CN108681974B - 一种面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置方法 - Google Patents

一种面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置方法，以区域“生态‑水‑经济”的均衡发展为目标，建立目标函数；采集区域水资源基本信息数据，通过迭代运算初步确定水资源配置结果；然后通过外层以流域分区为单元的耗水总量、水生态平衡调控，中层以行政分区为单元的用水总量、水土平衡调控，内层以计算分区为单元的水盐、水量平衡调控，获得最优水资源配置结果。本发明采用三层空间尺度优化计算求解，实现了内陆干旱区水资源在流域分区层面、行政分区层面和计算分区层面的耗水总量、水生态、用水总量、水土、水盐、水量“六大”平衡调控的多维均衡配置。

Description

一种面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置方法
技术领域
本发明属于水资源配置技术领域，具体涉及一种面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置方法。
背景技术
我国内陆干旱区地处E73°39′～E106°35′，N34°18′～N47°19′之间，主要分布在新疆、甘肃、宁夏、青海和内蒙等省区，总面积为336.23万km2，约占全国土地面积的1/3，而地表水资源和地下水资源分别仅占全国的3.3％和5.5％，10％的绿洲资源养育了85％的人口和93％的GDP产出。该区域作为丝绸之路经济带核心区，战略地位重要，然而水资源短缺、生态环境问题严峻一直是制约内陆干旱区经济和社会发展的瓶颈。内陆干旱区水资源系统独特，高山冰川—山地涵养林—平原绿洲—河流尾闾湖泊构成的内陆水文系统和相伴而生的生态系统，在全球气候变化和日益增强的人类活动影响下，区域的冰川融水、降水径流、蒸散发等水循环要素必然发生显著变化，使得水资源与土地资源、粮食生产、能源生产使用、植被生态及生态系统服务等之间的关联特征也将发生变化，水资源安全与能源安全、粮食安全、生态安全之间的相互耦合与作用进一步趋向复杂、不确定性增加。因此，寻找内陆干旱区水资源合理的开发利用方式或配置方式是支撑丝绸之路经济带水资源安全急需解决的关键科学和技术问题。
针对水资源配置问题，国内外很多学者从不同的角度进行了探讨研究。但目前内陆干旱区水资源配置多以水循环与生态演变的若干要素为基础，未将二元水循环与内陆干旱区生态系统相互作用关系的机理研究深入到水资源配置模型中，且不能满足内陆干旱区水资源多维均衡调控实践需求以及不同水资源开发利用过程对内陆干旱区生态系统的响应问题难以进行动态过程的模拟。内陆干旱区的水资源优化配置研究，大多缺乏系统全面的宏观、中观与微观层面上可量化的生态保护指标阈值研究，尚不能满足干旱区生态良性发展的整体调控实践需求。
发明内容
本发明的目的是实现内陆干旱区水资源耗水总量、水生态、用水总量、水土、水量和水盐“六大”平衡调控的多维均衡配置。
为实现上述目的，本发明提供了一种面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置方法，该方法包括以下步骤：
S1.以区域“生态-水-经济”的均衡发展为目标，建立目标函数；
S2.输入流域分区模型关键参数、行政分区模型关键参数、计算分区模型关键参数，进行流域分区-行政分区-计算分区协调、迭代运算，确定第i次水资源配置结果；
其中，i为迭代次数，i＝1，2，…，n；
S3.以流域分区为单元，判断耗水总量是否满足耗水平衡约束条件，若满足则转入S4；若不满足则采取调整措施后，再次执行步骤S2所述的输入流域分区模型关键参数，并置i＝i+1；
S4.以流域分区为单元，判断生态环境用水分配比例、地下水开采量是否满足水生态平衡约束条件，若满足则转入S5；若不满足则采取调整措施后，转入S2重新输入流域分区模型关键参数，并置i＝i+1，若仍不满足则继续采取调整措施后，转入S2再次进行流域分区-行政分区-计算分区协调，并置i＝i+1；
S5.以行政分区为单元，判断是否满足用水总量平衡约束条件，若满足则转入S6；若不满足则采取调整措施后，转入S2重新输入行政分区模型关键参数，并置i＝i+1；
S6.以行政分区为单元，判断是否满足水土平衡约束条件，若满足则转入S7；若不满足则采取调整措施后，转入S2重新输入行政分区模型关键参数，并置i＝i+1，若仍不满足则继续采取调整措施后，转入S2再次进行流域分区-行政分区-计算分区协调，并置i＝i+1；
S7.以计算分区为单元，根据计算分区中渠系河道供水量、各行业用水量等相关量，计算地下水生态水位，判断是否满足水量平衡约束条件，若满足则转入S8；若不满足则采取调整措施后，转入S2重新输入计算分区模型关键参数，并置i＝i+1；
S8.以计算分区为单元，判断是否满足水盐平衡约束条件，若满足则转入S9；若不满足则采取调整措施后，转入S2重新输入计算分区模型关键参数，并置i＝i+1，若仍不满足则继续采取调整措施后，转入S2再次进行流域分区-行政分区-计算分区协调，并置i＝i+1；
S9.输出水资源配置结果。
进一步的，步骤S1所述目标函数为：
Figure GDA0001724009890000021
式中，j表示区域内第j个子流域单元，k表示第k个子行政单元，t表示第k个计算时段，
Figure GDA0001724009890000022
分别表示第j个子流域套第k个子行政单元的城市生活、农村生活、农业、工业、城镇生态环境和农村生态环境缺水率的权重参数，
Figure GDA0001724009890000031
XRCjkt、XRRjkt、XRIjkt、XRAjkt、XREjkt、XRVjkt分别表示第i个子流域套第k个子行政单元第t个时段的城市生活、农村生活、农业、工业、城镇生态环境和农村生态环境缺水率。
进一步的，步骤S2所述流域分区模型关键参数包括流域分区需水方案设置、流域分区国民经济需水量、流域外调水资源量、流域地下水供水参数、流域生活、工业、工业耗水率相关参数；所述行政分区模型关键参数包括行政分区国民经济指标、国民经济用水定额、农田灌溉面积、政府预留水量；所述计算分区模型关键参数包括计算分区种植结构、水量分配相关指标、河渠系参数、灌溉水利用参数、地表水与地下水联合供水比例、污水处理参数；所述流域分区-行政分区-计算分区协调是根据三层次用户对水资源的需求，结合供水过程，进行三层次的目标函数及约束条件协调修正。
进一步的，步骤S3所述耗水平衡约束条件为：
国民经济耗水量不得大于子流域水资源可利用量
Figure GDA0001724009890000032
式中，XCCjkt、XCRjkt、XCIjkt、XCAjkt分别表示第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段的城市生活、农村生活、农业、工业用水耗水量，Qj表示第j个子流域水资源可利用量。
进一步的，步骤S4所述水生态平衡约束条件为：
子流域内生态环境用水比例不得低于生态系统自我修复最低阈值
Figure GDA0001724009890000033
式中，Wj代表第j个子流域水资源总量，Ej代表第j个子流域生态环境用水指标阈值，具体指标由流域实际情况确定；
地下水取水总量不得大于地下水可开采量
Figure GDA0001724009890000034
式中，XGCjkt、XGRjkt、XGIjkt、XGAjkt、XGEjkt、XGVjkt分别表示第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段的城市生活、农村生活、农业、工业、城镇生态环境和农村生态环境地下水供水量，Gj代表第j个子流域地下水资源可开采量。
进一步的，步骤S5所述用水总量平衡约束条件为：
用水总量不大于最严格水资源管理制度“三条红线”用水总量控制指标
Figure GDA0001724009890000041
Figure GDA0001724009890000042
式中，XSCjkt、XSRjkt、XSIjkt、XSAjkt、XSEjkt、XSVjkt分别表示第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段的城市生活、农村生活、农业、工业、城镇生态环境和农村生态环境地表水供水量，
Figure GDA0001724009890000043
分别代表第k个子行政单元地表水和地下水用水总量控制指标。
进一步的，步骤S6所述水土平衡约束条件为：
Figure GDA0001724009890000044
式中：Sk代表第k个子行政单元农田灌溉面积，XQAjkt代表第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段农业用水量，Gin代表农业可灌溉水量与农田灌溉面积匹配性的基尼系数指标阈值。
进一步的，步骤S7所述水量平衡约束条件为
Figure GDA0001724009890000045
Figure GDA0001724009890000046
Hmin≤Hjkt≤Hmax
式中：Rc、Rr、Ri、Ra、Re、Rv分别表示计算分区城市生活、农村生活、农业、工业、城镇生态环境和农村生态环境缺水率阈值；Hjkt表示第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段的地下水位，Hmin、Hmax分别代表防止内陆干旱区河岸林产生盐渍化临界埋深上限阈值和防止河岸林自然死亡的地下水临界埋深下限阈值。
进一步的，步骤S8所述水盐平衡约束条件为：
Figure GDA0001724009890000051
式中：XDAjkt表示第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段的农业灌区排水量，DI代表内陆干旱区灌区排灌比例阈值。
本发明的有益效果是：该方法以内陆干旱区的“生态-水-经济”的均衡发展为目标函数，以内陆干旱区的耗水总量、水生态、用水总量、水土、水量供需和水盐平衡为约束，采用三层空间尺度优化计算求解，实现了内陆干旱区水资源在流域分区层面、行政分区层面和计算分区层面的耗水总量、水生态、用水总量、水土、水量、水盐“六大”平衡调控的多维均衡配置。
附图说明
图1为本发明中一种面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施例一
一种面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置方法，该方法包括以下步骤：
S1.以区域“生态-水-经济”的均衡发展为目标，建立目标函数：
Figure GDA0001724009890000052
式中，j表示区域内第j个子流域单元，k表示第k个子行政单元，t表示第k个计算时段，
Figure GDA0001724009890000053
分别表示第j个子流域套第k个子行政单元的城市生活、农村生活、农业、工业、城镇生态环境和农村生态环境缺水率的权重参数，
Figure GDA0001724009890000054
XRCjkt、XRRjkt、XRIjkt、XRAjkt、XREjkt、XRVjkt分别表示第i个子流域套第k个子行政单元第t个时段的城市生活、农村生活、农业、工业、城镇生态环境和农村生态环境缺水率。
S2.输入流域分区模型关键参数，包括流域分区需水方案设置、流域分区国民经济需水量、流域外调水资源量、流域地下水供水参数、流域生活、工业、工业耗水率相关参数；输入行政分区模型关键参数，包括行政分区国民经济指标、国民经济用水定额、农田灌溉面积、政府预留水量；输入计算分区模型关键参数，包括计算分区种植结构、水量分配相关指标、河渠系参数、灌溉水利用参数、地表水与地下水联合供水比例、污水处理参数；进行流域分区-行政分区-计算分区协调，即根据三层次用户对水资源的需求，结合供水过程，进行三层次的目标函数及约束条件协调修正，再进行迭代运算，确定第i次水资源配置结果；
其中，i为迭代次数，i＝1，2，…，n。
S3.以流域分区为单元，判断耗水总量是否满足耗水平衡约束条件：
国民经济耗水量不得大于子流域水资源可利用量，
Figure GDA0001724009890000061
式中，XCCjkt、XCRjkt、XCIjkt、XCAjkt分别表示第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段的城市生活、农村生活、农业、工业用水耗水量，Qj表示第j个子流域水资源可利用量，具体指标由流域实际情况确定。
若满足则转入S4；
若不满足则采取增大外调水、非常规水源、微调国民经济用水定额和国民经济指标的措施后，转入S2重新输入流域分区模型关键参数，并置i＝i+1；
S4.以流域分区为单元，判断生态环境用水分配比例、地下水开采量是否满足水生态平衡约束条件：
子流域内生态环境用水比例不得低于生态系统自我修复最低阈值
Figure GDA0001724009890000062
式中，Wj代表第j个子流域水资源总量，Ej代表第j个子流域生态环境用水指标阈值，具体指标由流域实际情况确定。
地下水取水总量不得大于地下水可开采量
Figure GDA0001724009890000071
式中，XGCjkt、XGRjkt、XGIjkt、XGAjkt、XGEjkt、XGVjkt分别表示第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段的城市生活、农村生活、农业、工业、城镇生态环境和农村生态环境地下水供水量，Gj代表第i个子流域地下水资源可开采量。
若满足则转入S5；
若不满足则采取增大外调水、非常规水源、微调国民经济用水定额和国民经济指标等调整措施后，转入S2重新输入流域分区模型关键参数，并置i＝i+1，若仍不满足则继续采取调整措施后，转入S2再次进行流域分区-行政分区-计算分区协调，并置i＝i+1；并置i＝i+1；
S5.以行政分区为单元，判断是否满足用水总量平衡约束条件：
用水总量(供水总量)不大于最严格水资源管理制度“三条红线”用水总量控制指标
Figure GDA0001724009890000072
Figure GDA0001724009890000073
式中，XSCjkt、XSRjkt、XSIjkt、XSAjkt、XSEjkt、XSVjkt分别表示第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段的城市生活、农村生活、农业、工业、城镇生态环境和农村生态环境地表水供水量，
Figure GDA0001724009890000074
分别代表第k个子行政单元地表水和地下水用水总量控制指标。
若满足则转入S6；
若不满足则扩大或调整各行业间或各行政分区间的用水总量指标或启动政府预留水量后，转入S2重新输入行政分区模型关键参数，并置i＝i+1；
S6.以行政分区为单元，判断是否满足水土平衡约束条件：
Figure GDA0001724009890000075
式中：Sk代表第k个子行政单元农田灌溉面积，XQAjkt代表第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段农业用水量，Gin代表农业可灌溉水量与农田灌溉面积匹配性的基尼系数指标阈值，一般指标阈值为(0，0.4]。
若满足则转入S7；
若不满足则在灌溉面积大于基本农田面积的情况下适当调整灌溉面积后，转入S2重新输入行政分区模型关键参数，并置i＝i+1，若仍不满足则继续采取调整措施后，转入S2再次进行流域分区-行政分区-计算分区协调，并置i＝i+1；
S7.以计算分区为单元，根据计算分区中渠系河道供水量、各行业用水量等相关量，计算地下水生态水位，判断是否满足水量平衡约束条件：
Figure GDA0001724009890000081
Figure GDA0001724009890000082
Hmin≤Hjkt≤Hmax
式中：Rc、Rr、Ri、Ra、Re、Rv分别表示计算分区城市生活、农村生活、农业、工业、城镇生态环境和农村生态环境缺水率阈值；Hjkt表示第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段的地下水位，Hmin、Hmax分别代表防止内陆干旱区河岸林产生盐渍化临界埋深上限阈值和防止河岸林自然死亡的地下水临界埋深下限阈值。
若满足则转入S8；
若不满足则微调地下水开采量或微调地下水供水量或调整种植结构后，转入S2重新输入计算分区模型关键参数，并置i＝i+1。
S8.以计算分区为单元，判断是否满足水盐平衡约束条件：
Figure GDA0001724009890000083
式中：XDAjkt表示第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段的农业灌区排水量，DI代表内陆干旱区灌区排灌比例阈值，一般选取15％-30％。
若满足则转入S9；
若不满足则调整灌区内排灌用水比例后，转入S2重新输入计算分区模型关键参数，并置i＝i+1，若仍不满足则继续采取调整措施后，转入S2再次进行流域分区-行政分区-计算分区协调，并置i＝i+1。
S9.输出水资源配置结果。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置方法，该方法包括以下步骤：
S1.以区域“生态-水-经济”的均衡发展为目标，基于缺水率和缺水率的权重参数建立目标函数；
S2.输入流域分区模型关键参数、行政分区模型关键参数、计算分区模型关键参数，所述流域分区模型关键参数包括流域分区需水方案设置、流域分区国民经济需水量、流域外调水资源量、流域地下水供水参数、流域生活、工业、工业耗水率相关参数；所述行政分区模型关键参数包括行政分区国民经济指标、国民经济用水定额、农田灌溉面积、政府预留水量；所述计算分区模型关键参数包括计算分区种植结构、水量分配相关指标、河渠系参数、灌溉水利用参数、地表水与地下水联合供水比例、污水处理参数；所述流域分区-行政分区-计算分区协调是根据三层次用户对水资源的需求，结合供水过程，进行三层次的目标函数及约束条件协调修正，进行流域分区-行政分区-计算分区协调、迭代运算，确定第i次水资源配置结果；
其中，i为迭代次数，i＝1，2，…，n；
S3.以流域分区为单元，判断耗水总量是否满足耗水平衡约束条件，若满足则转入S4；若不满足则采取调整措施后，转入S2重新输入流域分区模型关键参数，并置i＝i+1；
S4.以流域分区为单元，判断生态环境用水分配比例、地下水开采量是否满足水生态平衡约束条件，若满足则转入S5；若不满足则采取调整措施后，转入S2重新输入流域分区模型关键参数，并置i＝i+1，若仍不满足则继续采取调整措施后，转入S2再次进行流域分区-行政分区-计算分区协调，并置i＝i+1；
S5.以行政分区为单元，判断是否满足用水总量平衡约束条件，若满足则转入S6；若不满足则采取调整措施后，转入S2重新输入行政分区模型关键参数，并置i＝i+1；
S6.以行政分区为单元，判断是否满足水土平衡约束条件，若满足则转入S7；若不满足则采取调整措施后，转入S2重新输入行政分区模型关键参数，并置i＝i+1，若仍不满足则继续采取调整措施后，转入S2再次进行流域分区-行政分区-计算分区协调，并置i＝i+1；
S7.以计算分区为单元，根据计算分区中渠系河道供水量、各行业用水量相关量，计算地下水生态水位，判断是否满足水量平衡约束条件，若满足则转入S8；若不满足则采取调整措施后，转入S2重新输入计算分区模型关键参数，并置i＝i+1；
S8.以计算分区为单元，判断是否满足水盐平衡约束条件，若满足则转入S9；若不满足则采取调整措施后，转入S2重新输入计算分区模型关键参数，并置i＝i+1，若仍不满足则继续采取调整措施后，转入S2再次进行流域分区-行政分区-计算分区协调，并置i＝i+1；
S9.输出水资源配置结果。
2.如权利要求1所述的面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置方法，其特征在于：步骤S1所述目标函数为
Figure FDA0003259903320000021
式中，j表示区域内第j个子流域单元，k表示第k个子行政单元，t表示第k个计算时段，
Figure FDA0003259903320000022
分别表示第j个子流域套第k个子行政单元的城市生活、农村生活、农业、工业、城镇生态环境和农村生态环境缺水率的权重参数，
Figure FDA0003259903320000023
XRCjkt、XRRjkt、XRIjkt、XRAjkt、XREjkt、XRVjkt分别表示第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段的城市生活、农村生活、农业、工业、城镇生态环境和农村生态环境缺水率。
3.如权利要求2所述的面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置方法，其特征在于：步骤S3所述耗水平衡约束条件为，
国民经济耗水量不得大于子流域水资源可利用量
Figure FDA0003259903320000024
式中，XCCjkt、XCRjkt、XCIjkt、XCAjkt分别表示第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段的城市生活、农村生活、农业、工业用水耗水量，Qj表示第j个子流域水资源可利用量。
4.如权利要求3所述的面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置方法，其特征在于：步骤S4所述水生态平衡约束条件为，
子流域内生态环境用水比例不得低于生态系统自我修复最低阈值
Figure FDA0003259903320000025
式中，Wj代表第j个子流域水资源总量，Ej代表第j个子流域生态环境用水指标阈值，具体指标由流域实际情况确定；
地下水取水总量不得大于地下水可开采量
Figure FDA0003259903320000031
式中，XGCjkt、XGRjkt、XGIjkt、XGAjkt、XGEjkt、XGVjkt分别表示第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段的城市生活、农村生活、农业、工业、城镇生态环境和农村生态环境地下水供水量，Gj代表第j个子流域地下水资源可开采量。
5.如权利要求4所述的面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置方法，其特征在于：步骤S5所述用水总量平衡约束条件为，
用水总量不大于最严格水资源管理制度“三条红线”用水总量控制指标
Figure FDA0003259903320000032
Figure FDA0003259903320000033
式中，XSCjkt、XSRjkt、XSIjkt、XSAjkt、XSEjkt、XSVjkt分别表示第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段的城市生活、农村生活、农业、工业、城镇生态环境和农村生态环境地表水供水量，
Figure FDA0003259903320000034
分别代表第k个子行政单元地表水和地下水用水总量控制指标。
6.如权利要求5所述的面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置方法，其特征在于：步骤S6所述水土平衡约束条件为
Figure FDA0003259903320000035
式中：Sk代表第k个子行政单元农田灌溉面积，XQAjkt代表第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段农业用水量，Gin代表农业可灌溉水量与农田灌溉面积匹配性的基尼系数指标阈值。
7.如权利要求6所述的面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置方法，其特征在于：步骤S7所述水量平衡约束条件为
Figure FDA0003259903320000036
Figure FDA0003259903320000041
Hmin≤Hjkt≤Hmax
式中：Rc、Rr、Ri、Ra、Re、Rv分别表示计算分区城市生活、农村生活、农业、工业、城镇生态环境和农村生态环境缺水率阈值；Hjkt表示第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段的地下水位，Hmin、Hmax分别代表防止内陆干旱区河岸林产生盐渍化临界埋深上限阈值和防止河岸林自然死亡的地下水临界埋深下限阈值。
8.如权利要求7所述的面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置方法，其特征在于：步骤S8所述水盐平衡约束条件为
Figure FDA0003259903320000042
式中：XDAjkt表示第j个子流域套第k个子行政单元第t个时段的农业灌区排水量，DI代表内陆干旱区灌区排灌比例阈值。
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