疏勒河流域的水资源安全评价预警研究.pdf

水文水资源水利规划与设计 年第 期:/疏勒河流域的水资源安全评价预警研究武兰珍 赵婷婷 赵 霞 王兴繁 孙栋元(甘肃农业大学水利水电工程学院 甘肃 兰州)摘要:水资源安全预警是实现疏勒河流域生态有序管理的一个有效途径 其关键是建立起安全预警指标体系 对此 在分析疏勒河流域水资源系统和安全预警的概念与内涵的基础上 结合疏勒河流域水资源概况划分了各指标警界 并提出突变模糊隶属函数和归一化综合量化方法 对疏勒河流域 年各指标利用突变理论的突变级数法进行对层次的分解 最终得到疏勒河流域水资源安全总的隶属级别 给出了疏勒河流域水资源安全级别及阈值 并将其安全标准划分为无警、轻警、中警、重警、极重警 个等级及其相对应警灯分别为蓝灯、绿灯、黄灯、橙灯、红灯 研究结果对疏勒河流域水资源具有一定的参考意义关键词:疏勒河流域 水资源安全评价 水资源安全预警 突变理论 突变级数中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:甘肃省科技厅省青年科技基金()甘肃省高等学校产业支撑计划项目()甘肃省高等学校青年博士基金项目()作者简介:武兰珍(年)女 讲师:引言水资源是人类赖以生存和发展的重要物质因素之一 随着人类社会高质量的发展 对水资源需求量逐渐加大 导致水资源的供需矛盾日益尖锐 对生态环境的影响日益增大 总体现状不容小嘘作为中国典型的干旱内陆河流域 疏勒河流域是一个严重的干旱缺水地区 其水安全问题日益成为社会和人类的关键焦点问题之一水安全预警是将预警理论和方法运用到管理过程中 与区域水资源的实际情况相结合 对偏离理想状态的水资源的质和量进行适当的预警 并作出相应的指导措施 水资源安全预警包括水资源安全状况评估 水资源安全趋势预报 水资源安全管理 个部分 水资源安全的现状评估 主要是对当前以及近几年来的水资源安全状况展开分析 要从两个角度来进行评估:一是程度评估(现状评估)二是强度评估(发展速度评估)水资源安全状况变化趋势预测 是在未来一定时间内 将系统内影响水资源变化的要素进行适当的分析 从而对水资源安全状况进行相应的预测 其系统内指标预测性进行了评价 对水资源的安全进行判定水资源安全预警的主要目的是对水资源安全进行调控 在预警级别预测的基础上 采取相应措施清除相应的预警 保证水资源的安全水安全预警系统的一个重要方面是确定水资源偏离理想状态的程度 在系统中 预警级别和水平、边界和灯光是相互对应的 预警级别表示预警的程度 预警等级是预警的程度 对应的预警等级分别为无警、轻警、中警、重警、极重警 预警边界是描述不同等级不同预警的指标边界 依据其确定预警灯 当指标由重到轻超过相应的预警值时分别为“红灯”“橙灯”“橘灯”和“红灯”当超过指标相应的阈值时 则分别显示“红灯”“橙灯”“黄灯”和“绿灯”“蓝灯”的信号灯 基于突变理论方面的安全预警 突变理论法国数学家 于 世纪 年代新建了一门新型的交叉数学学科 主要内容包括不连续的变化和突变 在一个方程组中 一个方程组是一个具有惟一不变性的方程组 该方程组是一个稳定的方程组 灾变建模是以系统内部的潜功能为基础 包括描述其特性的状态和影响其灾变的控制变量 在此基础上 对系统进行了奇点集的变换 从而获得了系统在控制空间中的轨道 离散集 对势 年第 期水利规划与设计水文水资源函数()进行一次微分和二次微分 再消去 从而获得一次分散集公式 当这些参数的数值到达分歧集中时 其位能将发生突变 也就是从一种状态跃迁到另外一种状态 因此 可以通过对分支集合的研究来实现对该体系的控制 在一维的条件下存在 种突变模式 见表 基于突变理论的突变级数法从各预警指标所表达的报警情况来判断整个水利系统的报警情况 是一个多标准的决策系统 突变级数法是一种利用突变理论和模糊数学构建模糊隶属度函数对系统中的评价指标进行多层次、多级分解 利用标准化公式对其进行定量分析 最终将其恢复到固定的比特参数 这就是总体隶属度函数 进而实现对水资源安全性的评估 层次结构模型建立根据系统的内在效应原则 将其根据系统中多种评价指标分成多层结构 一般结果为固定可测量的子指标后停止运行 根据经验确定具体的每个评价指标的重要性 解决在同一层次、同一属性结构中 根据指标的重要程度 按顺序由大指标分成小指标确定权重值的困难 在常见突变系统中 其控制变量一般不超过 个 每层控制变量分解的子指标也不超过 个 如图 所示 不同的控制变量对应不同的突变模型图 突变模型系统示意图 突变模型的归一公式分歧集方程的状态变量和控制变量的正规化被限制在 和 的范围内 即将差分集合方程正规化 得出各突变模型的正规化公式 见表 在归一化之后 将状态变量和控制变量控制在 之间 这就是突变多标准评价方法的关键内容突变模糊隶属度函数与平常模糊隶属度函数相类似 但在应用上有很大的区别 不是用户主观地赋予权重值 而是模型对每个控制变量状态的影响此外 控制变量和状态变量之间的矛盾关系是基于突变模型的内在矛盾性 个常用模型的控制变量的作用和优先级如下:尖点突变:(剖分因子)(正则因子)燕尾突变:(剖分因子)(正则因子)(燕尾因子)蝴蝶突变:(剖分因子)(正则因子)(蝴蝶因子)(偏畸因子)综合评价为了消除不同指标之间因尺度不同而造成的指标不可比性 评价指标首先要做到无量纲对于越大越好型指标 令:()()()()对于越小越好型指标 令:()()()()式中 原始数据()行数据最大值()行数据最小值 无量纲化处理后的数据突变水平或突变模糊隶属度函数应将状态变量和控制变量控制在 之间突变水平或突变模糊隶属度函数是状态变量和控制变量在 之间变化的值 根据其内容及突变模型的正规化公式和互补或非互补原则 依次从下往上计算状态变数的值是最终评价结果 所谓“补充”原则 是指系统中的控制变量(如 )可以彼此相互补充 采用正规化公式求状态变量 时 应对控制变量 进行平均值的计算“非互补”原则 是指系统中的控制变量(如 )不能彼此之间相互补充 也就是说 系统控制变量 中 应取最小值作为系统 的值 这叫“大中取小”表 一维状态下变量的突变模型突变模型控制变量维数势函数分歧集折叠突变()尖点突变()燕尾突变()蝴蝶突变()水文水资源水利规划与设计 年第 期表 突变模型归一公式突变模型归一公式折叠突变 尖点突变 燕尾突变 蝴蝶突变 案例分析 疏勒河流域水资源安全预警指标体系水资源安全预警是指将预警理论与预警方法应用于水资源安全管理中 对水资源偏离预期值作出警度级别 其指标主要分为预警状况、预警来源和预警前兆 其中警报状况指标是指描述区域水资源安全警报研究对象的指标 依据概念描述和划分警情产生的统计指标 警源指标的前兆指标是警报指标 水资源安全预警指标根据社会、经济和生态环境的状态 将社会 经济 生态环境 水资源等复合系统中的特点、信息、指标定为研究对象 以警源指标为依据 警兆指标为主体 构建本文的反映疏勒河流域水资源安全预警指标体系见表 对表 中各指标警界及对应的警灯而言 正向指标大于最大临界值时为无警 小于最小临界值时为极重警 反之亦然 例如 指标年降水量 这一正向指标 当降水量大于 时为无警 小于 时为极重警 疏勒河流域水资源安全警度预测 突变模型及预警阙值采用突变级数法确定疏勒河流域水安全预警等级划分的队列值利用上述所建指标体系成立依表 流域水资源安全预警指标体系及其警界、警灯准则层指标层指标取向指标警界及对应警灯无警轻警中警重警极重警蓝灯绿灯黄灯橙灯红灯 水资源 年降水量/人均供水量/(/人)水资源开发利用程度/地下水开发利用程度/社会 总人口/万人 人口密度/(人/)城镇化率/人均日生活用水量/(/人 )农业灌溉用水率/万元 用水量/万元工业增加值用水量/工业用水率/水生态环境 生态环境用水率/废水排放量/亿 污染河长(劣于类)比例/年第 期水利规划与设计水文水资源据突变级数法的评估要求组织指标体系 见表 根据突变理论指示 依次排序为重要指标和次要指标建立层次结构模型 并依据此选择相应的模型表 疏勒河流域层次结构及突变模型准则层指标层突变模型水资源 水资源再生力 年降水量/产水系数/尖点突变 水资源量 水资源总量/人均水资源量/(/人)地均水资源量/(万/)亩均水资源量/(/亩)蝴蝶突变 供用状况 供水模数/(万/)人均供水量/(/人)水资源开发利用程度/地下水开发利用程度/蝴蝶突变燕尾突变社会 人口 总人口/万人 人口密度/(人/)城镇化率/燕尾突变 生活用水 人均日生活用水量/(/人 )农业生产状况 人均耕地面积/(亩/人)人均有效灌溉面积/(亩/人)节水灌溉面积比率/燕尾突变 农业用水 农田灌溉亩均用水量/(/亩)农业灌溉用水率/尖点突变蝴蝶突变经济经济力 人均/万元 生产用水 万元 用水量/万元工业增加值用水量/工业用水率/燕尾突变尖点突变 水生态环境 生态状况 生态环境用水率/污染状况 废水排放量/亿 污染河长(劣于类)比例/尖点突变尖点突变根据互补性原则:()/()/()/()/()/()/()/()/()/()/()/()/无警和轻警的之间的阈值为()/同理可得轻警和中警、中警与重警、重警与极重警之间的阈值 见表 表 水资源安全预警警度划分阈值警度划分无警轻警中警重警极重警阈值 预测警度参考甘肃省水资源公报 搜集疏勒河流域 年 水 资 源 安 全 预 警 指 标 的 原 始 数据 各项指标的原始数据数据无量纲 将 年的疏勒河流域数值按突变级数法进行计算 并对各值和预警阙值进行对比分析 确定各年的预警水平 结果见表、如图 所示 其中 年为轻警状态、年为重警状态、年为极重警状态图 疏勒河 年水资源安全预警结果表 疏勒河 年水资源安全预警结果结果 年 年 年 年 年 年 年 年 年 年 年 年 年突变级数值 警度及警灯轻警轻警轻警轻警轻警重警重警重警重警极重警极重警极重警极重警水文水资源水利规划与设计 年第 期 结论针对疏勒河水资源安全预警 设计了由目标层、标准层和地表层 个层次相互相辅相成且通用预警指标体系框架 预警指标为对象 源头指标为基础 预警标志为主体 包括社会系统、经济系统、水资源系统和水生生态环境系统 根据疏勒河流域的突变级数法的评估要求 选取合适的预警指标体系 构建其层次结构模型 根据疏勒河流域实际情况 结合突变理论确定了警度预报的阈值:无 警 轻 警 中警 重警 为极重警 其中 为根据突变级数法求得的综合指数 疏勒河流域 年 年中水资源安全一直处于 有 警 状 态 其 中 年为轻警状态、年为重警状态 年为极重警状态参考文献 王劭鹏.城市水文化与水利经济效用分析.水科学与工程技术():.张领先 顾东岳 陈诚 等.基于突变级数法的有机蔬菜认证风 险评估系统.农业机械学报 ():.王红旗 侯泽青 秦成.基于突变理论的泉州市水资源安全预警.南水北调与水利科技 ():.陈娇 罗周全 侯造水.基于改进突变级数法的金属矿采空区稳定性评价.中国安全生产科学技术():.李晋辉 黄金池 何晓燕 等.基于突变理论的山洪灾害风险评价指标体系构建与应用.水利水电技术 ():.李栋.基于突变理论的晋祠泉域岩溶水水质及其脆弱性评价.太原理工大学.刘洋 段礼祥 钟龙 等.基于突变级数法的离心泵机组安全评价模型.中国安全生产科学技术 ():.曾娟.基于模糊集突变级数的高速铁路站址方案优选.兰州交通大学.董爱华 孔林娟 杜静静.基于突变理论信息融合的故障电弧检测方法.电力系统及其自动化学报 ():.杨凯 范映冲 邓月华 等.综采工作面安全性评价的突变级数法研究/第十届全国采矿学术会议论文集:专题二:安全技术及工程.中国煤炭学会 中国工程院能源与矿业工程学部 中国金属学会 中国有色金属学会 中国化工学会.高科 李明 吴超 等.突变级数法在硫化矿爆堆自燃发火预测中的应用.金属矿山():.赵文琦 孙栋元 周敏 等.疏勒河流域现代化灌区建设评价研究.水利规划与设计():.赵云 张芮 李雅娴 等.黄河上游典型小流域汭河水资源优化配置研究.水利规划与设计():.(上接第 页)坝水灌溉后土壤电导率和全盐量呈微增趋势 表层土壤的含盐量最高 随着深度变化含盐量降低()研究分析淤地坝水质影响因子、时空分布特征及灌溉后土壤盐碱化程度 可为进一步利用淤地坝拦蓄雨水发挥水资源灌溉潜力提供科技支撑缓解黄土高原地区水资源短缺现状 助力乡村产业振兴参考文献 郭晖 钟凌 郭利霞.淤地坝对流域水沙影响模拟研究.水资源与水工程学报():.兰立军 杨俊 李晓霞 等.黄土高原淤地坝工程水资源利用模式与展望.中国水土保持():.朱芷 周波 张富 等.黄土丘陵区淤地坝系田园综合体的构建模式.水土保持通报():.高雅玉 田晋华 李嘉楠.基于水土资源高效利用的淤地坝建设潜力分析.人民黄河():.吴晓 靳峰 张富 等.甘肃省淤地坝水资源的利用潜力.水土保持通报():.王丽婧 汪星 刘录三 等.洞庭湖水质因子的多元分析.环境科学研究():.张馨月 马沛明 高千红 等.三峡大坝上下游水质时空变化特征.湖泊科学():.():.刘贤梅 周忠发 张昊天 等.基于主成分分析的喀斯特山区河流水质评价及水质时空特征分析:以贵州省张维河为例.环境工程():.():.():.杨浩 李一平 蒲亚帅 等.张家港市河道水质时空分布特征研究分析.环境科学学报():.李璐霞.岔口小流域淤地坝建设的盐碱化效应研究.山西农业大学.赵慧 李新国 毛东雷 等.博斯腾湖西岸湖滨绿洲土壤剖面盐分含量随季节的变化特征.甘肃农业大学学报():.