基于SD-MOP模型的生态型灌区水资源优化配置研究

摘要

灌区是我国农业生产的重要基地，为农业和经济的持续发展、粮食安全提供了物质支撑和保障。传统灌区以提高灌区利益为主要目标，忽略了利益背后带来的资源过度消耗和环境污染严重等问题。以“资源节约、高产高效、生态环境健康”作为指导思想的生态型灌区建设，通过合理开发和配置水资源，保持和完善灌区系统内部动态平衡，子系统相互依存、相互促进，使灌区水资源可持续利用、经济良性循环、生态自我修复。基于生态型灌区理念的水资源优化配置研究，对提高水资源利用效率、促进灌区系统良性发展、实现灌区水资源可持续利用、最大限度地促进社会经济发展、控制生态环境恶化具有重要的指导意义和实践价值。 本文构建以“资源节约、高产高效、生态环境良好”为目标的生态型灌区理念，开展灌区水资源优化配置研究。以陕西省泾惠渠灌区为例，基于节水-经济-生态多重目标，构建系统动力学-多目标规划（System Dynamics-Multi-Objective Programming，简称SD-MOP）耦合模型，仿真模拟生态型灌区各子系统因果反馈关系，开展生态型灌区水资源优化配置研究，取得以下研究结果： （1）灌区农业需水量驱动因子识别及其趋势分析 采用Mann-kendall检验、Sen’s斜率估计法分析了灌区农业需水量主要影响因子的变化趋势，结果表明：泾惠渠灌区各站点气温（最高、最低）、蒸发量呈上升趋势；相对湿度除高陵站和临潼站呈下降趋势外，其余两个站呈上升趋势；各站的风速、日照时数均呈下降趋势；降水量除临潼站呈上升趋势外，其余各站均成下降趋势。灌区1993-2009年种植结构变化不显著，呈平稳趋势。泾惠渠灌区各气象站作物需水量年际变化均呈下降趋势，空间上差异不大。利用灰色关联度分析法和主成分回归分析法分析农业需水量的主要驱动因子，结果显示，作物种植面积、降水量和蒸发量对灌区农业需水量影响较大。 （2）生态型灌区供需水系统动态模拟 基于系统动力学理论，构建灌区人口、水资源、社会经济、生态环境子系统，分析子系统间的反馈关系，构建生态型灌区系统演化模拟模型，识别模型敏感因素，预测灌区不同规划水平年供需水量，SD系统模拟结果表明，丰水年（25%）均不缺水；平水年（50%）在2030年缺水0.22亿m3，现状年和2020年不缺水；枯水年（75%）在现状年、2020年和2030年均缺水，缺水量分别为0.06、0.16和0.34亿m3。以节水、治污为调控目标，设定现状型、节水型、治污型和综合型4大类21种情境模拟方案。方案21优于其他方案，总需水量降低了17.7%，总氮负荷浓度降低了10.79%，且下降率高于治污型单指标调控方案。 （3）灌区水资源优化配置 基于情景模拟，界定敏感指标阈值，采用目标偏离容忍水平的交互式多目标决策求解多目标优化模型，结果表明，2020年节水效益增益70%，经济效益增益2.38%，生态效益增益8.66%；2030年节水效益增益41.67%，经济效益增益0%，生态效益增益8.31%。通过提高行业用水效率、减少氮肥施用量、增加河道生态基流等措施，实现生态型灌区资源节约、高产高效、生态环境健康的良性发展。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 生态型灌区的基本内涵

1.2.2 系统仿真模拟

1.2.3 水资源优化配置

1.3 研究内容

1.4 研究方法与技术路线

1.4.1 研究方法

1.4.2 技术路线

1.5 本章小结

第二章 研究区概况

2.1 自然地理概况

2.1.1 地理位置

2.1.2 地形地貌

2.1.3 气象水文

2.2 社会经济概况

2.3 水资源开发利用概况

2.3.1 水利工程概况

2.3.2 地表水开发利用及地表水质概况

2.3.3 地下水资源开发利用及水质概况

2.4 当前灌区存在的主要问题

（1）水资源利用不合理

（2）水资源污染问题凸显

2.5 本章小结

第三章 灌区农业需水量驱动因子分析

3.1 研究方法

3.1.1 Mann-kendall法和Sen`s斜率估计法

3.1.2 彭曼公式法

3.1.3 灰色关联度分析法

3.1.4 主成分回归分析法

3.2 农业需水量驱动因子分析

3.2.1 气候因素变化分析

3.2.2 种植结构变化分析

3.2.3 农业需水量演变趋势分析

3.2.4 农业需水量驱动因子分析

3.3 本章小结

第四章 生态型灌区水资源优化配置的SD-MOP耦合模型

4.1 生态型灌区基本内涵

4.1.1 生态型灌区的内涵

4.1.2 生态型灌区基本特点

4.2 系统动力学方法

4.2.1 系统动力学的基本思想

4.2.2 系统动力学的主要步骤

4.3 多目标规划方法

4.3.1 多目标规划的基本思想

4.3.2 多目标规划的求解

4.4 SD-MOP整合模型

4.4.1 SD-MOP整合模型适用性分析

4.4.2 SD-MOP整合方法

4.4.3 SD的构建

4.4.4 SD模型参数估计和敏感因素识别

4.4.5 MOP模型建立与求解

4.4.6 模型模拟运行与方案决策

4.5 本章小结

第五章 泾惠渠生态型灌区系统动力学模型构建

5.1 确定建模目的

5.2 确定研究对象

5.3 系统因果关系分析及变量方程式

5.3.1 人口子系统

5.3.2 水资源子系统

5.3.3 经济子系统

5.3.4 水生态环境子系统

5.3.5 模型主要变量参数及方程式

5.4 模型有效性检验

5.5 模型敏感性因素识别

5.6 基于最严格水资源管理制度的灌区系统模拟调控

5.7 本章小结

第六章 生态型灌区水资源优化配置研究

6.1 水资源优化配置模型

6.2 模型求解

6.3 建议与措施

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 主要创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

个人简历