CN115797097A - 考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源调控方法，构建了对于不同地区地下水资源利用量的指标评价体系，通过对指标体系的综合评估确定各个地区地下水开采量对于农业地下供水量的贡献率，将得到的贡献率值输入到水‑粮‑能调控模型中，从而得到经济‑资源‑能源之间的最佳权衡，在保证地区发展的基础上对地下水的开采和使用进行了有利保护。本发明考虑了地表水和地下水在输水过程中能量的消耗，通过地下水平衡模型量化地下水开采量模型，并考虑了不同气候变化条件下温度和降水量的变化对地下水评价体系的影响。

Description

考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源调控方法

技术领域

本发明创造属于农业水管理技术领域，尤其涉及一种考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源调控方法。

背景技术

随着社会的不断发展，农业粮食产量的需求量不断增加，对于水的需求量也不断地增长。灌区是粮食生产的主要阵地，保障国家粮食安全。而水质污染问题日渐突显，使得灌区水资源的可利用量逐渐减少，水资源呈现出了一定紧缺性。如何在保证粮食生产和社会稳定的基础上，尽可能多地节约灌区的农业灌水用量，使水资源效用最大化，实现灌区经济效益和水资源的可持续发展变得至关重要。

灌区的灌溉水主要来源于地表水和地下水。地下水是有限的可以再生资源，合理的开采可以实现地下水的可持续利用。然而在世界范围内普遍存在地下水过度利用的现象，就中国而言，地下水总开采量已逾1100亿立方米。对地下水资源的长期开采会引发海咸水入侵、地下水位下降和地表下沉等问题,严重影响生态环境和绿色发展。管理农灌区地下水用量已经成为降低地下水超采和保护地下水资源可持续发展的有效方案。在水文地质学中，地下水的含水层由于极易受到污染而表现出易感性。此外，气候变化会进一步加剧这些问题，温度升高会增加蒸散，同时降水减少，导致地下水补给减少，水消耗量增加，可持续性降低。气候变化和人类使用的增加是水资源可持续性面对的两大威胁。因此，考虑地下水环境和气候变化多方面因素对地下水的影响，评估地下水可开采量是保护地下水可持续发展的有效途径。

农灌区利用地表水和地下水需要通过机械设备从水源地抽取水资源到管道中，再通过管道输送到农灌区，这一过程需要消耗很多的能量。一方面农业地下水的灌溉伴随着能量的消耗，降低地下水的开采对于能源的节约有一定的积极意义；另一方面农业灌溉用水紧缺，地下水资源的管理会对当地农业经济发展速度的提升有着明显抑制。以往绝大多数的农业水资源配置仅仅考虑对地表和地下水资源存量的优化分配，很少探索在水资源输送过程中能量消耗的影响。通过加强农业地下水的合理利用，从而缓解农业水资源供需矛盾、降低农业能源的消耗和提升农业经济效益成为发展农业可持续循环的重要方案。因此，亟需考虑对农业地下水资源保护性的开发利用，发明一种考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源节能高效调控方法。

发明内容

本发明创造的目的就是针对上述现有技术存在的问题，提供一种考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源调控方法，构建了对于不同地区地下水资源利用量的指标评价体系，通过对指标体系的综合评估确定各个地区地下水开采量对于农业地下供水量的贡献率，将得到的贡献率值输入到水-粮-能调控模型中，从而得到经济-资源-能源之间的最佳权衡，在保证地区发展的基础上对地下水的开采和使用进行了有利保护。

本发明创造的技术方案是这样的：

考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源调控方法，包含如下步骤：

S1：基础数据收集：气象水文数据包括有效降雨量、灌溉水利用系数、作物需水量；社会经济数据包括作物价格、种植成本、灌溉面积、作物水分生产力、以及单位面积的化肥、农药、农机、农膜用量、沿程水头损失、单位管长水头损失、计算管段的长度、管粗糙率、管段流量、管段流量、地下水埋深、泵站效率、沿途损失；环境数据包括地下水现存水量、降雨补给地下水量、地表水补给地下水量、水汽凝结量、地下水蒸发量、地表水携带地下水流出量、年水位变幅、含水层介质、地形坡度、包气带介质、含水层渗透系数；

S2：构建作物的经济效益函数，量化收获的作物售卖所得效益减去种植过程中的成本花费，得到最终的净经济效益；其中，经济效益函数为：

maxF_NB＝max(R-C_cos)

F_NB是净收益的目标函数，元；R是作物收益，元；C_cos是作物种植成本，元。

式中，PC_k是农作物k价格，元/kg；YA_ik是灌区i中作物k的单位面积产量，kg/hm²；A_ik是k作物在i灌区的种植面积，hm²。

C_cos＝ECF+WCF

式中，sur是地表水上标；gro是地下水上标；ECF是作物的总种植成本，元/hm²；WCF是作物的用水成本，元；δ_k是种植单位面积作物k所需成本，元/hm²；

是地表水价格，元/m³；

是地下水价格，元/m³。

S3：构建水资源能量消耗函数，量化地表水和地下水在取水和输入到田间过程中能量的消耗。其中，所述水资源能量消耗函数为：

h_fik＝q×L

i＝10.294×n²×Q²÷d^5.333

式子，

和

是地表水和地下水的输水耗能值，kWh；

是地表水的输水质量，kg；g是重力加速度，N/kg；h_fik是沿程水头损失，m；q是单位管长水头损失，m/m；L是计算管段的长度，m；n是粗糙率；Q是管段流量，m³/s；d是管道内径，m。

式中，H是地下水埋深；ε_ik是泵站效率，％。

提取地下水来农田灌溉，需要考虑水泵扬程H，其中包括静扬程，抽水降深、流出水头、地上灌溉管道水头损失和地下井管水头损失，计算公式为：

H＝0.906h+21.75

S4：构建地下水利用量函数，量化地下水供需平衡，最大限度节约地下水的开采和使用，其中，所述地下水利用量函数为：

式中，W_ik是地下水现存水量，m³；P_ik是降雨补给地下水量，m³；M_ik是地表水补给地下水量，m³；Z_ik是水汽凝结量，m³；MO_ik是地表水携带地下水流出量，m³；ZO_ik是地下水蒸发量，m³；η是农用地下水比例。

P_ik＝P×A_ik×α

式中，α是年平均降水入渗系数。

S5：构建水资源利用效率函数，量化水资源利用量与作物产量之间的关系，其中，所述水资源利用效率函数为：

S6：设定模型边界：模型边界约束条件包括地表水可利用量约束、地下水可利用量约束、粮食供给约束、灌溉定额约束和决策变量不应为负约束；所述地表水可利用量约束：

式中，SWA_i是各个地区地表可供水量，m³；η^sur是地表水利用效率；r是河流调水比例；Q是地表总可供水量，m³。

所述地下水可利用量约束：

式中，TGWA是地下水总量，m³；η^gro是地下水利用效率；β_ik是各个地区地下水评价指标贡献率；TGWA是农业灌溉地下水总量，m³。

所述粮食供给约束：

式中，PO_i是分区的人口；FD是粮食需求，kg/人；

所述灌溉定额约束为：

式中，IQ_min和IQ_max是作物允许灌溉的最小定额和最大定额；

决策变量不应为负约束为：

S7：构建地下水评价指标体系，指标体系的构建考虑了水量评价、质量评价和脆弱性评价3项一级指标，其中包括：地下水开采率、地下水水质综合评价、地下水埋深(D)、含水层净补给量(R)、含水层介质(A)、地形坡度(T)、包气带介质(I)、含水层渗透系数(C)这8项二级指标。水量评价一级指标通过地下水开采率模型量化，其中，地下水开采率模型为：

表1水量评价指标及标准

质量评价一级指标通过地下水水质综合评价量化，其中，地下水质量评价按照综合评价表如表2：

表2质量评价指标及标准

脆弱性评价采用DRASTIC评价方法。DRASTIC作为一种指标体系，考虑了多种影响因素，影响水源地脆弱性的因子主要有:地下水埋深(D)、含水层净补给量(R)、含水层介质(A)、地形坡度(T)、包气带介质(I)、含水层渗透系数(C)。根据每个评价因子的变化范围或其内在属性划分若干范围，每个范围给予一定的分值构成评分体系。根据国内外以往研究经验，对各因子进行打分(表3)。

表3各项因子打分结果

将每个地区对应的贡献率值进行计算，计算结果即为脆弱性分值，公式如下：

DRATIC＝5D+4R+3A+1T+5I+3C

DRAMIC值介于20～200之间。分值越大，脆弱性越强，水源地越容易受到污染，其安全度越低；评分值越小，脆弱性越弱，安全度越高。其等级划分参照表4。

表4水量评价指标及标准

将得到的3个一级指标和8个二级指标的评分情况进行贡献率的求解，公式如下：

式中，n是二级指标索引，n＝1...8；V_in是不同地区各项贡献率得分。

S8：构建贝叶斯网络，通过降水量和温度预测含水层净补给量；通过爬山法学习贝叶斯网络结构，查看各个变量的相关强度，通过黑白表格调整贝叶斯网络结构；利用极大似然法进行参数学习；进行贝叶斯推理，确定各个参数的后验概率分布，并求得各个变量对径流量影响的概率密度；通过RCP4.5和RCP8.5的两种情景的降水量和温度，预测气候变化条件下含水层净补给量的变化，将其输入到构建的一种考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源节能高效调控方法中地下水评价体系，得到气候变化条件下的灌区水资源节能高效调控方案。

本发明具有如下优点：建立了气候驱动下灌区地下水节能高效利用的优化-评估联动模式；构建了基于水量评价、质量评价和脆弱性评价3项一级指标，和地下水开采率、地下水水质综合评价、地下水埋深(D)、含水层净补给量(R)、含水层介质(A)、地形坡度(T)、包气带介质(I)、含水层渗透系数(C)二级指标的地下水利用指标评价体系，得到各个地区地下水开采量贡献率值，将得到的贡献率耦合到构建的灌区水资源节能高效调控模型中地下水约束中，限制各个地区的地下水供应量；考虑了地表水和地下水在输水过程中能量的消耗，通过地下水平衡模型量化地下水开采量模型，并考虑了不同气候变化条件下温度和降水量的变化对地下水评价体系的影响。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源调控方法，包含如下步骤：

S1：基础数据收集：气象水文数据包括有效降雨量、灌溉水利用系数、作物需水量；社会经济数据包括作物价格、种植成本、灌溉面积、作物水分生产力、以及单位面积的化肥、农药、农机、农膜用量、沿程水头损失、单位管长水头损失、计算管段的长度、管粗糙率、管段流量、管段流量、地下水埋深、泵站效率、沿途损失；环境数据包括地下水现存水量、降雨补给地下水量、地表水补给地下水量、水汽凝结量、地下水蒸发量、地表水携带地下水流出量、年水位变幅、含水层介质、地形坡度、包气带介质、含水层渗透系数；

S2：构建作物的经济效益函数，量化收获的作物售卖所得效益减去种植过程中的成本花费，得到最终的净经济效益；其中，经济效益函数为：

maxF_NB＝max(R-C_cos)

F_NB是净收益的目标函数，元；R是作物收益，元；C_cos是作物种植成本，元。

式中，PC_k是农作物k价格，元/kg；YA_ik是灌区i中作物k的单位面积产量，kg/hm²；A_ik是k作物在i灌区的种植面积，hm²。

C_cos＝ECF+WCF

式中，sur是地表水上标；gro是地下水上标；ECF是作物的总种植成本，元/hm²；WCF是作物的用水成本，元；δ_k是种植单位面积作物k所需成本，元/hm²；

是地表水价格，元/m³；

是地下水价格，元/m³。

S3：构建水资源能量消耗函数，量化地表水和地下水在取水和输入到田间过程中能量的消耗。其中，所述水资源能量消耗函数为：

h_fik＝q×L

i＝10.294×n²×Q²÷d^5.333

式子，

和

是地表水和地下水的输水耗能值，kWh；

是地表水的输水质量，kg；g是重力加速度，N/kg；h_fik是沿程水头损失，m；q是单位管长水头损失，m/m；L是计算管段的长度，m；n是粗糙率；Q是管段流量，m³/s；d是管道内径，m。

式中，H是地下水埋深；ε_ik是泵站效率，％。

提取地下水来农田灌溉，需要考虑水泵扬程H，其中包括静扬程，抽水降深、流出水头、地上灌溉管道水头损失和地下井管水头损失，计算公式为：

H＝0.906h+21.75

S4：构建地下水利用量函数，量化地下水供需平衡，最大限度节约地下水的开采和使用，其中，所述地下水利用量函数为：

式中，W_ik是地下水现存水量，m³；P_ik是降雨补给地下水量，m³；M_ik是地表水补给地下水量，m³；Z_ik是水汽凝结量，m³；MO_ik是地表水携带地下水流出量，m³；ZO_ik是地下水蒸发量，m³；η是农用地下水比例。

P_ik＝P×A_ik×α

式中，α是年平均降水入渗系数。

S5：构建水资源利用效率函数，量化水资源利用量与作物产量之间的关系，其中，所述水资源利用效率函数为：

S6：设定模型边界：模型边界约束条件包括地表水可利用量约束、地下水可利用量约束、粮食供给约束、灌溉定额约束和决策变量不应为负约束；所述地表水可利用量约束：

式中，SWA_i是各个地区地表可供水量，m³；η^sur是地表水利用效率；r是河流调水比例；Q是地表总可供水量，m³。

所述地下水可利用量约束：

式中，TGWA是地下水总量，m³；η^gro是地下水利用效率；β_ik是各个地区地下水评价指标贡献率；TGWA是农业灌溉地下水总量，m³。

所述粮食供给约束：

式中，PO_i是分区的人口；FD是粮食需求，kg/人；

所述灌溉定额约束为：

式中，IQ_min和IQ_max是作物允许灌溉的最小定额和最大定额；

决策变量不应为负约束为：

S7：构建地下水评价指标体系，指标体系的构建考虑了水量评价、质量评价和脆弱性评价3项一级指标，其中包括：地下水开采率、地下水水质综合评价、地下水埋深(D)、含水层净补给量(R)、含水层介质(A)、地形坡度(T)、包气带介质(I)、含水层渗透系数(C)这8项二级指标。水量评价一级指标通过地下水开采率模型量化，其中，地下水开采率模型为：

表1水量评价指标及标准

质量评价一级指标通过地下水水质综合评价量化，其中，地下水质量评价按照综合评价表如表2：

表2质量评价指标及标准

脆弱性评价采用DRASTIC评价方法。DRASTIC作为一种指标体系，考虑了多种影响因素，影响水源地脆弱性的因子主要有:地下水埋深(D)、含水层净补给量(R)、含水层介质(A)、地形坡度(T)、包气带介质(I)、含水层渗透系数(C)。根据每个评价因子的变化范围或其内在属性划分若干范围，每个范围给予一定的分值构成评分体系。根据国内外以往研究经验，对各因子进行打分(表3)。

表3各项因子打分结果

将每个地区对应的贡献率值进行计算，计算结果即为脆弱性分值，公式如下：

DRATIC＝5D+4R+3A+1T+5I+3C

DRAMIC值介于20～200之间。分值越大，脆弱性越强，水源地越容易受到污染，其安全度越低；评分值越小，脆弱性越弱，安全度越高。其等级划分参照表4。

表4水量评价指标及标准

将得到的3个一级指标和8个二级指标的评分情况进行贡献率的求解，公式如下：

式中，n是二级指标索引，n＝1...8；V_in是不同地区各项贡献率得分。

S8：构建贝叶斯网络，通过降水量和温度预测含水层净补给量；通过爬山法学习贝叶斯网络结构，查看各个变量的相关强度，通过黑白表格调整贝叶斯网络结构；利用极大似然法进行参数学习；进行贝叶斯推理，确定各个参数的后验概率分布，并求得各个变量对径流量影响的概率密度；通过RCP4.5和RCP8.5的两种情景的降水量和温度，预测气候变化条件下含水层净补给量的变化，将其输入到构建的一种考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源节能高效调控方法中地下水评价体系，得到气候变化条件下的灌区水资源节能高效调控方案。

Claims (8)

1.考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源调控方法，其特征在于，包含如下步骤：

S1：基础数据收集：

S2：构建作物的经济效益函数，量化收获的作物售卖所得效益减去种植过程中的成本花费，得到最终的净经济效益；

S3：构建水资源能量消耗函数，量化地表水和地下水在取水和输入到田间过程中能量的消耗；

S4：构建地下水利用量函数，量化地下水供需平衡，最大限度节约地下水的开采和使用；

S5：构建水资源利用效率函数，量化水资源利用量与作物产量之间的关系；

S6：设定模型边界：模型边界约束条件包括地表水可利用量约束、地下水可利用量约束、粮食供给约束、灌溉定额约束和决策变量不应为负约束；

S7：构建地下水评价指标体系，指标体系的构建考虑了水量评价、质量评价和脆弱性评价3项一级指标，其中包括：地下水开采率、地下水水质综合评价、地下水埋深D、含水层净补给量R、含水层介质A、地形坡度T、包气带介质I、含水层渗透系数C这8项二级指标；

将得到的3个一级指标和8个二级指标的评分情况进行贡献率的求解，公式如下：

式中，n是二级指标索引，n＝1...8；V_in是不同地区各项贡献率得分；

S8：构建贝叶斯网络，通过降水量和温度预测含水层净补给量；通过爬山法学习贝叶斯网络结构，查看各个变量的相关强度，通过黑白表格调整贝叶斯网络结构；利用极大似然法进行参数学习；进行贝叶斯推理，确定各个参数的后验概率分布，并求得各个变量对径流量影响的概率密度；通过RCP4.5和RCP8.5的两种情景的降水量和温度，预测气候变化条件下含水层净补给量的变化，将其输入到构建的地下水评价体系，得到气候变化条件下的灌区水资源节能高效调控方案。

2.根据权利要求1所述的考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源调控方法，其特征在于，S1中基础数据包括：

气象水文数据包括有效降雨量、灌溉水利用系数、作物需水量；

社会经济数据包括作物价格、种植成本、灌溉面积、作物水分生产力、以及单位面积的化肥、农药、农机、农膜用量、沿程水头损失、单位管长水头损失、计算管段的长度、管粗糙率、管段流量、管段流量、地下水埋深、泵站效率、沿途损失；

环境数据包括地下水现存水量、降雨补给地下水量、地表水补给地下水量、水汽凝结量、地下水蒸发量、地表水携带地下水流出量、年水位变幅、含水层介质、地形坡度、包气带介质、含水层渗透系数。

3.根据权利要求1所述的考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源调控方法，其特征在于，S2中，经济效益函数为：

maxF_NB＝max(R-C_cos)

F_NB是净收益的目标函数，元；R是作物收益，元；C_cos是作物种植成本，元；

式中，PC_k是农作物k价格，元/kg；YA_ik是灌区i中作物k的单位面积产量，kg/hm²；A_ik是k作物在i灌区的种植面积，hm²；

C_cos＝ECF+WCF

式中，sur是地表水上标；gro是地下水上标；ECF是作物的总种植成本，元/hm²；WCF是作物的用水成本，元；δ_k是种植单位面积作物k所需成本，元/hm²；WP_i ^sur是地表水价格，元/m³；WP_i ^gro是地下水价格，元/m³。

4.根据权利要求1到3任一项所述的考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源调控方法，其特征在于，S3中，所述水资源能量消耗函数为：

h_fik＝q×L

i＝10.294×n²×Q²÷d^5.333

式子，

和

是地表水和地下水的输水耗能值，kWh；

是地表水的输水质量，kg；g是重力加速度，N/kg；h_fik是沿程水头损失，m；q是单位管长水头损失，m/m；L是计算管段的长度，m；n是粗糙率；Q是管段流量，m³/s；d是管道内径，m；

式中，H是地下水埋深；ε_ik是泵站效率，％。

5.根据权利要求4所述的考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源调控方法，其特征在于，S4中，所述地下水利用量函数为：

式中，W_ik是地下水现存水量，m³；P_ik是降雨补给地下水量，m³；M_ik是地表水补给地下水量，m³；Z_ik是水汽凝结量，m³；MO_ik是地表水携带地下水流出量，m³；ZO_ik是地下水蒸发量，m³；η是农用地下水比例；

P_ik＝P×A_ik×α

式中，α是年平均降水入渗系数。

6.根据权利要求5所述的考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源调控方法，其特征在于，S5中，所述水资源利用效率函数为：

7.根据权利要求6所述的考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源调控方法，其特征在于，S6中，所述地表水利用量约束：

式中，SWA_i是各个地区地表可供水量，m³；η^sur是地表水利用效率；r是河流调水比例；Q是地表总可供水量，m³；

所述地下水利用量约束：

式中，TGWA是地下水总量，m³；η^gro是地下水利用效率；β_ik是各个地区地下水评价指标贡献率；TGWA是农业灌溉地下水总量，m³；

所述粮食供给约束：

式中，PO_i是分区的人口；FD是粮食需求，kg/人；

所述灌溉定额约束为：

式中，IQ_min和IQ_max是作物允许灌溉的最小定额和最大定额；

决策变量不应为负约束为：

8.根据权利要求7所述的考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源调控方法，其特征在于，S7中，地下水开采率模型为：