水资源 水生态

基于水库群多目标调度的黑河复杂水资源系统配置研究
发布人:系统管理员 发布时间:2018-02-23 审核人:

国家自然基金“黑河流域重大研究计划”重点支持项目(91325201)

成果介绍

本项目以国家自然基金黑河重大计划“黑河生态水文过程”诸多研究成果为基础,开展基于水库群多目标调度的黑河流域复杂水资源系统配置研究,为黑河流域水资源综合管理提供科技支持。项目依据不同水平年的生态保护和社会经济发展需求,创建了由水资源供需平衡模拟模型与水库调度模型、地下水均衡模型等耦合形成的黑河流域水资源合理配置模型,应用于黑河流域地表水与地下水频繁转化复杂水资源系统。通过对黑河“97”分水方案适应性评价和化研究的基础上,在不同丰枯条件省际分水目标约束下,提出黑河流域经济社会和生态协调发展的水资源调控措施,合理调配黑河中游地区各县(区)的用水量,提出县级分水的地表水与地下水总量控制指标和各灌区的配水过程;合理配置下游水量,给出关键控制断面与各生态恢复保护区的地表水分水指标和配水过程,为国家已经确定的流域生态目标和经济目标的全面实现提供技术支撑。

本项目研究内容主要有:(1)通过黑河水资源调配指标体系研究,提出黑河流域经济社会需水指标体系、水资源总量控制指标体系及黑河下游生态恢复指标体系,为水资源管调度和合理配置提供基础;(2)黑河上游梯级水库群多目标调度方式研究;(3)流域尺度的多水源、多用户、多工程的水资源配置模型及配置方案研究;(4)“97”分水方案的技术特点研究,不同来水组合条件下分水方案实现可能性论证, “97”分水方案进一步完善和优化研究。

项目自2013年年底启动以来,项目组先后在黑河流域进行了6次野外考察调研,收集了近10年黑河中游甘临高及下游的社会经济、水利工程等基础数据,黑河流域2011年水利普查数据(工程、灌溉面积、各行业用水等),张掖市和额济纳2001~2015年的水利管理年报,以及黑河东部水系主要水文站日径流数据,并在黑河下游进行了样方调查。所获取数据为项目顺利完成提供了坚实的数据基础。项目在进行过程中,先后进行了6次年度和年内咨询。

通过4年的研究,完成了项目所有的研究内容,按数据汇交计划完成了所有的数据的提交,发表论文22篇,其中SCI论文10篇(1篇已录用待刊),专着1部(已与科学出版社签订出版合同)。

一、取得的主要成果

本项目针对黑河水资源管理的重大需求,以水库群调度和水资源配置为主线,集成并耦合经济社会生态需水模型、地下水均衡模型、中游闭口模型等,建立流域水资源调配评价指标体系,优选出科学合理的流域水资源配置方案,分析评价了“97”分水方案的适应性,完善了“97”分水方案,提出了基于黑河流域经济社会与生态环境可持续发展的水资源调控措施,为黑河流域水资源管理提供技术支撑。主要研究成果如下:

(1)预测了不同水平年黑河流域经济社会和生态需水。

基于用水零增长的理念,以“三条红线”为约束,建立了基于经济社会发展预测的黑河中下游经济社会需水模型,对现状年和不同水平年经济社会和生态需水进行了预。研究结果表明,通过产业结构调整和节水型社会的建设,黑河中游需水总量由现状年的13.7亿m3减少到2030水平年的11.2亿m3;同时农田灌溉需水比重由现状水平的58%减小到2030水平年的49%左右;而生态需水比重则有现状水平的25%增加到2030年水平的39%,中游各部门的需水结构趋于合理,实现中游需水的零增长或负增长。

(2)分析了“97”分水方案实施前后水资源在中下游分配格局的变化及实施效果。

分水方案实施后水资源配置更合理,在优先满足流域生活用水的同时,合理安排了中下游地区的生产和生态用水。正义峡和狼心山两断面年均下泄水量较20世纪90年代分别增加了2.41亿和1.88亿m3,下游东居延海连续13年不干涸,最大水面面积达到42.8km2。中游生态整体改善;下游额济纳绿洲生态恶化趋势得到初步遏制,绿洲面积由4825 km2增加到4920 km2。水资源支撑了流域经济社会生态环境的持续发展,匹配度总体较好。

(3)分析评价了“97”分水方案的适应性。

分水方案实施前后黑河中游背景条件发生了较大变化,黑河中游经济社会变化对水资源的需求不断增加,区间支流已基本与黑河干流失去地表水联系,支流来水情势变化已与分水曲线当初考虑不适应。背景条件的变化严重影响了分水方案的实施,调度16年来已累计欠下游水量24亿m3。基于上世纪80年代中期黑河经济社会和水文条件的97分水方案与黑河现状存在一定不适应性。

(4)提出了“97”分水方案优化方案。

在统筹考虑黑河中下游经济社会和生态环境协调发展的基础上,完善了“97”分水方案,即中游退耕至2000年水平,在莺落峡来水大于19亿m3时,超过19亿m3的水量按照中游分配40%、下游分配60%。同时,为了保持莺落峡多年平均来水15.8亿m3,正义峡下泄9.5亿m3,莺落峡来水小于12.9亿m3时,小于12.9亿m3的水量按照中游分配60%、下游分配40%。

(5)构建了基于经济社会目标和生态目标的黑河流域水资源配置模型。

构建了包括水库群调度模型、地下水均衡模型、闭口优化模型和中下游水资源配置的黑河复杂水资源系统调配模型,采用了并行粒子群算法,对模型进行求解计算。提出了基本宏观和微观目标的水资源调配调配目标,实现流域生态环境保护和社会经济发展两大系统之间以及两大系统内部用水的协调关系,完成不同水平年中游和下游用水的时程分配,以及中游地区和下游地区内部各用水户之间具体分配,以流域水资源的可持续利用支撑和实现流域社会经济的可持续发展,实现社会经济效益和生态环境效益的最大化。

(6)构建了水资源调配方案集和综合评价方法,优选出了不同水平年水资源合理配置方案。

根据流域发展可持续性、经济技术可行性等原则和《黑河流域近期治理规划》、《黑河流域水资源综合规划》等依据,从不同水平年水资源调配供水侧和需水侧的发展状态出发,建立了黑河流域水资源调配方案集,构建了黑河流域水资源调配方案评价指标体系,采用5种综合评价指标和均衡优化度对黑河流域不同水资源调配方案进行评价和优选。通过对现状年、2020水平年和2030水平年不同配置方案的评价,选出不同水平年水资源调配优选方案。现状年为方案2,该方案下耕地退耕至2000年水平,分水方案采用“97”分水方案优化方案3;2020水平年优选方案为方案12,该方案下耕地退耕至2000年水平,分水方案采用“97”分水方案,节水强度中等,有黄藏寺水库;2030水平年优选方案为方案12,该方案下耕地退耕至2000年水平,分水方案采用“97”分水方案,节水强度中等,有黄藏寺水库。

(7)提出了基于流域经济社会生态协调发展的水资源调控措施。

根据优选的水资源调配方案,分析提出了有无黄藏寺水库中游地表水和地下水运用策略、中游闭口策略、狼心山以下水资源配置策略,并对不同来水年有黄藏寺水库运用方式和大流量集中泄水方案进行了研究,研究成果可为黑河水资源管理提供技术支撑。

(二)取得的主要创新成果

(1)构建了黑河流域“模拟—调度配置-评价-措施”为基本环节的流域水资源调配体系,为流域水资源调配研究提供较为完整的研究框架。流域水资源形成和演化依存于水循环,流域水循环过程模拟是水资源调配的科学基础。在水循环模拟的支持下,构建了从上游梯级水库群调度、中下游水资源配置的一体化多目标模型,采用了基于流域经济社会和生态环境协调发展的水资源综合评价方法,对水资源配置方案进行了评价,基于优选配置方案,提出了经济社会生态环境协调发展的水资源调控措施,形成了水资源调配研究完成的框架体系,可为其它西北内陆河研究提供范例。

(2)分析评价了黑河“97”分水方案的适应性,提出了“97”分水方案的优化方案。“97”分水方案是黑河水资源管理的基础和依据,对提高用水效率、促进区域水资源配置趋于合理高效方面有着不可替代的作用。根据“97”分水方案实施以来存在的问题,本研究首次对“97”方案的适应性进行了详尽的研究,得出“97”方案存在一定不适应性的结论,并根据黑河经济社会和生态发展的特点,通过多种方案模拟,提出了“97”分水方案优化方案,该成果为“97”分水方案完善和黑河水资源管理提供技术支撑。

(3)在水资源调配方案评价的基础上,提出了现状年和未来不同水平年黑河经济社会生态协调发展的水资源调控策略。

黑河流域处于不断的变化之中,上游水库的建设、中游经济社会的发展及下游生态用水的需求,都对黑河水资源管理提出重要挑战。本项目基于黑河经济社会和生态的协调发展,提出了不同水平年中游闭口策略、地表水和地下水联合运用策略、下游水资源配置策略、主要断面水量总量控制方案,以及黄藏寺水库运行方式和集中下泄方案,为黑河水资源管理提供重要支撑。

黑河水资源调配模型框架体系

黑河水资源调配网络图

中游地下水均衡模块

干流水文情势变化

黑河干流水量分配方案优化方案