基于生態(tài)健康的干旱區(qū)綠洲水資源優(yōu)化配置.pdf

1、黑河干流中游地處西北內(nèi)陸干旱區(qū)，水資源嚴(yán)重匱乏，該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展對(duì)水的依賴(lài)性和敏感性較強(qiáng)。近年來(lái)隨著水資源供需矛盾的日漸突出，農(nóng)業(yè)用水嚴(yán)重?cái)D占生態(tài)用水，導(dǎo)致社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的增長(zhǎng)與沉重的生態(tài)環(huán)境代價(jià)相伴而生?；谏鷳B(tài)健康的水資源優(yōu)化配置，對(duì)促進(jìn)黑河干流中游水資源的高效持續(xù)利用以及改善脆弱的生態(tài)環(huán)境具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。
　　本文在進(jìn)行黑河干流中游生態(tài)系統(tǒng)演變及驅(qū)動(dòng)因子分析的基礎(chǔ)上，建立了衡量綠洲生態(tài)健康的指標(biāo)體系，基于水熱平

2、衡和風(fēng)沙動(dòng)力學(xué)原理，確定了適宜的綠洲規(guī)模、生態(tài)規(guī)模以及耕地規(guī)模;計(jì)算了不同水文年型的水資源可利用量，采用潛水蒸發(fā)法和水面蒸發(fā)公式，計(jì)算了研究區(qū)植被需水和濕地需水，采用定額法計(jì)算了現(xiàn)狀年及規(guī)劃年的生活、工業(yè)及農(nóng)業(yè)需水量;考慮上游來(lái)水、降水、蒸發(fā)、作物單產(chǎn)及單價(jià)的不確定性，基于大系統(tǒng)遞階分析，建立了基于生態(tài)健康的多目標(biāo)區(qū)間非線性雙層優(yōu)化配水模型，基于MATLAB編程求解，獲得了研究區(qū)不同規(guī)劃年不同來(lái)水情景下水資源在縣區(qū)間、部門(mén)間以及作物間的

3、優(yōu)化配置方案。獲得以下主要結(jié)論:
　　(1)基于距平百分率，將黑河干流中游的河川徑流劃分為豐水年、偏豐年、平水年、偏枯年、枯水年五種來(lái)水情景;根據(jù)《黑河干流水量分配方案》，考慮來(lái)水的不確定性，獲得五種來(lái)水情景下的水資源可利用量的區(qū)間分別為[14.65，15.68]、[14.77，15.25]、[14.38，15.33]、[14.40，14.70]、[13.77，14.25]億m3，其中地下水允許開(kāi)采量為4.81億m3。
　　

4、(2)基于1986年、2000年、2011年的土地利用圖，分析了黑河干流中游林地、草地、濕地面積的演變趨勢(shì)及其原因。結(jié)果表明:1986～2011年間，研究區(qū)林地、草地面積呈減小趨勢(shì)，濕地面積呈先減小后增大的趨勢(shì)，該演變的主要原因是耕地面積占用生態(tài)面積、生產(chǎn)用水?dāng)D占生態(tài)用水、水利工程建設(shè)及濕地恢復(fù)措施的實(shí)施等。
　　(3)考慮綠洲生態(tài)系統(tǒng)變化的影響因素，確定了綠洲生態(tài)健康的指標(biāo)體系，包括適宜的綠洲規(guī)模、適宜的耕地面積、適宜的生態(tài)規(guī)模

5、、適宜的生態(tài)地下水位和最小生態(tài)配水保障;基于生態(tài)水熱平衡原理和風(fēng)沙動(dòng)力學(xué)原理，確定黑河干流中游適宜的綠洲規(guī)模、耕地面積和生態(tài)防護(hù)面積。在臨界穩(wěn)定狀態(tài)下，豐水年、偏豐年、平水年、偏枯年、枯水年的適宜綠洲規(guī)模區(qū)間為[346.8，496.6]、[356.4，473.3]、[340.0，469.0]、[349.0，425.1]、[336.1，429.1]千hm2;適宜耕地面積區(qū)間為[131.2，140.4]、[132.3，136.6]、[128

6、.8，137.3]、[129.0，131.6]、[123.3，127.6]千hm2;研究區(qū)防護(hù)林地的有效植被蓋度為22％～28％，臨界蓋度為47％。2013年黑河干流中游的實(shí)際綠洲規(guī)模和耕地面積均超過(guò)適宜范圍，生態(tài)防護(hù)面積未達(dá)到有效植被蓋度。
　　(4)采用潛水蒸發(fā)法和水面蒸發(fā)公式，計(jì)算了研究區(qū)植被需水和濕地需水，采用定額法計(jì)算了現(xiàn)狀年及規(guī)劃年的生活、工業(yè)及農(nóng)業(yè)需水量。2013年黑河干流中游總需水[17.02，21.13]億m3，

7、其中生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)需水量分別為0.46、0.31、[12.95，15.23]、[3.30，5.13]億m3，現(xiàn)狀年缺水[1.92，6.03]億m3;2020年研究區(qū)總需水[16.30，22.10]億m3，其中生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)需水量分別為0.57、0.28、[11.42，14.57]、[3.86，6.55]億m3;2030年研究區(qū)總需水[16.58，22.40]億m3，其中生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)需水量分別為0.67、1.01

8、、[10.53，13.43]、[4.46，7.41]億m3。研究區(qū)需水量略呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。
　　(5)依據(jù)生態(tài)健康原則、用水安全原則、高效性原則和公平性原則，基于大系統(tǒng)遞階分析原理，考慮上游來(lái)水、降水、蒸發(fā)、作物產(chǎn)量及價(jià)格方面的不確定性，構(gòu)建了以研究區(qū)經(jīng)濟(jì)效益最大和各縣區(qū)缺水率的平方和最小為目標(biāo)的多目標(biāo)區(qū)間非線性雙層優(yōu)化配水模型，基于MATLAB編程求解，得到黑河干流中游現(xiàn)狀年及規(guī)劃年五種來(lái)水情景下的縣區(qū)間、用水部門(mén)間以及作物間優(yōu)化配

9、水方案?，F(xiàn)狀年優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)效益為[96.53，113.72]億元，因保證生態(tài)健康用水，優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)效益略有下降，優(yōu)化后的農(nóng)業(yè)用水占總用水的73％～74％，生態(tài)用水占21％～22％。2020年優(yōu)化后研究區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益為[158.42，181.77]億元，甘臨高分配的水量分別占總水量的45％～48％、25％～26％、27％～29％，生態(tài)配水和農(nóng)業(yè)配水分別占總水量25％～28％、64％～68％。2030年優(yōu)化后研究區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益為[338.08，