基于隨機(jī)分析的干旱區(qū)水資源管理方法研究及應(yīng)用

沈 沛,許龍祥

(1.江蘇省儀征市真州水利站,江蘇 儀征 211400;2.江蘇省儀征市棗林灣水利站,江蘇 儀征 211400)

0 引 言

干旱區(qū)域的水資源管理關(guān)系著生態(tài)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,但水資源管理在氣候變化和人類活動(dòng)影響下,具有不確定性和復(fù)雜性。近年來,許多學(xué)者對(duì)干旱區(qū)水資源管理方法進(jìn)行了相關(guān)研究。張陽陽等[1]利用氣孔導(dǎo)度模型,分析了區(qū)域地下水位參數(shù)特征和水源利用率。陳艾姣[2]對(duì)比了兩種統(tǒng)計(jì)降尺度方法,評(píng)估了干旱區(qū)氣候變化。Kerzabi R等[3]、Bouri S等[4]使用遙感和水文地球化學(xué)分析,驗(yàn)證了污染物指標(biāo)。張文達(dá)、鄧人超等[5-6]分析了水源保護(hù)規(guī)劃目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù),為水資源管理和保護(hù)提供了參考。賈玲等[7]結(jié)合地?zé)崴Y源開發(fā)利用方式,構(gòu)建4種用水管理模式,為地?zé)崴Y源管理提供了建議。

本文使用隨機(jī)分析的不確定性方法體系,對(duì)開孔河流域和阿姆河流域的水資源利用管理進(jìn)行氣候、作物、能源等數(shù)據(jù)分析。為了優(yōu)化水資源配置,以開孔河流域?yàn)槔?構(gòu)建基于隨機(jī)模糊分式規(guī)劃方法的水資源-糧食-能源關(guān)聯(lián)系統(tǒng)管理模型,旨在為干旱地區(qū)農(nóng)作物用水、電力生產(chǎn)用水和水資源配置等方面提供參考依據(jù),同時(shí)為干旱區(qū)水資源管理方案提供案例分析和技術(shù)支持。

1 基于隨機(jī)分析的不確定方法體系和模型構(gòu)建

1.1 區(qū)間多階段隨機(jī)規(guī)劃方法模型

鑒于水資源系統(tǒng)的復(fù)雜性、自然因素的隨機(jī)性,在干旱區(qū)水流域采用耦合氣候模型和水文模型的區(qū)間多階段隨機(jī)模型進(jìn)行管理[8]。針對(duì)干旱地區(qū)中的開都-孔雀河流域即開孔河流域,建立一個(gè)集模擬-優(yōu)化一體的水資源配置體系(Integrated Simulation-based Allocation Modeling System,ISAMS),該體系中耦合了全球氣候變化模型(Global Climate change Models,GCM)、隨機(jī)天氣發(fā)生器降尺度模型(Long Ashton Research Station Weather Generator,LARS-WG)、半分布式流域水文模型(Semi-distributed Land-use Runoff Proccess,SLURP)和區(qū)間多階段隨機(jī)規(guī)劃模型(Interval Multistage Stochastic Programming,IMSP),每個(gè)模型均能提高該體系適應(yīng)氣候變化的水資源管理能力[9]。

首先為了探討開孔河流域未來徑流變化趨勢(shì),構(gòu)建了結(jié)合GCM、LARS-WG降尺度模型和SLURP模型的模擬方法。由于地區(qū)的獨(dú)特位置,氣候模型選擇了全球大氣-海洋耦合模式(MRI-CGCM)、美國(guó)社區(qū)氣候系統(tǒng)模型版本(CCSM4)和英國(guó)Hadley提出的耦合模型版本3(HadCM3)進(jìn)行比較,得出該區(qū)域的氣量變化,再驅(qū)動(dòng)LARS-WG降尺度模型來預(yù)估未來降水和溫度的變化,然后進(jìn)行區(qū)間多階段隨機(jī)規(guī)劃。見圖1。

圖1 區(qū)間多階段隨機(jī)規(guī)劃模型框架圖

從圖1可以看出區(qū)間多階段隨機(jī)規(guī)劃圖的技術(shù)路線和區(qū)間多階段隨機(jī)規(guī)劃模型的流程。LARS-WG降尺度模型利用半經(jīng)驗(yàn)分布模型來模擬日降水量,而LARS-WG模型中溫度的模擬不同于降水模擬,溫度的變化是隨機(jī)過程。根據(jù)開孔河流域水資源管理系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性的基礎(chǔ)問題,構(gòu)建的集模擬-優(yōu)化一體的水資源管理模型以優(yōu)化為主,并結(jié)合模擬結(jié)構(gòu),探討該流域氣候變化下的水資源管理方法。構(gòu)建模型如下:

(1)

該模型中的變量不能小于零,其約束條件包括流域內(nèi)實(shí)際用水量不能超出可供應(yīng)水量的總水量約束、中游人類用水和下游生態(tài)用水需滿足最小需求,也不能超出水量最大承載力的不同水單元可用水量約束和下游生態(tài)用水保障。根據(jù)交互算法,將模型拆解為上下界線性子模型,解出上下界子模型后得出的水資源配置結(jié)果,根據(jù)模型求解結(jié)果,可以得出適用于開孔河流域應(yīng)對(duì)氣候變化的水資源配置方法。其模型的所需數(shù)據(jù)包括未來氣候數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)、站點(diǎn)氣象、水文數(shù)據(jù)以及水資源供應(yīng)量。

1.2 模糊機(jī)會(huì)約束規(guī)劃方法模型

水資源和土地資源關(guān)系著糧食生產(chǎn)安全,研究水資源與土地資源的相互作用,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水資源最優(yōu)配置和保障糧食生產(chǎn)安全。在阿姆河流域開發(fā)一個(gè)可能性-彈性模糊機(jī)會(huì)約束規(guī)劃方案,該方案結(jié)合可能性模糊規(guī)劃、彈性模糊規(guī)劃和機(jī)會(huì)約束方案。其中,機(jī)會(huì)約束優(yōu)化模型雖然有效處理了約束右方參數(shù)的隨機(jī)性,但對(duì)參數(shù)或不等式的模糊性缺少考慮,因此引入模糊規(guī)劃來處理該問題[10-11]。而該模型反映著決策者的主觀偏好,不能解決客觀因素造成的模糊信息,進(jìn)而引入可能性模糊規(guī)劃方法,以處理目標(biāo)函數(shù)中的模糊不確定性信息。模糊機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型如下:

(2)

式中:f為目標(biāo)函數(shù);xi、yj為決策變量;ai、bj為模糊系數(shù);Ca、d分別為函數(shù)中心點(diǎn)和半徑;λ為必然性測(cè)度水平,在[0～1]范圍內(nèi)。

根據(jù)阿姆河流域的氣候條件、水文資源以及下游作物灌溉區(qū)域發(fā)展等因素,構(gòu)建基于可能性模糊機(jī)會(huì)約束規(guī)劃方法(Possibilistic-flexible Fuzzy Chance-constrained Programming ,PFCP)并結(jié)合土地資源關(guān)聯(lián)系統(tǒng)(Water-Land Nexus system,WLN)的管理模型。模型以系統(tǒng)收益最大化為目的,綜合考慮水資源約束、土地資源約束、電力資源約束、灌溉水量約束和糧食安全保障約束等重要約束條件,其模型框架見圖2。

圖2 PFCP-WLN模型框架圖

從圖2可以看出,該模型主要針對(duì)阿姆河流域下游的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū),將系統(tǒng)收益最大化作為目標(biāo),綜合考慮土地資源約束、水資源供需量約束、電力供應(yīng)量約束、糧食安全保障約束以及污染排放約束等約束條件,對(duì)土地資源、水資源、電力資源以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)地實(shí)時(shí)獲取,并起到因地制宜的作用。其中,目標(biāo)函數(shù)包括農(nóng)作物的毛收益、肥料成本、調(diào)水成本及耕作成本,根據(jù)其目標(biāo)對(duì)規(guī)劃方法的變量條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算,而變量條件有3個(gè)地區(qū)、4種作物以及5個(gè)時(shí)期。9種灌溉模式在于提高灌溉效率,將漫灌、畦灌、噴灌和滴灌4種方式進(jìn)行有效組合,對(duì)應(yīng)9種不同的灌溉效率,從而獲取農(nóng)作物水資源利用和土地資源利用的收益最大化。

1.3 隨機(jī)模糊分式規(guī)劃方法模型

由于水資源與糧食、能源息息相關(guān),都是人類生產(chǎn)生活的重要資源,因此針對(duì)某地區(qū)水資源管理方案需要考慮到糧食和能源的關(guān)聯(lián),因此管理系統(tǒng)具有龐大、復(fù)雜的特性。在考慮多重問題的影響中,根據(jù)機(jī)會(huì)規(guī)劃、模糊可信度規(guī)劃和分式規(guī)劃,開發(fā)了隨機(jī)模糊分式規(guī)劃方法(Stochastic Fuzzy Fractional Programming,SFFP),其公式如下:

(3)

式中:s、t為矩陣常數(shù);xj為J行的行向量;uj、vj為列向量。

根據(jù)開孔河流域?qū)嶋H情況及其下游灌溉區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求,遵循“以水定地、以水定產(chǎn)業(yè)、以水定發(fā)展”的原則,量水而行,推動(dòng)經(jīng)濟(jì)用水結(jié)構(gòu)調(diào)整以及對(duì)各行業(yè)用水進(jìn)行合理配置,從而探討水資源、糧食和能源系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)影響,找尋三者間最優(yōu)的配置和生產(chǎn)模式。因此,構(gòu)建基于隨機(jī)模糊分式規(guī)劃方法的水資源-糧食-能源關(guān)聯(lián)系統(tǒng)(Water-Food-Energy,WFE)的管理模型。其框架見圖3。

從圖3可以看出,模型的農(nóng)業(yè)種植模式、電力生產(chǎn)特征以及水資源獲取方式等因素緊密相連,農(nóng)作物主要包括小麥、棉花、蔬菜和水果等,發(fā)電方式有燃煤發(fā)電、燃?xì)獍l(fā)電、太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等;農(nóng)業(yè)、電力發(fā)展以及能源的開發(fā)利用,均需要對(duì)該區(qū)域水資源管理模式進(jìn)行綜合考慮,達(dá)到兼顧該區(qū)域系統(tǒng)收益最大化和用水量最小化的雙重目的。其中,約束條件包括資源可利用量約束、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水量、電力生產(chǎn)能力、二氧化碳和污染物排放限額等,根據(jù)以上約束條件構(gòu)建模型,為開孔河流域水資源綜合管理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)理論和技術(shù)參考。因此,應(yīng)對(duì)水資源短缺問題時(shí),首先需要降低電力生產(chǎn)和農(nóng)作物的需水要求;其次,規(guī)劃合理的種植面積和生產(chǎn)能力,考慮生態(tài)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、效益和風(fēng)險(xiǎn)之間的平衡關(guān)系;最后,制定區(qū)域或流域內(nèi)最合理的水資源管理方案。

2 基于隨機(jī)分析的模型驗(yàn)證與分析

2.1 區(qū)間多階段隨機(jī)規(guī)劃模型分析

根據(jù)構(gòu)建的模型,對(duì)實(shí)地干旱地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,并結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件、水文信息、能源資源以及土地資源等因素,驗(yàn)證并分析干旱地區(qū)的水資源利用效率,保障用水安全、糧食安全、生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。在開孔河流域,構(gòu)建基于集模擬-優(yōu)化一體的水資源管理模型,在氣候變化條件下進(jìn)行氣候參數(shù)分析,總結(jié)其對(duì)中下游用水的影響,其中氣候條件變化包括溫度、降水和徑流。針對(duì)2023-2045年平均氣溫和平均降水量的對(duì)比結(jié)果,分析3種不同氣候模型的差異,見圖4。

圖4 不同氣候情景下的溫度和降水預(yù)估結(jié)果

從圖4可以看出,未來22年平均氣溫分別為-3.9℃、-3.7℃和-3.4℃,而當(dāng)前平均氣溫為-4.5℃;降水方面多年平均降水量分別為229.2、223.5和236.1mm,而當(dāng)前平均降水量為216.6mm,表明開孔河流域的氣候朝著暖濕氣候方向發(fā)展,其溫度和降水的增長(zhǎng)趨勢(shì)對(duì)該流域的徑流有著積極影響。不同氣候情景下的溫度和降水差異,證明了氣候預(yù)測(cè)的不確定性。

開孔河流域的中游人類用水配水目標(biāo)以及缺水情況,與氣候變化、人類活動(dòng)和下游生態(tài)輸水量有關(guān),隨著氣候變化以及社會(huì)發(fā)展,中游人類用水量隨之增加。而當(dāng)下游生態(tài)輸水量增長(zhǎng)時(shí),中游用水配水目標(biāo)會(huì)減少,表明水資源影響著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)的關(guān)系。因此,決策者需要根據(jù)實(shí)際需要,合理分配水資源,提高水資源利用率,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

2.2 可能性模糊機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型分析

根據(jù)PFCP-WLN模型框架圖中農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的復(fù)雜性,阿姆河流域的下游地區(qū)是主要灌溉區(qū)域,對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)有著重要地位和影響。在構(gòu)建阿姆河流域的水土資源聯(lián)合管理模型中發(fā)現(xiàn),不同灌溉模式的灌溉效率影響著整個(gè)系統(tǒng)收益。根據(jù)4種灌溉方式,設(shè)置了9種灌溉模式組合。得出9種灌溉效率結(jié)果,見表1。

表1 9種灌溉模式組合及其效率

從表1可以看出,不同灌溉模式的效率結(jié)果采用流域的農(nóng)業(yè)實(shí)際數(shù)據(jù),其中第9個(gè)模式組合灌溉效率最高,其系統(tǒng)收益也最高。作物種植面積與灌溉效率關(guān)系緊密,灌溉效率的提高會(huì)降低單位農(nóng)作物的需水量,進(jìn)而增加灌溉面積,從而保障了糧食產(chǎn)量和提高系統(tǒng)收益。因此,面對(duì)干旱地區(qū)阿姆河流域的農(nóng)業(yè)活動(dòng),決策者需要關(guān)注灌溉效率的提高和先進(jìn)灌溉技術(shù)的引用,以改善灌溉條件、增加灌溉面積以及保障糧食生產(chǎn)安全。

2.3 隨機(jī)模糊分式規(guī)劃模型分析

根據(jù)SFFP-WEF模型框架,綜合考慮系統(tǒng)收益、農(nóng)作物種植面積分析、電力生產(chǎn)總量分析以及水資源優(yōu)化配置方案。結(jié)合開孔河流域的農(nóng)作物灌溉總面積的變化數(shù)據(jù),以灌溉需水量α水平和可供水量p水平為分析指標(biāo),觀察農(nóng)作物種植面積和灌溉配水量的變化,見圖5。

圖5 開孔河流域總灌溉面積

從圖5可以看出未來規(guī)劃期的3個(gè)時(shí)期t1、t2和t3的灌溉總面積的變化。t3時(shí)期灌溉需水量為0.8m3時(shí),4種p水平的作物灌溉總面積分別為186.4×103、191.6×103、198.6×103和203.4×103hm2;灌溉總面積隨著可供水量p的增高而增加,但總體看,灌溉總面積逐漸減小。

農(nóng)作物的配水量變化見圖6。

圖6 開孔河流域作物配水量

從圖6可以看出,作物配水量隨著可供水量的增加而增長(zhǎng)。根據(jù)實(shí)地考察,開孔河流域土壤鹽漬化較嚴(yán)重、水資源較少以及生態(tài)保護(hù)力度弱,如果不加干預(yù),未來可耕地面積會(huì)逐漸減少。而該流域的電力生產(chǎn)總量也與可供水量有關(guān),為正比關(guān)系,灌溉需水量越多,相應(yīng)地用于電量的水資源越少;電力生產(chǎn)量和CO2、污染排放限額呈反比關(guān)系,當(dāng)配水量增加時(shí),可排放的CO2和污染物量相應(yīng)減少,進(jìn)而導(dǎo)致燃煤和燃?xì)獾陌l(fā)電量減少。因此,在能源發(fā)電時(shí),應(yīng)考慮水資源的節(jié)約利用,改進(jìn)燃煤燃?xì)獍l(fā)電技術(shù),減少其耗水量,提高應(yīng)對(duì)缺水問題的能力。另外,在水資源優(yōu)化配置方案中,結(jié)合農(nóng)作物種植的分配,追求單位水資源收益最大化,但農(nóng)作物的單位水資源收益遠(yuǎn)低于電力生產(chǎn)水資源獲利。因此,在滿足農(nóng)業(yè)水資源最小供應(yīng)量后,其作物種植面積保持穩(wěn)定不變、水資源分配量也不變,才能達(dá)到優(yōu)化配置水資源的目標(biāo)。

3 結(jié) 論

為了應(yīng)對(duì)干旱區(qū)水資源短缺問題,考慮氣候和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等不確定性因素,本文研究開發(fā)了一種基于隨機(jī)分析的不確定性方法體系,用于開孔河流域和阿姆河流域。由開孔河流域構(gòu)建IMSP模型得出,未來年平均降水量和平均溫度分別為229.2、223.5、236.1mm和-3.9℃、-3.7℃、-3.4℃。在阿姆河流域構(gòu)建PFCP-WLN模型,針對(duì)下游灌溉模式得出,23%漫灌、24%畦灌、23%噴灌和30%滴灌組合的效率最高為0.71。由開孔河流域構(gòu)建SFFP-WFE模型可知,降低農(nóng)作物和電力生產(chǎn)的需水要求,以合理規(guī)劃水資源配置。