CN108764573B - 一种面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置系统 - Google Patents
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Abstract
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系统，该系统包括基础系统层、模型输入层、机制识别层和多目标决策分析层。系统以“水资源”为调控对象，以“耗水总量平衡、用水总量平衡、水土平衡、水盐平衡、水量平衡和水生态平衡”为调控目标，以“生态水文过程”为调控重点，以“优化‑模拟‑评估”为技术手段，不断的将复杂多变、时空分布不一的生态水文指标阈值纳入到内陆干旱区的水资源开发利用过程中，寻求水资源配置在社会目标、经济目标和生态目标之间的均衡解。
Description
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系统。
背景技术
20世纪70年代到90年代，随着人类活动的增强，大规模的水土资源开发使得我国内陆干旱区生态失衡问题愈加严重，并产生一系列生态环境问题，最为典型的是盐渍化和荒漠化现象。追溯内陆干旱区绿洲文明兴衰变化可发现，人类活动对绿洲生态的变迁有着重要影响，大规模的水土开发和不合理的水资源开发利用配置格局打破了流域原有的生态平衡。盐渍化和荒漠化(天然植被枯萎衰败、河流尾闾萎缩甚至干涸)已成为内陆干旱区生态失衡和社会经济发展不协调、不可持续的风向标与晴雨表。
目前内陆干旱区水资源配置模型多是基于单一的信息系统或者模型系统进行配置，无法满足复杂的水资源配置决策需求，模型结构用模型系统取代整体模型。整体的、复杂的、维数(阶数)众多、求解困难的水资源配置模型往往导致分析者分析问题具有片面性。如果将一系列简单的模型组成嵌入、启发或者组合式模型，采用大系统的思维方式来解决一个或几个子问题，同时各个子模型又具有相对的独立性，可以用不同的优化技术进行求解，因此，模型系统不仅能够宏观把握大系统的总体问题，又能具体到每个子模型的单个问题。在解决经济效益、社会效果和生态环境影响等之间的矛盾时，大系统模型可以避免不确定因素的干扰，进行多目标优化，在描述复杂问题时更加灵活、方便，有利于进行交互程序分析。而且传统的水资源配置模型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。
发明内容
本发明的目的是寻求水资源配置在社会目标、经济目标和生态目标之间的均衡解，满足内陆干旱区水资源多维均衡调控需求。
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系统，该系统包括基础系统层、模型输入层、机制识别层和多目标决策分析层，
所述基础系统层，用于根据基础工作数据，分析和概化水资源配置系统的供用耗排拓扑关系，绘制水资源配置系统网络图，设定目标函数、约束方程及各类变量参数，建立水资源配置模型模拟平台工作数据库；
所述模型输入层，包括需水模块输入层、供水模块输入层、模型基本参数输入层，
所述需水模块输入层，用于需水方案设置、河段生态基流、城镇生活、农村生活、农业、工业、城镇生态和农村生态需水月过程线输入；
所述供水模块输入层，用于本地径流量、水库入流、节点入流、河网槽蓄能力、渠系河道过流能力、浅层地下水开采能力、承压水开采能力输入；
所述模型基本参数输入，用于渠系、河道、排水渠道的蒸发和渗漏比例系数、当地未控径流的可利用水量比例系数、地下水供水的年、月开采上下界系数、计算分区灌溉渠系蒸发、渗漏、入河道比例系数的输入；
所述机制识别层，用于根据内陆干旱区水循环对内陆干旱区生态系统演变的驱动作用，定量识别社会水循环与生态系统之间的响应关系，给定边界条件和约束方程，以目标函数为引导，通过巨型方程组反复迭代优化求解不同层次水资源配置结果。
所述多目标决策分析层，用于将水资源系统、社会经济系统和生态环境系统作为有机整体，对机制识别层的优化配置结果与生态水文调控阈值指标上下限进行对比分析，若远离指标阈值界限，则反馈到机制识别层和模型输入层重新调整计算，直到找到可接受的解目标。
进一步的，所述基础工作数据包括水文气象、监测、流域规划、水量分配方案、生态保护目标。
进一步的，所述拓扑关系包括节点关系，连线关系和平面关系。
进一步的，所述节点关系包括供水节点、用水节点、输水节点；所述连线关系包括天然水循环子系统和人工侧支水循环子系统；所述平面关系包括流域水资源分区水传输子系统。
进一步的，所述水资源配置模型模拟平台工作数据库包括基本信息、网络连线、水利工程信息。
进一步的，所述基本信息包括行政分区、水资源分区、计算分区、水库、湖泊和节点；所述网络连线包括河段、地表水、外调水、排水、提水；所述水利工程信息包括水库基本信息、水库优化调度规则。
进一步的，所述多目标决策分析层包括宏观分析层、中观分析层、微观分析层，所述宏观分析层，用于根据河流天然来水量调控流域上、中、下游水量分配以及国民经济耗水与生态环境耗水平衡、生态平衡问题；所述中观分析层，用于调控行政分区用水总量平衡、水土平衡问题；所述微观分析层，用于调控计算分区水盐平衡、水量平衡问题。
本发明的有益效果是：面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置系统以“水资源”为调控对象，以“耗水总量平衡、用水总量平衡、水土平衡、水盐平衡、水量平衡和水生态平衡”为调控目标，以“生态水文过程”为调控重点，以“优化-模拟-评估”为技术手段，不断的将复杂多变、时空分布不一的生态水文指标阈值纳入到内陆干旱区的水资源开发利用过程中，寻求水资源配置在社会目标、经济目标和生态目标之间的均衡解。通过水资源多维均衡配置方式，实现了生态环境和社会经济的均衡发展。
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系统的结构框图。
图2为本发明具体实施例中塔里木河流域水土平衡洛伦茨曲线图。
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。
如图1所示，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系统，该系统包括基础系统层、模型输入层、机制识别层和多目标决策分析层。
所述基础系统层，用于根据基础工作数据，包括水文气象、监测、流域规划、水量分配方案、生态保护目标，分析和概化水资源配置系统的供用耗排拓扑关系，绘制水资源配置系统网络图，设定目标函数、约束方程及各类变量参数，建立水资源配置模型模拟平台工作数据库。
所述拓扑关系主要包括：节点关系，连线关系和平面关系。节点关系包括供水节点(水库、引水枢纽、提水泵站、地下水管井、污水处理厂等)、用水节点(计算分区用水户、水电站、湖泊、湿地等)、输水节点(分水点、引水点、汇水点等)。连线关系包括天然水循环子系统(天然河道水力联系)和人工侧支水循环子系统(地表水供水子系统、提水子系统、地下水供水子系统、污水处理回用子系统、排水子系统)；平面关系包括流域水资源分区水传输子系统。
水资源配置模型模拟平台工作数据库包括基本信息、网络连线、水利工程信息，基本信息包括行政分区、水资源分区、计算分区、水库、湖泊和节点；所述网络连线包括河段、地表水、外调水、排水、提水；所述水利工程信息包括水库基本信息、水库优化调度规则。
所述模型输入层，包括需水模块输入层、供水模块输入层、模型基本参数输入层，
所述需水模块输入层，用于需水方案设置、河段生态基流、城镇生活、农村生活、农业、工业、城镇生态和农村生态需水月过程线输入；
所述供水模块输入层，用于本地径流量、水库入流、节点入流、河网槽蓄能力、渠系河道过流能力、浅层地下水开采能力、承压水开采能力输入；
所述模型基本参数输入，用于渠系、河道、排水渠道的蒸发和渗漏比例系数、当地未控径流的可利用水量比例系数、地下水供水的年、月开采上下界系数、计算分区灌溉渠系蒸发、渗漏、入河道比例系数的输入。
所述机制识别层，用于根据内陆干旱区水循环对内陆干旱区生态系统演变的驱动作用，尤其社会水循环对水资源的空间分布、水资源量的大小和地下水位的高低变化对生态系统演变的驱动作用，定量识别社会水循环与生态系统之间的响应关系，给定合理的边界和约束方程，以特定的目标函数为引导，通过巨型方程组反复迭代优化求解不同层次水资源配置结果。
所述多目标决策分析层，用于将水资源系统、社会经济系统和生态环境系统作为有机整体，通过对机制识别层某个目标的优化配置结果与生态水文调控阈值指标上下限进行对比分析，若远离指标阈值界限，将其反馈到机制识别层和模型输入层重新调整计算，直到找到可接受的解目标。具体包括宏观分析层、中观分析层、微观分析层，所述宏观分析层，用于根据河流天然来水量调控流域上、中、下游水量分配以及国民经济耗水与生态环境耗水平衡、生态平衡问题；所述中观分析层，用于调控行政分区用水总量平衡、水土平衡问题；所述微观分析层，用于调控计算分区水盐平衡、水量平衡问题。
具体实施例一
塔里木河是中国的第一大内陆河，流域由九大水系组成，塔里木河干流总长一千多公里，但干流自身不产流，主要依靠源流补给。在人类活动的影响下，塔里木河流域的生态系统演变主要为“两扩大，四缩小”，即流域上游灌溉绿洲面积和下游沙漠面积的扩大，而处于两者之间的过渡带：林地、草地、自然水域和生物栖息地在不断缩小。在“自然-社会”二元水循环下，大规模的水土开发和不合理的水资源配置格局引起了流域内用水总量、耗水总量等社会水循环通量变化，进而对水土、水盐和水生态等生态水文过程产生影响。
以塔里木河为例，采用面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置系统进行水资源配置：
基础系统层，收集塔里木河的基础工作数据，绘制水资源配置系统网络图，设定目标函数、约束方程及各类变量参数，建立水资源配置模型模拟平台工作数据库。
塔里木河流域涉及阿克苏流域、叶尔羌流域、和田河流域、开都—孔雀河流域和塔里木河干流五个三级区，阿克苏流域、叶尔羌流域、和田河流域、开都-孔雀河流域为流域的源流区，属于塔里木河流域的主要产流区，塔里木河干流区自身不产流主要依赖源流区的下泄水量。在行政分区上涵盖阿克苏地区、克州地区、喀什地区、和田地区和巴州地区五个地市州，考虑到行政区域在基础经济社会资料条件和行政管理上的便利以及流域水资源特性要求，在计算分区上以水资源三级区套县市进行划分，最终研究区划分为28个计算分区。
根据塔里木河流域水资源系统特点和现状、规划的水利工程情况以及水资源配置的要求等，将水资源系统中各类物理元素(重要水利工程、计算分区、河渠道交汇点等)作为节点，各节点间通过上述水资源传播系统的各类线段连接，形成塔里木河流域水资源配置系统网络图(或称节点图、系统图)。在网络图的绘制过程中：一是要充分反映流域水资源系统主要特点(如水资源系统的供用耗排特点)及各种关系(如各级水系关系、各计算分区的地理关系、水利工程与计算分区的水力联系、水流拓扑关系等)；二是要恰如其分地满足水资源配置模型的需要，通过系统图的绘制正确体现模型系统运行所涉及的各项因素(如各种水源、各类工程、各类用水户以及各类水资源传输系统等)。在各个河流的源流和末端设置流域控制性工程断面，可以反映河流的来水和下泄情况，作为流域水量考核断面。为了方便分析计算，同一河道引水口的供水系统或者渠道、渠段集中概化。
塔里木河流域最终确定主要水文控制站点、概化引水节点、排水节点、流域水资源分区断面等45个节点，已建和规划水库34座，其中阿克苏河流域包含已建平原水库4座，规划山区水库3座；叶尔羌河流域包含已建平原水库6座，规划山区水库3座；和田河流域包含已建平原水库2座，已建山区水库1座，规划山区水库2座；开都-孔雀河流域包含已建平原水库2座；塔河干流包含已建平原水库8座。概化地表水供水渠道66条，河段140条，排水渠道42条。
模型输入层，需水模块输入层根据新疆已批复的《新疆水资源平衡论证报告》和《塔里木河流域水资源三条红线控制指标》确定需水方案；供水模块输入层输入1956-2013年长系列月时段地表水径流量数据、2000-2013年月时段地下水可开采量数据，工程方案主要依据南疆地区水资源利用和水利工程建设规划；模型基本参数输入层输入近几年统计和调研数据。
塔里木河流域在“自然-社会”二元水循环中随着灌溉面积增加改变了流域内用水总量、耗水总量等社会水循环通量变化，进而对水土、水盐和水生态等生态水文过程产生影响。
机制识别层，依据塔里木河流域社会水循环对生态水文过程的改变程度，界定塔里木河流域关键生态水文过程，并针对塔里木河干流重点生态保护区及典型水生态问题，识别出关键生态水文调控指标。
首先根据《塔里木河流域综合规划》中的《生态保护规划》确定流域生态水文刚性指标阈值。
表1 塔里木河流域生态水文刚性指标阈值 单位：亿m3
然后基于“自然-社会”二元水循环对流域生态演变的驱动作用机制及相互依存关系，从水资源配置角度给出相应的可适当浮动的柔性调控指标阈值。
(1)水盐平衡灌区临界排灌比(在5％-30％之间)，其中长期排灌且盐渍化相对较低的灌区排灌比在5％-10％之间，由荒漠生态系统新开垦的灌区由于历史残留盐分过多，要适当加大灌排力度，一般为15％-30％之间；
(2)渠井灌溉用水比例(定为2.9和3.1)，在农田灌溉需水量一定的情况下，渠井灌溉用水比例越高，地下水埋深减小越明显，基于地下水埋深变化最小的原则，确定适宜的渠井灌溉用水比例，平水年(P＝50％)为2.9左右，枯水年(P＝75％)为3.1左右；
(3)人工灌区地下水合理生态水位上、下限值(定为1.0m和2.8m)。其中，地下水临界埋深上限值为防止土壤产生盐渍化和沼泽化的临界埋深，而下限值为防止灌区植被及生态防护林带自然死亡的地下水临界埋深；
(4)天然植被地下水临界埋深上、下限值(定为0.5m和4.5m)。其中，地下水临界埋深上限值为防止产生盐质荒漠化的地下水临界埋深(为0.5m)，而下限值为防止天然植被自然死亡的地下水临界埋深(沙质荒漠化的地下水临界埋深为4.5m)等。
以特定的目标函数为引导，结合合理的边界约束条件初步确定2030年塔里木河流域水资源配置结果。
多目标决策分析层，将机制识别层计算的2030年塔里木河流域水资源配置结果与生态水文调控阈值指标上下限进行对比分析，若远离指标阈值界限，将其反馈到机制识别层和模型输入层重新调整计算，直到找到可接受的解目标。具体分析过程如下：
(1)流域耗水总量平衡结果分析：
在P＝50％条件下，塔里木河流域2030年阿拉尔断面来水量为50.47亿m3，其中阿克苏流域的拦河闸和巴吾托拉克闸下泄水量为37.44亿m3、叶尔羌流域的黑尼亚孜断面下泄水量为3.51亿m3、和田河流域的肖塔断面下泄水量为9.53亿m3；流域间耗水总量控制达到了源流区-干流区耗水总量平衡指标阈值，保障了源流区向塔里木河干流的生态供水水量，实现了源流区在水资源二元演化模式下，不导致下游塔里木河干流生态环境恶化所允许的上游总耗水量。
(2)流域水生态平衡结果分析：
到2030年塔里木河流域未来生态用水比例呈现上升趋势，其中阿克苏流域生态用水比例接近50％；叶尔羌流域和开都孔雀河流域不足50％，在40％左右；和田河流域生态用水比例在50％，塔里木河干流区域生态用水比例达到了80％以上。总体上看，阿克苏流域、和田河流域、塔里木河干流区域经济与生态用水比例比较合适，水资源可持续利用比较乐观。
(3)行政分区用水总量平衡结果分析：
2030年塔里木河流域阿克苏地区、和田地区、克州地区、喀什地区、巴州地区用水总量分别为52.5亿m3、28.0亿m3、1.4亿m3、54.7亿m3、33.5亿m3均在南疆地区最严格水资源管理制度“三条红线”用水总量控制指标合理范围之内。
(4)行政分区水土平衡结果分析：
2030年塔里木河流域克州地区、阿克苏地区、喀什地区、和田地区、巴州地区分别退减农田灌溉面积1万亩、188万亩、141万亩、4万亩、132万亩；分别新增节水灌溉面积14万亩、450万亩、444万亩、258万亩、109万亩，累计退减国民经济用水量为52.1亿m3。
如图2所示，通过洛伦茨曲线对比分析显示：基准年塔里木河流域水资源分布-土地面积洛伦茨曲线距离公平曲线相对更远些，随着未来水平年的优化配置，水资源分布-土地面积洛伦茨曲线越来越趋近于公平曲线，说明水土资源匹配程度逐渐增强。
(5)计算分区水量供需平衡结果分析：
表2 塔里木河流域水资源水量供需平衡结果 单位：亿m3、％
(6)计算分区水盐平衡结果分析：
现状年塔里木河流域灌区土壤盐渍化较为严重的区域主要分布在阿克苏流域农一师灌区、开都-孔雀河流域农二师灌区和塔里木河干流尉犁县等，一方面由于无序引水过量，另一方面加之缺乏完善的灌排措施，未充分进行淋洗。规划水平年在水资源配置中根据灌区的基本性质(渠灌区、井灌区和渠井双灌区)通过灌排结合和合理地下水的开发利用，有效地低地下水位与减少潜水无效蒸发量。根据水资源配置计算结果显示：未来水平年塔里木河流域灌区排灌比在逐渐降低，基本都保持在5％-30％合理的排灌指标阈值内。
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 (4)
1.一种面向内陆干旱区的水资源多维均衡配置系统，该系统包括基础系统层、模型输入层、机制识别层和多目标决策分析层，
所述基础系统层，用于根据基础工作数据，分析和概化水资源配置系统的供用耗排拓扑关系，绘制水资源配置系统网络图，设定目标函数、约束方程及各类变量参数，建立水资源配置模型模拟平台工作数据库，所述水资源配置模型模拟平台工作数据库包括基本信息、网络连线、水利工程信息，所述基本信息包括行政分区、水资源分区、计算分区、水库、湖泊和节点；所述网络连线包括河段、地表水、外调水、排水、提水；所述水利工程信息包括水库基本信息、水库优化调度规则；
所述模型输入层，包括需水模块输入层、供水模块输入层、模型基本参数输入层；
所述需水模块输入层，用于需水方案设置、河段生态基流、城镇生活、农村生活、农业、工业、城镇生态和农村生态需水月过程线输入；
所述供水模块输入层，用于本地径流量、水库入流、节点入流、河网槽蓄能力、渠系河道过流能力、浅层地下水开采能力、承压水开采能力输入；
所述模型基本参数输入层，用于渠系、河道、排水渠道的蒸发和渗漏比例系数、当地未控径流的可利用水量比例系数、地下水供水的年、月开采上下界系数、计算分区灌溉渠系蒸发、渗漏、入河道比例系数的输入；
所述机制识别层，用于根据内陆干旱区水循环对内陆干旱区生态系统演变的驱动作用，定量识别社会水循环与生态系统之间的响应关系，给定边界条件和约束方程，以目标函数为引导，通过巨型方程组反复迭代优化求解不同层次水资源配置结果；
所述多目标决策分析层，用于将水资源系统、社会经济系统和生态环境系统作为有机整体，对机制识别层的优化配置结果与生态水文调控阈值指标上下限进行对比分析，若远离指标阈值界限，则反馈到机制识别层和模型输入层重新调整计算，直到找到可接受的解目标；
所述多目标决策分析层包括宏观分析层、中观分析层、微观分析层，所述宏观分析层，用于根据河流天然来水量调控流域分区上、中、下游水量分配以及国民经济耗水与生态环境耗水平衡、生态平衡问题；所述中观分析层，用于调控行政分区用水总量平衡、水土平衡问题；所述微观分析层，用于调控计算分区水盐平衡、水量平衡问题。
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系统，其特征在于：所述基础工作数据包括水文气象、监测、流域规划、水量分配方案、生态保护目标。
3.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系统，其特征在于：所述拓扑关系包括节点关系，连线关系和平面关系。
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系统，其特征在于：所述节点关系包括供水节点、用水节点、输水节点；所述连线关系包括天然水循环子系统和人工侧支水循环子系统；所述平面关系包括流域水资源分区水传输子系统。
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