宁夏水资源优化配置决策支持系统研究

【摘要】水资源短缺已成为制约宁夏经济发展的主要瓶颈之一。2011年中央一号文件明确提出,实行最严格的水资源管理制度,建立用水总量控制、用水效率控制和水功能区限制纳污“三项制度”,相应地划定用水总量、用水效率和水功能区限制纳污“三条红线”。那么如何在“三条红线”水资源管理制度的约束下,在既保持人与水的自然和谐关系,又兼顾水资源贫富区域的社会公平与经济效益的条件下,解决水资源在地区间、部门间和各用水目标间的优化分配问题是水资源和节水灌溉领域的热点和难点问题。本文针对气候变化和人类活动条件下宁夏水资源如何优化配置的实际问题,研究了气候变化条件下宁夏ETo的时空分布、影响ETo的主要气候因子以及ETo预测方法；分析了近53年来(1960-2012)宁夏气候变化的主要特征,未来变化趋势以及未来气候变化对农业用水的影响；建立了多目标水资源优化配置模型,并运用新型多目标优化模型求解框架对其进行求解；研制了融合3S技术,气候分析模型的,交互型,集成化的水资源优化配置决策支持系统,为宁夏水资源持续利用和合理开发提供辅助决策,提出水资源优化配置方案,为实现有限水资源量在宁夏各行政区、各用水部门间的优化配置提供决策依据。主要研究成果有：1、宁夏ETo空间分布整体态势是由南向北逐渐增加,以中部干旱带为最大,南部山区最小。宁夏地区的年内ET0分配差异较大,最大值出现在6月份,为151.8mm/月；最小值则出现在12月份,为26.7mm/月。宁夏全区及各分区(北部引黄灌区、中部干旱带、南部山区)的ETo年际变化有明显增大趋势；全区尺度上的ETo增速达到10.7mm/10a,全区多年ET0均值在1020mm。影响宁夏地区ET0的主要气象要素是平均温度,宁夏地区在近53年气温有显著上升,这是导致ET0增加的主要原因。率定了宁夏地区应用Hargreaves公式的经验系数,为只有最高、最低温度,其它气象数据缺测的情况下计算宁夏ETo提供依据和方法；探索了运用数据挖掘算法KNN预测ET0的新途径。2、在全球气候变化的影响下,近53年来宁夏气温明显上升,气候有暖干化趋势,1960-2012年间平均气温增速为0.32℃/10a。利用Mann-Knedall突变检验方法,发现宁夏地区气温存在突变,在1990年前后进入相对偏暖的气候；水面蒸发量也存在突变现象,各分区的突变时间并不一致,北部引黄灌区在上世纪70年代末期,中部干旱带在上世纪80年代初期,南部山区在上世纪80年代末期；突变时间点后蒸发减少。本文发现宁夏地区存在“蒸发悖论”现象,并揭示了气温日较差的显著下降是产生这一现象的主要原因。运用小波分析法,研究了近53年宁夏气候变化周期,结果表明：宁夏地区降水、水面蒸发量和平均气温都存在28a的主周期。在上述研究的基础上,设置不同气候变化情景,研究了在现状灌溉面积,种植结构不变情况下,气候变化对作物灌溉需水量的影响；结果表明：气候变暖导致宁夏农业灌溉水量增加,这将加剧宁夏区域用水矛盾。3、分析了现状年(2009)的宁夏地区各行业的用水效率；预测了宁夏区域不同频率(50%、75%、90%)不同规划水平年(近期2020年,远期2030年)的可供水量和各用水部门的需水量,并分析了未来宁夏供需水的关系和形势；建立了宁夏水资源多目标优化配置模型,运用多种多目标优化算法(ε-NSGA-Ⅱ,ε-MOEA,GDE3,MOEA/D,NSGA-Ⅱ)对模型进行求解,最后对各求解算法的性能和水资源优化配置结果做了全面分析。总体来看,宁夏地区未来用水形势不容乐观,需要加强节水型社会建设,加强水资源统一管理,缓解宁夏区域水资源供需矛盾。4、分析了在新时期新形势下传统水资源优化配置决策支持系统存在的不足,提出了基于3S.W的水资源优化配置决策支持系统,该系统在传统决策支持系统四库的基础上耦合3S(GIS、RS、GPS)和气候(Weather)分析模型及技术,突出地区长系列气象数据的存储以及对气象数据的分析能力,强调综合运用3S技术处理数据的能力。详细描述了该系统的架构及其内部气候子系统,3S子系统的组成、集成模式、模型方法等内容；建立了混合编程框架,解决了异构组件集成技术,定义了多语言混合编程接口,制定了数据封装传递协议,最后开发了宁夏水资源优化配置决策支持系统。
【作者】冯克鹏；
【导师】田军仓；
【作者基本信息】宁夏大学，水利水电工程，2014，博士
【关键词】ET0时空分布；气候变化；蒸发悖论；水资源优化配置；决策支持系统；

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