下水，可满足15% ~ 25%的灌溉需求。因此，在用户节点属性中指定20%的地下水使用量，使模型具有消费使用能力。该模型模拟运行的结果提供了用户需求和需求不足、各节点净流量、给定时间跨度下的水库水位和库容。

6.结果与讨论

6．1.结果

用于运营和管理rangawan水库的灌溉的迈克盆地的DSS已经扩展到在改变气候变量，商店，地下水采用和水的运输过程中的损失下产生12种不同的场景（桌子2）.图中给出了计算作物需水量和随后在水资源共享协议下提供灌溉用水的模型3.. 在分配池运行规则中，根据水库运行的总蓄水量和可用流入量的比例，定义了向用水者（MP和UP）分配水的池所有权。

对于不同场景的仿真运行，已经进行了储存流入，通道和各种子模型的必要变化，用于计算作物水需求。从现场调查收集的数据用于渗透，土壤水保留和孔隙率的模型用于计算土壤中的水量。分析的土壤检测结果表明土壤有两个主要群体，其中呈现在表格中3.．现有种植模式下的作物详情见表4.．为了规划Rangawan项目的灌溉管理和高效运行，我们基于每年18年的水库蓄水数据进行了概率分析，发生概率为75% (48.63 Mm)^3.）.

图中显示了Rangawan指挥部在不同情况下的用水量和水量不足/过剩情况4.和表5.．在完全满足灌溉需求的情景下，根据水资源共享协议，MP可获得的多余水分已扣除死水量和由于蒸发和渗漏造成的损失。通过对平均/湿降雨年ACP的模拟结果分析，输水效率为60%，施用效率为70%，灌溉需水量为11.83 Mm^3.已经完全满足，1.84 Mm^3.发现MP (ACP-1)中含有过量的水。ACP-4方案的可用性为4.64 Mm^3.在满足Rangawan指挥部的所有灌溉需求后，将水送到中陆军。这些结果符合预期。由此可以推断，开发的决策支持系统可用于高效的灌溉管理和水库调度。

在干旱降雨年，当降雨不足，无法完全填满水库时，在输水效率为60%、利用效率为70%的情况下，估计灌溉需水量、用水量和需水量亏缺为16.77 Mm^3.，10.39毫米^3.和6.38毫米^3.分别(ACP-5)。利用20%的地下水和水库的水，需求赤字减少到3.35毫米^3.(ACP-6)。如果传输效率提高到70%，应用效率提高到80%，则需求赤字减少到3.20 Mm^3.(ACP-7)和20%地下水的使用，赤字进一步减少到0.27毫米^3.（ACP-8）。从仿真运行75％可能的储存量，运输效率为60％，施用效率分别为70％（ACP-9），已发现储层满足11.83毫米的总需求^3.，但为了分别提高70%和80%的输水效率和利用效率，以及利用地下水(20%)，灌溉强度增加，灌溉覆盖面积扩大(ACP-12)。

6.2。讨论

已经发现，在可变降雨，气候，仪器，消费利用和作物地区条件下，已经发现rangawan水库系统的开发DSS工具能够在可变的降雨，气候，仪器，消费利用和作物地区的情况下模拟水库操作政策和灌溉用品管理。DSS需要土壤，降雨，裁剪模式和水库存储数据，用于解决用户之间的水分享问题和用于管理可用水以获得最佳作物生产。通过使用DSS在可能的情况下开发的12个不​​同可能的场景，该系统在平均/湿度的平均/潮湿年份实现了MP部分的灌溉要求，运输效率为60％，施用效率为70％。不同场景的灌溉节点的供应和过量/赤字分析，在场景ACP-1到ACP-4和ACP-12中的MP部件中的多余水的可用性，可用于灌溉其他区域。干旱降雨年的需求和供应方案证实，MP部分的水中的目前份额不足以满足16.77毫米的需求^3.在干旱条件下。降低输水损失、提高应用效率、消耗水库水和地下水可以减少6.38 Mm的需求缺口^3.(ACP-5)至0.27 Mm^3.（ACP-8）。

7.结论

搞好渠管区水管理是提高灌溉工程效益的关键。在本研究中，采用基于Arc GIS的MIKE盆地模拟软件包，设计用于分析水资源共享问题，开发了Rangawan水库灌溉用水管理决策支持工具。已经开发了两个级联类型模型，使用第一个模型的输出作为第二个模型的输入。第一个模型描述了用于计算灌溉需求的规则曲线水库，第二个模型将水库模拟为分配池水库，使模型能够计算两个不同用户之间的水资源共享分量。第一个模型的灌溉模块计算总灌溉需求，作为第二个模型的输入，第二个模型根据共享安排计算供给、需求赤字和相应的水库水位/水量。

根据实际种植模式(ACP)制定了12个模拟情景。平均/丰水年ACP的灌溉需水量约为11.83 Mm^3.对于ACP-1到ACP-4，满足所有标准，没有任何缺陷。我们注意到，目前的系统以接近50%的效率运行;进一步提高输送和施用效率，可使平均/多雨年的灌溉面积增加。在干旱年份，实际种植模式的需求缺口估计为6.38 Mm^3.对于60％的运输效率，70％的施用效率可降低至0.27毫米^3.通过减少损失，并通过在ACP-8中提出的提出的释放。开发的迈克盆地的DSS可以成功地使用作物，储层特性和气象数据的实时储层运行和灌溉计划。

利益冲突

提交人声明没有关于本文的出版物的利益冲突。

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