CN117391334A - 一种适用于大型旱区的水资源统一优化配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适用于大型旱区的水资源统一优化配置方法，该方法在需水侧统筹考虑了区域生活、工业以及农业用水需求，在供水侧统筹考虑地表水、水库水、地下水、中水不同水源的丰枯互济，在开展水资源分区并制定水资源配置原则的基础上，构建了水资源统一优化配置模型，开展了水资源配置计算，提出了适用于大型旱区的水资源优化配置方案，与传统方法相比，实现了充分利用地表水、合理配置水库水、严格控制地下水的水资源高效利用目标，用水效率显著提高，可以助力保障旱区粮食安全，为区域社会经济发展提供坚强水资源基础。
Description
技术领域
本发明属于水利、环境和公共设施管理业技术领域，具体涉及一种适用于大型旱区的水资源统一优化配置方法。
背景技术
大型旱区年降雨量少，蒸发大，水资源时空分布不均，开展水资源优化配置是提高水资源利用效率，解决水资源短缺，保障区域供水安全、生态安全以及粮食安全，服务经济社会高质量发展的重要途径。
采用预先根据社会经济发展水平制定的水量分配方案是目前配置大型旱区各行业水量的主要手段，如张丽霞等[1]采用用水总量分配方案确定了新疆喀什噶尔河大型灌区内各用水单元的水资源利用量，进而开展了规划年水资源供需分析与配置计算；秦宗江[2]采用用水总量分配方案确定了新疆叶尔羌河大型灌区内各用水单元的水资源利用量，开展了该区域的水资源配置计算；李森等[3]采用用水总量分配方案确定了喀什地区全部县市的水资源配置方案，提出了保障规划年喀什地区经济社会发展用水需求的工程措施，上述研究成果在提高当地水资源开发利用水平，为经济社会发展提供水资源保障等方面发挥了重要作用。
但需要注意的是，大型旱区水资源供给基本全依赖于地表水和地下水，地表天然来水过程不均，而不同区域地下水循环交换，总量确定但分布存在明显的时空变化，导致供水端是一个不均匀的变化过程；需水端涉及生活、工业、农业、生态等多个对象，各对象的需求时段和需求量各不相同，存在复杂的交织博弈关系，不均匀的供给叠加不均匀的需求，导致大型旱区供用水关系极其复杂。采用预先制定的水量分配方案配置各行业水量操作简便，但没有考虑供水和需水的动态变化关系，尚未实现地表水、水库水、地下水、中水等不同水源间的相互调配，水资源配置方案无法根据来水情势自动调整，离水资源高效利用目标还有较大差距。
参考文献：
1.新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司.新疆喀什噶尔河大型灌区续建配套与现代化改造实施方案[R].2020.
2.秦宗江.叶尔羌河流域规划概述[J].水利规划与设计,2009(03):3-5.
3.新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院.喀什地区水安全战略规划报告[R].2022.
发明内容
针对大型旱区传统根据用水需求直接划分可供水量的水量分配方案无法较好协调不均匀来水与不均匀需水间的关系，导致水资源利用效率偏低等问题，本发明提出了一种适用于大型旱区的水资源统一优化配置方法，该方法与传统方法相比，实现了充分利用地表水、合理配置水库水、严格控制地下水的水资源高效利用目标，用水效率显著提高，可以助力保障旱区粮食安全，为区域社会经济发展提供坚强水资源基础。
为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
一种适用于大型旱区的水资源统一优化配置方法，包括如下步骤：
步骤1，根据研究区域内行政区划和水资源区分布，以水资源分区套行政区，同时考虑供用水关系，将旱区水资源供需分析范围细分为若干个计算小区；
步骤2，收集区域经济社会统计年鉴、规划报告，合理确定未来一段时间内不同行业的发展规模，并根据相关规程规范，确定不同行业的单位用水量，结合发展规模与单位用水量，预测未来一段时间内不同计算小区各个行业的需水过程；
步骤3，考虑生活生产生态用水需求，结合工程供水能力，分析计算区域水资源可利用量，包括地表水可利用量，地下水可利用量和再生水可利用量；
步骤4，确定水资源配置原则，包括不同水源的用水次序，不同用户的供水次序，确定配置计算节点；
步骤5，构建大型旱区水资源统一优化配置模型；
步骤6，采用水资源统一优化配置模型，开展旱区水资源统一优化配置，确定今后一段时间内区域的水资源优化配置方案。
优选地，步骤1中，收集研究区域内社会经济发展数据，包括面积、城镇人口、农村人口、牲畜数量、工业增加值、灌溉面积、田间高效节水灌溉面积、灌溉制度；收集研究区域水资源开发利用保护与水利工程设施数据，包括地表水资源、地下水资源、再生水开发利用情况以及蓄水工程、取水工程、输水工程、城乡供水工程、水系连通工程、机井工程在内的工程属性信息。
优选地，步骤2中，不同行业的发展规模的确定方法为：
根据研究区域经济社会发展数据，结合国民经济和社会发展规划、国土空间规划、城镇发展规划、农田灌溉发展规划、高标准农田建设规划在内的全口径规划资料，确定研究区域规划水平年，对规划水平年各计算小区的经济社会发展规模进行预测，具体包括：
(1)人口规模预测，包括城镇人口和农村人口，主要依据现状人口规模和近期人口增速资料确定；
(2)工业规模预测，主要根据现状工业规模以及工业发展规划要求确定；
(3)牲畜规模预测，主要根据现状牲畜数量以及牲畜发展规划要求确定；
(4)农业规模预测，主要根据现状灌溉面积规模，结合农田发展规划、粮食产能提升计划、高标准农田建设规划要求确定规划年农业灌溉规模，包括常规灌溉面积以及旱区高效节水灌溉面积；
(5)城镇绿化规模预测，主要根据规划年人口规模以及人均城镇绿化要求确定。
优选地，步骤2中，不同计算小区各个行业的需水过程的预测方法为：
根据规划年经济社会发展规模，结合相关规程规范，预测各计算小区的生活、工业、牲畜、农业和绿化面积需水量及需水过程，汇总得到各计算小区的总需水量，具体包括：
(1)根据人口发展规模，结合城镇居民用水定额和农村居民用水定额，确定规划年各个计算小区的生活需水量；
(2)根据工业发展规模，结合工业增加值用水标准，确定规划年各个计算小区的工业需水量；
(3)根据牲畜发展规模，结合牲畜用水标准，确定规划年各个计算小区的生活需水量；
(4)根据不同种植作物常规灌溉和高效灌溉面积发展规模，结合作物灌溉制度和灌溉定额，确定规划年各个计算小区的农业需水量；
(5)根据城镇绿化发展规模，结合城镇绿化灌溉用水标准，确定规划年各个计算小区的城镇绿化需水量。
优选地，步骤3中，分析计算区域水资源可利用量的具体方法为：
步骤3.1，根据区域上游不同来水频率下的径流量下泄过程，综合考虑临近用户的分水比例以及河道内生态环境需水确定地表水可利用量；
步骤3.2，根据地下水可开采量，结合地下水开采能力以及微咸水利用情况，确定旱区各计算小区的地下水可利用量；
步骤3.3，根据生活工业用水量预测结果，结合规划年城镇再生水利用水平，计算各计算小区的再生水可利用量；
优选地，步骤4中，确定水资源配置方法包括：
1)三水统筹，优先满足生态需水，然后在满足生活用水和工业用水的基础上，余水在进行农业灌溉；
2)统一配置，在研究区域全区范围内进行水资源调配，最大限度提高水资源利用效率；
3)联合调度，地表水、地下水和中水联合供水，并充分考虑平原水库调蓄作用，各水源的供水次序按照优先使用地表水，不足再由地下水供水；
4)平衡节点，地表水平衡节点在出山口，地下水经井口向地表水折算，需水过程通过管网水利用系数、渠系水利用系数统一折算至取水口；
5)合理控制，地表水最大引水流量按取水口规模控制，地下水最大取用量按照各县市地下水可开采量控制，充分利用中水资源。
优选地，步骤5中，构建大型旱区水资源统一优化配置模型方法包括：
步骤5.1，编制需水预测、可供水量计算模块，确定不同用户的需水量和需水过程，确定不同水源的可供水量和过程；
步骤5.2，根据不同计算小区、不同河流、不同水库、不同取水工程间供用水关系，将其转化为二元矩阵关系；
步骤5.3，读入水库调蓄库容等工程参数信息，编制水库调节计算模块；
步骤5.4，将水资源配置原则转化为约束关系，编制水资源配置模型主模块。
优选地，步骤6中，输出各计算小区水资源配置结果，包括需水量、缺水量、地表水、地下水、水库水、中水供水量以及供水对象，根据计算子区与行政区的关系，汇总得到研究区域各个县市以及整个地区的水资源优化配置方案，为保障当地经济社会发展提供坚强水支撑。
相比于现有技术，本发明所提及的一种适用于大型旱区的水资源统一优化配置方法主要有如下优点和有益效果：
本发明提出了大型旱区水资源统一优化配置的实现路径，包括计算分区、需水预测、可供水量计算、配置原则制定，配置计算5大环节，构建了水资源统一优化配置模型，实现了多水源相互调配，多用户需求统筹的水资源优化配置。该方法可以实现研究区域各计算单元水资源统一配置计算，计算效率较高，另外可以根据不同行业的需水特点，在整个区域参与地表水、水库水和再生水的统一调配，克服了传统方法采用预先配置水量，导致供水与需水不协调的缺陷，对于提高旱区水资源利用效率，保障区域水安全具有指导意义。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述。
针对大型旱区传统根据用水需求直接划分可供水量的水量分配方案无法较好协调不均匀来水与不均匀需水间的关系，导致水资源利用效率偏低等问题，本发明提出了一种适用于大型旱区的水资源统一优化配置方法，该方法在需水侧统筹考虑了区域生活、工业以及农业用水需求，在供水侧统筹考虑地表水、水库水、地下水、中水不同水源的丰枯互济，在开展水资源分区并制定水资源配置原则的基础上，构建了水资源统一优化配置模型，开展了水资源配置计算，提出了适用于大型旱区的水资源优化配置方案，与传统方法相比，实现了充分利用地表水、合理配置水库水、严格控制地下水的水资源高效利用目标，用水效率显著提高，可以助力保障旱区粮食安全，为区域社会经济发展提供坚强水资源基础。
以下结合实例详细说明本发明的方案技术，本发明提供了一种大型旱区水资源统一优化配置的方法，包括：
S1，收集研究区域社会经济发展数据，包括面积、城镇人口、农村人口、牲畜数量、工业增加值、灌溉面积、田间高效节水灌溉面积、灌溉制度等；收集研究区域水资源开发利用保护与水利工程设施数据，包括地表水资源、地下水资源、再生水开发利用情况以及蓄水工程、取水工程、输水工程、城乡供水工程、水系连通工程、机井工程等工程基本参数信息。
S2，根据研究区域行政区划，结合水资源区分布和现状水利工程分布，以水资源分区套行政区，将研究区域划分为若干个计算小区，作为开展水资源优化配置的基本单元。
S3，根据研究区域经济社会发展数据，结合国民经济和社会发展规划、国土空间规划、城镇发展规划、农田灌溉发展规划、高标准农田建设规划等全口径规划资料，确定研究区域规划水平年，对规划水平年各计算小区的经济社会发展规模进行预测，具体包括：
(1)人口规模预测，包括城镇人口和农村人口，主要依据现状人口规模和近期人口增速资料确定；
(2)工业规模预测，主要根据现状工业规模以及工业发展规划要求确定；
(3)牲畜规模预测，主要根据现状牲畜数量以及牲畜发展规划要求确定；
(4)农业规模预测，主要根据现状灌溉面积规模，结合农田发展规划、粮食产能提升计划、高标准农田建设规划要求确定规划年农业灌溉规模，包括常规灌溉面积以及旱区高效节水灌溉面积；
(5)城镇绿化规模预测。主要根据规划年人口规模以及人均城镇绿化要求确定。
S4，根据规划年经济社会发展规模，结合相关规程规范，预测各计算小区的生活、工业、牲畜、农业和绿化面积需水量及需水过程，汇总得到各计算小区的总需水量，具体包括：
(1)根据人口发展规模，结合城镇居民用水定额和农村居民用水定额，确定规划年各个计算小区的生活需水量；
(2)根据工业发展规模，结合工业增加值用水标准，确定规划年各个计算小区的工业需水量；
(3)根据牲畜发展规模，结合牲畜用水标准，确定规划年各个计算小区的生活需水量；
(4)根据不同种植作物常规灌溉和高效灌溉面积发展规模，结合作物灌溉制度和灌溉定额，确定规划年各个计算小区的农业需水量；
(5)根据城镇绿化发展规模，结合城镇绿化灌溉用水标准，确定规划年各个计算小区的城镇绿化需水量。
S5，根据研究区域水资源开发利用情况，确定规划年水资源可利用量，具体包括：
(1)地表水可利用量。根据断面径流下泄过程、分水比例、供水对象用水需求以及河道内生态环境需水综合确定，其中断面径流考虑上游水库调节影响；
(2)地下水可利用量。根据地下水可开采量和地下水开采能力综合确定。另外，将微咸水资源也作为旱区地下水可利用量的一部分；
(3)再生水可利用量。等于城镇生活工业用水量乘以污水排放系数、城镇排水管道漏失率、排水管道覆盖率和再生水利用率得到，其中污水排放系数、城镇排水管道漏失率、排水管道覆盖率、再生水利用率根据相关发展规划确定。
S6，以研究区域主要河流为主干，计算小区为单元，取分水点为纽带，解构复杂的水资源配置关系，形成水资源配置概化网络图。
S7，确定水资源配置原则，主要包括：
1)三水统筹。优先满足生态需水，然后在满足生活用水和工业用水的基础上，余水在进行农业灌溉；
2)统一配置。在研究区域全区范围内进行水资源调配，最大限度提高水资源利用效率；
3)联合调度。地表水、地下水和中水联合供水，并充分考虑平原水库调蓄作用，各水源的供水次序按照优先使用地表水，不足再由地下水供水；
4)平衡节点。地表水平衡节点在出山口，地下水经井口向地表水折算，需水过程通过管网水利用系数、渠系水利用系数统一折算至取水口；
5)合理控制。地表水最大引水流量按取水口规模控制，地下水最大取用量按照各县市地下水可开采量控制，充分利用中水资源。
S8，编制水资源统一优化配置模型，将在每个计算小区设置三个用水节点，分别为综合生活用水节点(生活需水、牲畜需水、城镇绿化需水)、工业用水节点和农业灌溉用水节点，其他计算节点还包括平原水库、引水工程、水系连通工程等；将各计算小区与取水河流的关系、各计算小区与水库的关系、水库与取水河流的关系等供用水关系概化为数学矩阵。模型通过输入计算小区需水过程、地表水来水过程、地下水可开采量过程以及水库特征参数等边界条件慢找配置原则进行不同来水频率下的研究区域的水资源配置计算。
S9，输出各计算小区水资源配置结果，包括需水量，地表水、地下水、水库水、中水供水量以及供水对象，还有缺水量，根据计算子区与行政区的关系，汇总得到研究区域各个县市以及整个地区的水资源优化配置方案，为保障当地经济社会发展提供坚强水支撑。
本发明水资源统一优化配置主要涉及计算分区、需水计算、可供水量计算、配置原则和水资源配置计算5大部分。本发明首先根据供用水关系，确定水资源配置计算小区，然后根据经济社会发展数据对各计算小区的生活、工业、农业需水进行合理预测，接着开展旱区水资源量分析，确定地表水资源可利用量、地下水资源可利用量以及中线可利用量，然后根据旱区水资源开发利用特点，从充分利用地表水、合理配置水库水、严格控制地下水等角度出发制定水资源配置原则，最后在此基础上编制水资源统一优化配置计算模型，开展覆盖多水源、多用户的旱区水资源优化配置计算。
依据本发明的描述，本领域技术人员很容易使用本发明的一种适用于大型旱区的水资源统一优化配置方法，并且能够产生本发明所记载的积极效果。
以上所述仅仅是本发明的优选实施方案，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案。在本领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干修改、补充或改用类似的方法替代，这些也应视作本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种适用于大型旱区的水资源统一优化配置方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据研究区域内行政区划和水资源区分布，以水资源分区套行政区，同时考虑供用水关系，将旱区水资源供需分析范围细分为若干个计算小区；
步骤2，收集区域经济社会统计年鉴、规划报告，合理确定未来一段时间内不同行业的发展规模，并根据相关规程规范，确定不同行业的单位用水量，结合发展规模与单位用水量，预测未来一段时间内不同计算小区各个行业的需水过程；
步骤3，考虑生活生产生态用水需求，结合工程供水能力，分析计算区域水资源可利用量，包括地表水可利用量，地下水可利用量和再生水可利用量；
步骤4，确定水资源配置原则，包括不同水源的用水次序，不同用户的供水次序，确定配置计算节点；
步骤5，构建大型旱区水资源统一优化配置模型；
步骤6，采用水资源统一优化配置模型，开展旱区水资源统一优化配置，确定今后一段时间内区域的水资源优化配置方案。
2.根据权利要求1所述的适用于大型旱区的水资源统一优化配置方法，其特征在于：步骤1中，收集研究区域内社会经济发展数据，包括面积、城镇人口、农村人口、牲畜数量、工业增加值、灌溉面积、田间高效节水灌溉面积、灌溉制度；收集研究区域水资源开发利用保护与水利工程设施数据，包括地表水资源、地下水资源、再生水开发利用情况以及蓄水工程、取水工程、输水工程、城乡供水工程、水系连通工程、机井工程在内的工程属性信息。
3.根据权利要求1所述的适用于大型旱区的水资源统一优化配置方法，其特征在于：步骤2中，不同行业的发展规模的确定方法为：
根据研究区域经济社会发展数据，结合国民经济和社会发展规划、国土空间规划、城镇发展规划、农田灌溉发展规划、高标准农田建设规划在内的全口径规划资料，确定研究区域规划水平年，对规划水平年各计算小区的经济社会发展规模进行预测，具体包括：
(1)人口规模预测，包括城镇人口和农村人口，主要依据现状人口规模和近期人口增速资料确定；
(2)工业规模预测，主要根据现状工业规模以及工业发展规划要求确定；
(3)牲畜规模预测，主要根据现状牲畜数量以及牲畜发展规划要求确定；
(4)农业规模预测，主要根据现状灌溉面积规模，结合农田发展规划、粮食产能提升计划、高标准农田建设规划要求确定规划年农业灌溉规模，包括常规灌溉面积以及旱区高效节水灌溉面积；
(5)城镇绿化规模预测，主要根据规划年人口规模以及人均城镇绿化要求确定。
4.根据权利要求1所述的适用于大型旱区的水资源统一优化配置方法，其特征在于：步骤2中，不同计算小区各个行业的需水过程的预测方法为：
根据规划年经济社会发展规模，结合相关规程规范，预测各计算小区的生活、工业、牲畜、农业和绿化面积需水量及需水过程，汇总得到各计算小区的总需水量，具体包括：
(1)根据人口发展规模，结合城镇居民用水定额和农村居民用水定额，确定规划年各个计算小区的生活需水量；
(2)根据工业发展规模，结合工业增加值用水标准，确定规划年各个计算小区的工业需水量；
(3)根据牲畜发展规模，结合牲畜用水标准，确定规划年各个计算小区的生活需水量；
(4)根据不同种植作物常规灌溉和高效灌溉面积发展规模，结合作物灌溉制度和灌溉定额，确定规划年各个计算小区的农业需水量；
(5)根据城镇绿化发展规模，结合城镇绿化灌溉用水标准，确定规划年各个计算小区的城镇绿化需水量。
5.根据权利要求1所述的适用于大型旱区的水资源统一优化配置方法，其特征在于：步骤3中，分析计算区域水资源可利用量的具体方法为：
步骤3.1，根据区域上游不同来水频率下的径流量下泄过程，综合考虑临近用户的分水比例以及河道内生态环境需水确定地表水可利用量；
步骤3.2，根据地下水可开采量，结合地下水开采能力以及微咸水利用情况，确定旱区各计算小区的地下水可利用量；
步骤3.3，根据生活工业用水量预测结果，结合规划年城镇再生水利用水平，计算各计算小区的再生水可利用量。
6.根据权利要求1所述的适用于大型旱区的水资源统一优化配置方法，其特征在于：步骤4中，确定水资源配置方法包括：
1)三水统筹，优先满足生态需水，然后在满足生活用水和工业用水的基础上，余水在进行农业灌溉；
2)统一配置，在研究区域全区范围内进行水资源调配，最大限度提高水资源利用效率；
3)联合调度，地表水、地下水和中水联合供水，并充分考虑平原水库调蓄作用，各水源的供水次序按照优先使用地表水，不足再由地下水供水；
4)平衡节点，地表水平衡节点在出山口，地下水经井口向地表水折算，需水过程通过管网水利用系数、渠系水利用系数统一折算至取水口；
5)合理控制，地表水最大引水流量按取水口规模控制，地下水最大取用量按照各县市地下水可开采量控制，充分利用中水资源。
7.根据权利要求1所述的适用于大型旱区的水资源统一优化配置方法，其特征在于：步骤5中，构建大型旱区水资源统一优化配置模型方法包括：
步骤5.1，编制需水预测、可供水量计算模块，确定不同用户的需水量和需水过程，确定不同水源的可供水量和过程；
步骤5.2，根据不同计算小区、不同河流、不同水库、不同取水工程间供用水关系，将其转化为二元矩阵关系；
步骤5.3，读入水库调蓄库容工程参数信息，编制水库调节计算模块；
步骤5.4，将水资源配置原则转化为约束关系，编制水资源配置模型主模块。
8.根据权利要求1所述的适用于大型旱区的水资源统一优化配置方法，其特征在于：步骤6中，输出各计算小区水资源配置结果，包括需水量、缺水量、地表水、地下水、水库水、中水供水量以及供水对象，根据计算子区与行政区的关系，汇总得到研究区域各个县市以及整个地区的水资源优化配置方案，为当地经济社会发展提供坚强水资源保障。
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| CN202311200296.7A Pending CN117391334A (zh) | 2023-09-18 | 2023-09-18 | 一种适用于大型旱区的水资源统一优化配置方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117391334A (zh) |
-
2023
- 2023-09-18 CN CN202311200296.7A patent/CN117391334A/zh active Pending
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