基于能值的水库水资源价值评价与调度

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在气候不断变化、经济社会迅速发展及全球化、城市化驱动下,水资源管理正面临巨大的挑战。强调水的生态服务功能,突出水资源在经济社会和生态环境中综合作用,平衡经济社会和生态环境用水需求,实现水资源综合效益最大化是水资源调度管理众多挑战中的一个。但无论是传统的防洪、发电、灌溉等多目标水库调度,还是近年来兴起的水库生态调度,其目标或是以物理量度量(如供水量、发电量等),或是以货币量度量,然后在多(或单)目标决策框架下进行研究。本论文尝试另一种途径,将能值理论与方法引入水资源调度管理中,采用太阳能值作为度量尺度对水资源开发利用效应进行统一量化,构建基于能值的水库水资源价值评价和调度模型并求解。从能值角度,分析评价水库建设与运行带来的水资源综合价值变化,从而为寻找最优的水资源调度管理策略提供科学依据。论文工作取得了一些有意义的研究成果。论文主要研究内容和成果如下:(1)围绕水库水资源价值评价和调度主题,较系统地总结了水资源价值评价方法尤其是能值法的研究动态,综述了水库优化调度研究进展,重点从生态目标的构建,归纳总结了水库生态调度的新发展,指出了目前研究存在的不足。结合丹江口水库服务功能和调度要求,提出了本文的研究内容。(2)总结了工程水体能值转换率计算方法;针对综合利用水库多产出系统能值转换率计算中存在的能值分摊难点,提出了分阶段法的综合利用水库水体能值转换率和产出能值转换率的计算方法;基于水量平衡原理和能值守恒原理,建立了水库调蓄、人工取水、调水作用下的复杂河流水体能值转换率计算模型。以2015年汉江中下游为例,计算出丹江口水库水体能值转换率为1.56×1011sej/m~3、南水北调中线工程水体能值转换率为3.96×1012sej/m~3(北京为代表)、丹江口水库以下干流水体能值转换率为2.52×1011sej/m~3(引江济汉汇入处下断面)。结果表明:汉江中下游干流水体能值转换率受支流汇入、取调水工程、水库拦蓄等因素的影响显著;工程水体能值转换率具有空间差异性。(3)根据区域工业、农业和生活用水系统的投入产出分析,提出以水资源投入能值占总投入能值的比例计算产出价值中水资源所占的份额,即水资源价值。基于工业、农业和生活系统的投入能值分析,提出了水资源贡献率计算方法;针对区域生态经济系统多水源供水特点,进一步从水资源贡献率中分离出水库水资源所占比例。在此基础上,构建了基于水库水资源贡献率的水库水资源价值计算模型。以2015年丹江口水库为实例,计算了汉江中下游区域丹江口水库水资源价值、南水北调中线工程受水区的丹江口水库水资源价值及丹江口水库水力发电价值。结果表明:2015年丹江口水库水资源价值为2.73×1022sej,其中汉江中下游占据绝大部分,中线工程受水区所占比例较小,这与当年北调水量仅23×10~8m~3有关;从分类看,农业系统的水库水资源价值最大,占水库水资源总价值的46.9%,其次工业系统占比为29.7%,生活和水力发电占比分别为9.4%和8.6%,生态系统占比为4.8%,航运占比仅0.7%。(5)在对以丹江口水库为中心的汉江中下游水资源系统概化基础上,构建了以汉江中下游区价值最大和南水北调中线工程受水区价值最大为目标的多目标水库价值调度模型,并且分别以能值和货币对价值进行度量。模型采用多目标遗传算法NSGA-II求解,采用TOPSIS法对非劣解集进行排序,从中得到推荐方案。为了进行结果比较,还以汉江中下游区价值和南水北调中线工程受水区价值之和最大为目标建立了丹江口水库价值调度单目标模型并进行了求解。以2015年为例,进行了丹江口水库价值调度多目标与单目标优化计算。结果表明:单目标下,2015年丹江口水库水资源价值为3.09×1022sej,推荐的多目标方案两个目标之和为3.07×1022sej,均较实际的2.73×1022sej大,说明了优化水库调度方式可获得更大价值。多目标非劣解还揭示了中线工程受水区水库水资源价值和汉江中下游区水库水资源价值之间的非劣关系。
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