基于水土资源耦合的水资源短缺风险评价及优化

黑龙江省水资源系统的平衡对保障区域工农业发展至关重要。由于粮食主产区发展过程中水资源存在许多不确定性因素,在追求经济增长的同时,黑龙江省水资源也存在着较大的风险。该文以黑龙江省及其13个地级市为研究区域,基于熵权物元模型评价水资源短缺风险,利用平均迪氏分解法(logarithmic mean Divisia index,LMDI)分析影响用水量变化的驱动因素,通过耦合协调模型和GIS软件分析影响水资源短缺的因素及其区域差异性,采用经济与资源双重导向的优化路径,解决水资源短缺风险问题。结果表明,2014年黑龙江省整体水资源短缺处于III级-中等风险,水土资源处于拮抗耦合中度协调级别且土地资源发展略微滞后;鹤岗、双鸭山、大庆和佳木斯水资源短缺为V级,其中大庆市水资源发展明显滞后。随着经济社会的持续发展,应结合区域资源禀赋和风险特征,制定合理的水资源开发利用方案。     

考虑生态的灌区水资源区间两阶段随机规划模型建立与应用

在传统农业水资源优化配置研究中,往往因经济效益忽视了农业水资源复合生态系统中生态子系统对其他子系统有较大的影响。因此,该文以建三江地区为研究对象,通过概率分布函数和离散区间数的结合,构建区间二阶段随机规划模型,以解决农业水资源优化配置过程中农作物水量配置、生态需水、水质污染治理补偿、来水不确定、经济效益等问题。以2011年建三江地区作物的种植灌溉情况和农用化肥使用情况进行研究分析,得到生态子系统中在来水水平分别为低、中、高时地表水水质治理成本分别为[1 400.24×10~6,2 372.42×10~6]元、[1 033.44×10~6,1 850.26×10~6]元、[526.84×10~6,1 437.95×10~6]元,地下水分别为[253.07×10~6,501.71×10~6]元、[174.13×10~6,308.27×10~6]元、[57.62×10~6,138.54×10~6]元。该模型量化分析农业水资源复合生态系统中影响因素,为决策者提供了合理的决策区间,有效平衡农业水资源子系统与生态子系统之间的关系,为农业水资源合理配置提供了科学的依据。     

考虑生态环境的灌区双水源区间两阶段模糊可信性约束模型

对水资源进行合理的优化配置是缓解水资源短缺问题和遏制生态环境持续恶化的重要途径之一。为了实现水资源的可持续利用和生态环境的良性循环,该研究针对灌区水资源配置系统中存在的复杂性和不确定性,以黑龙江省建三江垦区为研究区,将水质污染治理成本（生态补偿费用）与系统经济收益相结合作为目标函数,引入离散区间、概率分布函数及模糊数表示系统中的多重不确定性,通过设置不同的可信性置信水平解决带有违规风险概率的模糊风险问题,进而建立考虑生态环境的区间两阶段模糊可信性约束规划模型。通过对模型求解,实现地表地下水资源在典型作物间合理的优化配置,得到不同来水情境下生态补偿费用、不同水源不同作物的最优配水方案及不同可信性置信水平下系统最大经济效益,结果表明：模型能够反映系统中的不确定性,有效平衡系统收益与违规风险,并通过满足生态需水和农业排污约束以促进系统经济效益和生态环境的协调发展;当来水水平分别为低、中、高3种流量时,研究区地表水生态补偿费用和地下水生态补偿费用均呈现下降的趋势;当可信性置信水平为1.0时,系统经济收益为29.88×108～52.18×108元,当可信性置信水平为0.5时,系统经济收益为31....     

基于区间两阶段模糊随机模型的灌区多水源优化配置

针对灌区水资源调度系统中的不确定性和复杂性,该文以红兴隆灌区为研究区域,构建区间两阶段模糊随机规划模型,并将其应用到灌区地表水和地下优化配置中,模型以灌区多水源联合调度系统收益最大为目标函数,引入区间数、模糊数、随机变量表示系统中的不确定性,对地表水和地下水在各作物之间配水目标进行优化。通过计算得到不同水源向不同作物配水的最优配水目标值及最优配置水量,模型不仅可以充分考虑到不确定性因素对系统收益的影响,而且可以将经济效益与处罚风险进行权衡。以2006年红兴隆灌区作物种植情况及灌溉情况为例进行研究分析,得到系统最大收益值在1 355.144×106~2 371.792×106元之间,该优化结果以区间形式给出,可以为决策者提供更为宽裕的决策空间,从而获得最为科学的决策方案。     

基于两阶段随机规划方法的灌区水资源优化配置

灌区水资源优化配置的不确定性研究,对于提高水分的利用效率,减少农业灌溉用水,建立节水型社会具有重要的意义,尤其是对于中国的干旱半干旱地区。该文针对灌区水资源系统中存在的不确定性,以西营灌区、清源灌区、永昌灌区为研究区域,运用区间2阶段随机规划的方法,建立了地表水和地下水联合调度的灌区之间水资源优化配置模型。该模型以多灌区、多水源联合调度系统的成本最小为目标函数,引入随机数和区间数表示该系统中存在的不确定性,将地下水和地表水水资源在不同地区之间进行优化,并以配置结果为输入数据,以作物全生育期的水分生产函数为基础,建立灌区不同农作物灌溉定额的非线性区间不确定性水资源优化配置模型,将优化配置水量分配到灌区典型农作物。2个模型均以区间的形式给出优化配置的结果,为决策者提供更为准确的决策空间,更真实地反映实际的水资源优化配置形式。     

民勤地区供水和生态需水量分析

当今世界水环境污染和水资源短缺问题日益突出。如何进行水资源优化配置,将人类活动控制在生态、资源、环境允许范围内,核心问题是生态需水量的确定。通过对国内外生态需水量研究现状的分析,阐述了生态需水量的概念:在现状和未来时空间尺度上,一定的生态环境标准条件下,为维持流域或区域特定的天然生态环境功能必须保障蓄存和消耗的最小水量。对目前采取的各种生态需水量计算方法进行了总结,计算了民勤生态需水量。结果表明,为了使民勤生态系统不再恶化,每年需要补给2.406×108~2.414×108m3的水。如果考虑民勤地区人的生活用水和农业灌溉用水4.263×108~5.458×108m3,民勤地区的总需水量应为6.669~7.872亿m3。     

基于多目标遗传算法的西宁市水资源优化配置研究

对基于多目标遗传算法的水资源优化配置模型进行研究,可为城市水资源可持续利用和规划管理提供一定的参考依据。根据西宁市的水资源实际情况,建立水资源优化配置模型,并利用多目标遗传算法对该区域水资源进行了优化配置。结果表明,在各水平年不同保证率条件下,西宁市水资源经优化配置后的总供水量有所减少,各个水源的供水量亦有不同程度的减少,其中地表水和地下水减少的供水量较为明显。研究结果表明,多目标遗传算法在水资源优化配置中的应用效果较好,优化结果合理可靠。     

柴达木盆地香日德绿洲水资源优化配置研究

该文采用统计学、气象学等相关知识,在研究区水资源供需平衡分析的基础上,采用多目标优化方法,分高、中、低3个方案对研究区水资源进行了优化配置,并对配置结果进行了分析讨论。优化总用水量高、中、低方案分别为1.09亿m3、1.14亿m3、1.21亿m3;总供水费用高、中、低方案分别为403.96万元、338.33万元、266.54万元。结果表明：优化方案保证了全区的生活用水和基本生态用水,使得总用水量控制在可开采量范围内,用水成本合理,可保证研究区社会、经济、环境可持续发展。     

阿瓦提灌区水土资源现状及其优化配置战略措施

在分析阿瓦提灌区水土资源现状的基础上,探讨限额配水条件下该灌区水土资源的新平衡及可持续利用。结合RS、GIS技术,应用水盐平衡模型,从区域的4个水平衡和盐平衡等多个角度,首先模拟分析了1990~2004年该灌区的水土资源平衡现状;然后,根据灌区近期规划,设置情景方案预测分析了该灌区未来15年的水土资源平衡,进而提出水土资源开发利用与优化配置战略。预测结果表明,如果增加灌区内1.73×104hm2弃耕地或已开垦的未耕地,在调整种植结构和加大节水力度的同时,优先开发利用约1.1×108m3地下水与限额的地表引水统一调配灌溉,基本可保证新的供需平衡,但用水形势相当严峻。     

基于混合遗传算法的红兴隆分局水资源优化配置

针对区域水资源开发利用模式不合理、传统优化算法运行效率不高的问题,以红兴隆分局为例,对其水资源优化配置模型进行研究。基于大系统分解协调理论,以经济、社会、环境综合效益最大,考虑可供水量、用户需水量、水质为约束,构建了基于混合遗传算法的大系统多目标红兴隆分局规划年（2015年,2020年）水资源优化配置模型。结果表明:农业用水量是导致红兴隆分局水资源短缺的主要原因,应充分利用地表水和过境水,减少对当地地下水的开采,经过合理的优化配置,使得规划年缺水状况得到了改善。另外,优化后的水量较现实水量相比较显著减少,各目标效益也均呈现改善趋势,增加了配置结果的可信度;混合遗传算法克服了传统算法的不足,在运行速度上也有大幅度的提升。     

三江平原水资源承载力评价及区域差异

为了定量评价三江平原水资源承载力,指导区域农业生产规模和社会经济发展,该文在构建三江平原水资源承载力评价指标体系和确定评价标准的基础上,采用基于粒子群优化算法的投影寻踪评价模型对三江平原水资源承载力进行综合评价和承载力所属等级的判定,并借助ArcGIS的可视化功能实现三江平原区划内6市1县的水资源承载力区域差异分析。评价和分析结果表明,2008年三江平原区域整体水资源承载力处于III级,区划内的双鸭山市、七台河市和穆棱市水资源承载力处于II级,水资源承载力较强,水资源处于弱无压力状态;鸡西市、鹤岗市、佳木斯市和依兰县水资源承载力处于III级,水资源承载力中等,水资源开发利用和社会经济发展处于协调状态。随着区域社会经济的快速发展,应结合水资源承载力评价结果和区域特点,制定科学合理的水资源开发利用方案,以保证水资源对社会经济发展的可持续供给能力。     

基于EBM的水资源失衡风险导致的社会经济损失模型及应用

水资源系统与区域经济息息相关,利用经济数值反映水资源系统风险所致损失将更加直观。该文为了通过经济数值定量评价水资源失衡导致的风险,首先构建水资源失衡导致的经济损失风险模型,应用数据包络分析(epsilon-based measure,EBM)模型计算水资源利用效率,并结合黑龙江省水价及人均工资确定水资源失衡导致的经济损失值;然后,在EBM的基础上添加二阶段Tobit模型进一步分析水资源失衡风险经济损失原因。结果表明,2000—2020年黑龙江省由水资源投入不足导致的最小经济损失值为75.2亿元(2008年)、最大值为425.1亿元(2013年);水资源最小产出经济损失值为1 119亿元(2000年)、最大值为11 068亿元(2012年)。2000—2015年黑龙江省水资源风险经济损失逐年上升,水资源产出经济损失均占水资源风险经济损失的90%以上,预计2020年水资源风险经济损失为8 138.7亿元。在研究时段内黑龙江省水资源风险经济损失较高,水资源利用效率较低。黑龙江省水资源系统受到产业结构、经济发展水平和水利基础设施投资等驱动因素影响,需加大第二产业投入和水利基础建设投资,从而降低水资源风险经济损失,为后续水资源系统风险规避措施的制定提供支持。     

挠力河流域水土资源平衡及耕地合理利用规模特征

水土资源平衡是耕地合理开发与利用的前提,为定量评估粮食主产区水土资源平衡关系,促进耕地可持续利用,该研究提出“以水定地”的耕地配置模式,并以三江平原腹地的挠力河流域为研究区,在多源水土信息数据支持下,依据农田土壤水分平衡原理构建水土资源平衡模型,以评估水土资源平衡态势,进而揭示该流域耕地合理利用规模特征。结果表明:1)2000年以来,挠力河流域水田持续扩张,旱地轻度萎缩,至2018年其水田化系数已达37.33%,垦殖率为62.61%。旱地和水田的水分胁迫蒸散能力处于同一水平,但水田的水分亏缺量显著高于旱地;2)当前,挠力河流域的灌溉供水量范围为21.23~211.91 mm,富锦市、友谊县和集贤县处于水资源超载状态,且水田均呈“土多水少”状态,饶河县、宝清县、七台河市和双鸭山市辖区则“土少水多”;3)依据“以水定地”耕地配置模式,该流域水田面积可增加11.02万hm2,对应的水田化系数控制在44.76%以下。富锦市、友谊县和集贤县应适度控制或减小水田利用规模,宝清县应成为未来“旱改水”的重点备选区。研究结果对挠力河流域乃至三江平原的耕地有序开发及保障农业可持续发展具有重要现实意义。     

非充分灌溉条件下多目标整数规划配水模型构建

农业用水面临可用水资源匮乏、面源污染严重的现状,通过综合考虑非充分灌溉对经济效益、作物品质和环境效应的影响从而实现农业水资源合理配置具有重要的现实意义。该研究基于非充分灌溉和灰水足迹理论,建立不确定性下经济-品质-环境多目标整数规划模型,对河套灌区作物生育期内的灌溉水量进行分配,得出了经济、品质和环境3种不同偏好水平下的决策方案。结果表明：偏好于环境目标的情景灌溉程度主要为33%,67%的灌溉程度次之,亏缺灌溉的程度更大;偏好于经济目标的灌溉程度大部分为100%,亏缺灌溉的程度较小;偏好于品质目标时则介于前述两种情况之间。通过与仅包括经济、品质和环境单目标的模型对比可见,多目标模型更兼顾品质指标、经济效益和灰水足迹,可以使得各项指标均处于总体较好的情况,其中番茄品质-经济-环境多目标模型品质指标为8.7,经济效益为21.3×108元,灰水足迹为1.62×104 m3,灌溉水量为3.51×107 m3,瓜类品质-经济-环境多目标模型品质指标为[25.3,32.7],经济效益为[9.2×108,24.8×108]元,灰水足迹为[1.94×104,3.15×104] m3,灌溉水量为[6.32×107,7.62×107] m3,各指标表现更佳。模拟结果可为不同情景下灌溉水合理配置提供参考。     

三江平原大豆种植的土地适宜性评价

受全球气候变化、二氧化碳施肥效应以及市场需求的影响,国内一系列旨在促进大豆种植的政策,可能导致三江平原大豆种植面积的增加。在此大背景下,充分利用当地气候条件和肥厚的土壤资源,促进农业用地的合理配置的关键问题在于对大豆种植进行土地适宜性评价。作者依据FAO/IIASA发布的GAEZ研究框架:首先根据大豆对气候、土壤的需求,对三江平原气象资料进行气候清查,评价大豆种植的气候适宜性;再考虑地形因素对气候条件的影响,使用Fourier指数和坡度条件对评价结果进行修正;然后,进行土壤清查,选取土层厚度、质地、pH、排水级与淹水情况等作为评价指标,对三江平原大豆种植进行土壤适宜性评价,并对含白浆层的各类土壤进行适宜性降级处理;最后,在栅格像元尺度上进行图层叠加,得到三江平原大豆种植的土地适宜性评价结果。另外引入了适宜度指数(S_I),对三江平原23个县市大豆种植的土地适宜度进行了空间上的比较。结果表明:(1)除了坡度大于30%的山区外,三江平原大部地区适宜大豆种植,面积达8.5×10~4 km~2,约占总面积的78.75%;(2)沿松花江、倭肯河、穆棱河等两岸的平缓(2%~5%)和微起伏(5%~8%)地区,土壤质地和排水状况良好,最适宜大豆种植;(3)勃利、依兰、汤原、佳木斯、集贤、桦川、友谊、绥滨和富锦9个县市,适宜度指数均超过70%;其次是同江、桦南、虎林、宝清、抚远、七台河、萝北、鸡东、饶河和双鸭山10个县市;鹤岗、密山、鸡西、穆棱4县市,适宜度一般;(4)GAEZ模型流程化评价方法能够在区域尺度上有效实现大豆种植适宜性的空间差异分析,为土地资源的合理配置提供科学依据。     

三江平原井灌区地下水人工回灌量测算

针对近些年来三江平原大面积发展井灌水稻所导致的地下水位持续下降问题,以853农场为例,采用水量均衡法,测算了853农场2006—2009年维持地下水收支平衡及地下水恢复至适宜埋深条件下的人工回灌量,结果表明:维持地下水收支平衡所需回灌量均小于5 000万m3;地下水恢复至适宜埋深所需回灌量均为2亿m3左右,远远超过维持地下水收支平衡所需回灌量;若继续沿用现状地下水利用模式,未来所需回灌量会更大,建议当地加大地下水资源管理力度。研究成果为853农场乃至整个三江平原地下水资源恢复及可持续利用提供了科学依据。     

基于GIS的三江平原生态环境地球化学质量评价研究

应用GIS,利用黑龙江省1:20万区域化探资料对三江平原生态环境进行了地球化学质量评价。通过评价得出:从三江平原生态环境单因子评价结果来看,本区绝大部分地区不存在重金属污染的问题,只是零星地区出现了轻度污染的现象,同时,本区Pb元素和Cr元素污染比较分散,而且分布范围比较广些,应该引起重视;从三江平原生态环境重金属综合污染评价结果来看,本区基本上不存在污染的问题,只是在南部的穆棱、西北部的萝北、中部的集贤和双鸭山以及东部的虎林和绕江交接处出现几片地方为轻度污染,而且综合污染指数一般不超过1.2,污染范围只占全区的3.5%,表明本区的生态环境地球化学质量是非常优越的。     

基于GIS的三江平原生态环境重金属污染评价研究

应用GIS研究三江平原生态环境单因子和综合重金属污染评价结果表明 ,三江平原生态环境单因子重金属污染仅零星地区出现轻度污染 ,但该区Pb和Cr元素污染较分散且分布范围较广 ;三江平原生态环境重金属综合污染基本不存在 ,仅南部穆棱、西北部萝北、中部集贤和双鸭山、东部虎林和绕江交接处几片地方出现轻度污染 ,且综合污染指数一般 <1 2 ,污染范围仅占全区的 3 5 % ,表明该区生态环境地球化学质量较优越