一种基于生态闸门时空水量均衡的分层次配水方法及系统与流程

[0001]
本发明属于水资源高效利用与环境保护技术领域，更具体地，涉及一种基于生态闸门时空水量均衡的分层次配水方法及系统。


背景技术：

[0002]
在我国广大的干旱地区，河道来水是工业、农业和生态用水的主要来源，但河水在满足工业、农业用水后留作流域生态补水使用的水量已十分有限。部分流域在补充生态用水时，除了依靠河道干流渗漏外，还沿河道修建专门用于生态补水的闸门将干流河水引入渠道，通过渠道沿程渗漏和水从出口流出后的下渗补充地下水，再提供给河岸植被利用。而如何对有限的水资源进行合理分配使其产生最大化的生态效益，是需要解决的实际问题。
[0003]
现有的相关方案中，研究重点多集中在分配不同用水主体的水量，如中国发明专利(cn201910488384.9)公开的方法中，提出了一种内陆河流域生产、生活和生态用水的配置思路，但未涉及同种用途闸门之间水量的分配方法；另一方面，现有方法计算河段需水量时多简单地以水文站点为参考断面进行计算，此方法算得的需水量过于宏观难以指导精细调度；在中国发明专利(cn201810729786.9)所公开的方法中，提出根据闸坝地理位置对河道分段后计算河段生态需水量，但并未提及水量分配的具体方法。
[0004]
鉴于此现状，如何在众多闸门中统筹安排每个闸门的引水量是亟待解决的问题。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于生态闸门时空水量均衡的分层次配水方法及系统，其目的在于解决现有的水量分配方法算得的需水量过于宏观难以指导精细调度的技术问题。
[0006]
为实现上述目的，本发明提供了基于生态闸门时空水量均衡的分层次配水方法，包括以下步骤：s1：基于各生态闸门引水受益区的植被类型和面积，以及不同植被的供水额度，计算各生态闸门引水受益区的需水量以及各生态闸门配水的单位生态效益；s2：根据缺水程度将所有生态闸门分为m类，所述m由轮灌年限确定；s3：对分类后的m类生态闸门按层次配水；根据折算到待决策河段参考断面的来水量与各层次生态闸门的最大配水量，确定最高配水层次以及各层次的供水水平；s4：采用生态敏感性指数将参与配水的生态闸门划分为n个等级，n为大于或等于3的整数；s5：根据所述供水水平以及步骤s4划分的等级，设置每个参与配水的生态闸门的水量许可系数，从而确定每个参与配水的生态闸门的配水量约束；s6：在满足步骤s5的约束条件下，以不同层次配水的总生态效益最大化为目标，求解不同来水情况下每个参与配水的生态闸门的实际配水量。
[0007]
进一步地，所述步骤s1中，所述各生态闸门引水受益区的需水量为：
[0008][0009]
其中，d
i
代表第i个生态闸门引水受益区的需水量(m3)；iu代表生态闸门引水受益
区范围内的植被类型；v
i
代表植被类型数量；m
iu
代表植被面积(hm2)；w
iu
代表植被年供水额度(m3/hm2)；
[0010]
所述各生态闸门配水的单位生态效益为：
[0011][0012]
其中，p
i
代表第i个生态闸门配水的单位生态效益(元/m3)；p
iu
代表单位面积生态价值(元/hm2)；θ
iu
代表价值修正系数。
[0013]
进一步地，所述步骤s2中，所述缺水程度为：其中，w
si
为上一年度实际引水量；所述根据所述缺水程度将所有生态闸门分为m类包括：
[0014]
s
i
>0为第一类生态闸门，记为g1；
[0015]-1<s
i
≤0为第二类生态闸门，记为g2；
[0016]-2<s
i
≤-1为第三类生态闸门，记为g3；
[0017]
……
[0018]
s
i
≤-(m-2)为第m类生态闸门，记为gm；
[0019]
其中，m为大于或等于4的整数。
[0020]
进一步地，所述步骤s3中，对分类后的m类生态闸门按层次配水包括：
[0021]
第一层次配水目标为满足g1类生态闸门上一年度缺水量；
[0022]
第二层次配水目标为满足g1、g2类生态闸门本年度需水量；
[0023]
……
[0024]
第m-1层次配水目标为满足g1、g2、
……
、g(m-1)类生态闸门下m-3年度缺水量；
[0025]
所述步骤s3中，根据折算到待决策河段参考断面的来水量与各层次生态闸门的最大配水量，确定最高配水层次以及各层次的供水水平，包括：
[0026]
若所述来水量小于或等于第一层次最大配水量，则最高配水层次l
max
＝1，且供水水平其中，
[0027]
若所述来水量大于第一层次最大配水量且小于或等于第一、第二层次最大配水量之和，则最高配水层次l
max
＝2，且供水水平c1＝1，其中，
[0028]
……
[0029]
若所述来水量大于第一、第二、
……
、第m-1层次最大配水量之和，则最高配水层次l
max
＝m-1；且供水水平c1＝1，c2＝1，
……
，其中，
[0030]
其中，f代表某时期折算到待决策河段参考断面的来水量；dg
m-1
为第m-1层次生态闸门最大配水量，g1＝g1，g2＝g1∪g2，
……
，g
m-1
＝g1∪g2∪
……
∪g(m-1)；为第i个生
态闸门在第m-1层次的最大配水量；α
i
代表参考断面到生态闸门所在断面的河段的输水效率。
[0031]
进一步地，所述步骤s4包括：
[0032]
按生态敏感性系数的绝对值小于或等于0.5、大于0.5且小于2、大于或等于2，将参与配水的生态闸门划分为ews1、ews2和ews3三个等级；
[0033]
其中，所述生态敏感性系数为：
[0034][0035]
其中，y代表年度，m代表年数，表示生态闸门引水受益区域y年度6～10月份ndvi平均值，表示y年度第i个生态闸门实际引水量。
[0036]
进一步地，所述步骤s5中，配水量约束为：
[0037][0038]
其中，表示配水层次为l时，第i个生态闸门的实际配水量；表示配水层次为l时，第i个生态闸门的最大配水量；分别为第l层次配水的最低、最高水量许可系数；
[0039]
所述水量许可系数随所述供水水平的下降而减小，且减小的程度随所述生态敏感性系数的绝对值的增大而增大。
[0040]
进一步地，所述步骤s6中，所述总生态效益o为：
[0041][0042][0043]
其中，l代表配水层次；o
l
代表第l层次配水的生态效益；为决策变量，代表生态闸门i在第l层次的配水量；g
l
代表参与第l层次配水的生态闸门；ndvi
i
代表生态闸门i引水受益区域ndvi平均值；p
i
代表第i个生态闸门配水的单位生态效益。
[0044]
本发明另一方面提供了一种基于生态闸门时空水量均衡的分层次配水系统，包括：
[0045]
计算模块，用于基于各生态闸门引水受益区的植被类型和面积，以及不同植被的供水额度，计算各生态闸门引水受益区的需水量以及各生态闸门配水的单位生态效益；
[0046]
第一分类模块，用于根据缺水程度将所有生态闸门分为m类，所述m由轮灌年限确定；
[0047]
配水层次确定模块，用于对分类后的m类生态闸门按层次配水；根据折算到待决策河段参考断面的来水量与各层次生态闸门的最大配水量，确定最高配水层次以及各层次的供水水平；
[0048]
第二分类模块，用于采用生态敏感性指数将参与配水的生态闸门划分为n个等级，n为大于或等于3的整数；
[0049]
约束模块，用于根据所述供水水平以及所述第二分类模块划分的等级，设置每个
参与配水的生态闸门的水量许可系数，从而确定每个参与配水的生态闸门的配水量约束；
[0050]
输出模块，用于在满足所述约束模块设置的约束条件下，以不同层次配水的总生态效益最大化为目标，求解不同来水情况下每个参与配水的生态闸门的实际配水量。
[0051]
进一步地，所述各生态闸门引水受益区的需水量为：
[0052][0053]
其中，d
i
代表第i个生态闸门引水受益区的需水量(m3)；iu代表生态闸门引水受益区范围内的植被类型；v
i
代表植被类型数量；m
iu
代表植被面积(hm2)；w
iu
代表植被年供水额度(m3/hm2)；
[0054]
所述各生态闸门配水的单位生态效益为：
[0055][0056]
其中，p
i
代表第i个生态闸门配水的单位生态效益(元/m3)；p
iu
代表单位面积生态价值(元/hm2)；θ
iu
代表价值修正系数。
[0057]
进一步地，所述缺水程度为：其中，w
si
为上一年度实际引水量；
[0058]
所述根据所述缺水程度将所有生态闸门分为m类包括：
[0059]
s
i
>0为第一类生态闸门，记为g1；
[0060]-1<s
i
≤0为第二类生态闸门，记为g2；
[0061]-2<s
i
≤-1为第三类生态闸门，记为g3；
[0062]
……
[0063]
s
i
≤-(m-2)为第m类生态闸门，记为gm；
[0064]
其中，m为大于或等于4的整数。
[0065]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0066]
本发明首先通过缺水程度和轮灌年限对所有生态闸门分类，并对分类后的生态闸门按层次配水，根据折算到待决策河段参考断面的来水量与各层次生态闸门的最大配水量，确定最高配水层次以及各层次的供水水平；再采用生态敏感性指数将参与配水的生态闸门划分等级；根据供水水平以及划分的等级，设置每个参与配水的生态闸门的水量许可系数，从而确定每个参与配水的生态闸门的配水量约束；并以不同层次配水的总生态效益最大化为目标，求解不同来水情况下每个参与配水的生态闸门的实际配水量。如此，本发明能够根据众多闸门对水分需求程度、效益回报等对有限水资源进行统筹分配，以获得最大化的生态效益，能够为相关管理机构提供决策支持，对于提高缺水地区水资源利用率具有重要意义。
附图说明
[0067]
图1为本发明提供的一种基于生态闸门时空水量均衡的分层次配水方法的流程图；
[0068]
图2为本发明实施例提供的不同来水情况下水量许可系数取值范围示意图，其中，
横坐标表示来水情况，纵坐标为水量许可系数。
具体实施方式
[0069]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。此外，以下所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0070]
参阅图1，本发明提供了一种基于生态闸门时空水量均衡的分层次配水方法，包括以下步骤：
[0071]
s1：基于各生态闸门引水受益区的植被类型和面积，以及不同植被的供水额度，计算各生态闸门引水受益区的需水量以及各生态闸门配水的单位生态效益；
[0072]
具体的，各生态闸门引水受益区的需水量为：
[0073][0074]
其中，d
i
代表第i个生态闸门引水受益区的需水量(m3)；iu代表生态闸门引水受益区范围内的植被类型；v
i
代表植被类型数量；m
iu
代表植被面积(hm2)；w
iu
代表植被年供水额度(m3/hm2)；
[0075]
各生态闸门配水的单位生态效益为：
[0076][0077]
其中，p
i
代表第i个生态闸门配水的单位生态效益(元/m3)；p
iu
代表单位面积生态价值(元/hm2)；θ
iu
代表价值修正系数。
[0078]
需要说明的是，在对植被进行分类时可以以植被盖度为依据，将其分为有林地、疏林地、高盖度草地、低盖度草地等类型。
[0079]
s2：根据缺水程度将所有生态闸门分为m类，所述m由轮灌年限确定；
[0080]
需要说明的是，实际应用中，轮灌年限一般为3年或5年，相应地，可以将所有生态闸门分为4类或6类。
[0081]
具体的，缺水程度用来衡量各生态闸门引水受益区在当期引水决策前的土壤储水水平，表示为：其中，w
si
为上一年度实际引水量；
[0082]
所述根据所述缺水程度将所有生态闸门分为m类包括：
[0083]
s
i
>0为第一类生态闸门，记为g1；
[0084]-1<s
i
≤0为第二类生态闸门，记为g2；
[0085]-2<s
i
≤-1为第三类生态闸门，记为g3；
[0086]
……
[0087]
s
i
≤-(m-2)为第m类生态闸门，记为gm；
[0088]
其中，m为大于或等于4的整数。
[0089]
s3：对分类后的m类生态闸门按层次配水；根据折算到待决策河段参考断面的来水量与各层次生态闸门的最大配水量，确定最高配水层次以及各层次的供水水平；
[0090]
具体的，对分类后的m类生态闸门按层次配水包括：
[0091]
第一层次配水目标为满足g1类生态闸门上一年度缺水量；
[0092]
第二层次配水目标为满足g1、g2类生态闸门本年度需水量；
[0093]
……
[0094]
第m-1层次配水目标为满足g1、g2、
……
、g(m-1)类生态闸门下m-3年度缺水量；
[0095]
根据折算到待决策河段参考断面的来水量与各层次生态闸门的最大配水量，确定最高配水层次以及各层次的供水水平，包括：
[0096]
若所述来水量小于或等于第一层次最大配水量，则最高配水层次l
max
＝1，且供水水平其中，
[0097]
若所述来水量大于第一层次最大配水量且小于或等于第一、第二层次最大配水量之和，则最高配水层次l
max
＝2，且供水水平c1＝1，其中，
[0098]
……
[0099]
若所述来水量大于第一、第二、
……
、第m-1层次最大配水量之和，则最高配水层次l
max
＝m-1；且供水水平c1＝1，c2＝1，
……
，其中，
[0100]
其中，f代表某时期折算到待决策河段参考断面的来水量；dg
m-1
为第m-1层次生态闸门最大配水量，g1＝g1，g2＝g1∪g2，
……
，g
m-1
＝g1∪g2∪
……
∪g(m-1)；为第i个生态闸门在第m-1层次的最大配水量；α
i
代表参考断面到生态闸门所在断面的河段的输水效率。
[0101]
s4：采用生态敏感性指数将参与配水的生态闸门划分为n个等级，n为大于或等于3的整数；
[0102]
具体的，以n＝3为例，按生态敏感性系数的绝对值小于或等于0.5、大于0.5且小于2、大于或等于2，将参与配水的生态闸门划分为ews1、ews2和ews3三个等级；
[0103]
其中，所述生态敏感性系数为：
[0104][0105]
其中，y代表年度，m代表年数，表示生态闸门引水受益区域y年度6～10月份
ndvi平均值，表示y年度第i个生态闸门实际引水量。
[0106]
s5：根据所述供水水平以及步骤s4划分的等级，设置每个参与配水的生态闸门的水量许可系数，从而确定每个参与配水的生态闸门的配水量约束；
[0107]
具体的，配水量约束为：
[0108][0109]
其中，表示配水层次为l时，第i个生态闸门的实际配水量；表示配水层次为l时，第i个生态闸门的最大配水量；分别为第l层次配水的最低、最高水量许可系数；
[0110]
所述水量许可系数随所述供水水平的下降而减小，且减小的程度随所述生态敏感性系数的绝对值的增大而增大；同时，任意来水条件下的水量许可系数应保证来水全部被分配而不出现缺额和剩余。
[0111]
s6：在满足步骤s5的约束条件下，以不同层次配水的总生态效益最大化为目标，求解不同来水情况下每个参与配水的生态闸门的实际配水量。
[0112]
具体的，总生态效益o为：
[0113][0114][0115]
其中，l代表配水层次；o
l
代表第l层次配水的生态效益；为决策变量，代表生态闸门i在第l层次的配水量；g
l
代表参与第l层次配水的生态闸门；ndvi
i
代表生态闸门i引水受益区域ndvi平均值；p
i
代表第i个生态闸门配水的单位生态效益。
[0116]
本发明另一方面提供了一种基于生态闸门时空水量均衡的分层次配水系统，包括：
[0117]
计算模块，用于基于各生态闸门引水受益区的植被类型和面积，以及不同植被的供水额度，计算各生态闸门引水受益区的需水量以及各生态闸门配水的单位生态效益；
[0118]
第一分类模块，用于根据缺水程度将所有生态闸门分为m类，所述m由轮灌年限确定；
[0119]
配水层次确定模块，用于对分类后的m类生态闸门按层次配水；根据折算到待决策河段参考断面的来水量与各层次生态闸门的最大配水量，确定最高配水层次以及各层次的供水水平；
[0120]
第二分类模块，用于采用生态敏感性指数将参与配水的生态闸门划分为n个等级，n为大于或等于3的整数；
[0121]
约束模块，用于根据所述供水水平以及所述第二分类模块划分的等级，设置每个参与配水的生态闸门的水量许可系数，从而确定每个参与配水的生态闸门的配水量约束；
[0122]
输出模块，用于在满足所述约束模块设置的约束条件下，以不同层次配水的总生态效益最大化为目标，求解不同来水情况下每个参与配水的生态闸门的实际配水量。
[0123]
下面通过一个应用实例来说明本发明的具体实现过程：塔里木河干流流域位于中国西北塔克拉玛干沙漠北部边缘，干流中下游区域降雨极少，干流来水是中下游工农业和生态用水的主要水源。干流来水大部分被中游区域的灌溉农业使用，剩余水量则需要同时
满足河岸植被和下游尾闾湖泊的生态需水。除依靠干流河道渗漏补给河岸植被需水外，还通过沿河用于生态补水的闸门，将干流河水引入闸后渠道，通过渠道沿途渗漏、地表浸漫等方式补充区域地下水，供植被使用。如何在众多闸门间分配有限的生态用水、确定每个闸门的引水量是河岸植被供水的关键，也是亟待解决的问题。
[0124]
在需要进行规划的干流上中游区域，沿河分布有47个生态闸门，用于从河道引水以满足两岸部分区域的植被生态用水需求。根据收集到的引水受益区植被类型数据、供水定额、单位面积生态价值可计算出不同闸门每年需水量，结合往年供水情况，计算出各闸门的缺水程度指标，根据缺水程度指标对闸门进行分类，以m＝4为例，结果如表1所示。
[0125]
表1闸门分类情况
[0126][0127]
对分类后不同类型的闸门实行分层次配水，各层次最大配水量目标(本层次最大配水量与年生态需水量的比值)如表2所示。
[0128]
表2不同层次各类闸门的最大配水量目标计算公式
[0129][0130]
根据表2，各闸门不同层次最大配水量计算式为：
[0131][0132][0133][0134]
式中，和分别代表生态闸门i第一、第二和第三层次的最大配水量。
[0135]
某时期配水最高层次(用l
max
表示)根据该时期塔河干流阿拉尔断面来水量与各层次各闸门最大配水量间的关系判定，判定式如下：
[0136][0137]
计算出最高配水层次后，根据如下公式计算相应的供水水平，即某时期阿拉尔断面可供生态闸门引用水量的累计值，计算结果如表3所示。
[0138]
表3不同供水层次下的供水水平
[0139][0140]
为反映不同闸门在配水保障程度方面的差异，对各生态闸门制定引水量约束：
[0141][0142]
式中，分别代表闸门i第l层次配水的最低、最高水量许可系数。本发明将生态闸门划分为三个等级，然后再确定各等级闸门的最低、最高水量许可系数。
[0143]
采用生态敏感性指数作为生态配水闸门的等级划分指标。对闸门i，其生态敏感性指数β
i
为：
[0144][0145]
式中，y代表年度，m代表年数，表示闸门引水受益区域年度6～10月份ndvi平均值；表示年度闸门实际引水量(由于中游降水量极少，河道来水可认为是中游植被的唯一水源)。|β
i
|越大，表明闸门引水受益区域ndvi对于闸门引水量越敏感；反之，则不敏感。采用2016-2018年6～10月份ndvi平均值和闸门实际引水量数据，计算得到各闸门生态敏感性系数值。按生态敏感性系数值小于等于0.5、大于0.5小于2、大于等于2的标准，将参与配水的闸门划分为三个等级，分别用ews1、ews2和ews3表示。
[0146]
其中，通过分析引水受益区的卫星数据，统计出目标区域的ndvi值:
[0147][0148]
式中，nir为第近红外波段；red为红光波段。
[0149]
按以下原则设置三个等级闸门的水量许可系数：1)随第l层次供水水平c
l
减小而下降，其中，ews3级闸门降速最快，ews1类最慢；2)某一c
l
值下的水量许可系数范围应保证待分配水量可全被分配、没有剩余。我们首先根据第1条原则设计了ews3级闸门a
i
、b
i
的计算公式，然后根据第2条原则设计了ews1和ews2级闸门a
i
、b
i
的计算公式，水量许可系数计算公式如表4所示，根据上述规则所制定的水量许可系数范围如图2所示。
[0150]
表4水量许可系数计算公式
[0151][0152]
生态配水目标为最大化各层次配水的生态效益o为：
[0153][0154][0155]
其中，l代表配水层次；o
l
代表第l层次配水的生态效益；为决策变量，代表生态闸门i在第l层次的配水量；g
l
代表参与第l层次配水的生态闸门；ndvi
i
代表生态闸门i引水受益区域ndvi平均值，利用塔里木河下游modis-ndvi数据(时间尺度为16天，空间分辨率为250m)，统计各生态闸门引水受益区域2018年6～10月份ndvi平均值；p
i
代表第i个生态闸门配水的单位生态效益。
[0156]
根据参考文献，疏林地和有林地的单位面积生态价值为302$/hm2，低盖度草地和高盖度草地的单位面积生态价值为232$/hm2，折算成人民币分别为2023元/hm2、1554元/hm2。根据参考文献，疏林地、有林地、低盖度草地和高盖度草地的价值修正系数分别为0.7、1.5、0.5和1.5。
[0157]
设定好目标函数o后，以图2中的水量许可系数为约束条件，利用matlab等计算软件，通过线性规划方式即可求解某一来水条件下生态效益最大时各闸门实际配水量。
[0158]
上述基于生态闸门时空水量均衡的分层次配水系统中各个模块的划分仅用于举例说明，在其他实施例中，可将基于生态闸门时空水量均衡的分层次配水系统按照需要划分为不同的模块，以完成上述装置的全部或部分功能。
[0159]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明，对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。