CN113449935A - 一种面向生态的水资源优化配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种面向生态的水资源优化配置方法，包括以下步骤：计算区域内河流不同恢复目标下以及湖泊不同恢复水位下的生态需水，给出生态流量和生态水位的阈值方案；研究区域内水库水、外调水、雨洪水、再生水中至少两种水源的多水源联合供水组合模式，对所述多水源联合供水组合模式进行水量平衡分析；分析预测未来本流域和外调水流域多情景组合下的生态可利用水资源量，核算丰平枯不同水平年区域内满足生态用水需求的水资源潜力；综合考虑区域湖泊生态水位和入湖河流生态流量需求，构建生态流量调控模型，提出区域面向生态的水资源优化配置方案。本发明构建了生态流量调控模型，以满足不同生态目标下河流和湖泊在不同时段的生态水量需求。

Description

一种面向生态的水资源优化配置方法
技术领域
本发明涉及水资源调配的技术领域，特别是一种面向生态的水资源优化配置方法。
背景技术
面向生态的水资源优化配置目标是要满足社会经济发展与生态环境保护的多重需求，实现区域经济效益、社会效益和生态效益的整体最优。目前，水资源配置研究主要是针对保障国民经济用水，形成了以国民经济用水户为主的优化配置理论和方法，解决了有限水资源量情况下经济效益最大化的问题，然而却较少考虑生态流量保障的要求。近年来，在气候变化和人类活动的双重影响下，水资源衰减严重，水环境问题突出，湖泊生态水位和河流生态流量无法保障，生态廊道分段割裂。
申请公开号为CN108797511A的发明专利公开了一种面向河道生态需水的水资源配置的方法，包括：在水资源配置模型中，将河流生态需水断面概化为生态单元，建立水源与生态单元间联系，并满足水资源配置模型的约束，在紧邻生态单元的上游设定虚拟水库，构建面向生态调度的水资源配置模型，生态单元耗水率设置为0，虚拟水库的库容设为0；在生态调度过程，面向生态调度的水资源配置模型按如下规则调度：上游水库下泄水量、区间汇流，均进虚拟水库，来水量先用于生态单元供水，多余水下泄；若生态单元供水不足，向上游水库发调水指令，进行生态补水。该方法的缺点是没有涉及河流基本、适宜、良好不同生态目标以及湖泊不同生态水位下需水量的计算方法，也没有考虑本流域和外调水流域不同水平年多种来水情景组合方案。
2016年9月的《人民珠江》的第27卷第9期公开了肖淳、李杰、姜宇的题目为《面向生态的水资源多目标优化配置研究》的文章，该文章面向生态的水资源优化配置研究是近年来国内外广泛关注的热点，从面向生态的角度出发，简要论述了水资源优化配置的内涵、目标度量等基本理论，并对其核心内容生态需水问题的基本概念及其计算理论框架进行了详细阐述，为水资源合理配置与管理实践提供了新的思路和科学的决策依据。该方法是综合考虑经济、社会、生态环境的多目标优化配置模型，其缺点是生态环境效益仅以区域内主要污染物的排放量最小表征，并没有针对生态水量设定目标函数。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种面向生态的水资源优化配置方法，面向不同目标下的河流和湖泊生态流量需求，构建了“多水源-多目标-多情景”的生态流量调控模型，以满足不同生态目标下河流和湖泊在不同时段的生态水量需求，打造“山水林田湖草”生命共同体，促进流域高质量健康可持续发展。
本发明的目的是提供一种面向生态的水资源优化配置方法，包括以下步骤：
步骤1：计算区域内河流不同恢复目标下以及湖泊不同恢复水位下的生态需水，给出生态流量和生态水位的阈值方案；
步骤2：研究区域内水库水、外调水、雨洪水、再生水中至少两种水源的多水源联合供水组合模式，对所述多水源联合供水组合模式进行水量平衡分析；
步骤3：分析预测未来本流域和外调水流域多情景组合下的生态可利用水资源量，核算丰平枯不同水平年区域内满足生态用水需求的水资源潜力；
步骤4：综合考虑区域湖泊生态水位和入湖河流生态流量需求，构建生态流量调控模型，提出区域面向生态的水资源优化配置方案。
优选的是，所述步骤1包括采用适合我国北方河流的水文学计算方法计算不同生态目标下的生态流量。
在上述任一方案中优选的是，所述生态目标包括基本目标、适宜目标和良好目标。
在上述任一方案中优选的是，所述生态流量的计算方法包括：分别选取同时段多年平均流量的10%、30%、60%作为基本、适宜和良好生态流量，再乘以相应的时长即得该时段的生态需水量。
在上述任一方案中优选的是，所述生态流量的计算方法还包括采用水量平衡法，计算湖泊不同水位下的生态需水。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤2包括综合评价区域各种供水水源可利用量，分析其联合供水组合模式。
在上述任一方案中优选的是，所述生态流量调控模型以生态水量作为目标函数，以水量平衡、可供生态水量、生态需水量、特殊生态需求作为约束条件，将多目标转化为单一目标，通过粒子群优化算法求解，对流域年度及年内不同时段生态流量进行精准精细化调控。
在上述任一方案中优选的是，所述生态水量的目标包括缺水率最小、缺水空间均衡、缺水时间最短、补水效率最高以及补水动力改善最佳。
在上述任一方案中优选的是，所述缺水率最小的目标函数MinZ的计算公式为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
其中，Z表示缺水率，T表示计算时段的总个数，I表示计算单元的总个数，β i 为第i个计算单元的权重系数，VQPD_R(t,i)为第t时段、第i个计算单元的缺水率。
在上述任一方案中优选的是，所述缺水空间均衡的目标函数计算公式为
Figure 995537DEST_PATH_IMAGE002
。
在上述任一方案中优选的是，所述缺水时间最短的目标函数MinD的计算公式为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
其中，D表示缺水时间，VECD_D(i)表示第i个计算单元一年中的有水天数。
在上述任一方案中优选的是，所述补水效率最高的目标函数MinL的计算公式为
Figure 36043DEST_PATH_IMAGE004
其中，L表示补水损失，VDQD_R(t,i)表示第t时段、第i个计算单元的损失水量。
在上述任一方案中优选的是，所述补水动力改善最佳的目标函数计算公式为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
Figure 177175DEST_PATH_IMAGE006
其中，ID表示入湖水量，K表示K条河流，VPQD_ID_R(t,k)为第t时段、第k条河流的入湖水量，OD表示出湖水量，VPQD_OD(t)为第t时段湖泊出口处的下泄水量。
本发明提出了一种面向生态的水资源优化配置方法，实现了不同水平年、不同生态需水目标、不同来水情景下的生态流量调控与保障，具有精准精细化生态补水等优点。
附图说明
图1为按照本发明的面向生态的水资源优化配置方法的一优选实施例的流程图。
图2为按照本发明的面向生态的水资源优化配置方法的另一优选实施例的流程图。
图3为按照本发明的面向生态的水资源优化配置方法的白洋淀流域多水源位置线路的一实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例一
如图1所示，执行步骤110，计算区域内河流不同恢复目标下以及湖泊不同恢复水位下的生态需水，给出生态流量和生态水位的阈值方案，采用水文学计算方法计算不同生态目标下的生态流量。生态目标包括基本目标、适宜目标和良好目标。生态流量的计算方法包括：分别选取同时段多年平均流量的10%、30%、60%作为基本、适宜和良好生态流量，再乘以相应的时长即得该时段的生态需水量。生态流量的计算方法还包括采用水量平衡法，计算湖泊不同水位下的生态需水。
执行步骤120，研究区域内水库水、外调水、雨洪水、再生水中至少两种水源的多水源联合供水组合模式，对所述多水源联合供水组合模式进行水量平衡分析。综合评价区域各种供水水源可利用量，分析其联合供水组合模式。
执行步骤130，分析预测未来本流域和外调水流域多情景组合下的生态可利用水资源量，核算丰平枯不同水平年区域内满足生态用水需求的水资源潜力。
执行步骤140，综合考虑区域湖泊生态水位和入湖河流生态流量需求，构建生态流量调控模型，提出区域面向生态的水资源优化配置方案。生态流量调控模型以生态水量作为目标函数，以水量平衡、可供生态水量、生态需水量、特殊生态需求作为约束条件，将多目标转化为单一目标，通过粒子群优化算法求解，对流域年度及年内不同时段生态流量进行精准精细化调控。
生态水量的目标包括缺水率最小、缺水空间均衡、缺水时间最短、补水效率最高以及补水动力改善最佳。
1）缺水率最小的目标函数MinZ的计算公式为
Figure 19360DEST_PATH_IMAGE001
其中，Z表示缺水率，T表示计算时段的总个数，I表示计算单元的总个数，β i 为第i个计算单元的权重系数，VQPD_R(t,i)为第t时段、第i个计算单元的缺水率。
2）缺水空间均衡的目标函数计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE007
。
3）缺水时间最短的目标函数MinD的计算公式为
Figure 994269DEST_PATH_IMAGE003
其中，D表示缺水时间，VECD_D(i)表示第i个计算单元一年中的有水天数。
4）补水效率最高的目标函数MinL的计算公式为
Figure 538383DEST_PATH_IMAGE004
其中，L表示补水损失，VDQD_R(t,i)表示第t时段、第i个计算单元的损失水量。
5）补水动力改善最佳的目标函数计算公式为
Figure 889730DEST_PATH_IMAGE005
Figure 84957DEST_PATH_IMAGE006
其中，ID表示入湖水量，K表示K条河流，VPQD_ID_R(t,k)为第t时段、第k条河流的入湖水量，OD表示出湖水量，VPQD_OD(t)为第t时段湖泊出口处的下泄水量。
实施例二
本发明确定了一种面向生态的水资源优化配置技术。方法流程见图2，具体步骤说明如下。
步骤1、建立基于水文学计算方法（Tennant法）的河流基本、适宜和良好生态目标下的生态流量，分别选取同时段多年平均流量的10%、30%、60%作为基本、适宜和良好生态流量以及基于水量平衡法的湖泊不同水位下的生态需水，给出生态流量和生态水位的阈值方案。
步骤2、研究区域水库水、外调水、雨洪水、再生水等多水源联合供水组合模式，对其进行水量平衡分析。综合评价区域各种供水水源可利用量，分析其联合供水组合模式。
步骤3、重点考虑生态用水需求，包括区域湖泊生态水位和河流生态流量，保障生态效益发挥，权衡其他行业供水需求，分析预测未来满足区域生态用水需求的丰平枯不同水平年本流域和外调水流域多情景组合下的生态可利用水资源量。
步骤4、综合考虑区域湖泊生态水位和入湖河流生态流量需求，构建了“多水源-多目标-多情景”的生态流量调控模型。该模型以生态水量（缺水率最小、缺水空间均衡、缺水时间最短、补水效率最高以及补水动力改善最佳）作为目标函数，以水量平衡、可供生态水量、生态需水量、特殊生态需求等作为约束条件，将多目标转化为单一目标，通过粒子群优化算法求解，对流域年度及年内不同时段生态流量进行精准精细化调控。明确了生态补水路径和补水水量，提出满足生态流量的水资源优化配置技术，制定满足流域生态流量需求的调控方案。
目标函数为：
（1）缺水率最小
Figure 496347DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中，β i 为第i个计算单元权重系数，VQPD_R(t,i)为第t时段、第i个计算单元的缺水率。
（2）缺水空间均衡
Figure 527757DEST_PATH_IMAGE008
（2）
（3）缺水时间最短
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（3）
式中，VECD_D(i)为第i个计算单元一年中的有水天数。
（4）补水效率最高
Figure 27002DEST_PATH_IMAGE004
（4）
式中，VDQD_R(t,i)为第t时段、第i个计算单元的损失水量。
（5）补水动力改善最佳
Figure 968413DEST_PATH_IMAGE005
（5）
Figure 816284DEST_PATH_IMAGE006
（6）
式中，VPQD_ID_R(t,k)为第t时段、第k条河流的入湖水量， VPQD_OD(t)为第t时段湖泊出口处的下泄水量。
实施例三
本发明提供了一种面向生态的水资源优化配置方法，包括以下几个步骤：
步骤1、计算区域内河流不同恢复目标下以及湖泊不同恢复水位下的生态需水，给出生态流量和生态水位的阈值方案。
在步骤1中，采用适合我国北方河流的水文学计算方法（Tennant法）计算不同生态目标下（基本、适宜和良好目标）的生态流量，分别选取同时段多年平均流量的10%、30%、60%作为基本、适宜和良好生态流量，再乘以相应的时长即得该时段的生态需水量。采用水量平衡法计算湖泊不同水位下的生态需水。
步骤2、研究区域水库水、外调水、雨洪水、再生水等多水源联合供水组合模式，对其进行水量平衡分析。
在步骤2中，研究区域水库水、外调水、雨洪水、再生水等多水源联合供水组合模式，对其进行水量平衡分析。综合评价区域各种供水水源可利用量，分析其联合供水组合模式。
步骤3、分析预测未来本流域和外调水流域多情景组合下的生态可利用水资源量，核算丰平枯不同水平年区域内满足生态用水需求的水资源潜力。
在步骤3中，根据区域经济发展规划、流域水利工程规划布局及国家相关规划，结合流域上游水源涵养林建设、流域集水区农业节水等措施，合理预测未来区域不同水平年丰平枯多情景组合下的本流域和外调水流域生态可利用水资源量。
步骤4、综合考虑区域湖泊生态水位和入湖河流生态流量需求，构建“多水源-多目标-多情景”生态流量调控模型，提出区域面向生态的水资源优化配置方案；
在步骤4中，综合考虑区域湖泊生态水位和入湖河流生态流量需求，构建了“多水源-多目标-多情景”的生态流量调控模型。该模型以生态水量（缺水率最小、缺水空间均衡、缺水时间最短、补水效率最高以及补水动力改善最佳）作为目标函数，以水量平衡、可供生态水量、生态需水量、特殊生态需求等作为约束条件，将多目标转化为单一目标，通过粒子群优化算法求解，对流域年度及年内不同时段生态流量进行精准精细化调控。明确了生态补水路径和补水水量，提出满足生态流量的水资源优化配置技术，制定满足流域生态流量需求的调控方案。
目标函数为：
（1）缺水率最小
Figure 334990DEST_PATH_IMAGE001
（1）
式中，β i 为第i个计算单元的权重系数，VQPD_R(t,i)为第t时段、第i个计算单元的缺水率。
（2）缺水空间均衡
Figure 293718DEST_PATH_IMAGE010
（2）
（3）缺水时间最短
Figure 197958DEST_PATH_IMAGE009
（3）
式中，VECD_D(i)为第i个计算单元一年中的有水天数。
（4）补水效率最高
Figure 216730DEST_PATH_IMAGE004
（4）
式中，VDQD_R(t,i)表示第t时段、第i个计算单元的损失水量。
（5）补水动力改善最佳
Figure 363677DEST_PATH_IMAGE005
（5）
Figure 985152DEST_PATH_IMAGE006
（6）
式中，VPQD_ID_R(t,k)为第t时段、第k条河流的入湖水量， VPQD_OD(t)为第t时段湖泊出口处的下泄水量。
下述实施例是按照上述方法实施的。
白洋淀流域为大清河流域的中上游，即白洋淀淀区及其以上流域，简称为“白洋淀流域”，面积约为3万km2。自北向南有白沟河、萍河、瀑河、漕河、府河、唐河、孝义河、潴龙河八条河流，构成了扇形的河网，自西向东汇入白洋淀。然而，目前仅府河、孝义河为城市排污河道，常年有水，漕河、瀑河、白沟河部分季节有水，其他河流处于常年断流状态。流域内白洋淀是华北平原最大的淡水湿地，其面积约为366km2，属于国家重点生态湿地。合理预测未来区域生态供需水水平，保障不同生态目标下的生态流量过程，构建“多水源-多目标-多情景”生态流量调控模型，为白洋淀流域水生态修复、周边地区水生态改善提供技术支撑。
根据Tennant法，上游8条入淀河流在不同生态恢复目标下的生态流量需求计算结果如表1。根据水量平衡法，白洋淀淀区在不同生态恢复水位下的生态需水量如表2。
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表1 河流生态需水量（单位：m3/s）
Figure 369996DEST_PATH_IMAGE012
表2 白洋淀消耗性生态需水量（单位：亿m3）
研究区域水库水、外调水、雨洪水、再生水等多水源联合供水组合模式，分析预测未来本流域和外调水流域多情景组合下的生态可利用水资源量，各类水源在不同情景下可供生态水量如表3。
Figure 903877DEST_PATH_IMAGE013
表3 不同水平年可供生态水量（单位：亿m3）
针对白洋淀流域生态需求，构建“多水源-多目标-多情景”的生态流量调控模型。明确水源-用户关系，即通过绘制生态补水系统网络图，对供需水单元进行划分。针对本流域实际，对“多水源”、“多目标”、“多情景”内涵进行解析，如图3，表4、表5所示。基于构建的生态流量调控模型，采用粒子群优化算法，得到系统最优解。
Figure 538121DEST_PATH_IMAGE014
表4 白洋淀流域河流“多目标”设定表
Figure 697707DEST_PATH_IMAGE015
表5 白洋淀流域“多情景”设置表
生态流量调控后，以“丰丰丰”情景为例，仅白沟河缺水0.03亿m³，缺水率为12.50%，其余河流均不缺水，且白洋淀有0.79亿m³的下泄水量。针对上游8条入淀河流和白洋淀，统计了5类水源的毛供水量（包含蒸发渗漏损失），如表6所示。
Figure 733796DEST_PATH_IMAGE016
注：萍河生态补水依靠瀑河-萍河连通工程，由瀑河对其补水。另外，所有河流均汇入白洋淀，因此白洋淀生态补水仅统计河流以外的再生水补水量和引黄入冀补淀工程补水量。
表6 情景1（丰丰丰）各类水源毛供水量（单位：亿m³）
本发明面向不同目标下的河流和湖泊生态流量需求，构建了“多水源-多目标-多情景”的生态流量调控模型，实现了不同水平年、不同生态需水目标、不同来水情景下的生态流量调控与保障，具有精准精细化生态补水等优点。
为了更好地理解本发明，以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。本说明书中每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (10)

1.一种面向生态的水资源优化配置方法，包括以下步骤：
步骤1：计算区域内河流不同恢复目标下以及湖泊不同恢复水位下的生态需水，给出生态流量和生态水位的阈值方案；
步骤2：研究区域内水库水、外调水、雨洪水、再生水中至少两种水源的多水源联合供水组合模式，对所述多水源联合供水组合模式进行水量平衡分析；
步骤3：分析预测未来本流域和外调水流域多情景组合下的生态可利用水资源量，核算丰平枯不同水平年区域内满足生态用水需求的水资源潜力；
步骤4：综合考虑区域湖泊生态水位和入湖河流生态流量需求，构建生态流量调控模型，提出区域面向生态的水资源优化配置方案。
2.如权利要求1所述的面向生态的水资源优化配置方法，其特征在于，所述步骤1包括采用水文学计算方法计算不同生态目标下的生态流量。
3.如权利要求2所述的面向生态的水资源优化配置方法，其特征在于，所述步骤2包括综合评价区域各种供水水源可利用量，分析其联合供水组合模式。
4.如权利要求3所述的面向生态的水资源优化配置方法，其特征在于，所述生态流量调控模型以生态水量作为目标函数，以水量平衡、可供生态水量、生态需水量、特殊生态需求作为约束条件，将多目标转化为单一目标，通过粒子群优化算法求解，对流域年度及年内不同时段生态流量进行精准精细化调控。
5.如权利要求4所述的面向生态的水资源优化配置方法，其特征在于，所述生态水量的目标包括缺水率最小、缺水空间均衡、缺水时间最短、补水效率最高以及补水动力改善最佳。
6.如权利要求5所述的面向生态的水资源优化配置方法，其特征在于，所述缺水率最小的目标函数MinZ的计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，Z表示缺水率，T表示计算时段的总个数，I表示计算单元的总个数，β i 为第i个计算单元的权重系数，VQPD_R(t,i)为第t时段、第i个计算单元的缺水率。
7.如权利要求6所述的面向生态的水资源优化配置方法，其特征在于，所述缺水空间均衡的目标函数计算公式为
Figure 36419DEST_PATH_IMAGE002
。
8.如权利要求7所述的面向生态的水资源优化配置方法，其特征在于，所述缺水时间最短的目标函数MinD的计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中，D表示缺水时间，VECD_D(i)表示第i个计算单元一年中的有水天数。
9.如权利要求8所述的面向生态的水资源优化配置方法，其特征在于，所述补水效率最高的目标函数MinL的计算公式为
Figure 858619DEST_PATH_IMAGE004
其中，L表示补水损失，VDQD_R(t,i)表示第t时段、第i个计算单元的损失水量。
10.如权利要求9所述的面向生态的水资源优化配置方法，其特征在于，所述补水动力改善最佳的目标函数计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
Figure 248143DEST_PATH_IMAGE006
其中，ID表示入湖水量，K表示K条河流，VPQD_ID_R(t,k)为第t时段、第k条河流的入湖水量，OD表示出湖水量，VPQD_OD(t)为第t时段湖泊出口处的下泄水量。
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