干旱区内陆河流域水资源使用权多目标优化分配——以甘肃省石羊河流域为例

干旱区内陆河流域水资源短缺,供需矛盾突出,上中下游用水竞争强烈,水资源的使用权分配对解决流域内不同区域间用水冲突和水资源合理利用具有重要的理论与实践价值。提出干旱区内陆河流域水资源使用权的优化分配原则,考虑不同规划年可利用水资源量和净需水量,以流域人均自产粮食需求需水为水资源使用权分配的约束下限,建立多目标优化分配模型。以石羊河流域为例,得到在不同规划水平年下分别考虑外调水和自产水情况下的流域水资源使用权的分配方案。结果表明,各行政分区缺水率差异明显减小,并与《石羊河流域重点治理规划》分水方案比较,金川区生产用水使用权分配显著增加。     

近60 a石羊河流域蒸发量变化及其原因分析

蒸发是水循环的关键环节，理解蒸发变化及其原因对于水资源可持续利用具有重要意义。以石羊河流域为例，选取自南向北沿海拔梯度递减的乌鞘岭、永昌、武威和民勤4个气象站近60 a(1958—2017年)数据资料，基于改进的PenPan模型分析了石羊河流域蒸发量时空变化特征及其原因。结果表明：（1）空间上，石羊河流域蒸发量变化存在海拔效应，随着海拔的增加蒸发量显著减少，递减率约为38 mm·(100m)-1；时间上，蒸发量变化存在明显的分段特征，1958—1970年蒸发量减少，20世纪70年代以来蒸发量增加，尤其是平原区最为明显。（2）改进的PenPan模型能较好地模拟各站点日尺度和月尺度蒸发量的变化（R2>0.85），为进一步提高模拟精度，模型中的风速函数有待修正。（3）改进的PenPan模型计算的辐射组分年际变化不大，但空气动力学组分波动上升，这与温度和饱和水气压差变化趋势一致，说明温度升高是引起石羊河流域70年代以来蒸发量增加的主要原因。说明在气候变暖背景下石羊河流域蒸发量将持续增加，也给未来强化水资源管理，保障可持续发展施加更大的压力。     

石羊河流域初始水权分配模型研究

针对石羊河流域开发利用状况,按照水权的动态变化特性,将石羊河流域水权的演变分为历史水权、现状水权与未来水权。在分析流域历史水权形成的基础上,选择应用较为广泛的层次分析法(AHP)以及综合指标的筛选原则,建立了基于AHP的石羊河流域初始水权分配模型。该模型涉及社会、经济、资源、技术和管理等方面,以石羊河流域初始水权分配为对象,建立了一种半结构化、多层次、多目标的水资源合理配置指标体系。计算结果表明,该模型在石羊河流域现状水权分配中,与甘肃省水利厅制定的分水方案基本一致,具有一定的可行性。结合对2010年各项评价指标的科学预测,再次应用该模型,通过专家打分,对流域未来初始水权的分配进行了尝试。     

石羊河流域水资源开发利用存在的问题及调控对策

水资源短缺是石羊河流域经济发展的制约因素。通过分析石羊河流域的水资源特点,以及水资源开发利用现状,指出目前该流域水资源开发利用中存在的主要问题,分析探讨了水危机存在的根源,提出了缓解水问题的调控对策。     

2005-2015年石羊河流域生态系统服务时空分异

生态系统服务研究是目前生态学领域的热点和前沿。以石羊河流域为研究区，借助GIS技术和方法，对流域2005、2010年和2015年的水源涵养、土壤保持、水质净化、碳储存、生物多样性、食品供给6项服务进行定量评估，并对不同地类的服务变化规律及生态系统功能分区进行探索与研究。结果表明：① 各服务类型在空间上表现出差异性规律：水源涵养、生物多样性、碳储存在空间上呈现西南高东北低，高值沿河流及周围带状分布的空间格局；水质净化高值区分布较为零碎；武威、永昌和民勤盆地等地为食品供给服务的高值区。② 在不同土地利用类型中，草地和耕地是承担生态系统供给服务的关键角色。③ 研究区划分为3项生态功能区，即祁连山生态保育区、流域绿洲生态功能区、荒漠生态功能区。通过对石羊河流域生态系统服务时空分异特征进行深入分析，以期为相关研究提供数据和方法支持，并为相关流域生态保护与建设目标提供科学参考。     

近50年来石羊河流域气候变化趋势分析

采用Mann-Kendall及Meyer小波分析法,对石羊河流域乌鞘岭、武威、永昌、民勤气象站近50年来气温、降水逐月观测资料进行了分析.结果表明,石羊河流域气温总体呈上升趋势,尤其1987年以后,气温升幅显著;受全球气候变化的影响,流域中游武威、永昌地区近年来一直处于降水偏多时期,在20世纪90年代以后波动上升更为突出.石羊河流域各站点年平均气温和年降水量的变化周期基本一致,其中年平均气温普遍存在约28年、24～26年、19～20年和14年以及9～11年的中长周期以及7年左右和2～3年的短周期;而年降水量存在约28年、25年和22年的中长周期以及10年左右的较短周期,并且还存在4～6年和2～4年的短周期.     

基于CMIP6多模式预估数据的石羊河流域未来气候变化趋势分析

石羊河流域地处我国西北干旱区和季风区边缘，流域内绿洲农业的快速发展导致水资源开发利用程度极高，生态环境脆弱，未来气候变化加剧了流域水资源的不确定性，对粮食安全与经济发展构成威胁。本文基于观测数据，评估第6次国际耦合模式比较计划（CMIP6）的11个气候模式在石羊河流域的模拟能力，用等距离累积分布函数法对气候数据进行降尺度，得到该流域的未来气候变化趋势。结果表明：（1）CMIP6模式数据在石羊河流域具有良好的适用性，多模式集合平均数据对石羊河流域降水和气温的模拟性能均优于其他模式。（2）未来不同情景下（2023—2100年），流域内降水量、气温和潜在蒸散发量均呈显著上升趋势，且随着辐射强迫增加而增大。（3）未来时期石羊河流域的干燥度指数整体减小，流域气候趋向暖湿化，且民勤盆地是流域内对气候变化最敏感的地区。研究结果对于石羊河流域应对气候变化、保障经济和农业可持续发展具有重要的参考价值。     

石羊河流域生态经济系统的主要问题与协调发展对策

石羊河流域是社会经济活动对水资源依赖性极强的区域,水资源的供需状况成了决定本区发展的生命线。随着人口的增长和经济的发展,石羊河流域的水资源严重超载,社会经济用水挤占生态用水,原有的水资源利用方式和经济发展模式已经不能适应整个流域可持续发展的需要,生态环境日益恶化,植被退化、枯死,沙漠不断向绿洲逼近,沙尘暴频发。在反思惨痛教训的基础上,提出了石羊河流域上中下游的功能定位。为了保证生态经济系统的协调发展,提出了该流域的发展对策。     

1973-2010年石羊河流域耕地时空变化研究

以石羊河流域耕地资源为研究对象,在GIS支持下,利用遥感影像(TM、MSS和CBERS)解译了石羊河流域1973年、1987年、1994年、1998年、2005年和2010年不同时期耕地的土地利用/覆盖变化信息。结果表明:1在过去的30多年,石羊河流域耕地面积的增加主要分布在中游和下游。2从耕地动态度来看,20世纪90年代是耕地面积增加最多、变化最激烈的时期;近年来,上、下游的耕地面积处于平稳状态,甚至出现缩小。3石羊河流域耕地重心总体向东北迁移。4石羊河流域耕地破碎度和重要值逐渐增大,而耕地的分离度略有减少。人口的增加、国家政策和水资源变化是影响石羊河流域耕地动态变化的主要原因。     

应用模糊综合评判方法评价石羊河流域水资源承载力

应用模糊综合评价方法对石羊河流域水资源承载力进行了定量评价。结果表明:石羊河流域综合评分值对z1的隶属度为0.618,综合评分值仅为0.232。这表明石羊河流域水资源开发利用已有相当的规模,进一步开发利用的潜力已相当小,今后要在充分利用自产水资源的前提下,需实施跨流域调水工程。在石羊河流域的5个评价子区中,天祝县的综合评分值最高,为0.57,说明其水资源开发利用有较大的空间;而其他4个子区分值都低于0.34,特别是凉州区、民勤县和金昌市对z3的隶属度接近于0,说明这些区域水资源开发程度已接近于饱和值,承载力相当脆弱。     

灌区广义水资源不确定性多目标优化配置

针对农业水资源配置系统的复杂性和不确定性，构建模糊可信性随机多目标农业水资源优化配置模型，以农业灌溉净经济效益最大和绿水利用占比最大为目标，对丰水年、平水年和枯水年下不同分区各生育阶段的水稻灌溉水量进行优化配置。将模型应用于湖北省漳河灌区，目标权重组合分别为（0.5, 0.5）、（0.75, 0.25）和（0.25, 0.75），可信性水平取0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0，得到不同情景下农业水资源配置方案。结果表明：多目标规划模型能够很好统筹社会经济发展目标与资源节约目标，优化方案的绿水利用占比在0.835以上，经济效益最高达14.153亿元；更高的可信性水平对应更低的系统效益与更高的绿水利用占比，丰富的优化方案能够帮助决策者权衡系统收益与违规风险；当水资源短缺时，应该优先保证抽穗期和孕穗期的作物需水，使因缺水造成的水稻减产损失最小化。总的来说，优化模型所得到的水资源配置方案能够为漳河灌区水资源管理者提供理论指导，同时为类似地区的农业水资源优化配置提供参考。     

A simulation-based two-stage interval-stochastic programming model for water resources management in Kaidu-Konqi watershed, China

This study presented a simulation-based two-stage interval-stochastic programming(STIP) model to support water resources management in the Kaidu-Konqi watershed in Northwest China.The modeling system coupled a distributed hydrological model with an interval two-stage stochastic programing(ITSP).The distributed hydrological model was used for establishing a rainfall-runoff forecast system,while random parameters were provided by the statistical analysis of simulation outcomes.The developed STIP model was applied to a real case of water resources management planning in Kaidu-Konqi watershed,where three scenarios with different water resources management policies were analyzed.The results indicated that water shortage mainly occurred in agriculture,ecology and forestry sectors.In comparison,the water demand from municipality,industry and stockbreeding sectors can be satisfied due to their lower consumptions and higher economic values.Different policies for ecological water allocation can result in varied system benefits,and can help to identify desired water allocation plans with a maximum economic benefit and a minimum risk of system disruption under uncertainty.     

石羊河流域武威区域水资源供需平衡分析

针对石羊河流域严重的缺水问题,在评价现状水资源供需平衡的基础上,预测了该流域近期的水资源供需平衡,分析了缺水程度,提出了强化节水措施及其达到的目标、实施外流域调水的方案和防治水污染的对策。     

流域雨水资源化目标潜力计算模型研究

以流域雨水资源为研究对象,阐述了雨水资源的概念与内涵,给出了雨水资源化中理论潜力、现实潜力与目标潜力的定义及其算法。依据流域雨水资源化目标潜力计算原则,在分析流域需水类型的基础上,列出了模型中的10类目标函数,利用目标规划法建立模型即可对目标潜力进行求解。     

基于两阶段随机规划方法的绿洲水资源优化配置

选取塔里木盆地南缘和田地区策勒绿洲作为典型研究区,以当前绿洲种植的核桃、红枣及石榴经济林种为重点研究对象,针对绿洲水资源灌溉系统中的不确定性和复杂性,引入概率密度函数和离散区间方法,构建区间两阶段模糊随机规划模型,对各经济林种在各灌季的配水目标进行优化,模拟分析不同林种在不同灌季的最优配置水量。结果表明:灌溉主要集中在夏季与秋季;在策勒河来水量不确定时,春季依然需要少部分水量进行灌溉,应优先灌溉红枣和石榴;夏秋时,主要对红枣与核桃灌溉,同时对石榴的灌溉面积进行动态调节,获得种植业最大收益,系统收益区间为[0.67×10~8,1.32×10~8]元。通过典型案例运用分析,显示该模型不仅充分考虑到不确定性因素对系统收益的影响,风险进行权衡并以区间形式给出优化结果从而获得较为科学的决策方案。     

陕北地区水资源可持续利用评价

以水资源复合系统为基础,建立了陕北地区水资源可持续利用评价指标体系,应用模糊综合评判方法和人工神经网络方法对该地区1996~2005年的水资源可持续利用水平进行了定量评价。结果表明:陕北地区除本身干旱缺水以外,水污染、生态环境恶化、用水效率低和经济水平不高是影响该区水资源可持续利用的主要因素;1996~2005延安市和榆林市的水资源可持续利用水平均处于较弱和中等之间,且呈上升趋势,提高陕北地区水资源可持续利用水平有很大潜力。     

基于WEAP模型的董志塬水资源合理利用研究

以董志塬为研究区,依据地区经济社会状况及发展规划计算水资源需量。选用影响该区水资源供给及利用的三个主要因素(开源、推行节水措施和缩减地下水开采)构造8种水资源配置预案,基于WEAP模型预测董志塬三个规划年的水资源供需状况并进行最佳预案遴选。结果表明:8种配置预案在不同年份供需关系差异较大;考虑台塬区地下水系统健康的减采措施的最佳预案下,2015年(缩减开采)和2020年(缩减开采+节水措施)水资源供需基本达到平衡,2030年(缩减开采+节水措施+基于立地便利的开源)董志塬总体处于缺水状态,供水缺口为1 482万m3。可见,经济社会发展背景下,水资源利用结构发生转变,水资源稀缺地区水资源配置的思路也应该作出相应的调整。从长远来看,积极寻求外调水源是实现黄土台塬区可持续发展的唯一途径。     

石羊河流域水资源问题及其对策

从石羊河流域水资源短缺、植被退化、土壤盐渍化和水质恶化等方面,分析了由于流域水资源的不合理开发利用所产生的负面影响,提出了开源节流、水资源优化配置、建立流域水资源权威管理机构等水资源合理开发利用的途径和建议。     

内蒙孪井灌区地下水补给及水资源优化配置研究

系统分析了内蒙孪井灌区的水文地质条件和包气带水文地质特征,对地下潜水深埋区降雨(灌溉)入渗补给的滞后性进行了分析,估算出了孪井灌区降雨(灌溉)入渗补给的滞后时间;建立水资源优化配置模型,利用GAMS软件优化种植结构,减小整个灌区的灌溉入渗量;最后利用VisualMODFLOW软件预报了现状灌溉和优化灌溉条件下的地下水水位。研究表明:深厚包气带对降雨(灌溉)入渗补给具有明显的滞后分配作用,孪井灌区岩性下的入渗补给滞后时间约为240-360d;实行水资源优化配置后,由于灌溉入渗量减小,水位上升幅度明显减小,减缓了土壤盐渍化的发展进度,但是仍然存在土壤次生盐渍化问题,必须改变现行灌水方式或者采取适宜工程措施加以防治。     

疏勒河中游绿洲生态环境需水研究——Ⅰ.方法与参数选取

干旱内陆河流域绿洲生态环境需水研究是内陆河流域水资源综合管理和优化配置、保护和恢复生态环境中最为关键的科学问题之一,本研究针对疏勒河中游绿洲生态环境现状以及天然植被、河流湖泊等生态需水特征,建立了基于天然植被、河流、湿地和防治耕地盐碱化的疏勒河中游绿洲生态环境需水定量化模型,以期为干旱内陆河流域绿洲生态环境需水研究提供一种可借鉴方法。模型计算结果表明,疏勒河中游绿洲2013年天然植被、河流基本生态、河流输沙、河流渗漏补给、水面蒸发和湿地生态环境需水量分别为1.90×108m3、1.00×108m3、1.11×108m3、0.83×108m3、0.68×108m3、2.70×108m3。根据目前疏勒河流域中游绿洲水资源与生态环境现状,应加强水资源的综合管理,协调农业用水与生态用水关系以及不同区域和不同部门间水资源配置量,提高水资源综合利用效率;进一步制定中游绿洲近期和远期生态保护和生态恢复目标,确定生态综合治理重点区,准确计算基于生态保护目标的流域中游绿洲生态需水量及阈值。