水资源刚性约束下新余市水资源承载力系统动力学仿真分析

加强水资源刚性约束可有效提升区域水资源对社会经济的支撑能力。以新余市为例,充分考虑工业产业特色,建立面向水资源刚性约束要求的系统动力学仿真模型,预测2020-2035年现状延续型、经济发展型、资源节约型和刚性约束型4种方案下当地水资源承载力变化。结果表明：在落实水资源刚性约束制度下,刚性约束型方案更注重工业用水的高效利用,尤其是钢铁、光伏等高污染、高耗水等工业。该方案下2035年水资源供需比β₂₀₃₅为1.03,COD污染比α¹₂₀₃₅和氨氮污染比α²₂₀₃₅均大于1,可承载总人口数为130.2×10⁴,可承载GDP规模为5 578.6×10⁸元。本文运用系统动力学模型,同时考虑用水效率高效利用和社会经济合理发展的刚性约束型方案,可获得区域水资源供需平衡并达到较大的承载能力,以期为新余市有效落实水资源刚性约束制度提供技术支撑。     

面向供水对象转型的引大入秦工程水资源优化配置研究

引大入秦工程（以下简称引大工程）建成初期主要以秦王川农业供水为主,但随着兰州新区的建设发展,其供水对象开始向城市生活用水和工业用水转型,如何实现有限水资源的合理配置是目前研究的重点问题。基于此,依据引大工程供水区（以下简称引大供水区）可持续发展要求,构建以实现经济、社会、生态效益最大化为目标函数,可供水量、输水能力、用户需水量、排水系统排水量与变量非负为约束条件的多目标水资源优化配置模型,使用遗传算法进行求解。结果表明：2025年引大供水区不同用水部门配水量（保证率P=50%、P=75%）分别为生活用水8 323.85×10⁴、8 322.49×10⁴ m³,农业用水15 001.95×10⁴、15 631.53×10⁴ m³,工业用水11 111.00×10⁴、11 100.00×10⁴ m³,生态用水946.88×10⁴、947.02×10⁴ m³,各部门总配水量与优化前供水量4.23×10⁸ m³相比,达到供需平衡;2030年引大供水区不同用水部门配水量（保证率P=50%、P=75%）分别为生活用水12 650.51×10⁴、12 666.53×10⁴ m³,农业用水16 397.77×10⁴、17 019.70×10⁴ m³,工业用水20 498.00×10⁴、20 508.00×10⁴ m³,生态用水948.00×10⁴、948.88×10⁴ m³,不同保证率下各部门总体缺水率分别为12.27%、13.38%。2025—2030年引大供水区的非农业用水结构将大幅提升,农业灌溉用水量降低。研究结果可为引大供水区优化水资源配置决策提供参考依据。     

基于IFMOP的玉环市区域水资源配置

引入无概率分布的区间数表示不确定性影响范围,选取经济效益、供需水效率和COD排放量分别构建经济目标、社会目标和环境目标优化函数,构建了玉环市不确定性模糊多目标规划(IFMOP)水资源配置模型,并计算了不确定性解集。结果表明:IFMOP配置计算成果可实现玉环市区域水量水质协调高效利用和社会-经济-生态系统均衡发展;在75%来水保证率下各行业配置总水量不确定性范围为14 375万~15 154万m³。IFMOP水资源配置模型在信息不充分的条件下能够全面使用各类数据信息进行水资源配置,更好地满足水资源在各行业配置过程中的动态管理需求。     

新疆和田地区地下水“三氮”污染特征及健康风险评价

为探明新疆和田地区地下水“三氮”污染的现状及其对当地居民健康的影响,对采集的76组地下水水样中的NH₄⁺—N、NO₂^-—N和NO₃^-—N的浓度进行检测,通过统计分析地下水“三氮”的污染特征,采用健康风险评价模型在饮水暴露途径下,进行地下水“三氮”对不同人群的非致癌风险评估。研究结果表明：和田地区地下水中NO₃^-—N的污染程度最大,超标率为2.63%,对不同人群人体产生的非致癌风险指数范围为0~8.438×10^-1（成人）和0~2.360（儿童）;其次为NH₄⁺—N,超标率为1.32%,对人体产生的非致癌风险指数范围为0~3.689×10^-2（成人）和0~1.032×10^-1（儿童）;NO₂^-—N无超标点,非致癌风险指数范围为0~8.573×10^-3（成人）和0~2.398×10^-2（儿童）。研究区地下水中NH₄⁺—N和NO₂^-—N对人体产生的非致癌风险均在可接受范围内,NO₃^-—N对人体产生的非致癌风险应引起重视,且对儿童的影响大于成人。本次研究可为当地地下水污染风险防控提供理论依据。     

考虑水质与水价影响的城市再生水需求研究

再生水是城市的“第二水源”,加强再生水配置利用对优化供水结构、增加水资源供给、缓解水量供需矛盾以及保障水生态安全具有重要意义。科学预测城市再生水需求是提高污水资源化利用水平的重要基础。在区域水资源需求分析基础上,充分考虑工业生产、城市杂用、河道补水、农林灌溉等4大领域的水量和水质需求特点,提出考虑水质与水价的分领域再生水需求预测技术框架。首先考虑水质影响,引入再生水可替代率指标,分析水资源需求总量中可由再生水供给的水量;其次,考虑自主定价模式下再生水价格对用户需求的影响,建立“补贴-价格-需求”模型,计算不同补贴情景下区域再生水的需求量;最后,应用于宿迁市中心城市。结果表明：在规划年2025和2030年的再生水利用率目标要求下,采用中等补贴情景能在有效推广再生水利用的同时兼顾政府财政压力,再生水需求量分别可达10 095×10⁴和13 387×10⁴ m³。本研究进一步拓展了城市再生水需求量预测的理论方法,也为宿迁市再生水利用配置提供了科学依据。     

绿洲发展生态价值与社会经济价值的综合分析

干旱绿洲区水资源匮乏,绿洲的生态发展与社会经济发展之间矛盾突出,评估绿洲生态与经济的价值对于指导绿洲发展具有现实意义。基于2014-2018年的石羊河流域统计数据,考虑流域水资源因素、社会经济因素和绿洲景观因素的影响,结合情景假设的分析方法,分别对流域内绿洲适宜面积、耕地数量底线、绿洲生态价值和社会经济价值进行估算。结果表明：2014-2018年石羊河流域平均绿洲适宜面积为33.09×10⁴~50.26×10⁴ hm²,流域平均绿洲生态价值为170.77×10⁸ 元,二者均呈现减少趋势;绿洲生态价值的最小值为假设畜牧业增加情景中的149.44×10⁸ 元,绿洲生态价值和社会经济价值之和最大值为假设增加人口、增加耕地面积、增加畜牧业和增加工业组合下的945.85×10⁸ 元。     

基于1960-2018年实测径流与水文学方法的开都河生态流量分析

为科学地确定河流生态流量,保障流域水安全与生态环境健康,基于开都河大山口水文站1960-2018年的实测径流数据,采用Tennant法、典型水文频率年法、最枯月平均流量法和Q_p法等4种水文学方法计算了河流的生态流量,通过对比分析确定基于Tennant法的计算结果最为适宜。计算结果表明：开都河大山口水文站10-翌年3月的平均生态流量应不小于15.60 m³/s,对应最小生态环境需水量为 2.47×10⁸ m³;4-9月的平均生态流量应不小于46.15 m³/s,对应最小生态环境需水量为7.30×10⁸ 　m³,全年生态流量平均不小于30.88 m³/s,对应最小生态环境需水量为9.77×10⁸ 　m³。该生态流量目标可满足开都河大山口至博斯腾湖河段的河道径流损失,保证河流基本生态功能与水生态安全。计算分析结果可为开都河河流生态流量管理提供支撑。     

基于抽水试验的场地黏性土层渗透特性确定

为研究淮河防汛调度楼工程场地Q₃ 黏性土层的渗透特性,采用抽水试验测定其渗透系数、地下水流向、流速等水文地质参数。试验结果表明:Q₃ 黏性土层平均渗透系数为2.42×10^-3 cm/s;地下水流向为自北偏西27.5°流向南东;地下水最大允许渗流速度为3.28×10^-3cm/s;影响半径往西方向为87m,往北方向为71m。     

基于区间多阶段随机规划的水资源优化配置模型及应用

针对水资源系统中供需水存在的不确定性和随着时间推移呈现的动态性,基于黑龙江省历年供水、用水及社会经济等数据确定规划年的水资源参数及经济参数,采用区间参数反映系统中的不确定性,利用多阶段随机规划反映水资源配置中的动态性,进而建立了多水源、多用水户的区间多阶段随机规划模型,模型通过平衡水资源配置系统中用户配置水量、系统风险与系统收益三者关系,可实现系统最大经济效益。利用该模型对黑龙江省水资源配置问题进行研究,结果表明:规划年黑龙江省生活、工业和生态用水均可以得到满足,农业用水在丰水年基本得到满足,枯水年缺水量为15.32亿~49.40亿m³,与现状年相比,农业缺水得到一定程度的缓解;水源供给方面,地表供水比例稳步提升,可以较好保护地下水源。     

基于地下水安全的井渠结合灌区节水潜力分析——以永定河流域张家口段为例

农业节水潜力是确定节水灌溉发展方向以及解决水资源短缺问题的关键参量。为探究永定河流域张家口段井渠结合灌区的节水潜力,将农业节水潜力分为管理节水潜力与工程节水潜力两类,通过引入地下水安全性检验方法,避免井渠结合灌区实现节水潜力后存在地下水超采风险,建立了满足地下水安全的井渠结合灌区节水潜力分析方法。结果表明：永定河流域张家口段大中型灌区现状灌溉用水总量为1.62×10⁸ m³,以常规方法估算的地表水节水潜力为0.805 9×10⁸ m³,考虑地下水安全的地表水节水潜力修正为0.795 4×10⁸ m³,其中管理节水潜力和工程节水潜力分别为 0.610 5×10⁸和0.185 0×10⁸ m³,分别占比76.7%和23.3%,管理节水潜力所占比重较大。永定河流域张家口段大中型灌区的管理必须改变以往重工程建设轻灌溉管理的理念,才能更大程度地挖掘管理节水潜力。研究结果可以在保证井渠结合灌区地下水安全的前提下,对灌区的管理节水潜力与工程节水潜力的占比进行科学评价,对未来灌区灌溉工程规划和建设等方面具有现实的参考意义。     

旱区植被生态需水量间接法计算参数的研究

植被生态需水问题是水资源优化配置和生态环境研究的热点,间接计算法是量化干旱地区天然植被生态需水量的主要方法。为了使计算结果更加准确,结合0. 618法与去极值法对间接法计算公式中潜水蒸发量E的计算做出改进,建立植被系数K的二阶Gaussian模型,最后运用灰色模型GM(1,1)对植被面积S的发展趋势进行预测。结果表明:优化所得潜水蒸发量——埋深曲线对实测数据拟合度更好,植被系数取值更加精确,以甘肃省民勤县为例,计算出该地2015年各类植被面积与资料记载差异较小,所得生态需水量结果与FOA推荐使用的Penman-Monteith模型相比无显著差异。在此基础上预测出2020年民勤县天然植被生态需水总量为4060. 8×10~4m~3,其中天然林地生态需水量预测为3100. 1×10~4m~3,天然草地生态需水量为960. 7×10~4m~3。研究使间接计算法对植被生态需水量的量化更加准确,为干旱地区水资源的分配及生态恢复政策的制定奠定了一定的研究基础。     

宁东能源化工基地水资源优化配置研究

宁东能源化工基地水资源极为贫乏,合理配置基地内的水资源对能源基地的发展极其重要。论文采用线性规划模型对宁东能源化工基地的联合供水方案进行了优化研究,提出了地表水和地下水联合供水方案,确定了供水方案中地下水的实际配额和供水路线,得到下述结论:陶乐傍河水源地可向平罗精细化工基地供水0.065×10~8m~3/a;骆驼井应急水源地向横城和鸳鸯湖工矿区供水0.019×10~8m~3/a;吴忠平原2号和3号备选水源地向灵武工矿区供水0.089×10~8m~3/a和0.067×10~8m~3/a;大泉地区的1号水源地向南部的马家滩和积家井工矿区供水0.054×10~8m~3/a。按地下水总供水量0.294×10~8m~3/a和最佳供水路线联合配置地下水,地表水配额只需供水3.136×10~8m~3/a,既能满足宁东能源化工基地2020年规划对水资源需求,又可实现社会经济和环境效益的最大化。     

基于双层模型的常熟市水资源配置研究

基于水资源优化配置原则,开发出以经济效益为上层目标、以环境效益为下层目标的双层优化模型。通过lingo软件和模糊满意度算法将多目标问题转化为单目标问题求解,对常熟市水资源进行配置。结果表明:2020、2030年区域水资源配置系统经济效益预期分别为24.84×10~8、27.89×10~8元,COD排放量分别为8 342、9 450 t,配水量将分别达到86 228×10~4、93 809×10~4m~3;其中,长江取水占配水总量73%,并且趋势逐渐升高。对比双层优化结果与两个单目标优化结果,可以对决策者提供不同情景下的优化方案。     

矿井大量涌水地区多水源联合配置

为了实现矿井水在区域供水体系中的科学配置,以煤矿开采规模庞大的乌审旗为研究区域,预测未来水资源供需态势,建立包含矿井水的多水源供水规则与配置模型,经优化提出多水源联合配置方案。结果表明：随着煤矿开采规模的扩大,与2020年相比,2025年乌审旗供水结构将发生显著变化,地下水供水量将减少44.9%,矿井水供水量将增加1.4倍;矿井水大量供给将置换地下水水源,可解决局部地下水超采问题;受用水总量控制指标的限制,2025年全旗缺水量将达到1 913×10⁴ m³,未来需要退减耕地面积以控制总需水量的增长。乌审旗有大规模利用矿井水的迫切需求,但存在供水成本高、取水许可“批用不符”等现实问题。乌审旗在建的大水网工程为当地地表水、黄河水、矿井水、再生水等水源的丰枯互济提供了工程条件,有利于消除矿井水的不稳定性,保障水资源的稳定供给。     

西北灌区水资源优化配置模型研究

针对西北干旱半干旱地区日益严重的水资源短缺和生态环境问题,以系统分析的思想为基础,建立了面向生态和节水的灌区水资源优化配置序列模型系统,提出了综合考虑节水、水权、生态环境等因素的多目标多情景模拟计算方法,并以南阳渠灌区为例,得出了比较合理的水资源优化配置方案.南阳渠灌区的应用表明,在现有水资源情况下,随着社会经济发展,当地水资源紧缺现象将会日益严重,现状、2010和2030年分别为工农业及城乡生活提供水资源量5641 5万m3,5796 7万m3和5657 2万m3,缺水量则达到1544 6万m3,2100 3万m3和3627 9万m3.     

Coupled Quantity-Quality Simulation-Optimization Model for Conjunctive Surface-Groundwater Use

Many water resources optimization problems involve conflicting objectives which the main goal is to find a set of optimal solutions on, or near to, Pareto front. In this study a multi-objective water allocation model was developed for optimization of conjunctive use of surface water and groundwater resources to achieve sustainable supply of agricultural water. Here, the water resource allocation model is based on simulation-optimization (SO) modeling approach. Two surrogate models, namely an Artificial Neural Network model for groundwater level simulation and a Genetic Programming model for TDS concentration prediction were coupled with NSGA-II. The objective functions involved: 1) minimizing water shortage relative to the water demand, 2) minimizing the drawdown of groundwater level, and 3) minimizing the groundwater quality changes. According to the MSE and R² criteria, the results showed that the surrogate models for prediction of groundwater level and TDS concentration performed favorably in comparison to the measured values at the number of observation wells. In Najaf Abad plain case study, the average drawdown was limited to 0.18 m and the average TDS concentration also decreased from 1257 mg/lit to 1229 mg/lit under optimal conditions.     

基于干旱河道生态修复的岳城水库生态调度

根据干旱风沙河道生态修复目标,结合水库的防洪、兴利、生态调度,建立了多目标水库生态调度模型,研究漳河岳城水库的生态调度。结果表明:枯水年岳城水库向下游河道生态供水0.277×10~8m~3,平水年岳城水库向下游河道生态供水0.327×10~8m~3,丰水年可以满足下游生态需水量2.66×10~8m~3。     

基于生态安全的阿瓦提灌区生态需水量研究

阿瓦提灌区地处塔里木盆地西北边缘,气候极端干旱,降水稀少,蒸发强烈。近年来,由于大批开荒、水资源不合理利用、土壤盐渍化等导致灌区生态环境越发脆弱,阻碍其经济的可持续发展。在灌区实地考察、分析整理多年新疆统计资料的基础上,考虑灌区生态用水安全,针对不同植被生态需水特点,分别采用彭曼公式法、定额法和比值法等相适宜的生态需水研究方法,计算其生态需水量。结果表明:阿瓦提灌区生态需水总量为13. 37×10~8m~3,其中,河道外生态需水量为6. 8×10~8m~3,河道内生态需水量为6. 57×10~8m~3。通过生态需水量研究,提出适宜的用水建议,为阿瓦提灌区生态系统的健康与稳定提供一定的理论依据。     

厄立特里亚Zara地区Koka金矿开采的地下水资源可持续性分析

在非洲干旱性气候条件下,水资源的补给量稀缺,做到地下水资源的有效平衡极其重要。在分析Zara科卡金矿水文地质条件的基础上,建立了准三维有限差分地下水流模型,模拟预测了科卡金矿开采期间和封场后,在丰水、枯水和平水3种气候条件下矿山供水对地下水水位降深的影响,并对有、无矿山供水条件下的地下水水位降深进行了对比分析。模拟结果表明:前1~3 a,日供水量约0.97×10~4m~3/a,在4~7 a,日供水量约在1.01×10~4m~3/a,矿山供水开采不会引起当地地下水资源枯竭,且矿山关闭后,含水层水位会很快恢复;即使在增加矿山供水和枯水气候同时出现的最不利条件下,井场中心出现最大地下水位降深为1.0~1.2 m,且距离井场中心距离约2km的边缘区域,地下水位降深仅为0.2 m。模拟结果可为高温干旱地区矿山的供水开采提供科学依据。