黑河流域的水资源
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黑河流域的水资源 优化配置
李璐 2015年6月10日
目录
黑河流域简介 水资源概况 优化配臵思路
配臵优化模型
评价体系
黑河流域简介（地理）
黑河是我国西北地区第二大内陆河， 发源自青海省祁连冰川，流域东与石 羊河流域相邻，西与疏勒河流域相接， 北至内蒙古自治区额济纳旗境内的居 延海，与蒙古人民共和国接壤，流域 范围介于东经98°～102°,北纬 37°50′～42°40′之间，滋润着两大 绿洲：中游的甘肃省张掖市和下游的 内蒙古阿拉善盟额济纳旗。 共有35条小支流，由于用水的不断增 加，部分之流与干流失去水力联系。 形成东 、西、中三个独立水系。一般 所谓的黑河干流流域指的是东部子水 系。 东部子水系从青海祁连山发源到尾闾 居延海，全长821km。涉及青海、甘肃、 内蒙古三省（自治区），国土总面积 14.29万km，其中甘肃省6.18万km， 青海省1.04万km，内蒙古约7.07万km。
开发利用中的问题
(l)水资源严重短缺,供需矛盾突出
年内分配不均,来水需水过程很不协调,干流缺乏骨干调蓄工程,客观 上加剧了水资源供需矛盾。自1993年至2005年,甘肃的张掖!临泽!高台三县(市) 共发生水事纠纷巧2起,发生各类水事案件123起,其中多起是因抢水而破坏水利 工程的恶性案件1761
水资源概况
降雨 冰川 地表水 地下水 全流域干旱少雨，时空 分布不均，年平均降雨 量108mm 祁连山河源冰川428条， 覆盖面积110.3km2。储 量27.55亿m3 根据水文资料情将产流区划分成 有水测站观测资料的河流，无观 测资料河流，浅山区和走廊平原 区四种类型区
山丘区多年平均地下水资源量为9.36亿m3,平 原区多年平均地下水资源量为 2032亿m3地下 水资源的可开采量为6.72亿m3
优化配置思路
其规划的重点是系统全面地考虑较长时期的发展需要,调整产业结构和用水 结构,进一步协调生活，生产和生态环境用水,其用水性质以农业灌溉用水为 主;下游地区以合理输水方式为重点,合理配置水资源，提高水资源的利用效 率,遏制和恢复下游地区生态环境系统退化的趋势,其用水性质以生态用水为 主.由于中下游河段的用水性质差异较大,研究的重点各有侧重,水资源配置区 别不同河段进行研究.结合黑河流域用水需求及上游山区骨干工程建设的可 能性,考虑上游山区水库的不同开发任务，分水方案的约束条件,并参考水利 部5黑河流域近期治理规划6,另外方案的设置还将考虑水资源配置对象!配置 目标，工程措施，产业结构调整等不同方面,在此基础上进行黑河流域水资 源合理配置供需平衡分析。
(2)经济生活用水挤占了生态用水
甘肃省提出/兴西济中0发展战略,并向中游地区移民灌溉面积发展很快. 随着人 口的增长和灌溉面积的增加,全流域生产生活用水量已由解放初期的约15亿m3 增长到目前的26.2亿m, 生态用水被挤占导致尾间湖泊消失,地下水位下降,生态 系统退化.
(3)用水结构不合理,水资源有效利用效率低
中游地区引水口门，平原水库过多,渠系完好率低，工程配套差,工业用水重复 利用率低,城镇生活用水长期存在低价和包费制现象,导致水资源利用效率低下; 供水结构不合理,地表供水份额过高,地下水开采利用程度较低,机电井成井规模 小!配套不全,潜水无效蒸发损失很大
(4)水污染潜在威胁大,水源地生态系统状况堪忧
参考文献
[1] 郑重, 马富裕, 李江全, et al. 基于 BP 神经网络的农田蒸散 量预报模型 [J]. 水利学报, 2008, 39(2): 230-4. [2] 马明国, 刘强, 阎广建, et al. 黑河流域遥感-地面观测同步 试验: 森林水文和中游干旱区水文试验 [J]. 地球科学进展, 2009, 24(7): 681-96. [3] 周胜明. 黑河流域水资源可持续利用研究 [D]; 河海大学, 2006. [4] 袁伟. 面向可持续发展的黑河流域水资源合理配置及其评价研 究 [D]; 浙江大学, 2009.
The end ! ~谢谢~
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免疫进化算法一般表述
初始种群生成 生成子代时只采 用最优个体进行 子代寻找
适应度计算
子代生成
最优个体选择 满足终止条件
不满 足终 止条 件
求解流程图与结果
黑河流域水资源合理配置综合评价
原则：社会合理性，经济合理性，生态环境合理性，资源合理性， 效率合理性，发展协调性 社会合理性指标:包括人口自然增长率,预期寿命,城镇化率等24项 指标. 经济合理性指标:包括人均GDP,人均粮食产量,单方供水成本等15 项指标. 生态合理性指标:包括地下水埋深,湖泊萎缩率,断流河长比等23项 指标. 资源合理性指标:包括可用水资源量,水资源开发利用率等20项指 标. 效率合理性指标:包括地表水控制率,单方水GDP产出等8项指标. 发展协调性指标:采用协调系数表示,协调系数可综合反映可持续 发展系统中前五类准则的系统离差程度.
黑河流域水资源合理配置综合评价
评价指标筛选方法---主成分分析法 指标权重确定方法---熵权法和德尔菲法 综合评价方法---层次分析法，综合指数法，灰色关联 度分析，物元分析法，投影寻踪决策法（采用）， 墓于模糊隶属度的DEA/AHP的三阶段综合评价方法 （采用）
配置思路：上游水库+中游供水+分水方案约束.主要用于模拟加15 年有上游水库(承担向中下游供水任务)，中游下泄水量受分水方案 约束情况下,流域水资源配置情况.
水 资 源 总 量
水资源概况
黑河流域作为典型的西北干旱区,水资源的基本特点为: 干旱少雨，生态脆弱,没有灌溉就没有农业,没有工程供 水系统就谈不上发展; 水土矛盾突出，地区分布不均衡；水热同步，内陆河 受冰川补给比例较大,年际径流量变化不大;¼ 径流年内 分布不均匀，调节代价高,春季缺水严重,大面积 干旱问题迫切需要加大对出山口径流的调节能力;½ 生 态需水刚性大，水资源可利用量相对较少,生态需水一 般占水资源总量的1/3以上;¾ 地表水地下水转化频繁， 下游对中上游的水资源开发利用方式极为敏感
水资源优化配置模型建模方法
系统动力学方法， 大系统分解协调理论（本文采用） 宏观经济分析法(投入产出分析法) 多目标规划与决策技术
合理配置优化模型
多目标、多水源、多用户的优化模型
流程图 配臵目标 目标函数 约束条件
水量供需平衡约束（总水量，单元水量，河道节点，水库水量，） 蓄水库容约束（） 提引水量约束 地下水使用量约束 最小供水保证率约束 正义峡多年平均下泄量约束 三生用水约束（生活 生产 生态） 非负约束（边界条件，起调库容，传递条件）
黑河流域出山口地表径流总量为25.1131亿m3,.其中干流出山口莺落峡站多年平均 径流量为16.19亿m3,梨园堡站多年平均径流量为2.32亿m3,其它沿山支流多年平均 径流量为6.60亿m3. 黑河流域地下水资源量为21.76亿m3,黑河流域地下水主要由河川径流转化补给,地 下水与河川径流不重复量仅为3.33亿m3,其中山前侧向补给量为2.647亿m3(含巴丹 吉林 沙漠侧向补给量),降雨入渗补给量为0.68亿m3.扣除地表水和地下水重复计算量, 黑河流域水资源总量为28.44亿m3
张掖现状工业废水排放量约1385万t,达标排放率仅1.53%,且污染物含量 较高.另外张掖每年化肥施入量约30万t,通过各种途径进入干流,出山口 干流水质为I类,中下游降为2-3类
优化配置原则
自然属性原则 生态属性原则 环境属性原则 经济属性原则 社会属性原则
水源配置 空间配置 时间配置 管理配置 用水配置
合 理 评 价 流 程 图
合理配置方案
规 划 水 平 年 的 合 理 配 置
结论与讨论
(l)现状水平年(2005年)水资源合理配置成果分现状水平年(2005年),黑河流域水资源总 量为28.16亿m,,其中地表水资源量为24.84亿m3 。资源量2.65亿m3,降雨量0.69亿m3. 现状黑河流域总需水量为32.65亿m3(不含天然生态需水量,下同),其中生活量0.52亿时, 工业需水量0.94亿m3,农业需水量27.09亿m3,人工生态需水量4.10亿m3。不控制正义 峡断面下泄量情况,采用二元结构水资源合理配置优化模型进行现状水平年中游水资源 合理配置计算(见表5一1),得出:流域多年平均总供水量为27.40亿m3,其中地表水供水量 22.97亿m3,地下水供水量4.43亿m3,多年平均总缺水量为5.25亿m3,缺水率为19.2%.中 游地区多年平均总供水量为24.18亿m3,其中地表水供水量21.09亿m3,地下水供水量 3.09亿m3,缺水量为4.93亿m。缺水分布为:中游农田和人工生态缺水4.93亿m3,鼎新灌 区农田和人工生态缺水0.31亿m3.正义峡下泄水量为7.43亿m3,比9.50亿m3分水指标少 2.07亿m3;进入额济纳旗的地表径流量为3.89亿m3. (2)规划水平年(20巧年)水资源合理配置成果分析 规划水平年(20巧年),黑河流域水资源总量为28.16亿m3,其中地表水资源量为24.54亿 m3,山前侧向量为2.65亿m3,降雨入渗量为0.69亿m3.流域总需水量为22.75亿m3,其中生 活需水量为0.76亿m3,工业需水量为1.52亿m3,农田灌溉需水量为1431亿m3,人工生态 需水量为6.16亿m3。
结论与探讨
确定了本研究采用的水资源配臵方法,原则和模式.其次,根据黑河
流域中下游河段的用水性质差异较大,研究的重点各有侧重,水资源 配臵应区别不同河段进行研究的特点,分别拟定了5种不同的水资 源 配臵方案,并采用大系统理论建立了水资源合理配臵的多目标规划 优化模型.由于该模型是一个十分复杂的多目标多水源多用户的配 臵模型,而免疫进化算法作为一种全新的进化算法,大量的实验及应 用表明,该方法具有收效速度快,操作简单等优点,因此引入该方法 对模型进行求解.并按照求解结果,对黑河流域现状水平年和规划水 平年的不同配臵方案的配臵成果进行了计算分析。
合理配置优化模型的求解
目前的智能优化算法包括禁忌搜索法 模拟退火法 人工神经网络算法 遗传算法 免疫进化算法（采用该种算法，MATLAB编程）
免疫算法（IEA）的原理
人工免疫优化算法是基于现有进化算法理论,受生物免疫机制启 发,基于免疫系统原理发展而来的一种新的优化方法.最早由美 国新墨西哥大学的s.Forest等提出了免疫系统的建模方法和思 免疫进化算法的核心在于充分利用最优个体的信息,以最优个体 的进化来代替群体的进化,通过标准差的调整把局部搜索和全局 搜索在进化过程中有机地结合起来.该算法的实现手段着重体现 在最优个体的保留，生殖以及标准差的动态调整上,和现有其他 进化算法相比,它具有搜索效率高和不易陷入局部最优解等特点.
李璐 2015年6月10日
目录
黑河流域简介 水资源概况 优化配臵思路
配臵优化模型
评价体系
黑河流域简介（地理）
黑河是我国西北地区第二大内陆河， 发源自青海省祁连冰川，流域东与石 羊河流域相邻，西与疏勒河流域相接， 北至内蒙古自治区额济纳旗境内的居 延海，与蒙古人民共和国接壤，流域 范围介于东经98°～102°,北纬 37°50′～42°40′之间，滋润着两大 绿洲：中游的甘肃省张掖市和下游的 内蒙古阿拉善盟额济纳旗。 共有35条小支流，由于用水的不断增 加，部分之流与干流失去水力联系。 形成东 、西、中三个独立水系。一般 所谓的黑河干流流域指的是东部子水 系。 东部子水系从青海祁连山发源到尾闾 居延海，全长821km。涉及青海、甘肃、 内蒙古三省（自治区），国土总面积 14.29万km，其中甘肃省6.18万km， 青海省1.04万km，内蒙古约7.07万km。
开发利用中的问题
(l)水资源严重短缺,供需矛盾突出
年内分配不均,来水需水过程很不协调,干流缺乏骨干调蓄工程,客观 上加剧了水资源供需矛盾。自1993年至2005年,甘肃的张掖!临泽!高台三县(市) 共发生水事纠纷巧2起,发生各类水事案件123起,其中多起是因抢水而破坏水利 工程的恶性案件1761
水资源概况
降雨 冰川 地表水 地下水 全流域干旱少雨，时空 分布不均，年平均降雨 量108mm 祁连山河源冰川428条， 覆盖面积110.3km2。储 量27.55亿m3 根据水文资料情将产流区划分成 有水测站观测资料的河流，无观 测资料河流，浅山区和走廊平原 区四种类型区
山丘区多年平均地下水资源量为9.36亿m3,平 原区多年平均地下水资源量为 2032亿m3地下 水资源的可开采量为6.72亿m3
优化配置思路
其规划的重点是系统全面地考虑较长时期的发展需要,调整产业结构和用水 结构,进一步协调生活，生产和生态环境用水,其用水性质以农业灌溉用水为 主;下游地区以合理输水方式为重点,合理配置水资源，提高水资源的利用效 率,遏制和恢复下游地区生态环境系统退化的趋势,其用水性质以生态用水为 主.由于中下游河段的用水性质差异较大,研究的重点各有侧重,水资源配置区 别不同河段进行研究.结合黑河流域用水需求及上游山区骨干工程建设的可 能性,考虑上游山区水库的不同开发任务，分水方案的约束条件,并参考水利 部5黑河流域近期治理规划6,另外方案的设置还将考虑水资源配置对象!配置 目标，工程措施，产业结构调整等不同方面,在此基础上进行黑河流域水资 源合理配置供需平衡分析。
(2)经济生活用水挤占了生态用水
甘肃省提出/兴西济中0发展战略,并向中游地区移民灌溉面积发展很快. 随着人 口的增长和灌溉面积的增加,全流域生产生活用水量已由解放初期的约15亿m3 增长到目前的26.2亿m, 生态用水被挤占导致尾间湖泊消失,地下水位下降,生态 系统退化.
(3)用水结构不合理,水资源有效利用效率低
中游地区引水口门，平原水库过多,渠系完好率低，工程配套差,工业用水重复 利用率低,城镇生活用水长期存在低价和包费制现象,导致水资源利用效率低下; 供水结构不合理,地表供水份额过高,地下水开采利用程度较低,机电井成井规模 小!配套不全,潜水无效蒸发损失很大
(4)水污染潜在威胁大,水源地生态系统状况堪忧
参考文献
[1] 郑重, 马富裕, 李江全, et al. 基于 BP 神经网络的农田蒸散 量预报模型 [J]. 水利学报, 2008, 39(2): 230-4. [2] 马明国, 刘强, 阎广建, et al. 黑河流域遥感-地面观测同步 试验: 森林水文和中游干旱区水文试验 [J]. 地球科学进展, 2009, 24(7): 681-96. [3] 周胜明. 黑河流域水资源可持续利用研究 [D]; 河海大学, 2006. [4] 袁伟. 面向可持续发展的黑河流域水资源合理配置及其评价研 究 [D]; 浙江大学, 2009.
The end ! ~谢谢~
wk.baidu.com
免疫进化算法一般表述
初始种群生成 生成子代时只采 用最优个体进行 子代寻找
适应度计算
子代生成
最优个体选择 满足终止条件
不满 足终 止条 件
求解流程图与结果
黑河流域水资源合理配置综合评价
原则：社会合理性，经济合理性，生态环境合理性，资源合理性， 效率合理性，发展协调性 社会合理性指标:包括人口自然增长率,预期寿命,城镇化率等24项 指标. 经济合理性指标:包括人均GDP,人均粮食产量,单方供水成本等15 项指标. 生态合理性指标:包括地下水埋深,湖泊萎缩率,断流河长比等23项 指标. 资源合理性指标:包括可用水资源量,水资源开发利用率等20项指 标. 效率合理性指标:包括地表水控制率,单方水GDP产出等8项指标. 发展协调性指标:采用协调系数表示,协调系数可综合反映可持续 发展系统中前五类准则的系统离差程度.
黑河流域水资源合理配置综合评价
评价指标筛选方法---主成分分析法 指标权重确定方法---熵权法和德尔菲法 综合评价方法---层次分析法，综合指数法，灰色关联 度分析，物元分析法，投影寻踪决策法（采用）， 墓于模糊隶属度的DEA/AHP的三阶段综合评价方法 （采用）
配置思路：上游水库+中游供水+分水方案约束.主要用于模拟加15 年有上游水库(承担向中下游供水任务)，中游下泄水量受分水方案 约束情况下,流域水资源配置情况.
水 资 源 总 量
水资源概况
黑河流域作为典型的西北干旱区,水资源的基本特点为: 干旱少雨，生态脆弱,没有灌溉就没有农业,没有工程供 水系统就谈不上发展; 水土矛盾突出，地区分布不均衡；水热同步，内陆河 受冰川补给比例较大,年际径流量变化不大;¼ 径流年内 分布不均匀，调节代价高,春季缺水严重,大面积 干旱问题迫切需要加大对出山口径流的调节能力;½ 生 态需水刚性大，水资源可利用量相对较少,生态需水一 般占水资源总量的1/3以上;¾ 地表水地下水转化频繁， 下游对中上游的水资源开发利用方式极为敏感
水资源优化配置模型建模方法
系统动力学方法， 大系统分解协调理论（本文采用） 宏观经济分析法(投入产出分析法) 多目标规划与决策技术
合理配置优化模型
多目标、多水源、多用户的优化模型
流程图 配臵目标 目标函数 约束条件
水量供需平衡约束（总水量，单元水量，河道节点，水库水量，） 蓄水库容约束（） 提引水量约束 地下水使用量约束 最小供水保证率约束 正义峡多年平均下泄量约束 三生用水约束（生活 生产 生态） 非负约束（边界条件，起调库容，传递条件）
黑河流域出山口地表径流总量为25.1131亿m3,.其中干流出山口莺落峡站多年平均 径流量为16.19亿m3,梨园堡站多年平均径流量为2.32亿m3,其它沿山支流多年平均 径流量为6.60亿m3. 黑河流域地下水资源量为21.76亿m3,黑河流域地下水主要由河川径流转化补给,地 下水与河川径流不重复量仅为3.33亿m3,其中山前侧向补给量为2.647亿m3(含巴丹 吉林 沙漠侧向补给量),降雨入渗补给量为0.68亿m3.扣除地表水和地下水重复计算量, 黑河流域水资源总量为28.44亿m3
张掖现状工业废水排放量约1385万t,达标排放率仅1.53%,且污染物含量 较高.另外张掖每年化肥施入量约30万t,通过各种途径进入干流,出山口 干流水质为I类,中下游降为2-3类
优化配置原则
自然属性原则 生态属性原则 环境属性原则 经济属性原则 社会属性原则
水源配置 空间配置 时间配置 管理配置 用水配置
合 理 评 价 流 程 图
合理配置方案
规 划 水 平 年 的 合 理 配 置
结论与讨论
(l)现状水平年(2005年)水资源合理配置成果分现状水平年(2005年),黑河流域水资源总 量为28.16亿m,,其中地表水资源量为24.84亿m3 。资源量2.65亿m3,降雨量0.69亿m3. 现状黑河流域总需水量为32.65亿m3(不含天然生态需水量,下同),其中生活量0.52亿时, 工业需水量0.94亿m3,农业需水量27.09亿m3,人工生态需水量4.10亿m3。不控制正义 峡断面下泄量情况,采用二元结构水资源合理配置优化模型进行现状水平年中游水资源 合理配置计算(见表5一1),得出:流域多年平均总供水量为27.40亿m3,其中地表水供水量 22.97亿m3,地下水供水量4.43亿m3,多年平均总缺水量为5.25亿m3,缺水率为19.2%.中 游地区多年平均总供水量为24.18亿m3,其中地表水供水量21.09亿m3,地下水供水量 3.09亿m3,缺水量为4.93亿m。缺水分布为:中游农田和人工生态缺水4.93亿m3,鼎新灌 区农田和人工生态缺水0.31亿m3.正义峡下泄水量为7.43亿m3,比9.50亿m3分水指标少 2.07亿m3;进入额济纳旗的地表径流量为3.89亿m3. (2)规划水平年(20巧年)水资源合理配置成果分析 规划水平年(20巧年),黑河流域水资源总量为28.16亿m3,其中地表水资源量为24.54亿 m3,山前侧向量为2.65亿m3,降雨入渗量为0.69亿m3.流域总需水量为22.75亿m3,其中生 活需水量为0.76亿m3,工业需水量为1.52亿m3,农田灌溉需水量为1431亿m3,人工生态 需水量为6.16亿m3。
结论与探讨
确定了本研究采用的水资源配臵方法,原则和模式.其次,根据黑河
流域中下游河段的用水性质差异较大,研究的重点各有侧重,水资源 配臵应区别不同河段进行研究的特点,分别拟定了5种不同的水资 源 配臵方案,并采用大系统理论建立了水资源合理配臵的多目标规划 优化模型.由于该模型是一个十分复杂的多目标多水源多用户的配 臵模型,而免疫进化算法作为一种全新的进化算法,大量的实验及应 用表明,该方法具有收效速度快,操作简单等优点,因此引入该方法 对模型进行求解.并按照求解结果,对黑河流域现状水平年和规划水 平年的不同配臵方案的配臵成果进行了计算分析。
合理配置优化模型的求解
目前的智能优化算法包括禁忌搜索法 模拟退火法 人工神经网络算法 遗传算法 免疫进化算法（采用该种算法，MATLAB编程）
免疫算法（IEA）的原理
人工免疫优化算法是基于现有进化算法理论,受生物免疫机制启 发,基于免疫系统原理发展而来的一种新的优化方法.最早由美 国新墨西哥大学的s.Forest等提出了免疫系统的建模方法和思 免疫进化算法的核心在于充分利用最优个体的信息,以最优个体 的进化来代替群体的进化,通过标准差的调整把局部搜索和全局 搜索在进化过程中有机地结合起来.该算法的实现手段着重体现 在最优个体的保留，生殖以及标准差的动态调整上,和现有其他 进化算法相比,它具有搜索效率高和不易陷入局部最优解等特点.