建三江分局水资源承载力评价及优化配置研究
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摘要
三江平原是我国重要的商品粮基地,近些年,伴随着人口增长、社会经济发展和农田灌溉规模的迅速增长,对水资源的需求量也迅速增加。水资源短缺、地下水超采、地表水-地下水开发利用不平衡问题并存,造成了水资源的供需矛盾,成为制约区域可持续发展的重要因素。因此,深入研究区域水资源承载力状况,在开源节流、提高地表水资源利用率和推广控制灌溉的同时,对水资源实行优化配置是非常重要的,可以为区域地下水资源的恢复、增加有限水资源利用效益和社会经济可持续发展提供科学依据,同时,对于保障我国粮食安全具有重要意义。
本文针对三江平原水资源开发利用中存在的问题,以黑龙江农垦建三江分局为研究对象,对其2008年水资源承载力现状进行评价,并在此基础上对2010年、2015年和2020年建三江分局水资源进行优化配置研究。主要内容及结论如下:
(1)参考大量文献资料,根据建三江分局水资源利用实际情况,采用灰色关联模型选取了9个有代表性、易获取、易于量化的评价指标,并确定评价标准。应用熵值法确定各指标的权重,得出较为客观的基于指标数据本身的权重系数。
(2)采用传统物元模型、基于隶属度的模糊综合评价模型和基于欧氏贴近度的模糊物元模型对2008年建三江分局各农场水资源承载力进行了评价,并综合三种评价模型的优势,得出建三江分局水资源承载力综合评价结果,其结果符合建三江分局水资源开发利用实际状况,具有科学性和可靠性。
(3)采用灰色自记忆模型拟合、预测了建三江分局七星农场的地下水埋深,揭示了其地下水埋深序列的时间变化规律,反映出七星农场地下水埋深逐年加深趋势显著。提出保护当地地下水资源,提高区域水资源承载力的对策和建议。
(4)以区域社会经济可持续发展为目标,根据发展规划,对建三江分局2010年、2015年和2020年供水能力、人口发展规模、耕地面积、工业产值增长进行预测;用定额法确定各农场规划年居民生活、农业和工业需水量。
(5)以建三江分局经济和社会效益最大为目标,以水源供水能力、用水系统需水能力、变量非负为约束,建立了建三江分局水资源系统多目标优化配置模型。利用基于实数编码的加速遗传算法求解建三江分局水资源多目标优化配置模型,得出2010年、2015年和2020年水资源在各用水部门的最优配置。
(6)对建三江分局水资源优化配置结果进行缺水程度分析和配置后承载力评价,分析表明建三江分局缺水量逐年降低,水资源状况逐渐改善,各农场水资源承载力均有大幅提升。由此确定优化配置模型与求解方法有效、可行,优化配置结果合理。
Sanjiang Plain is the important commodity grain base of China. In recent years, along with the population growth, development of socio-economic and the rapid growth of irrigation scale, the demand for water resources is also increasing rapidly. Water scarcity, over pumping of groundwater and imbalance exploitation between surface water-groundwater coexisted in Sanjiang Plain. These problems resulted in the contradiction between water supply and demand, become important factors which restricted the regional sustainable development. Therefore, it is important to in-depth study the conditions of regional water resources carrying capacity, optimally allocate the water resource while broadening sources of income and reducing expenditure, improving the utilization of surface water and spreading control irrigation. That can provide scientific basis for the recovery of regional groundwater, increasing the limited water resources utilization efficiency and the sustainable socio-economic development. And that is of great significance for guaranteeing grain security.
In view of the existing problems of water resources development and utilization in Sanjiang Plain, this paper taking Jiansanjiang agricultural reclamation branch bureau in Heilongjiang province as object to study its water resources condition. Evaluated the water resources carrying capacity in 2008, and on this basis study the optimal allocation of water resources in 2010, 2015 and 2020.The main research contents and results are as follows:
(1) Referred a large number of literature references, according to the practical condition of water resources utilization in Jiansanjiang branch bureau, used the gray correlation model to choose 9 indices which were typical, easy to be achieved and quantified, and confirmed the evaluation standard. In order to get the objective weight which based on the indices data themselves, entropy-weight method was applied to confirm the indices weight coefficients.
(2)The water resources carrying capacity of each farm belong to Jiansanjiang branch bureau in 2008 were evaluated through using models of matter-element theory, the membership function based fuzzy comprehensive evaluation and the Euclid approach degree based fuzzy matter-element. Synthesized the advantage of three evaluation models, acquired the comprehensive evaluation results of water resources carrying capacity. The results were consistent the practical water resources development and utilization state, scientific and reliability.
(3) Applied grey self-memory model to fit and forecast the groundwater depth of Farm Qixing in Jiansanjiang branch bureau. The study indicated the temporal variation regulation of groundwater depth series, reflected the significant trend that groundwater depth deepening year by year. Proposed countermeasures and suggestions to protect local groundwater resources and improve the regional water resources capacity.
(4) Aiming at the regional sustainable socio-economic development, Forecasted the water supply capacity, population development scale, cultivated area and industrial production growth in 2010, 2015 and 2020 in Jiansanjiang branch bureau, according to the development planning. The living, agricultural and industrial water demand of each farms in the future years were obtained by using quota method.
(5) Established the water resources system multi-objective optimization model in Jiansanjiang branch bureau, taking the economic and social maximum benefits as the objective function, the water supply capacity, water demand capacity of water consumption system and variable non-negative as the constraints. Applied the real coding based accelerating genetic algorithm to solve the model, obtained the water resources optimal allocation results of each water consumption department in 2010, 2015 and 2020.
(6) The water shortage degree analysis of the optimal allocation results showed that, the volume of water shortage in Jiansanjiang branch bureau decreased each year, the water resources condition improving gradually. The water resources carrying capacity evaluation showed that, the ability of each farm has dramatically increased. Thus determined the optimal allocation model and solution method are effective and feasible, and the optimal allocation results are reasonable.
本文针对三江平原水资源开发利用中存在的问题,以黑龙江农垦建三江分局为研究对象,对其2008年水资源承载力现状进行评价,并在此基础上对2010年、2015年和2020年建三江分局水资源进行优化配置研究。主要内容及结论如下:
(1)参考大量文献资料,根据建三江分局水资源利用实际情况,采用灰色关联模型选取了9个有代表性、易获取、易于量化的评价指标,并确定评价标准。应用熵值法确定各指标的权重,得出较为客观的基于指标数据本身的权重系数。
(2)采用传统物元模型、基于隶属度的模糊综合评价模型和基于欧氏贴近度的模糊物元模型对2008年建三江分局各农场水资源承载力进行了评价,并综合三种评价模型的优势,得出建三江分局水资源承载力综合评价结果,其结果符合建三江分局水资源开发利用实际状况,具有科学性和可靠性。
(3)采用灰色自记忆模型拟合、预测了建三江分局七星农场的地下水埋深,揭示了其地下水埋深序列的时间变化规律,反映出七星农场地下水埋深逐年加深趋势显著。提出保护当地地下水资源,提高区域水资源承载力的对策和建议。
(4)以区域社会经济可持续发展为目标,根据发展规划,对建三江分局2010年、2015年和2020年供水能力、人口发展规模、耕地面积、工业产值增长进行预测;用定额法确定各农场规划年居民生活、农业和工业需水量。
(5)以建三江分局经济和社会效益最大为目标,以水源供水能力、用水系统需水能力、变量非负为约束,建立了建三江分局水资源系统多目标优化配置模型。利用基于实数编码的加速遗传算法求解建三江分局水资源多目标优化配置模型,得出2010年、2015年和2020年水资源在各用水部门的最优配置。
(6)对建三江分局水资源优化配置结果进行缺水程度分析和配置后承载力评价,分析表明建三江分局缺水量逐年降低,水资源状况逐渐改善,各农场水资源承载力均有大幅提升。由此确定优化配置模型与求解方法有效、可行,优化配置结果合理。
Sanjiang Plain is the important commodity grain base of China. In recent years, along with the population growth, development of socio-economic and the rapid growth of irrigation scale, the demand for water resources is also increasing rapidly. Water scarcity, over pumping of groundwater and imbalance exploitation between surface water-groundwater coexisted in Sanjiang Plain. These problems resulted in the contradiction between water supply and demand, become important factors which restricted the regional sustainable development. Therefore, it is important to in-depth study the conditions of regional water resources carrying capacity, optimally allocate the water resource while broadening sources of income and reducing expenditure, improving the utilization of surface water and spreading control irrigation. That can provide scientific basis for the recovery of regional groundwater, increasing the limited water resources utilization efficiency and the sustainable socio-economic development. And that is of great significance for guaranteeing grain security.
In view of the existing problems of water resources development and utilization in Sanjiang Plain, this paper taking Jiansanjiang agricultural reclamation branch bureau in Heilongjiang province as object to study its water resources condition. Evaluated the water resources carrying capacity in 2008, and on this basis study the optimal allocation of water resources in 2010, 2015 and 2020.The main research contents and results are as follows:
(1) Referred a large number of literature references, according to the practical condition of water resources utilization in Jiansanjiang branch bureau, used the gray correlation model to choose 9 indices which were typical, easy to be achieved and quantified, and confirmed the evaluation standard. In order to get the objective weight which based on the indices data themselves, entropy-weight method was applied to confirm the indices weight coefficients.
(2)The water resources carrying capacity of each farm belong to Jiansanjiang branch bureau in 2008 were evaluated through using models of matter-element theory, the membership function based fuzzy comprehensive evaluation and the Euclid approach degree based fuzzy matter-element. Synthesized the advantage of three evaluation models, acquired the comprehensive evaluation results of water resources carrying capacity. The results were consistent the practical water resources development and utilization state, scientific and reliability.
(3) Applied grey self-memory model to fit and forecast the groundwater depth of Farm Qixing in Jiansanjiang branch bureau. The study indicated the temporal variation regulation of groundwater depth series, reflected the significant trend that groundwater depth deepening year by year. Proposed countermeasures and suggestions to protect local groundwater resources and improve the regional water resources capacity.
(4) Aiming at the regional sustainable socio-economic development, Forecasted the water supply capacity, population development scale, cultivated area and industrial production growth in 2010, 2015 and 2020 in Jiansanjiang branch bureau, according to the development planning. The living, agricultural and industrial water demand of each farms in the future years were obtained by using quota method.
(5) Established the water resources system multi-objective optimization model in Jiansanjiang branch bureau, taking the economic and social maximum benefits as the objective function, the water supply capacity, water demand capacity of water consumption system and variable non-negative as the constraints. Applied the real coding based accelerating genetic algorithm to solve the model, obtained the water resources optimal allocation results of each water consumption department in 2010, 2015 and 2020.
(6) The water shortage degree analysis of the optimal allocation results showed that, the volume of water shortage in Jiansanjiang branch bureau decreased each year, the water resources condition improving gradually. The water resources carrying capacity evaluation showed that, the ability of each farm has dramatically increased. Thus determined the optimal allocation model and solution method are effective and feasible, and the optimal allocation results are reasonable.
引文
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