基于供给与消耗的区域水资源配置分析决策方法及系统与流程

本发明涉及一种水资源配置分析决策方法，特别涉及一种基于供给与消耗的区域水资源配置分析决策方法及系统，属于流域水资源优化配置和遥感。

背景技术：

1、水资源优化配置是指在一个特定流域或区域内，以有效、公平和可持续的原则，对有限的、不同形式的水资源，通过工程与非工程措施在各用水户之间进行的科学分配。水资源优化配置是实现水资源合理开发利用的基础，是水资源可持续利用的根本保证，具有重要的战略意义。

2、我国水资源配置研究起步较晚，但发展迅速，在水资源优化配置研究方面也取得了较多成果，先是以经济和社会综合效益最大为目标，构建受水区水资源优化配置模型，并求出最优解进行配置；后来又将生态等综合效益考虑进去，以经济、社会和生态环境综合效益为最大目标，确定目标函数和配水系数，依据水资源模拟系统中的数据条件组成水资源优化配置的约束条件，对用水总量控制的水资源优化配置模型进行求解，如专利cn107944603 a，cn 109598408 a。但随着经济社会持续发展，新问题不断出现，如多目标、多水源、多部门的水资源优化配置问题，在优化模型的构建过程中，优化模型中的一些系统参数可能更复杂，考虑的方面可能更综合。

3、随着遥感技术的发展，利用空间遥感技术来观测一个大面积区域是具有时空连续性的，即便是观测站点较少，也可以从遥感观测中获取连续数据，遥感技术的利用和地理信息系统的发展使获取更多空间信息成为可能。专利cn 116681262 a公开了一种利用遥感影像数据提取研究区的生态植被覆盖情况，根据植被蒸腾多年平均空间分布图计算研究区域内生态植被的最低生态需水量和最适宜生态需水量；构建水资源优化配置模型，通过双目标优化和条件约束，求解得目标。该方法实现了遥感技术与效益最大化水资源配置模型的结合，有效降低人力物力的投入，充分考虑生态需水量的空间变异性，但该方法在生态需水量分析时全面分析了水体蒸发、土壤蒸发及冰雪蒸发等要素，而对于供水量分析时却忽视了冰雪蒸发消融时所产生的水量再补给。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述不足而提供一种基于供给与消耗的区域水资源配置分析决策方法，该方法以遥感数据作为驱动，弥补了流域水资源供给计算中对冰雪融水估算的不足，同时以经济效益、生态效益、社会效益为目标，通过供水用水次序系数计算优化配置权重构建配置模型，提高水资源配置分析决策的准确性。

2、本发明采取的技术方案为：

3、基于供给与消耗的区域水资源配置分析决策方法，包括步骤如下：

4、s1. 获取包含覆盖范围完全相同的一对不同时序dem影像数据和冰川的矢量边界线数据，预处理；

5、s2.利用dem影像中高程与坡度和坡向的关系获取各个影像的坡度和坡向值，根据二维平面内相同地区的两个非相同时序dem数据的高程差值与坡度的函数关系并将其扩展到三维空间内，得到三维空间高程差与坡度、坡向的关系式，计算高程差，基于坡度对高程差进行归一化处理；

6、s3. 设置x、y、z分别代表两个非相同时序dem数据在东西方向、南北方向和垂直方向三个方向上的偏移量，用共参数计算和表示x、y、z，并基于共参数代入三维空间高程差与坡度、坡向的关系式得到带有x、y、z表示的dem自动化配准公式，将生成时间较早的dem影像数据视为基准dem影像数据，将生成时间较晚的dem影像数据视为待配准dem影像数据；

7、s4. 将排除不稳定地形后的非冰川区高程差值数据及对应的坡度和坡向数据带入dem自动化配准公式中进行曲线拟合，计算参数x、y、z，分别将待配准dem影像数据的冰川区和非冰川区两部分同时向东方向移动x,向北方向移动y，向上方向移动z，完成两个非相同时序dem影像数据的配准；

8、s5. 对两个非相同时序dem数据的高程差进行残差校正；

9、s6. 利用冰川区残差校正后的两个非相同时序dem数据的高程差值计算冰雪消融量；

10、s7. 根据冰雪消融量计算冰雪融水对地表水wa和地下水wb资源的补给量，得到补给后的地表水和地下水的供水量；

11、s8. 需水量预测；

12、s9. 构建水资源优化配置模型：以经济效益、社会效益、生态效益为目标建立目标函数和约束条件，通过供水、用水次序系数计算优化配置权重构建配置模型。

13、上述方法中，步骤s2中高程与坡度、坡向之间的函数关系，利用33计算窗口采用拟合曲面法，可分别利用如下公式计算坡度、坡向：

14、 式（一），

15、式（二），

16、式（三），

17、式（四），

18、式中α为坡度，β为坡向，dx为x方向上的高程增量，dy为y方向上的高程增量，xsize和ysize分别为x和y方向上的空间分辨率，ei为33的dem影像窗口内第i个像元的高程值。

19、步骤s2中三维空间高程差与坡度、坡向的关系式为：

20、             式（五），

21、式中dh为相同地区不同时序的dem数据dem1和dem2的高程差，其中dem1为生成时间较晚的dem影像数据并视为待配准dem影像数据，dem2为生成时间较早的dem影像数据并视为基准dem影像数据，α和β分别为坡度和坡向，为dem数据的整体高程偏差均值即高程差平均值，a、b为待拟合参数（共参数）分别表示水平偏移量和偏移方向。

22、步骤s2中基于坡度对高程差进行归一化处理，具体计算公式如下：

23、式（六），

24、式（七）。

25、步骤s3中以水平偏移量a和偏移方向b表示x、y、z，

26、式（八）。

27、步骤s3中得到的dem自动化配准公式为：

28、式（九）。

29、步骤s4中将坡度值15°作为冰川附近不稳定地形的过滤因子，仅保留坡度值小于15°的部分参与计算，从而排除不稳定地形。

30、步骤s5中利用高程差残差值与高程值的函数关系式，以对配准后的两dem数据的高程差值进行进一步的校正，具体计算公式如下：

31、式（十），

32、式中x为高程值，a、b、c为待拟合系数，f(x)为高程差残差值。

33、步骤s6中冰雪消融量的计算过程如下：

34、先根据高程差计算物质平衡，公式如下：

35、式（十一），

36、式（十二），

37、式中，b是物质平衡，ρ是冰雪表面密度本专利取值850±60kg/m，sg是冰雪覆盖面积，m是冰雪总像元个数，sp是像元的大小，为经过步骤s4的偏移量校正后的待配准dem影像数据冰川区像元高程值，为基准dem影像数据冰川区像元高程值，为冰川区dem影像数据高程差残差校正值；

38、考虑温度影响导致的冰雪再冻结对消融量的影响，计算冰雪消融量：

39、 式（十三），

40、式（十四），

41、式中qg为冰雪消融量，si为第i条海拔带的面积，bi为第i条海拔带的物质平衡量，pliq,i为第i条海拔带的降水量，ti为第i条海拔带的温度。

42、步骤s7中冰雪融水对地表水wa和地下水wb资源的补给量：

43、式（十五），

44、式（十六），

45、式中qga为物质平衡大于零部分的高程带的冰雪消融量，qgb为物质平衡小于零部分的高程带的冰雪消融量，k为地表水渗透率。补给量加上非补给供水量就是实际供水量。

46、需水量根据各项需水数据的历史分布特征，以时间为自变量拟合各项函数多项式，分别计算不同年份下的生活、生产和生态需水预测值。

47、本发明的另一目的是提供一种基于供给与消耗的区域水资源配置分析决策系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的基于供给与消耗的区域水资源配置分析决策方法。

48、本发明的有益效果是：

49、本发明方法以遥感数据作为驱动，利用遥感数据全天时、大范围观测能力，摆脱了传统花杆法进行冰雪变化监测时对监测时段、监测目标地形条件等的严苛要求，实现了高时空覆盖度的连续大范围监测，弥补了流域水资源供给计算中对冰雪融水估算的不足，同时以经济效益、生态效益社会效益为目标，通过供水用水次序系数计算优化配置权重构建配置模型，完善水资源配置的全链条模拟。