CN115953061A - 一种水资源短缺度估算方法、装置及计算机可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种水资源短缺度估算方法，方法包括：获取绿水可利用量，并基于绿水可利用量获取潜在灌溉取水量；获取环境流量，并基于所述环境流量获取水资源可用量；获取水质需水量以及部门取水量；所述水质需水量为处理污水达到水质标准所需的水量；所述部门取水量为除农业部门外其他各部门的取水量；基于所述潜在灌溉取水量、水资源可用量、部门取水量以及水质需水量计算水资源短缺度指数；基于人口与面积的栅格数据计算水资源短缺的人口与面积以评估所述水资源短缺度。能够解决现有技术中水资源短缺评估方法中无法识别由于水资源四维耦合特性所导致的水资源短缺的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种水资源短缺度估算方法、装置及计算机可读存储介质。
背景技术
随着全球人口的持续增长，人类日益增加的水资源需求打破了自然水资源的供需平衡，加剧了局部水资源短缺紧张局势。当前水资源已经成为社会可持续发展的重要制约因素，据联合国水机制(UN-Water)在2020年世界水日发布的《世界水发展报告》，全球用水量在过去的100年间增长了6倍，目前全球有将近一半的人口居住在缺水地区。因此，在当前水资源越来越重要和水短缺局势愈来愈严峻的背景下，水资源短缺的正确评估对于缓解水资源短缺，实现社会的可持续发展至关重要。
正确评估水资源短缺的关键在于全面精准地评估水的需求和可用的水资源量。然而，当前国内外的水资源短缺评估方法大多集中在基于蓝水(河流与湖泊中的水)的水资源评估上，而忽略了由于水质问题和绿水(土壤中所保持的水)不足所造成的水资源的短缺。
在人类可利用的水资源中，河流的流量不是全部可利用的，还应考虑河流环境流量的限制。河流的环境流量是维持河流生态系统以及依赖于这些生态系统的人类生产生活和福祉所需的水量、质量和时间的标准。如果河流的流量低于了这一标准，代表着水量将无法达到当地水生栖息的最低流量要求，河流的良好生态系统和水文环境将会遭到破坏。人类可用水量不仅取决于充足的水量，还取决于适宜的水质。水质的恶化将使其可利用性下降，进而导致需要优质水源的居民生活及工业用水不足，由此造成水资源短缺。因此，我们需要从水量和水质两方面去进行水资源短缺评估。此外，在水量上，陆地上的降水可以转变为蓝水和绿水。绿水作为土壤水分的水“储备”，提供了全球作物生长发育过程中85％的用水，是农业生产中保证农作物正常生长、保证人类粮食安全的重要水源。因此将水质和绿水考虑进水资源短缺评估方法中至关重要。
仅考虑蓝水的水资源短缺评估方法存在固有的缺陷，其不能准确评估水污染严重的地区以及雨养农田(无灌溉取水)的水资源短缺情况，造成评估结果优于实际情况。因此研究出能够更准确反应水资源短缺的方法迫在眉睫。
发明内容
本发明提供了一种水资源短缺度估算方法、装置及计算机可读存储介质。能够解决现有技术中水资源短缺评估方法中无法识别由于水资源四维耦合特性所导致的水资源短缺的技术问题。
本发明中的一种水资源短缺度估算方法，所述方法包括：
获取绿水可利用量，并基于绿水可利用量获取潜在灌溉取水量；
获取环境流量，并基于所述环境流量获取水资源可用量；
获取水质需水量以及部门取水量；所述水质需水量为稀释污水达到水质标准所需的水量；所述部门取水量为除农业部门外其他各部门的取水量；
基于所述潜在灌溉取水量、水资源可用量、部门取水量以及水质需水量计算水资源短缺度指数；
基于人口与面积的栅格数据计算水资源短缺的人口与面积以评估所述水资源短缺度。
优选的，所述方法还包括：
获取评估区域，确定所述评估区域中作物种类以及影响水质的污染物种类；
根据评估区域、所述作物种类以及影响水质的污染物种类获取绿水可利用量、环境流量、水质需水量以及部门取水量。
优选的，所述方法还包括：
根据公式一获取所述绿水可利用量WRg：
其中，RM为根区土壤含水量，FC为田间持水量，WP为凋萎系数。
优选的，所述方法还包括：
根据公式二获取环境流量EFR：
其中，MMF为自然状态时月平均径流量，MAF为自然状态时年平均径流量。
优选的，所述方法还包括：
根据公式三获取水资源可用量：
WRA＝WRb-EFR 公式三
其中，WRb为当前情况下的每月径流量。
优选的，所述方法还包括：
根据公式四获取潜在灌溉取水量PWir：
其中，ETc为评估区域内所有作物的需水量，IE为灌溉水有效利用系数。
优选的，所述方法还包括：
根据公式五、公式六分别获取将污染物j稀释到部门i所规定标准所需的水量WQi,j以及部门i将不同污染物稀释到规定标准所需要的水量WQi：
WQi＝max(WQi,j) 公式六
其中，Cj为污染物j在水体中的浓度，CQi,j为部门i对污染物j所规定的最大浓度标准，WWi为部门i的取水量，TWWi为部门i将废水处理后得到的水量。
优选的，所述方法还包括：
根据公式七获取水资源短缺度指数iWSI：
其中，WWos为所述部门取水量，∑iEQi为水质需水量。
本发明提供一种水资源短缺度估算装置，所述装置包括：
第一获取单元，用于获取绿水可利用量，并基于绿水可利用量获取潜在灌溉取水量；
第二获取单元，用于获取环境流量，并基于所述环境流量获取水资源可用量；
第三获取单元，用于获取水质需水量以及部门取水量；所述水质需水量为稀释污水达到水质标准所需的水量；所述部门取水量为除农业部门外其他各部门的取水量；
计算单元，用于基于所述潜在灌溉取水量、取水资源可用量、部门取水量以及水质需水量计算水资源短缺度指数；
评估单元，用于基于人口与面积的栅格数据计算水资源短缺的人口与面积以评估所述水资源短缺度。
本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上任意一项的水资源短缺度估算方法的步骤。
本发明的方法得到的水资源源短缺度指数iWSI，额外综合了水质和绿水对水资源短缺的贡献，提出了新的水资源短缺度评估，可以监测到雨养农田的水资源短缺以及水污染负荷超标无法使用所造成的水资源短缺，能够更完整地描绘研究区域水资源短缺的实际情况，可以在更大范围监测到受水资源短缺影响的面积与人口。
附图说明
图1是本发明实施例中一种水资源短缺度估算方法流程图；
图2是本发明实施例中一种水资源短缺度估算装置结构图；
图3是本发明实施例中iWSI与bWSI在结果上的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明实施例提供一种水资源短缺度估算方法，如图1所示，所述方法包括：
步骤101，获取绿水可利用量，并基于绿水可利用量获取潜在灌溉取水量。具体的，绿水可利用量是由根区凋萎系数与田间持水量之间的根区土壤含水量决定的，根据绿水可利用量可以得到潜在灌溉取水量，其中，潜在灌溉取水量表示满足作物生长期需要的灌溉取水量，与土壤中水的可用量有关，是考虑绿水不足时而需要的水量。
步骤102，获取环境流量，并基于所述环境流量获取水资源可用量。具体的，获取环境流量的方法包括：生态学和水文学等多种不同的方法，在获取环境流量时可以选取一种或多种方法进行计算。
较佳的实施例中，选择水文方法中的可变月流量法。可变月流量法通过对月平均流量和年平均流量的比较，按流量将水文季节分为高、中、低三种，以流量季节的变化动态调控环境流量，是一种可靠的环境流量计算方法。首先通过可变月流量法来计算得到每个栅格月尺度的环境流量EFR：每个栅格的月平均流量由每月的日尺度流量平均得到，年平均径流由1981-2010年共三十年的月平均流量平均得到。
步骤103，获取水质需水量以及部门取水量；所述水质需水量为稀释污水达到水质标准所需的水量；所述部门取水量为除农业部门外其他各部门的取水量。具体的，将水质需水量考虑在本发明具体实施例中，主要是由于水质达不到各部门使用的标准时，处理污水需要额外稀释，是考虑水质不达标时需要的水量。
步骤104，基于所述潜在灌溉取水量、水资源可用量、部门取水量以及水质需水量计算水资源短缺度指数。具体的，将水资源四个维度的因素蓝水、水质、绿水和环境流量进行整合，由取水量和水资源可用量的比值计算水资源短缺度。将由水质问题所造成的取水量、由绿水不足所造成的取水量、和其他部门取水(农业部门以外)相结合，综合考虑三种水的需求方式，得到所需的总取水量并计算获取的水资源短缺度指数iWSI。
步骤105，基于人口与面积的栅格数据计算水资源短缺的人口与面积以评估所述水资源短缺度。具体的，结合人口与面积的栅格数据，计算水资源短缺的人口与面积。将人口分布与栅格面积的栅格数据对应到全球计算出iWSI的栅格数据，将iWSI大于1的栅格的人口和面积数据分别相加，得到全球受水资源短缺的人口与面积。
相比于现有的仅基于蓝水的水资源短缺度指数bWSI，本发明实施例所述方法计算的所述的水资源源短缺度指数iWSI，额外综合了水质和绿水对水资源短缺的贡献，提出了新的水资源短缺度评估，可以监测到雨养农田的水资源短缺以及水污染负荷超标无法使用所造成的水资源短缺，能够更完整地描绘研究区域水资源短缺的实际情况，可以在更大范围监测到受水资源短缺影响的面积与人口。
本发明具体实施例所述的水资源短缺度估算方法，较佳的，所述方法还包括：
获取评估区域，确定所述评估区域中作物种类以及影响水质的污染物种类；
根据所述作物种类以及影响水质的污染物种类获取绿水可利用量、环境流量、水质需水量以及部门取水量。具体的，本发明具体实施例中，水资源短缺度估算方法与评估区域密切相关，根据不同的评估区域确定不同的作物种类以及影响水质的污染物种类，才可以获得较为准确的数据。
本发明具体实施例所述的水资源短缺度估算方法，较佳的，所述方法还包括：
根据公式一获取所述绿水可利用量WRg：
其中，RM为根区土壤含水量，FC为田间持水量，WP为凋萎系数。
本发明具体实施例所述的水资源短缺度估算方法，较佳的，所述方法还包括：
根据公式二获取环境流量EFR：
其中，MMF为自然状态时月平均径流量，MAF为自然状态时年平均径流量。具体的，自然状态时月平均径流量MMF是指无人类活动的自然状态时月平均径流量，由月平均径流量在多年平均得到；自然状态时年平均径流量MAF是指无人类活动的自然状态时年平均径流量。
本发明具体实施例所述的水资源短缺度估算方法，较佳的，所述方法还包括：
根据公式三获取水资源可用量：
WRA＝WRb-EFR 公式三
其中，WRb为当前情况下的每月径流量。
本发明具体实施例所述的水资源短缺度估算方法，较佳的，所述方法还包括：
根据公式四获取潜在灌溉取水量PWir：
其中，ETc为评估区域内所有作物的需水量，IE为灌溉水有效利用系数。具体的，潜在灌溉取水量表示满足作物生长期需要的灌溉取水量，与土壤中水的可用量有关，是考虑绿水不足时而需要的水量。
本发明具体实施例所述的水资源短缺度估算方法，较佳的，所述方法还包括：
根据公式五、公式六分别获取将污染物j稀释到部门i所规定标准所需的水量WQi,j以及部门i将不同污染物稀释到规定标准所需要的水量WQi：
WQi＝max(WQi,j) 公式六
其中，Cj为污染物j在水体中的浓度，CQi,j为部门i对污染物j所规定的最大浓度标准，WWi为部门i的取水量，TWWi为部门i将废水处理后得到的水量。
本发明具体实施例所述的水资源短缺度估算方法，较佳的，所述方法还包括：
根据公式七获取水资源短缺度指数iWSI：
其中，WWos为所述部门取水量，∑iWQi为水质需水量。具体的，以上计算公式是将由水质问题所造成的取水量、由绿水不足所造成的取水量、和其他部门取水(农业部门以外)相结合所评估的水资源短缺度指数。iWSI的物理意义为总需水量和可用水量之比。当iWSI大于1时，即总需水量大于可用水量，表示当地为水资源短缺地区；当iWSI小于等于1时，即总需水量小于等于可用水量，表示当地并未水资源短缺。
本发明具体实施例所述的方法能够高效地进行水资源短缺度评估，对人类认识水的生态价值、保障粮食安全、实现可持续发展提供科学依据。能够监测到雨养农田以及水污染负荷超标所造成的水资源短缺，为未来粮食需求增长和气候变化的应对提供帮助。本发明提出的综合水质和绿水的水资源短缺评估可在网格层面全面展示水资源稀缺的严重程度和覆盖范围(可进一步聚合到国家或区域层面)，为预测未来水资源稀缺提供良好的基础。
本发明实施例还提供一种水资源短缺度估算装置，如图2所示，所述装置包括：
第一获取单元201，用于获取绿水可利用量，并基于绿水可利用量获取潜在灌溉取水量；
第二获取单元202，用于获取环境流量，并基于所述环境流量获取水资源可用量；
第三获取单元203，用于获取水质需水量以及部门取水量；所述水质需水量为稀释污水达到水质标准所需的水量；所述部门取水量为除农业部门外其他各部门的取水量；
计算单元204，用于基于所述潜在灌溉取水量、取水资源可用量、部门取水量以及水质需水量计算水资源短缺度指数；
评估单元205，用于基于人口与面积的栅格数据计算水资源短缺的人口与面积以评估所述水资源短缺度。
本发明还提供如下一具体的实施例。先选取评估区域，确定评估区域中作物种类以及影响水质的污染物种类。具体的，选取评估区域为全球，评估时段为2001-2010年，在0.5×0.5弧度分辨率的栅格下进行计算。并确定了小麦、玉米、水稻等全球19种作物种类，以及五种污染物种类：地表水温度、盐度(总溶解固体)、有机污染(生化需氧量)和养分(总氮和总磷)。
其次，根据评估区域获取绿水可利用量、环境流量与水资源可用量。绿水可利用量是由根区凋萎系数与田间持水量之间的根区土壤含水量决定的，依照公式一进行计算。本发明实施例中环境流量的计算采用的是水文方法中的可变月流量法，可变月流量法通过对月平均流量和年平均流量的比较，按流量将水文季节分为高、中、低三种，以流量季节的变化动态调控环境流量，是一种可靠的环境流量计算方法。计算所需的栅格径流数据由全球水文模型输出得到，分为自然状态(无人类活动)以及当前状态(有人类活动)的月尺度数据。首先通过可变月流量法来计算得到每个栅格月尺度的环境流量(EFR)：每个栅格的月平均流量由每月的日尺度流量平均得到，年平均径流由1981-2010年共三十年的月平均流量平均得到。依照公式二计算得到环境流量(EFR)。再依照公式三得到全球的水资源可用量(WRA)。
再次，计算潜在灌溉取水量以及处理污水达到水质标准所需的水质需水量。作物实际蒸散发ETc由彭曼公式进行估算，计算需要用到的作物种植面积以及作物的种植和收获日期由MIRCA2000数据集提供。ETc根据每日数据计算，然后按月加总。土壤中的可用水量由全球水文模型提供，包括灌溉农田和雨养农田的绿水可用量。用得到的上述数据依照公式四计算得到潜在灌溉需水量。
污染物浓度、水质标准以及废水处理数据来自全球地表水水质模型输出，人类部门取水数据来自全球水文模型输出，依照公式五和公式六计算得到处理污水达到水质标准所需水量。
将以上因素整合，由需水量和水资源可用量计算水资源短缺度指数。将由于水质问题所造成的需水量和由绿水不足所造成的需水量与人类其他部门取水(除农业部门)相加，综合考虑需求方式，得到评估时段内在评估区域中的所需的总取水量。依照公式七计算水资源短缺度指数iWSI。
最后再结合人口与面积的栅格数据，计算水资源短缺的人口与面积。
在全球尺度上将人口分布与面积的栅格数据对应到计算出的iWSI栅格数据，将iWSI大于1的栅格的人口和面积数据分别相加，得到全球受水资源短缺的人口与面积。表1和图3展示的是本发明实施例提出的基于蓝水、水质、绿水和环境流量的水资源短缺度指数iWSI与传统的基于蓝水的水资源短缺度指数bWSI在结果上的差异。表1展示的是2001-2010年年平均的全球以及六大洲受水资源短缺影响的面积和人口。相对于传统基于蓝水的水资源短缺度评估(bWSI),额外考虑水质和绿水的水资源短缺度评估(iWSI)在六大洲上均监测到了更大范围的受水资源短缺影响的面积和人口。在全球，受水资源短缺影响的面积和人口分别增长了73.2％和31.7％。
表1
本发明具体实施例还提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上任意一项具体实施例所述的水资源短缺度估算方法的步骤。
应理解，在本文的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本文实施例的实施过程构成任何限定。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种水资源短缺度估算方法，其特征在于，所述方法包括：
获取绿水可利用量，并基于绿水可利用量获取潜在灌溉取水量；
获取环境流量，并基于所述环境流量获取水资源可用量；
获取水质需水量以及部门取水量；所述水质需水量为稀释污水达到水质标准所需的水量；所述部门取水量为除农业部门外其他各部门的取水量；
基于所述潜在灌溉取水量、水资源可用量、部门取水量以及水质需水量计算水资源短缺度指数；
基于人口与面积的栅格数据计算水资源短缺的人口与面积以评估所述水资源短缺度。
2.根据权利要求1所述的水资源短缺度估算方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取评估区域，确定所述评估区域中作物种类以及影响水质的污染物种类；
根据评估区域、所述作物种类以及影响水质的污染物种类获取绿水可利用量、环境流量、水质需水量以及部门取水量。
3.根据权利要求2所述的水资源短缺度估算方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据公式一获取所述绿水可利用量WRg：
其中，RM为根区土壤含水量，FC为田间持水量，WP为凋萎系数。
4.根据权利要求3所述的水资源短缺度估算方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据公式二获取环境流量EFR：
其中，MMF为自然状态时月平均径流量，MAF为自然状态时年平均径流量。
5.根据权利要求4所述的水资源短缺度估算方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据公式三获取水资源可用量：
WRA＝WRb-EFR 公式三
其中，WRb为当前情况下的每月径流量。
6.根据权利要求5所述的水资源短缺度估算方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据公式四获取潜在灌溉取水量PWir：
其中，ETc为评估区域内所有作物的需水量，IE为灌溉水有效利用系数。
7.根据权利要求6所述的水资源短缺度估算方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据公式五、公式六分别获取将污染物j稀释到部门i所规定标准所需的水量WQi,j以及部门i将不同污染物稀释到规定标准所需要的水量WQi：
WQi＝max(WQi,j) 公式六
其中，Cj为污染物j在水体中的浓度，CQi,j为部门i对污染物j所规定的最大浓度标准，WWi为部门i的取水量，TWWi为部门i将废水处理后得到的水量。
8.根据权利要求7所述的水资源短缺度估算方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据公式七获取水资源短缺度指数iWSI：
其中，WWos为所述部门取水量，ΣiWQi为水质需水量。
9.一种水资源短缺度估算装置，其特征在于，所述装置包括：
第一获取单元，用于获取绿水可利用量，并基于绿水可利用量获取潜在灌溉取水量；
第二获取单元，用于获取环境流量，并基于所述环境流量获取水资源可用量；
第三获取单元，用于获取水质需水量以及部门取水量；所述水质需水量为稀释污水达到水质标准所需的水量；所述部门取水量为除农业部门外其他各部门的取水量；
计算单元，用于基于所述潜在灌溉取水量、取水资源可用量、部门取水量以及水质需水量计算水资源短缺度指数；
评估单元，用于基于人口与面积的栅格数据计算水资源短缺的人口与面积以评估所述水资源短缺度。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现权利要求1至8任意一项的水资源短缺度估算方法的步骤。
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|---|---|---|---|
| CN202211708673.3A CN115953061A (zh) | 2022-12-29 | 2022-12-29 | 一种水资源短缺度估算方法、装置及计算机可读存储介质 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115953061A true CN115953061A (zh) | 2023-04-11 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2022-12-29 CN CN202211708673.3A patent/CN115953061A/zh active Pending
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