一种基于气候影响对区域水能供需优化方法

摘要

本发明公开了一种基于气候影响对区域水能供需优化方法，先通过构建目标区域的需水量与能源之间耦合系统互馈动力学模型；然后构建工业需水量与气温之间的第一岭回归模型、生活需水量与气温之间的第二岭回归模型和农业需水量与气候因子之间的第三关系模型；然后基于所述互馈动力学模型、第一岭回归模型、第二岭回归模型和第三关系模型确定目标区域在预测年的总需水量和总能耗；最后基于所述总需水量和总能耗调控所述预测年的计划总需水量和计划总能耗，实现在资源日益短缺的背景下，使水与能源的协同发展，进而实现水资源与能源可持续发展。

说明书

技术领域

本发明属于区域水能供需技术领域，具体涉及一种基于气候影响对区域水能供需优化方法。

背景技术

水和能源之间相互依存、相互制约组成了一个动态的复杂巨系统，且存在多重的因果反馈关系，该系统内部的各子系统通过多种行为模式组合在一起。

另外，一方面，以能源作为动力，可以增大水资源的利用能力，而水资源为能源的开发利用提供重要的支撑，另一方面，水资源需求增加的同时总能耗也随之增大，使得水资源的需求不断增加。水资源的供应和能源的生产受资源承载力的制约，水资源与能源组成的耦合系统内部也存在相互的制约。高能耗的非常规水源导致城市的水系统能耗不断增加，形成了气候变化-水资源短缺-非常规水利用-水资源利用能耗增加-碳排放增加-气候变化的恶性循环链条，因此，如何在资源日益短缺的背景下，使水与能源的协同发展，限制高耗水能源产业的过度发展是本领域技术人员有待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是在基于气候影响的前提下，使水与能源能够协同发展，进而实现水资源与能源可持续发展，提出了一种基于气候影响对区域水能供需优化方法。

本发明的技术方案为：一种基于气候影响对区域水能供需优化方法，包括以下步骤：

S1、构建目标区域的需水量与能源之间耦合系统互馈动力学模型；

S2、构建工业需水量与气温之间的第一岭回归模型、生活需水量与气温之间的第二岭回归模型和农业需水量与气候因子之间的第三关系模型；

S3、基于所述互馈动力学模型、第一岭回归模型、第二岭回归模型和第三关系模型确定目标区域在预测年的总需水量和总能耗；

S4、基于所述总需水量和总能耗调控所述预测年的计划总需水量和计划总能耗。

进一步地，通过多个水平变量、多个速率变量、多个辅助变量和多个常量及表函数建立所述互馈动力学模型。

进一步地，所述步骤S4具体中基于所述总需水量和总能耗调控所述预测年的计划总需水量和计划总能耗具体为通过人口规模调节、经济调节、节水调节、供水结构调节和供电结构调节中任意一项或多项调节方式进行调控。

进一步地，所述人口规模调节具体为基于目标总需水量和目标总能耗降低人口规模，以使目标区域在预测年的总需水量和总能耗分别为计划总需水量和计划总能耗。

进一步地，所述经济调节具体为将所述目标区域中工业生产总值的增长率调整为预设工业增长率，将所述目标区域中服务业生产总值的增长率调整为预设农业增长率。

进一步地，所述节水调节具体为将所述目标区域中的农田灌溉水利用系数提高至指定系数，将所述目标区域中供水管网漏损率调整至指定漏损率。

进一步地，所述供水结构调节具体为将所述目标区域中外来水的供水比例提高至第一指定比例，将所述目标区域中再生水的供水比例提高至第二指定比例。

进一步地，所述供电结构调节具体为将所述目标区域中外来供电比例调整至第三指定比例。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

本发明先通过构建目标区域的需水量与能源之间耦合系统互馈动力学模型；然后构建工业需水量与气温之间的第一岭回归模型，构建生活需水量与气温之间的第二岭回归模型；然后基于所述互馈动力学模型、第一岭回归模型和第二岭回归模型确定目标区域在预测年的总需水量和总能耗；最后基于所述总需水量和总能耗调控所述预测年的计划总需水量和计划总能耗，实现在资源日益短缺的背景下，使水与能源的协同发展，进而实现水资源与能源可持续发展。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种基于气候影响对区域水能供需优化方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请提出了一种基于气候影响对区域水能供需优化方法，如图1所示为本申请实施例提出的一种基于气候影响对区域水能供需优化方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：

步骤S1、构建目标区域的需水量与能源之间耦合系统互馈动力学模型。

在本申请实施例中，通过多个水平变量、多个速率变量、多个辅助变量和多个常量及表函数建立所述互馈动力学模型。

基于代表性、可获取性等原则，选取了122个变量建立水与能源耦合系统系统动力学模型，其中6个水平变量，42个速率变量，54个辅助变量以及19个常量和表函数，模型的核心参数详见下表1。

表1

其中，社会子系统与其他子系统存在十分密切的关系。人口作为社会子系统的核心要素与其他子系统间存在着直接或间接的联系。随着人口的不断增长，对于水资源和能源的消耗增加，随之产生的生产生活污废水会排入环境中，同时化石能源的燃烧产生的温室气体排放到空气中又会导致气温的上升进而影响环境子系统。社会子系统与经济子系统间的联系主要指：一是人们的日常需求是推动经济活动的主要驱动力，需求的变化会影响产业的布局和发展方式；二是城市化进程带来的劳动力的转移与流动与产业结构之间是相辅相成的关系。同时，人口的机械增长速度也会受经济因素的影响，比如经济发达地区的机械增长速度快，经济落后地区机械增长速度低，甚至是负增长。

本申请对社会子系统变量及其变量之间的因果反馈关系进行了梳理与分析，将总人口作为核心要素构建社会子系统，模拟时段内的人口变化情况由人口变化率和总人口的初始值相结合来决定。机械增长人口是受收入水平、就业机会、居住环境、城市化进程等多重因素驱动，为简化分析，本文中认为机械增长率与收入水平、城市化率相关，城市化的发展进程引起城镇人口和农村人口的比例发生变化，进而改变城镇生活和农村生活用水、能源消费结构和方式的改变。本文中引入人口变化率，来表征出生率、死亡率、机械增长率的综合影响。系统以总人口为水平变量，即存量，人口变化量、农村人口、城镇人口为速率变量，出生率、死亡率、机械增长率、人口变化率、城镇化率为辅助变量。

经济子系统主要考虑农业、工业和服务业等发展因素。本申请中农业包括了种植业、林牧渔业。经济子系统的设定主要是研究经济总量和结构对水资源和能源的影响关系，系统中除了核心变量GDP外，还包括农业、工业和服务业的产值及其增长速率、科技投入占比等其他经济要素。从模型的研究角度和目的出发，经济子系统通过科技投入比重所确定的地区规模以上工业企业研究与试验R&D经费来影响水资源和能源利用效率。本系统以农业GDP、工业GDP、服务业GDP为水平变量，其余变量为辅助变量或常量。

外部环境变化直接影响水资源、能源的供应与需求的变化，进而影响水资源与能源之间的纽带关系的变化。本申请主要考虑气温和降水的变化对水资源需求及气温的变化对能源需求的影响。

降水和气温等气候要素的时空变化对作物需水量产生直接影响。从生产需水的角度考虑，对于农业中种植业的灌溉需水而言，首先，温度是影响作物生育的关键影响因素之一，气温升高延长了作物的生育期，使得作物的灌溉需水量增大；其次，气温升高增加了作物的蒸散发量，增加了作物需水量；再次，降水量及时空分布的改变会直接影响作物的有效降水量，进而影响灌溉定额。对于工业需水，气候变化对工业需水的影响主要体现在气温升高影响冷却效率，导致工业冷却需水量的增加，主要体现在一方面气温升高直接影响冷却水的原水温度，另一方面，冷却塔周围的气温升高导致的温差减小影响冷却效率。从生活需水的角度考虑，生活需水的季节性变化特征体现了其与气温变化具有较高的一致性，随着气温升高，洗涤、卫生和饮用水等生活用水中也随之增加。气温变化对于生态需水的影响主要体现在气温升高使得河湖水面的蒸发量和绿地需水量的增加。

按照生产和生活两大用途，能源消费可分为生产能源消费和生活能源消费两个组成部分。气候变化对城市能源系统的影响主要体现在，一方面是对生产、生活电力需求的影响，另一方面是对冬季建筑采暖能耗的影响。气温上升对电力需求的影响主要通过制冷系统的制冷能耗来体现，年平均气温的上升影响着电力的消费，使制冷电力的需求增加，极端高温事件出现的频率增加使得电力负荷出现峰值的频率也呈现增加趋势；同时气温上升使得工业设备的效率和电厂的有效发电容量降低。冬季采暖能耗主要取决于受温度变化影响的采暖度日和采暖长度，从理论上讲，采暖除了受社会、经济、技术等条件的影响外，采暖季的气温变暖可使采暖能耗需求降低。

步骤S2、构建工业需水量与气温之间的第一岭回归模型、生活需水量与气温之间的第二岭回归模型和农业需水量与气候因子之间的第三关系模型。

在工业需水量、生活需水量的计算中通过引入气候变化影响因子—单位气温变化工业需水量、单位气温变化生活需水量两个常量指标，来分析工业需水量和生活需水量对未来气候变化的响应。气候变化影响因子的计算参考有关方法，分别建立工业需水量、生活需水量与气温之间的岭回归模型，并基于惩罚最小二乘法来确定响应的单位气温变化工业需水量、单位气温变化生活需水量指标。通过计算可知，工业需水量对气候变化响应的弹性系数为3.21，生活需水量对气候变化响应的弹性系数为2.37，即气温每上升1℃，单位产值的工业需水量和人均生活需水量分别增加3.21％和2.37％。

工业需水通过计算工业产值和万元工业产值用水量的乘积获得。工业产值是水平变量，受工业产值增长率的影响。万元工业产值用水量与地区经济发展水平、节水技术的发展水平高度相关，并受到外界温度等因素的影响。本文中用人均地区生产总值GDPC(Percapita GDP，元/人)表征地区经济发展水平，用地区规模以上工业企业研究与试验经费(R&D经费)T(亿元)表征该地区工业行业的技术水平，工业需水量计算公式如下：

IWD＝VA

式中，VAI表示工业产值增加值(单位：亿元)；η

能源部门主要指采掘和开发自然界的能源资源，并把这些能源资源通过加工转换为燃料、动力的产业。主要包括一次能源的开采和生产，例如煤炭采选、石油天然气开采等以及二次能源的生产，例如电力、热力的生产、石油加工等。能源部门的需水主要指一次能源在开采和二次能源生产过程的用水量，与能源生产的用水强度有直接联系。能源生产的用水强度与能源的种类、冷却技术等因素相关。计算公式如下：

其中，EWD为某年度的能源生产需水量，E

生活需水量DWD分为城镇生活需水量和农村生活需水量两大类，本文中根据社会经济发展水平、外界温度等因素，参照地区的城镇用水定额标准，分别拟定城镇和农村居民生活用水净定额。生活需水量的计算公式如下所示：

DWD＝POP

POP

式中，i表示用户的分类序号，i＝1表示城镇，i＝2表示农村；POP

农业需水包括种植业的灌溉需水量和畜牧业需水。灌溉需水量可根据实测的土壤水分根据水量平衡法计算得出，也可以采用综合性的气候学方法计算。由于土壤水分的空间变异性和较大的获取的难度，综合性的气候学方法已被广泛的采用于灌溉需水量的测定。作物的净需水量的计算可根据作物需水量的经验函数获得，即：

其中，NCWD表示作物的年净需水量，kc表示作物cp在生长期ct的作物系数，

作物的部分或全部灌溉需水量可通过有效降雨进行满足，即渗入土壤并储存在作物主要根系吸水层中的降水量。因此，在考虑有效降水后，作物的年灌溉净需水量NIRWD的计算公式如下:

ET

ET

式中，ET

作物的年灌溉需水量IRWD的计算公式，如下：

IRWD＝NIRWD/η……………………………(2-19)

其中，η表示灌溉水利用系数，是衡量灌区从水源引水到田间的利用水过程的一个衡量指标，与灌溉工程质量、灌溉技术水平和灌溉用水管理(如灌溉制度、水价)等因素相关。

畜牧业需水量的计算则根据行业用水定额等国家技术细则的要求，根据大牲畜、小牲畜的数量和用水定额分别进行计算，如下所示：

LWD＝∑Quota

式中，LWD表示畜牧业需水量；N

因此，农业需水量AWD的计算公式为：

AWD＝IRWD+LWD…………………………(2-21)

能源消费需求总量分为农业、工业、服务业、水资源利用过程能耗和生活能耗需求五个组成部分。

农业能耗需求量的计算公式如下：

AED＝VA

其中，AED指农业的能源需求量，AEDI指农业的万元增加值能耗强度，VA

工业能耗需求量的计算公式如下所示：

IED＝VA

其中，IED指工业能源需求量，IEDI指工业的万元增加值能耗强度，VA

服务业能源需求指除农业、工业以外的其他行业需水。服务业能源需求计算与工业类似，用万元服务业产值能耗量与服务业增加值的乘积进行预测，根据区域的服务业发展规划成果以及现状发展趋势，对各年份的万元产值能耗量及服务业增加值进行预测。

供用水量的能源需求计算公式如下所示：

WED＝TWED*T

其中，WED表示某年度供用水能源需求，TWED、SWED、UWED、RWED分别表示取水、供水、用水、排水和再生水量；T

生活能耗需求计算公式如下所示：

DED＝POP×DEDI……………………………(2-34)

POP(t)＝POP(t-1)·(1+η

其中，DED指居民生活的能源需求量，DEDI指居民人均生活能耗强度，POP指总人口数，η

度日(degreeday，HDD)是制冷和供暖的时间温度指数，它被广泛的应用于气候变化和能源需求的相关研究中。度日可分为两种类型，即制冷度日(coolingdegreedays,CDD)和采暖度日(heating degree days)。阈值温度是各个国家(或地区)根据温度变化、人体生理需求、能源供应、经济水平和等因素为了统计需要而认为设定的一个参考温度，目前人们一般认为 18℃是人体最舒适的温度，冷度日的定义为日平均温度阈值以上的温度与阈值温度之差的累计值，月内日CDD之和即为月CDD，一般将年内5月至9月的CDD之和定义为年CDD；同样热度日定义为日平均温度高于阈值的温度与这一阈值温度之差的累计值，月内日HDD 之和即为月HDD是，一般将每年9月至次年4月的各月HDD之和定义为年内HDD

HDD

CDD

式中，HDD

基于度日指标的计量经济学回归方法是气候变化对电力需求侧影响评价最常用的研究方法。该方法是将制冷度日和采暖度日计入能源供需回归模型中，具有适用性强，计算结果稳健的特点。吴向阳等

采暖期采暖度日量的大小能够直接反映采暖期温度的高低，采暖度日值大，则表明采暖期温度低，供给的热量多，采暖强度大，即采暖需求大，采暖度日的变化直接反映了采暖需求的变化。假设每一度日数的采暖能耗量相同，则可以用采暖能耗量除以研究区域基准年的采暖度日即可得到单位面积单位度日数的能耗量q

步骤S3、基于所述互馈动力学模型、第一岭回归模型、第二岭回归模型和第三关系模型确定目标区域在预测年的总需水量和总能耗。

具体的，先确定目标区域预测年的气候变化也即气温变化，然后根据两个岭回归模型和第三关系模型确定出预测年的工业用水和生活用水的需水量变化值，再根据需水量变化值和互馈动力学模型确定预测年的总能耗。

在仿真模型中进行仿真模拟，生活需水量与工业需水量较为相似，在三个不同的情景下均表现出一致的增加，在情景一下，增加量介于0.006～0.88亿m

步骤S4、基于所述总需水量和总能耗调控所述预测年的计划总需水量和计划总能耗。

在本申请实施例中，所述步骤S4具体中基于所述总需水量和总能耗调控所述预测年的计划总需水量和计划总能耗具体为通过人口规模调节、经济调节、节水调节、供水结构调节和供电结构调节中任意一项或多项调节方式进行调控。

在本申请实施例中，所述人口规模调节具体为基于目标总需水量和目标总能耗降低人口规模，以使目标区域在预测年的总需水量和总能耗分别为计划总需水量和计划总能耗。

具体的，在人口规模约束下，总需水量、能源需求总量、水资源利用能耗和能源生产用水量均明显减少，且随着时间的推移，实施方案对比基准情景的各项输出值均逐渐拉大，节水和节能的空间也逐渐拉大。这是因为用水环节是水资源利用过程的主要能耗环节，达到90％以上，而生活用水能耗和服务业用水能耗占用水环节能耗的90％左右，在人口规模的控制下直接对生活用水和服务业用水量产生影响，因此该措施对水资源开发过程的能耗的影响最为明显。

在本申请实施例中，所述经济调节具体为将所述目标区域中工业生产总值的增长率调整为预设工业增长率，将所述目标区域中服务业生产总值的增长率调整为预设农业增长率。

具体的，在经济增速放缓的条件下，北京市总需水量、能源需求总量、水资源利用能耗和能源生产用水量的预估结果均呈现减少趋势。

在本申请实施例中，所述节水调节具体为将所述目标区域中的农田灌溉水利用系数提高至指定系数，将所述目标区域中供水管网漏损率调整至指定漏损率。

具体的，将基准情景也或当前情景中农田灌溉水利用系数提高至指定系数，例如从0.71 提高到0.75，万元工业增加值用水量较现状水平降低20％，供水管网漏损率调整至指定漏损率，例如现状15％调整到10％。

在本申请实施例中，所述供水结构调节具体为将所述目标区域中外来水的供水比例提高至第一指定比例，将所述目标区域中再生水的供水比例提高至第二指定比例。

具体的，将基准情景也或当前情景中的供水比例提高至第一指定比例，例如从22.3％调整为50％，再生水的供水比例提高至第二指定比例，例如从27％调整为50％。第一指定比例和第二指定比例由本申请技术人员根据实际情况确定。

在本申请实施例中，所述供电结构调节具体为将所述目标区域中外来供电比例调整至第三指定比例。

具体的，将所述目标区域中外来供电比例调整至第三指定比例，例如从64％调整为85％。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。