（农业工程专业论文）阳谷县水资源优化配置研究.pdf

摘要 人口的增长和经济社会的快速发展使阳谷县水资源状况发生丁重大变化。水资源短缺的矛盾 己充分暴露出来，缺水范围扩大，水资源供需矛盾程度加剧，已经成为严重阻碍该县经济发展的 主要问题，直接影响到经济社会的可持续发展。为此，该文在广泛阅读国内外有关水资源预测和 水资源优化配置的文献、大量分析总结水资源优化配置方法的基础上，以水资源较为短缺的阳谷 县为例，对水资源分配中存在的主要问题进行分析，开展了水资源优化配置的研究。 本文对阳谷县的可利用水资源进行了评价，对水资源高效利用中存在的问题及成因进行了深 入分析，结合阳谷县“十一五”发展目标，运用多目标规划方法，从用水的效率和效益两个方面对 农业水资源高效利用进行了深入探讨。针对阳谷县当前农业灌溉用水结构中存在的不合理性及其 对水资源高效利用所产生的负面效应，进行了高效用水结构的优化模拟，探讨了用水结构变化对 水资源高效利用的影响。该文以水资源高效利用的整体综合研究为主线。既考虑水量的限制，又 考虑经济效益、环境影响以及管理与政策等诸多因素与水资源高效利用的关系在水资源高效利 用研究中开创了一条多水源配置与用水结构调整相结合的新技术路线。 关键词：阳谷县，水资源，优化配置，高效利用 a b s t r a c t g r e a tc h a i 培e so nw a t e rr e s o u r c e sh a v et a k e np l a c ei ny a n g g uc o u n t yd u et ot h eg r o w t ho fi t s p o p u l a t i o na n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ys o c i e t y t h ef u l l y - e x p o s e dc o n f l i c to fw a t e rr e s o o r e e s h o r t a g e e x i e n d i n ga r e a ss h o r to fw a t e ra n dt h ei n t e n s i t yo ft h ep r o b l e mh a v eb e c o m et h em a j o r p r o b l e m sh i n d e r i n gt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n to ft h ec o u n t y , w h i c hh a sd i r e c t l yi m p a c t e d t h e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ys o c i e t y i nt h i st h e s i s o nt h eb a s i so ft h eh t c r a t u m so i lw a t e r r e s o u r c ep r e d i c t i o na n di t sm o s to p t i m u md i s t r i b u t i o na n db ya n d y z i n gm o s to p t i m u md i s t r i b u t i o no f w a t e rr e s o u r c e 。t h ep r o b l e m se x i s f i n gi nw a t e rr e s o u r c ed i s t r i b u t i o nh a v eb e e na n a l y z e d ，a n dr e s e a r c ho n m o s to p t i m u md i s t r i b u t i o no fw a t e rr e s o u r c eh a sb e e nc o n d u c t e d i nt h et h e s i s ，a p p l i c a b l ew a t e rr e s o u r c e so fy a n g g uc o u n t yh a v eb e e ne v a l u a t e d ，a n dp r o b l e m s e x i s t i n gi ne f f i c i e n tu t i l i z a t i o no fw a t e rf e s o m e $ a n dt h ec a u , 目g sh a v eb e e nd e e p l ya n m y d b y c o m b i n i n gt h ee l e v e n t hf i v e - y e a rd e v e l o p m e n to b j e c t i v ea n du s i n gm u l t i - p u r p o s ep l a r m i n gm e t h o d s ，t h e e f f i c i e n tu t i l i z a t i o no fa g r i c u l t u r ew a t e rr e s o u r c e sh a sb e e na n a l y z e df r o mt h er e s p e c t so fe f f i c i e n c ya n d p r o f i t s i nr e s p o n s et ot h ei r r a t i o n a l i t yi na g r i c u l t u r a li r r 逗a t i o nw a t e rc o m p o s i t i o ni ny a n g g uc o u u t y a n dt h en e g a t i v ee f f e c t sa r i s i n gf r o mt h ee f f i c i e n tu t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s ，t h ee f f e c t so fw a m r u t i l i z a t i o nc o m p o s i t i o nc h a n g e so ne f f i c i e n tu t i l i z a t i o no fw a f c rg e s o n r sh a v eb e e nd i s c u s s e d t a k i n g i n t e g r a t e dr e s e a r c ho ne f f i c i e n tu t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e sa st h em a i nc o u r s e ，a n da l l o w i n gf o rw a t e r r e s t r i c t i o n s ，e c o n o m i cb e n e f i t s ，e n v i r o n m e n t a le f f e c t sa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne f f i c i e n tu t i l i z a t i o n o fw a t e rr e s o u r c e sa n dv a r i o u se f f e c t ss u c ha sm a n a g e m e n ta n dp o l i c i e s ，t h i sp a p e rh a sc r e a t e dan e w t e c h n o l o g yr o a di n t e g r a t e dw a t e rc o m p o s i t i o na d j u s t m e n ta n dm u l t i - w a t e r - r e s o u r c ed i s t r i b u t i o ni nt h e r e s e a t c bo ne f f i c i e n tu t i l i z a l i o no f w a t e rr e s o u r c e s k e yw o r d s ：y a n g g uc o u n t y , w a t e rr e s o u r c e s ，o p t i m u ma l l o c a t i o n ，e f f i c i e n tu t i l i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生弛胗l 高 时间：卯多年步月加e t 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名：劳杂 时间：阳歹年尹月即日 导师签名 时间：力砌厂年思r 日 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 曼鼍量蔓曼皇寰曼鼍皇曼曼量邕i l 鼍量皇皇曼蔓皇曼璺暑e 曼量窟量置曩蔓曼舅舅量詈皇量蔓鼍置皇鲁寡卑一 第一章绪论 1 1 本课题研究背景和目的意义 水是人类赖以生存和发展的重要资源，也是生态环境的控制性要素。水资源可持续开发关系 全球发展，淡水短缺已经成为2 l 世纪人类继全球变暖之后的第二大问题。由于我国水资源存在时 空分布不合理、供需矛盾突出、开发利用率高、利用效率低、浪费严重等问题，水资源短缺在很 多地区已经成为严重阻碍经济社会发展的瓶颈，直接影响我国经济社会的可持续发展。水资源合 理配置是人类可持续开发和利用水资源的有效调控措施之一，正确估算区域水资源需求、分析区 域水资源的供需关系、综合评价水资源合理配置方案、合理配置区域水资源，进而相应地制定与 水资源相协调的区域发展战略，并由此进行区域发展总体规划，越发显得重要。因此，进行区域 水瓷源合理配置研究具有十分重要的理论意义和实际应用价值。 水资源是指可利用或有可能被利用的水源，这种水源具有足够的数量和可用的质量，且必须 具备可以更新补充、可供永续利用的特点。我国是一个水资源短缺、水旱灾害频繁的国家，如果 按水资源总量考虑，水资源总量居世界第六位；若按入均水资源量计算，入均占有量只有2 5 0 0m ， 约为世界人均水量的1 4 ，在世界排第1 1 0 位，已经被联合国列为1 3 个贫水国家之。预计到本 世纪3 0 年代，将逼近国际上公认的人均1 7 0 0 m s 的严重缺水警戒线l 另外，我国水资源利用率很 低。约为3 5 。而发达国家为7 5 以上，差距很大。农业用水占总用水量的7 0 ，其中9 0 以上 用于灌溉。据统计我国每年农田灌溉用水量约4 0 0 0 亿矗，但因灌排工程设施不配套、技术落 后、水土管理措施粗放等，其利用率仅4 0 左右。阳谷县位于山东省西部，农业生产以种植业为 主，属典型的引黄灌溉区。但由于黄河水变得“可用而不可靠”，水资源短缺和调配不合理已成 为阳谷县社会经济发展的制约因素即j 。 水资源是支持人类社会持续发展的重要基础资源，是自然、经济、政治稳定的重要因素，但 在一定区域、一定时期，水资源量是有限的。随着地区经济发展和人口增长对水的需求目益增加 以及区域水资源开发利用程度的日益提高。水资源供需矛盾正在加剧，这已经成为制约区域经济 发展的主要因素之一【3j 。过量利用水资源或不当开发水资源又导致了环境危机的不断加剧，在这 种严峻的形势下，以实现可持续发展为目标，加强水资源管理相关内容的研究，协助决策部门有 效地完成水资源持续利用的管理任务。具有普遍的理论意义。永资源配置如何，关系到水资源开 发利用的效益、公平原则和资源环境可持续利用能力的强弱。只有对可利用的水资源进行合理配 置使用，防止不合理用水，才能使单位可用水量产生的总体效益最大，因此水资源合理配置问题 引起了人们广泛的关注。如何结合水资源的时空分布特点调整工农业布局、加强对有限的区域水 资源科学管理已成为迫切需要解决的问题1 4 j 。 1 1 1 水资源合理配置概念和作用 自然资源利用的合理配置是人与自然物质交换的重要环节，也是人类干预和改造自然的过 程。自然资源合理配置方式就是自然资源合理利用的具体体现。作为自然资源的水资源其开发、 利用、保护、防治的活动过程正是资源组合和再配置的过程，也是水资源能否持续利用下去的重 中国农业大学硕士学位论文第+ 章绪论 寡皇蔓皇鼍皇皇量曹辜鼍曼奠薯鼍ii 皇目量置詈舅皇e 量曼量曼置量曼曩舅置鼍量量| 量皇矗皇葛量宣墨量! 要问题之一，水资源合理配置方式是水资源持续利用的具体体现。全国水资源综合规划技术大 纲对水资源合理配置的定义：水资源配置是指在流域或特定豹区域范围内，遵循商效、公平和可 持续的原则，通过各种工程与非工程措施，考虑市场经济的规律和资源配置准则，通过合理抑制 需求、有效增加供水、积极保护生态环境等手段和措施，对多种可利用的水源在区域间和各用水 部门间进行的调配。水资源合理配置的基本功能包含两个方面：在需求方面通过调整产业结构、建 设节水型经济，适应较为不利的水资源条件；在供给方面协调各项竞争性用水，并通过工程措施改 变水资源的天然时空分布来适应生产力布局。 水资源合理配置是指依据可持续发展的需要，通过工程与非工程措施，调节水资源的天然时 空分布，开源与节流并重，开发利用与保护治理并重，兼顾当前利益与长远利益，利用系统方法、 决簸理论与计算机技术，统一地调配当地地表水、地下水、回用水、外调水及微咸水等：注重兴 利与除害的结合，协调好各部门间的利益矛盾，尽可能地提高区域整体的用水效率，促进水资源 的可持续利用和区域的可持续发展晦“。 从宏观上讲，水资源合理配置是在水资源开发利用过程中，对洪涝灾害、干旱缺水、水环境 恶化、水土流失等问题的解决实行统筹规划、综合治理实现除害兴利结合，防洪抗旱并举，开 源节流并重；协调上下游、左右岸、干支流、城市与乡村、流域与区域、开发与保护、建设与管 理、近期与远期等各方面的关系。 从微观上讲，水资源合理配置包括取水方面的合理配置、用水方面的合理配置，以及取水用 水综合系统的水资源合理配置。取水方面是指地表水、地下水、污水等多水源间的合理配置。用 水方面是指生态用水、生活用水和生产用水间的合理配置。各种水源、水源点和各地各类用水户 形成了庞大复杂的取用水系统，加上时间、空间的变化，水资源合理配置作用就更加明显凡 1 1 2 研究水资源合理配置的必要性 ( 1 ) 水资源合理配置是我国水资源可持续利用的核心 水资源短缺和洪涝灾害要求水量在时间和空间上合理调配，水环境污染要求水量水质之间的 协调统一。水资源合理配置研究可为水量和水质在时问和空间上的合理调配和使用提供科学依据 和对策、措施。因此，水资源合理配置研究在解决我国水资源问题，实现水资源的可持续利用等 方面均占有重要的地位对促进经济社会的可持续发展具有重要理论和实际意义【8 】。 ( 2 ) 符合新水法关于水资源配置的有关规定 根据新水法关于水资源配置的有关规定t ”，通过水资源合理配置，要满足以下要求：一是优 先满足城乡人民生活用水要求，为城市居民提供安全、清洁的饮用水，改善公共设施和生活环境， 逐步提高生活质量。二是基本保障经济发展和社会安全对防洪的要求，基本保障人民生命和财产 的防洪安全。三是基本满足粮食生产对水的要求，改善农业生产条件，为我国粮食安全提供水利 保障。四是基本满足国民经济建设用水要求，保障经济快速、持续、健康发展。五是努力改善生 态环境用水要求，逐步增加生态环境用水，不断改善自然生态和美化生活环境，努力建设人与自 然和谐与协调的优美环境。 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 是制定相对最佳的农业发展目标以及合理发展规划的前提 区域农业水资源高效利用，实际上是如何利用有限的水量，达到最好的综合效益，即达到保 护资源再生。满足经济发展需求和生态环境良好稳定的目的【。而在实际操作时，几个目标往往 是相互矛盾的，顾此失彼。如当考虑粮食安全时，由于价格因素，在有限的水土资源条件下，追 求粮食产量往往与所追求的产值耳标相冲突，在这种情况下，如何兼顾社会、经济、环境目标， 制定相对最佳的农业发展目标，是制定合理发展规划的前提l l “。 1 1 3 本课题研究的现实意义 为了使阳谷县水资源合理调配，提高水资源利用效率，并为未来阳谷县水利工程建设和管理 规划提供决策依据，本课题将针对阳谷县的具体情况，进行全县水资源合理调度研究工作，实现 水资源的合理配置，使水资源利用与社会、经济、环境协调发展，促进区域可持续发展。这样， 既能为阳谷县的水资源合理调配提供理论支持，又能为同类地区的水资源管理提供借鉴。 1 2 文献综述 纵观国内外水资源合理配置研究进展，水资源合理配置理论和方法研究己取得了长足的进 步，且在经济社会和科学技术的高速发展过程中不断发展和完善，取得了很多有价值的成果。从 研究方法上合理模型由单一的数学规划模型发展为数学规划与模拟技术、向量合理理论等几种 方法的组合模型：对问题的描述由单目标发展为多目标，特别是大系统优化理论、计算机技术和 新的优化算法的应用，使复杂多水源、多用水部门的水资源合理配置问题变得较为简单，求解也 较为方便：从研究对象的空间规模上，由最初的灌区、水库等工程控制单元水量的合理配置研究， 扩展到不同规模的区域、流域和跨流域水量合理配置研究。用模型的方法来管理水资源开始于2 0 世纪的中后期，国外有4 0 多年的历史，而我国仅有不到2 0 年的时间【l “。 1 2 1 国外水资源合理配置研究进展 ( 1 ) 以水量配置为主的水资源合理配置研究 国外对水资源合理配置的研究始于6 0 年代初期，1 9 6 0 年科罗拉多的几所大学对计划需水量 的估算及满足未来需水量的途径进行了研讨，体现了水资源合理配置的思想。 gy e h t ”】( 1 9 8 5 ) 对系统分析方法在水库调度和管理中的研究和应用曾作了全面综述，他把 系统分析在水资源领域的应用分为线性规划、动态规划、非线性规划和模拟技术等。p e a r s o n 等 ( 1 9 8 2 ) 利用多个水库的控制曲线，以产值最大为目标，输水能力和预测的需求值作为约束条件， 用二次规划方法对英国n a w w a 区域的用水量合理分配问题进行了研究。同年，p w h e r b e r t s o n 等， 针对潮汐电站的特点，考虑多部门利益的相互矛盾，利用模拟模型对潮汐海湾的新鲜水量分配进 行了模拟计算，展现了模拟技术的优越性；e r o m i j n m t a m i n g a 考虑了水的多功能性和多种利益 的关系，强调决策者和决策分析者间的合作，建立了g e l d e r l a n d td o e n t h e 的水资源量分配问题的 多层次模型，体现了水资源配置问题的多目标和层次结构的特点。w i l l i s ( 1 9 8 7 ) 应用线性规划 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 方法求解了1 个地表水库与4 个地下水古水单元构成的地表水、地下水运行管理问题，地下水运 动用基本方程的有限差分式表达，目标为供水费用最小或当供水不足情况下缺水损失最小，同时， 用s u m t 法求解了1 个水库与地下水含水层的联合管理问题。 ( 2 ) 考虑永质因素的水资源合理配置研究 9 0 年代以来，由于水污染和水危机的加剧，传统的以供水量和经济效益最大为水资源合理配 置目标的模式己不能满足需要，国外开始在水资源合理配置中注重水质约束、水资源环境效益以 及水资源可持续利用研究。进入8 0 年代后期，随着水资源研究中新技术的不断出现和水资源量 与质统一管理理论研究的不断深入，水资源量与质统一管理方法的研究也有了较大发展。尤其是 决策支持技术、模拟优化的模型技术和资源价值的定量方法等的应用使得水资源量与质管理方法 的研究产生了更大的活力 1 4 1 s j 。a f z a l , j a v a i d 等【1 6 】( 1 9 9 2 ) 针对巴基斯坦的某个地区的灌溉系统建 立了线性规划模型，对不同水质的水量使用问题进行合理。在劣质地下水和有限运河水可供使用 的条件下，模型能得到一定时期内最优的作物耕种面积和地下水开采量等成果，在一定程度上体 现了水质一水量联合优化配置的思想。w a l k i n s ，d a v i dw j ，1 1 ( 1 9 9 5 ) 介绍了一种伴随风险和不确 定性的可持续水资源规划模型框架，建立了有代表性的水资源联合调度模型。此模型是一个二阶 段扩展模型，第一阶段可得到投资决策变量，第二阶段可得到运行决策变量，运用大系统的分解 聚合算法求解最终的非线性混合整数规划模型；r a f l e m i n g 和r m a d a m s ( 1 9 9 5 ) 建立的地下 水水质水量管理模型，建模以经济效益最大为目标，考虑了水质运移的滞后作用，并采用水力梯 度作为约束来控制污染扩散；u p m a n ul 丑l 】等( 1 9 9 5 ) 建立的地表水地下水联合运用系统的多目 标管理模型，模型中将地表水地下水的处理费用纳入管理目标；w o n g ，h u g hs 等”w ( 1 9 9 7 ) 提 出支持地表水、地下水联合运用的多目标多阶段合理管理的原理和方法，在籍水预测中考虑了当 地地表水、地下水、外调水等多种水源的联合运用，并考虑了地下水恶化的防治措施，体现了水 资源利用和水资源保护之间关系。c a r l o sp e r c i a 和g i d e o no m n ( 1 9 9 7 ) 以经济效益最大为目标， 建立了以色列南部e f l a t 地区的污水、地表水、地下水等多种水源的管理模型模型中考虑了不 同用水部门对水质的不同要求。 1 2 2 国内水资源合理配置研究进展 随着经济杜会的快速发展，以及多目标和大系统优化理论的日渐成熟，自8 0 年代中期以来 区域水资源合理配置研究成为水资源学科研究的熟点之一。由于区域水资源系统结构复杂，影响 因素众多，各部门的用水矛盾突出，研究成果多蚍多目标和大系统优化技术为主要研究手段，在 可供水量和需水量确定的条件下，建立区域有限的水资源量在各分区和用水部门间的合理配置模 型。求解模型得到水量合理配置方案【1 9 印j 。贺北方( 1 9 8 8 、1 9 8 9 ) 提出区域水资源合理分配问题， 建立了大系统序列优化模型，采用大系统分解协调技术求解。在河南豫西地区建立了区域可供水 资源年优化分配的大系统逐级优化模型。该成果的特点是考虑了产业结构调整对水资源量配置的 影响。吴泽宁等( 1 9 8 9 ) 以经济区社会经济效果最大为目标，建立了经济区水资源优化分配的大 系统多目标模型及其二阶分锵协调模型，并用层次分析法闻接考虑水资源配置的生态环境效果。 翁文斌等口l j ( 1 9 9 5 ) 将宏观经济、系统方法与区域水资源规划实践相结合，形成了基于宏观经济 4 中国农业太学硕士学位论文 第一章绪论 的水资源合理配置理论，并在这一理论指导下提出了多层次、多目标、群决策方法。实现了水资 源配置与区域经济系统的有机结台也是水资源合理配置研究思路上的一个突破。卢华友等 ( 1 9 9 7 ) 以义乌市水资源系统为对象，建立大系统分解协调模型，提出了递阶模拟择优的方法。 聂相田等( 1 9 9 9 ) 建立了宁陵县三层递阶大系统优化配水模型，将该县水资源量在各子区、各作物 闻进行最优分配。吴险峰等( 1 9 9 7 ) 探讨了北方缺水城市枣庄在水库、地下水、回用水、外 调水等复杂水源下的合理供水模型，从社会、经济、生态综合效益考虑，建立了水资源量合理配 置模型。 中国地质大学许涓铭等( 1 9 8 9 ) 建立的河北省京律以南地区地下水资源管理模型将经济的 投入产出耦合到管理模型中，得出产业结构的合理调整方向和水资源的最优开发，调配方案。谢 新民( 1 9 9 1 ) 发表的“地下水资源系统经济管理模型研究”，利用工程经济学原理和技术，对规划 方案进行工程经济分析，根据影子价格( s h a d o wp r i c e ) ，提出制订供水价格的方法。从数学方 法上看，随着协调对策论( c o o r d i n a t eg a m e t h e o r y ) 的不断发展和应用，将会使水资源管理模 型的研究取得新的进展，从而提高决策方案的利用率。在方案的评价和优选中，将更多地采用决 策分析的方法，并从以前的趋势性、确定性评价方法逐步转向随机性和模糊性的评价方法，希望 摆脱响应矩阵法对线性条件的限制，发展非线性的解法。不过目前地下水与地表水联合管理的耦 台模型中，还是响应矩阵法使用较多。 2 0 0 2 年中国水利水电科学研究院等单位联合完成的“九五”国家重点科技攻关项目“西北地区 水资源合理开发利用与生态环境保护研究”，建立了干旱区生态环境需水爨计算方法，提出了与 区域发展模式及生态环境保护准则相适用的生态环境需水量，在此基础上，提出了针对西北生态 脆弱地区的水资源配置方案。采用了在水资源配置方案设置的基础上，生成水资源配置结果的研 究思路使水资源配置结果更符合区域的实际。 王浩、秦大庸和壬建华等【。1 ( 2 0 0 1 ) 在“黄淮海水资源合理配置研究”中，首次提出水资源“三 次平衡”的配置思想，系统地阐述了基于流域水资源可持续利用的系统配置方法，其核心内容是 在国民经济用水过程和流域水循环转化过程两个层面上分析水量亏缺态势，并在统一的用水竞争 模式下研究流域之间的水资源配置问题，是我国水资源配置理论与方法研究的新进展。王劲峰和 刘昌明等l 矧( 2 0 0 1 ) 针对我国水资源供需平衡在空间上的巨大差异造成了区际调水的需求，提出 了水资源在时间、部门和空间上的三维优化分配理论模型体系，包括含4 类经济目标的目标集、 7 类变量组合的模型集和6 种边际效益类型的边际效益集，由此组成了1 6 8 种优化问题，并提出 一种解析解法。王浩、秦大庸和王建华1 2 4 j ( 2 0 0 2 ) 系统地阐述了在市场经济条件下，水资源总体 规划体系应建立以流域系统为对象、以流域水循环为科学基础、以合理的配置为中心的系统观， 以多层次、多目标、群决策方法作为流域水资源规划的方法论。尹明万和谢新民等( 2 0 0 2 ) 结合 河南省水资源综合规划试点项目，根据国家新的治水方针和“三先三后”的原则，在国内外首次建 立了基于河道内与河道外生态环境需水量的承资源配置动态模拟模型无论从规划思想、理念和 理论上，还是从模型技术、仿真与求解方法上都有所创新和突破，该模型是一个充分反映了水资 源系统的多水平年、多层次、多地区、多用户、多水源、多工程的特性，能够将多种水资源进行 时空调控，实现动态配置和合理调度模拟有机结合的模型系统。为科学地制定各种水源配置方案 提供了强有力的技术支撑。贺北方等p 1 ( 2 0 0 2 ) 研究和提出一种基于遗传算法的区域水资源合理 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 配置模型，利用大系统分解协调技术。将模型分解为二级递阶结构，同时探讨了多目标遗传算法 在区域水资源二级递阶优化模型中的应用。赵建世、王忠静和翁文斌l 刈( 2 0 0 2 ) 在分析了水资源 配置系统的复杂性及其复杂适应机理分析的基础上，应用复杂适应系统理论的基本原理和方法， 构架出了全新的水资源配置系统分析模型。谢新民和岳春芳等p ，j ( 2 0 0 3 ) 针对珠海市水资源开发 利用面临的问题和水资源管理中出现的新情况，采用现代的规划技术手段，包括可持续发展理论、 系统论和模拟技术、优化技术等，根据国家新的治水方针，在国家“九五”重点科技攻关研究成果 的基础上，建立了珠海市水资源配置模型基于原水净化水耦合配置的多目标递阶控制模型， 并通过3 种配置模式和7 5 0 多种配置方案的模拟计算和综台对比分析，给出了2 种优先推荐的配 置模式和7 0 多个推荐配置方案，为珠海市未来2 0 年时间尺度上的水资源合理配置和统一管理提 供了科学的依据。总之，上述研究成果标志着我国经过了几代人坚持不懈的努力，使我国水资源 合理配置研究从无到有，逐步走向成熟。 1 2 3 水资源合理配置研究的不足之处 由于水资源系统涉及经济、社会、技术和生态环境的各方面，是复杂的巨系统，特别是可持 续发展战略实施，对水资源配置的要求越来越高，水资源台理配置也不断面临新的挑战。应以水 资源的可持续发展为中心，将水资源的开发利用提高到人口、经济、资源和环境协调发展的高度 来认识 2 8 , 2 9 。用可持续发展思想审视已有研究成果尚有不完善之处概括起来有以下方面： 重视水量的台理配置，对水资源高效利用合理配置研究不够；重视确定条件下水资源的合理配 置，对不确定性对水资源配置的影响研究不够；重视工程措施，对非工程措施在水资源合理配 置中的作用研究不够；重视水资源配置的经济效益研究，对水资源的利用效率和效益统一研究 不够。 1 2 4 水资源合理配置研究的发展趋势 ( 1 ) 用水效率和效益统一协调合理配置研究 可持续发展要求以水资源可持续利用支撑和保障经济社会的可持续发展，这要求在水资源配 置研究中，充分考虑代际间发展和用户之间分配的公平性，以及经济发展与水资源、环境之间的 相互协调。因此，如何从理论和技术上体现水资源配置的公平性和水资源配置与经济、环境、人 口的协调，是水资源配置研究必须解决的问题之- - ”。一方面，随着经济社会发展，水资源开发 程度的加剧，各行业用水量大幅度增加，相应的用水矛盾相应增加：另一方面，根据水量的限制， 考虑经济效益、环境影响以及管理与政策等诸多因素与水资源高效利用的关系。在水资源高效利 用研究的领域中和水资源利用效率和效益统一协调地进行配置。 ( 2 ) 水资源合理配置效果评价研究 为提高水资源合理配置研究成果的实用价值，水资源合理配置方案的效果评价也是研究的重 点课题之一。区域水资源配置系统的各因素相互影响和相互制约机制极其复杂，效果的表现形式 各种各样，在建立水资源合理配置的模型时，无论从理论上还是技术上都难以完整体现，难免要 作一些简化。同时，在模型中充分反映众多不确定因素影响也很困难。因此，研究合理配置方案 6 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 效果评价的理论、模型和方法，有助于选择符合区域实际的水资源配置方案，使水资源配置研究 成果能指导或应用于区域水资源管理中。 1 3 研究目标 本课题通过对阳谷县现状及不同水平年水资源状况预测及供需平衡分析，进行全县水资源的 合理调度研究，在建立多目标规划决策模型的基础上，制定该县相对最佳的农业发展目标以及水 资源合理发展规划，以达到高效利用水资源的目的。 1 4 研究内容 传统的水资源配置往往强调节水忽视高效、注重缺水地区的水资源优化配置而忽视水资源充 足地区的用水效率提高、突出水资源的分配效率而忽视行业内部用水合理性等问题，影响了经济 的发展和水资源的可持续利用。针对目前水资源存在的问题，以水资源商效利用的整体综合研究 为主线，运用多目标规划方法，深入研究水资源优化配置的模式、方法及理论，为水资源可持续 利用和经济、社会、环境、资源的可持续发展提供思路和借鉴是十分必要的。 水资源配置应将流域水资源循环系统与人工用水的供、用、耗、排水过程相适应并互相联系 为一个整体，通过对区域之间、用水目标之间、用水部门之间进行水量和水环境容量的合理调配， 实现水资源开发利用、流域和区域经济社会发展与生态环境保护的协调，促进水资源的高效利用， 提高水资源的承载能力，缓解水资源供需矛盾，遏制生态环境恶化的趋势，支持经济社会的可持 续发展。本文分析研究阳谷县水资源优化配置模式和方法，对水资源在时间、空间、数量以及用 途上进行科学合理的分配，做到水资源的供给与社会、经济、生态对水资源的需求基本平衡，使 有限的水资源获得较好的综合效益，实现水资源的优化配置，以达到水资源的可持续利用和经济 社会、资源、生态环境相协调发展的目标。 基于以上思路，本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 阳谷县供需水现状分析。简要分析阳谷县自然地理概况、社会经济概况、水资源的特 点、水质水量以及供用水现状。 ( 2 ) 农业可利用水资源及用水特点分析。根据阳谷县宏观经济发展趋势和能够采用的现代 节水技术，结合工程与非工程措施，对阳谷县用水结构特征及对水资源高效利用的影响进行分析。 研究现状条件下各部门的用水结构、水的利用率，提高用水率的技术和措施，分析未来各种经济 发展模式下的水资源需求。 ( 3 ) 种植业i 毫效用水结构分析。通过对全县可供水量的分析计算，建立高效用水结构优化 配置模型根据分析结果，对目标值和约束指标进行调整。给出好的决策方案，进而提出合理的 配置方案及水资源的利用方略。 1 5 技术路线 本文对阳谷县的可利用水资源进行了评价，对水资源高效利用中存在的问题及成因进行了深 入分析，结合阳谷县“十一五”发展目标，运用多目标规划方法，从用水的效率和效益两个方面 7 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 对农业水资源高效利用进行了深入探讨。针对阳谷县当前农业灌溉用水结构中存在的不合理性及 其对水资源高效利用所产生的负面效应，进行了高效用水结构的优化模拟，探讨了用水结构变化 对水资源高效利用的影响。该文以水资源高效利用的整体综合研究为主线，既考虑水量的限制， 又考虑经济效益、环境影响以及管理与政策等诸多因素与水资源高效利用的关系，在水资源高教 利用研究中开创了一条多水源配置与用水结构调整相结合的技术路线。 建立健全水资源机构 阳谷县水资源优化配置系统示意图 8 2 1 自然地理概况 2 1 1 水文气象 第二章阳谷县基本情况分析 阳谷县位于山东省西部，聊城市南部，属暖温带半干旱大陆性气候区，年平均气温1 3 3 ， 一月份气温最低，月平均为一2 3 ；七月份最高，月平均气温为2 6 7 5 。无霜期平均在1 9 2 i 2 0 1 天之间，最长为2 5 9 天，最短为1 7 8 天；霜冻期为1 6 5 天左右。阳谷县多年平均降雨量5 8 8 6m l n ， 最大年降雨量1 1 5 8 9 m m ( 1 9 5 3 年) ，最小年降雨量2 8 6 0 i r l n ( 1 9 9 2 年) 。年际丰枯悬殊，且年内 分配不均，多年平均6 9 月份降雨量4 3 5 4 t o n i 。占全年降雨量的7 3 8 ；3 5 月份灌溉降雨量 8 1 4l n l l l 。占全年降雨量的1 3 8 。多年平均水面蒸发萤1 2 2 4 1m m ，是降雨量的2 1 倍。而3 5 月份蒸发量4 2 0 3m m ，是同期降雨量的5 倍。阳谷县呈现春早、夏涝、晚秋又旱的气候特征。 2 1 2 地形地貌 阳谷县属黄泛冲积平原，土层松散，土地较为肥沃。地面高程在3 6 5 4 3 2 m 之间( 1 9 5 6 年 黄海) ，呈西高东低的特点，地面平均坡降在1 6 5 0 0 左右。由于受黄河泛滥、沉积的影响，微地 貌变化复杂，岗、坡、洼相间分布。阳谷县地貌分类( 详见表2 - 1 ) 及百分比( 详见图2 - 1 ) a 表2 - 1阳谷县地貌分类表 弋 河滩缓平槽状砂质河槽决l 1 扇形 台计 高地坡地洼地 地地 面积( k m 2 )2 9 6 3 52 7 40 89 9 9 44 3 1 33 27 1 6 7 占百分比( )4 1 3 53 8 2 41 3 9 4 6 0 20 4 5 1 咖 图9 - 1地貌分类百分比示意图 9 2 2 社会经济概况 圈2 - 2 闭谷县水利工程现状图 阳谷县位于聊城市南部，阡| 谷县土地总面积9 4 8 9 k m 2 ，农用地面积6 9 0 3 0 h m 2 ，耕地面积 6 0 3 0 9 h m 2 ，耕地面积r 总土地面积的6 4 ，行政上划分为2 0 个乡镇，7 6 0 个自然村，人口4 6 2 3 万人，其中农业人口4 0 。1 8 万人。其中农业人口4 0 1 87 i a ，占总人口的8 6 8 。农q k 人口人均占 有耕地o 1 5 4 h m 2 。阳谷县农作物以小麦、玉米为主，粮食亩产多年平均4 4 7 k g 。据2 0 0 4 年资料， 国内生产总值3 1 8 5 元，其中农业总产值1 6 1 6 亿元。阳谷县基本情况见表2 - 2 。 o 壅! ：!塑查墨墨查堡猩墨 农业人口 阳谷县国民生农业总产值 村庄数( 个)总人口( t j j k ) ( 万人) 耕地面积( h m 2 、 产总值( 亿元)( 亿元)( 万人)产总值( 亿兀)( 亿兀) 4 0 1 83 1 ，8 51 6 1 6 阳谷县拥有各种农业机械总动力6 3 1 3 万千瓦，农业机械化综合水平达7 0 以上。近些年交 通事业发展较快，基本形成四通八达的交通运输网络。京九铁路贯穿阳谷县南北，阳谷县公路通 车里程已达2 2 4 4 公里，公路密度2 1 公里百平方公里，齐南路、蒙馆路、聊商路相继拓宽。电 力工业发展迅速，现有1 1 0 千伏输电线路2 条，3 5 千伏线路9 条，低压线路1 9 8 7 公里，输变电 站1 6 处，装机总容量1 2 3 6 万千伏，年供电总量1 6 3 5 亿千瓦时。为阳谷县社会经济的持续、稳 定、协调发展奠定了良好的基础。 阳谷县农作物种植主要以小麦、玉米、棉花、蔬菜为主，小麦、玉米大部分一年两作，复种 指数在1 7 6 左右。阳谷县1 9 9 8 年作物组成及产量见表2 - 3 。 表2 - 3阳谷县作物组成及产量统计表 2 3 产业结构特点 阳谷县一直以来是个典型的以种植业为主的农业县，灌溉农业较为发达，其中有效灌溉面积 为5 3 6 6 6 h m 2 , 灌溉率达8 7 。粮食作物以小麦、玉米为主，经济作物主要是棉花、花生与蔬菜。 2 0 0 4 年粮食作物播种面积为6 6 8 6 3 h m 2 ，经济作物播种面积为3 7 6 4 5 h m 2 ，粮食作物与经济作物的 播种比例为6 4 ：3 6 ，复种指数为1 7 。粮食总产量为3 5 4 5 万t ，棉花总产1 6 万t 。2 0 0 4 年全县国 民生产总值为3 1 8 5 亿元。农业总产值为1 6 1 6 亿元，其中种植业产值占农业总产值的8 1 。目 前，农业人口人均粮食8 8 3 k g ，农民人均纯收入2 4 4 1 元。 改革开放以来，阳谷经济全面发展，工业规模逐步扩大，经济效益明显提高，产业结构有了 明显的调整。2 0 0 4 年阳谷县一、二、三产业的增加值占国民生产总值的比例分别为2 8 8 ，5 3 2 和1 7 9 ，1 9 9 6 年则为4 2 7 9 ，加2 4 和1 6 9 6 ( 图2 - 3 、图2 - 4 ) 。相比之下，不难看出工业 化和城镇化的步伐明显加快。2 0 0 0 年全县城镇人口7 3 5 万人，城镇化水平1 5 9 。在工农业总产 值中工业产值的比重明显上升，而农业产值则相对下降。2 0 0 4 年工农业总产值达到6 5 7 亿元， 农业总产值占2 4 ，而1 9 9 0 年工农业总产值为6 7 3 亿元，其中农业总产值占柏5 。可见阳谷 县产业结构调整步伐较快，工业的发展极大促进了地方经济的发展。 1 l 中国农业大学硕士学位论文 第二章阳谷县基本情况分析 6 0 6 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 图2 - 32 0 0 0 年阳答县国内生产总值各产业增加值所占比例 2 4 水资源状况 1 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 4 图2 41 9 9 6 年以来各产业增加值占全县办内生产总值比例 阳谷县可利用水资源主要有：黄河水、金堤河水、地下水、地表径流等。根据阳谷县实际情 况，可分为地表水资源与地下水资源两部分。 阳谷县水资源主要来源于由当地降水转化所形成的地表水、地下水、引黄水、过境水和引江 水( 考虑2 0 1 0 年后南水北调节器东线引水) 。可分为当地水资源和客水资源两大部分。当地水资 源则以降水为输入，区域总蒸发和人工开采为主要输出，垂直水分交换强烈。由于地势平坦，除 大暴雨外，基本无径流出境，降水基本上全部消耗在境内，转化为土壤水、地下水、县内地表水 体蓄水。客水资源包括引黄、引江水和引金堤河的水量。 2 4 1 当地水资源 阳谷县的当地水资源主要由大气降水及其所形成的地表与地下水资源组成。 1 、降水 大气降水是阳谷县当地水资源的主要来源。根据阳谷县气象站1 9 5 6 - 2 0 0 0 年4 5 年的实测逐月 降水资料分析，多年平均年降水量为5 3 9 m m ，不同保证率年份( p = 2 0 ，p = 5 0 ，p = 7 5 ，p = 9 5 ) 1 2 的降水量分别为7 0 1 8 r a m ，4 9 6 5 m m ，4 2 3 2 5 m m 和3 1 7 8 m m 。降承的年内与年际变化明显，年 内降水主要集中在汛期( 6 - 9 月) ，多年平均汛期降水量，占全年降水量的7 3 5 ，不同保证率年 份，年内不同时节的降水分析成果见表2 4 降水的年际变化强烈，年降水的c v 值为0 3 2 。从 1 9 5 6 - 2 0 0 0 年4 5 年的年降水数据来看，最大年降水量与最小年降水量之比为3 2 ：1 。 表2 - 4阳答县不同降水保证率年份降水年内变化分析( 单位r a m ) 迟证率 时段 多年平均 2 0 5 0 7 5 9 5 全年