协调公平与效率的“四水四定”研究Ⅰ:方法与模型

针对水资源刚性约束落地缺抓手的问题,按照以水定发展、协调定规模的理念,提出“四水四定”的分析思路和控制指标,厘清各类发展目标与水资源利用的协调关系。以公平为社会目标,以效益为经济目标,提出“尊重现状、保障刚需、效率驱动、区域均衡”的协调优化准则,建立目标函数和约束条件,构建“四水四定”多目标协调模型,以满足保障刚性需求基础上的水量高效流转,确定发展规模和水量分配方案。模型选取人均GDP最大实现效率驱动,使有限水量产生更大效益;选取区域人均GDP差异最小、发展匹配度最高实现发展公平,缩小区域经济差异;通过约束条件反映水资源约束、刚性需求保障、水源用户配置关系、经济社会发展合理范围等要求;设置罚函数协调约束条件不能满足时的目标值调整。通过归一化方法将多目标转化为单目标,基于现状设置初始条件,采用线性规划等方法求解,得出协调产业发展和水量优化分配的整体结果,通过结果评价反馈调整,形成可服务于经济社会发展和水资源管控决策的方案。

协调公平与效率的“四水四定”研究Ⅱ:应用

宁夏干旱缺水且发展不均衡,以水定需是必然选择。本文针对宁夏水资源条件和经济社会特征,构建协调公平与效率的“四水四定”优化模型,开展全区“四水四定”方案分析。模型以用水总量红线指标为水资源刚性约束,根据区域发展战略确定刚性保障需求,通过水与“四定”协调关系分析得出经济社会发展和用水效率可行变化范围。以2019年为现状、2025年为目标年,采用模型协调优化得出“四定”规模控制目标,以及分行业和区县的用水总量控制指标。结果表明,在全区73.27亿m 3用水总量和41.5亿m 3耗水约束下,满足全面小康的“四定”规模为750万人、5481亿元GDP、84.7万hm 2灌溉面积和791 km 2建成区面积。通过对比分析方案的公平性和效率提升状况,揭示了不同行业、区域的水量流转方向,表明约束设置对结果有显著影响,可为区域经济社会发展和水资源管控决策提供参考。

基于水资源配置的空间均衡度评价方法

为量化水资源配置对空间均衡的提升作用,系统评价水资源配置方案空间均衡度,研究基于水资源配置系统“水源-供水设施-受水区-用水户”的整体结构,从水源均衡、设施均衡、单元均衡和用户均衡4个方面分别选择了均衡度评价指标,构建水资源配置空间均衡度综合评价指标体系,并提出基于熵权-TOPSIS法的水资源配置空间均衡度评价方法。以昌邑市水资源配置系统为例,设置12种水资源配置方案来探究不同调控措施对水资源配置空间均衡度的影响。结果表明:该方法不仅可以量化不同调控措施对水源均衡、设施均衡、单元均衡和用户均衡的影响效果,还能够评估配置系统整体的水资源配置空间均衡度,可为水资源配置与空间均衡相关研究提供借鉴。

水资源管理“四预”总体框架设计与应用思路

围绕水资源管理“预报、预警、预演、预案”业务需求,以“动态评判、精准模拟、场景推演、智慧决策”为路径,提出“四预”的功能需求和内部逻辑关系,提出水资源管理“四预”系统整体构架设计。以水资源动态评价和动态调配功能为主线,分析从动态评价预报、动态分级调配、方案智慧生成的“四预”核心工具支撑研发需求,融合物联网、大数据、数字孪生、人工智能等新一代信息技术,建立融合区域水量分配、年度计划制定、月度方案生成、实时调度支撑、产品自动生成的业务功能体系,构建水资源数字化治理新模式,为水资源管理“四预”的技术研发、业务应用提供借鉴和参考。

面向“四预”的水资源智能业务应用体系研究

数字孪生流域是当下智慧水利的主要研究方向。以数字孪生流域为底板,强化预报、预警、预演、预案功能进行数字化模拟是水利高质量发展的重点领域。文章总结了水资源管理面临的形势和问题,梳理了数字孪生流域建设背景下的水资源“预报-预警-预演-预案”需求,以水资源动态评价模型和水资源动态配置两大模型作为核心引擎,初步构建了面向业务需求的水资源“四预”架构体系,并对其功能进行了设计,可为数字孪生流域建设提供参考和借鉴。

全国水-社会经济耦合协调时空演变及其障碍因子分析

【目的】针对全国社会经济发展布局与水资源承载力不相匹配,导致资源与经济的协调发展受到约束等问题,以优化全国社会经济的适水发展布局为目标,剖析31个省级行政区现状水资源与社会经济发展水平的协调程度。【方法】通过构建水资源-社会经济复合系统耦合协调评价指标体系,建立耦合协调度模型,从时间、空间两个维度探究全国水资源与社会经济耦合协调发展关系的时空演变规律,并借助障碍度函数进一步分析影响二者耦合协调发展的主要障碍因子。【结果】结果表明:2010—2020年,全国水资源与社会经济的耦合协调发展水平呈上升趋势,耦合协调度值由2010年的0.11提高到2020年的0.69;各省的耦合协调发展水平总体也呈上升趋势,31省耦合协调度的数值范围由2010年的0.10~0.42提高到2020年的0.46~0.69,且变化趋势表现为3种类型:26省为“上升型”,福建、西藏、浙江3省为“平稳型”,青海和海南2省为“波动型”。【结论】2020年,19省达到协调发展水平,12省仍处于过渡阶段且均为社会经济过快发展型地区;主要障碍因子有人均水资源量、人均综合用水量与人均GDP等,各省之间存在地区差异。以湖北省为例,分析新冠疫情前后(2019—2020年)水资源与社会经济耦合协调趋势发生突变的原因,表明分析结果与实际情况基本相符。研究成果可为优化全国层面社会经济发展布局、促进水资源空间均衡提供参考。

基于改进破产理论的省级用水总量控制指标分解

以吉林省为例,借鉴马斯洛需求理论开展各地级市分层次用水需求识别,构建“省-市”两级用水总量控制指标初始分配指标体系,基于充分保障区域用水的刚性需求,引入刚性需水量对传统破产理论准则进行改进。选取人口-用水总量基尼系数、GDP-用水总量基尼系数、人均综合用水量、万元GDP用水量4个指标评价用水总量控制指标分解方案的社会经济稳定性。研究结果表明,改进破产理论方法在省级用水总量控制指标分解中具有较高适用性,分解结果符合各地级市未来发展用水趋势,且均能满足各地区发展的刚性用水需求,有效提升了地区用水公平性与稳定性。具体体现在:与2020年实际分解方案相比,吉林省人口与用水总量匹配程度稳定性、GDP与用水总量匹配程度稳定性分别提升了11.03%、9.97%;大部分地级市用水水平与用水效率较现状年均有明显提升。与采用传统破产理论分解方案相比,吉林省人口与用水总量匹配程度稳定性、GDP与用水总量匹配程度稳定性分别提高了33.77%、18.32%;各地级市用水水平与用水效率变化更为合理。本研究可为各级水行政主管部门开展精细化用水管理提供参考借鉴,同时对于健全最严格水资源管理制度体系具有一定的技术价值。

图论在水资源系统建模与配置计算中的应用

为提高复杂水资源系统的供排水关系识别与模型构建计算能力,本文基于系统网络图探讨了图论在模拟水资源系统复杂水量传输过程、确定网络遍历顺序与系统配水计算中的应用。利用图论中的拓扑排序算法与深度优先搜索算法对水资源系统网络关系进行不同目标的分析识别。综合两种算法,进行一次供水、供水还原与二次供水的多次网络分水过程设计和迭代计算,结合最大最小公平算法等水量分配原则,设计基于网络系统的复杂水量分配计算过程,将用户需水、工程可供水量和供水网络关系结合进行供需自适应配置,解决多水源多用户对应关系下的水源供给不均衡问题。以三亚市地表水资源配置开展实例研究,结果表明通过图论算法在系统拓扑关系遍历和配水计算过程中的应用,系统枯水年城镇缺水率从3.42%降至1.63%,供需均衡度从0.38提高至0.71,提高了配置的计算效率与合理性。

二层结构的流域生态调度研究Ⅱ:松花江流域生态调度实践与应用

随着生态文明建设、人水和谐理念的深入,生态调度也从理论方法研究进入实践应用阶段,但从工程生态调度到流域生态调度仍有诸多技术问题。本文以流域生态调度需求迫切的松花江流域为例,在梳理流域经济发展与生态保护需求的基础上,构建松花江流域二层结构流域生态调度模型,在流域层面水量总体配置的基础上针对重点生态断面、水库进行生态优化调度。通过从流域水量调控到断面生态流量调度的耦合分析,给出不同方案流域水量供需平衡和水源配置基础上的重点断面生态调度结果,提出重点水库的调度规则优化方案,验证了二层结构流域生态调度模型的实际应用效果,可为流域生态调度实践和相关研究提供依据和参考。

二层结构的流域生态调度研究Ⅰ:方法与模型

针对现有生态调度研究和实践以工程为中心、流域水量调控考虑不足的问题,提出在水量调控基础上进行工程调度的二层结构流域生态调度模型。模型上层先模拟水资源配置决策下的径流过程、水利工程入流以及供水结果,以此为目标和约束条件优化工程调度规则,作为下层水利工程调度的依据,实现符合总体水量决策下的流域整体生态调度。根据影响河道水量过程的决策因素,从社会经济需求控制、水源开发利用和工程运行调度三方面分析流域生态调度调控措施,按照经济生态逐步协调均衡的原则提出从现状模式到综合模式的方案设计方法,形成流域生态调度的整体方法和模型。

缺水型大城市多水源调配管理技术体系与方法研究

针对缺水型大城市多水源供水系统日益庞杂带来的规范化和精细化调配管理问题,通过强化最严格水资源管理制度对城市多水源统一调配和管理的指导作用,从前期调配评估、调配系统构建、调度规程制定、调配方案编制四方面,探讨了缺水型大城市多水源调配管理技术体系,提出了城市水源-工程-单位-用户四层供水系统网络拓扑结构、城市供用耗排水量流转关系、水资源调配工程与管理体系、水资源日常调度规程、多水源联合调度模型等关键技术问题的解决思路与方法。将该技术体系应用于北京市水资源统一调配管理,结果表明:北京市供水系统可划分为4类水源-11类供水工程-4大水管系统-5大用户的网络拓扑结构。在此基础上,可构建由36家机关单位组成的水资源三级调度管理体系,按照调度会商-决策-实施-调整为核心的调度流程,依据统筹用水管控、水源配置、水量调度原则编制的水量调配方案开展日常水量调度工作。研究成果可为水行政主管部门推进水资源精细化调配管理工作提供技术支撑。

基于调配管理的北京市多水源水量联合调度研究

针对北京市复杂供水系统多水源联合调配与管理,依据最严格水资源管理制度,在规划用水总量控制红线和用水效率控制红线管控下,充分考虑水行政主管部门调配管理目标与约束,绘制了基于水源-工程-单位(水管系统)-用户的多维嵌套北京市供水网络拓扑结构,建立了北京市多水源联合调度模拟模型,实现了用水管控、水源配置、水量调度统筹的多水源联合调度。计算结果表明:2019年全市用水管控39.6亿m 3,考虑输水损失和干流补水后,由本地新水供水20.3亿m 3,利用再生水11.5亿m 3,调用南水北调水9.7亿m 3;在现状工程条件下,为满足城市生活与工业用水和城区重点区域河湖基本生态需求,可充分调配南水北调水约9~10亿m 3;通过加大调水可进一步恢复本地水源储备和改善河湖生态环境。研究成果可为水行政主管部门开展日常水量调配工作提供技术支撑。

基于供水统一核算的水利工程生态调度补偿方法及应用

水利工程生态调度是生态文明建设的重要内容,生态补偿是协调利益关系、落实生态调度的保障。针对生态补偿实施难度大的实际问题,本文在总结归纳现有水生态补偿理念与方法的基础上,以丰水区域供水系统为对象,提出一种基于效益统一核算的区域供水系统生态调度补偿机制,在系统整体具备供水潜力的前提下,生态调度后收益增加的工程向效益受损的工程实施补偿,基于水价统一、收益共享、效果核算、政府调节等原则,构建了基于供水收益变化的生态补偿计算方法。通过实际案例对计算方法进行了验证,分析了供水成本、补偿费用、政府补贴之间的动态关系,证明该方法的可行性。

面向双保证率的水库供水能力优化计算方法研究

随着城市化进程的推进和生态文明理念的深入,水库供水任务日趋复杂,涵盖城镇供水、农业灌溉、生态保障多类目标,分析水库多目标供水能力对于工程的功能调整等决策十分必要。本文综合考虑水库供水目标的竞争性与保证率差异性,提出面向双保证率的水库供水能力双层优化计算方法,通过调度线控制和城镇供水能力区间迭代实现满足不同保证率的多目标供水能力计算。外层基于粒子群算法以城镇供水能力最大为目标对水库调度线进行优化,协调不同用户的供水关系;内层在给定规则下通过迭代计算满足双保证率要求的城镇供水能力。通过内外层嵌套计算实现对水库调度规则和供水能力的同步优化。以三亚市赤田水库为实例进行研究,在城镇供水保证率为95%、农业灌溉保证率为90%时,通过优化调度规则得出水库总供水能力为9400万m^(3)。设置不同农业保证率和农业需水情景作分析对比,二者均对城镇供水能力有影响,总供水能力随农业保证率降低而提高。分析表明,双层优化计算方法可以实现对调度线的优化,得出满足城镇、农业双保证率要求的供水能力,且计算方法收敛稳定性较高,优化生成的调度线年内分布合理,可为水库多目标供水能力的计算和相关决策提供参考。

供水能力相关概念及计算方法辨析

鉴于供水能力涉及的影响因素较多,实际应用中存在不同的认识,从概念到计算方法都存在分歧,探讨供水能力的相关概念,辨析影响供水能力的关键要素,界定单一工程、供水系统和区域整体供水能力之间的区别与联系,提出不同类型供水能力的含义,对比供水能力与可供水量、供水保证率之间的区别和联系。以成都市为案例,核算了该区域的供水能力,为供水能力相关概念的分析、计算和应用提出建议。

南水北调中线一期工程向北京增加调水潜力研究

为了充分发挥南水北调中线工程效益,增强首都水资源战略储备,保障首都供水安全,在南水北调中线一期工程基本不扩建的条件下,研究利用丹江口水库弃水、发挥一期工程调水潜力向北京增加调水量的可行性。结果表明:根据南水北调中线一期工程规划长系列调度调算,中线总干渠陶岔、穿黄、西黑山过水流量达到设计流量的时段不超过20%,总干渠具有一定的富余输水能力,北京市增加调水具备一定的基础条件;惠南庄断面是向北京增加调水的主要卡口断面,其次是西黑山断面和陶岔断面;初步分析,在现状工程条件下,利用丹江口水库汛期弃水陶岔断面可增加调水量约1.5亿m^3;若扩建中线西黑山断面以北干渠段30 m^3/s过流能力时,陶岔断面可增加调水量约2.5亿m^3。

基于分类效率识别的水资源承载能力三层次评价方法

针对现有的水资源承载能力三层次评价方法以万元GDP产业用水量表达综合用水效率对农业用水影响考虑不足的问题,提出以二、三产业单位增加值综合用水量分析可承载经济规模,改进计算流程,推导直接计算可承载人口数量的公式,避免原有试算过程,更准确地反映产业结构变化对用水效率的影响,适应“四水四定”(以水定城、以水定地、以水定人、以水定产)新要求,提高评价结果的合理性。以宁夏为例开展应用分析,按照农业用水保持现状不变,在全面小康水平下改进方法计算的可承载人口数量为903.7万人,相对现有方法可多承载140.2万人,在基本现代化水平下可承载人口数量降低至681.5万人,相对现有方法少承载90万人。结合宁夏实际情况设定不同情景,分析农业用水量、人均GDP、产业用水效率三者变化对结果的影响。按“四水四定”目标大幅压减水稻面积使农业用水量降低22%后,可承载人口提高118%,表明农业用水管控目标对承载能力影响显著。改进方法揭示农业用水量、非农用水效率、发展水平和承载能力的量化关系和作用机制,可为提高区域水资源承载能力决策提供依据。

水资源供需形势分析方法与调控方向初探

围绕贯彻落实习近平总书记黄河流域生态保护和高质量发展座谈会讲话精神以及水利工作新要求,总结了现有水资源供需分析工作存在的“四不清四不足”问题及其产生的管理与技术原因,提出新形势下水资源供需形势分析的总体思路,在明晰相关概念基础上,明确水资源供需形势分析主要任务,提出供需形势的多层次识别判断模式,在此基础上分析供需调控方向和措施,可为水资源供需总量平衡以及空间均衡分析提供技术支撑。

我国用水演变趋势及驱动效应分析

资源与社会发展密切相关,从经济社会发展因素中分析用水变化的驱动力对水资源利用进行科学规划十分必要。对近年我国的用水量和用水结构进行分析,归纳了其演变趋势;运用因素分解法对引起用水量变化的驱动效应进行分析,识别不同驱动因子的贡献率。结果显示,2003年以来,在不同阶段各驱动效应的作用效果不同,其综合组合对用水变化具有不同效应,三大驱动效应的贡献率排序由经济效应、技术效应、人口效应逐步转为技术效应、经济效应、人口效应。技术发展已成为用水量变化驱动的绝对主导因素。

基于二元水循环模式的河道实际径流计算——以岷江金马河段为例

河道径流过程分析对于工程建设十分重要,现有水文模型主要以流域为研究对象,研究空间尺度通常较大,难以在小空间尺度内对河道径流量进行分析。本文基于二元水循环模式,从自然和社会两个方面系统性分析了对河道径流量的影响因素,建立二元水循环模式的河道实际径流计算方法。自然端综合考虑了上游入流、区间产汇流、河道分流及与地下水的交换量,社会端综合考虑了人工引水量、退水量及分水量,其中对农业退水量进一步细分至用水期退水和非用水期退水。以金马河温江段为研究案例,根据河道与规划闸坝、渠系的位置关系选择9个断面对径流量进行分析。根据计算结果,区间汇流占总径流量的12.5%,是金马河径流量的重要组成部分。金马河径流量年内分布具有明显的不均匀性,4—10月的径流量占总径流量的89.6%,主要以洪水的形式下泄,需要考虑修建梯级闸坝提升河道调蓄能力。岷江水厂取水口断面枯水年农业退水量对径流量的贡献率达到14.89%,表明枯水年社会端径流量对准确计算河道径流量具有重要影响,在水利工程建设相关的规范标准中需要加强对社会经济用水的可靠性、一致性及代表性等相关分析。本文提出的计算方法可以实现对小尺度河道径流量的计算,具有一定的理论意义与实际意义。