一种生态水权时空配置方法及系统

技术领域

本发明属于水资源高效利用与生态修复技术领域，更具体地，涉及一种生态水权时空配置方法及系统。

背景技术

生态水权配置以生态需水量计算为基础，对流域河道内外各类生态用水赋予水权。现有部分研究在配置生态水权时，空间尺度通常以流域计，时间尺度基本以年计(与生态需水量计算时间尺度保持一致)，其生态水权配置成果是对流域生态水权状况的偏宏观描述。由于空间尺度较大，生态水权数量与流域来水、生态需水状况较难匹配，这类成果距指导实际生态供水仍有差距。这就要求生态水权配置在更小空间尺度上进行，并能够在适应流域来水变化和生态需水特点前提下，指导具体闸门的水量分配调度。

受生态系统需用水特点的影响，生态水权的配置与工农业、生活水权存在差异。首先，与农业水权配置往往以年或季节为周期不同，生态水权配置对象植被耐旱能力强，需水周期为多年，且生态系统能通过调整自身来适应水资源的丰缺状况，因此，生态水权在供水数量和时间上都存在一定弹性，不必像工农业水权那样必须在某一个时期(如一年、一季)内达到规定值，只需在较长时期(如多年)内达标即可。其次，流域内不同地区的生态系统在物种保护和维持方面的重要性存在差异，这意味着不同地点的生态水权也应在优先程度上存在差异，并且类似工农业水权分配，生态水权配置也需考虑供水的生态效益。上述这些对干旱、缺水的地区更具有现实意义。

在干旱地区河流沿岸植被是稳定当地生态系统的关键。目前，根据所研究河流来水周期和植被用水特性，对沿岸植被应进行间隔为若干年的轮灌。可见出于生态系统的自然节律和对水分状况的适应性，生态水权在供水数量和时间上存在一定弹性。而在干旱区河流生态供水管理科研和实践中，尚未形成轮灌具体方法或规程，也未对闸门供水次序和数量进行精细化管理。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种生态水权时空配置方法及系统，其目的在于解决生态水权配置相关研究空间尺度和时间尺度偏宏观而难以指导实际生态供水、忽略旱区植被对干旱条件的适应能力以及生态系统之间连贯性等技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种生态水权时空配置方法，包括以下步骤：

S1：在待决策区域构建生态网络，并基于所述生态网络将所有生态闸门划分为N个水权等级，N为大于或等于3的整数；

S2：在当前配水年度，根据轮灌周期内生态闸门的缺水程度确定当前水权等级下各生态闸门的最大配水量；

S3：若当前年度剩余生态可用水量大于或等于所述当前水权等级下各生态闸门的最大配水量之和，则所述当前水权等级下各生态闸门按最大配水量配水，然后对下一水权等级下的生态闸门进行分配，直到所有水权等级下的生态闸门分配完毕；否则，以所述当前水权等级下各生态闸门的水量许可系数为约束，以生态效益最大为目标，对所述当前水权等级下各生态闸门进行分配；

S4：在下一配水年度，若存在未得到完全满足的水权等级，则给所述未得到完全满足的水权等级配水，再逐等级配水；否则，从优先级最高的水权等级配水。

进一步地，所述方法还包括：在一个轮灌周期配水完成后，从优先级最高的水权等级配水。

进一步地，按照生态廊道构建方法，在待决策区域构建生态网络。

进一步地，所述轮灌周期内生态闸门的缺水程度表示为：

式中，

其中，第i个生态闸门供水区植被年需水量d

式中，iu代表生态闸门引水受益区范围内的植被类型，v

进一步地，对于

本发明另一方面提供了一种生态水权时空配置系统，包括：

等级划分模块，用于在待决策区域构建生态网络，并基于所述生态网络将所有生态闸门划分为N个水权等级，N为大于或等于3的整数；

第一配水模块，用于在当前配水年度，根据轮灌周期内生态闸门的缺水程度确定当前水权等级下各生态闸门的最大配水量；若当前年度剩余生态可用水量大于或等于所述当前水权等级下各生态闸门的最大配水量之和，则所述当前水权等级下各生态闸门按最大配水量配水，然后对下一水权等级下的生态闸门进行分配，直到所有水权等级下的生态闸门分配完毕；否则，以所述当前水权等级下各生态闸门的水量许可系数为约束，以生态效益最大为目标，对所述当前水权等级下各生态闸门进行分配；

第二配水模块，用于在下一配水年度，若存在未得到完全满足的水权等级，则给所述未得到完全满足的水权等级配水，再逐等级配水；否则，从优先级最高的水权等级配水。

进一步地，在一个轮灌周期配水完成后，从优先级最高的水权等级配水。

进一步地，按照生态廊道构建方法，在待决策区域构建生态网络。

进一步地，所述轮灌周期内生态闸门的缺水程度表示为：

式中，

其中，第i个生态闸门供水区植被年需水量d

式中，iu代表生态闸门引水受益区范围内的植被类型，v

进一步地，对于

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明在待决策区域构建生态网络，并基于生态网络进行生态闸门水权等级划分；在当前配水年度，根据轮灌周期内生态闸门的缺水程度确定当前水权等级下各生态闸门的最大配水量；结合当前年度剩余生态可用水量对各水权等级下的生态闸门进行配水；在下一配水年度，若存在未得到完全满足的水权等级，则先给该水权等级配水，再逐等级配水，否则，从优先级最高的水权等级配水。如此，本发明运用生态网络来区别不同区域生态供水的重要性，从而划分生态闸门水权等级，最后通过生态水权的时序分配和同等级分配来实现生态水权的工程运用，能够对干旱、缺水的地区生态水权配置提供科学的指导。

(2)本发明通过限定在一个轮灌周期配水完成后，从优先级最高的水权等级配水，即当某轮配水延续到开始后的第x年(x为轮灌周期，某轮配水开始年份为第1年)、且在该年度可用水量用完后所有等级水权仍未能得到全部满足，则强制结束本轮配水，在第x+1年直接开始下一轮配水，优先满足重要的生态区域供水，更符合实际应用的需求。

附图说明

图1为本发明提供的生态水权时空配置方法的流程图；

图2为各等级水权的水量许可范围图；

图3为参考断面植被可用水量序列图及两种配水流程的配水轮次图；

图4(a)和图4(b)为两种配水流程下第1等级水权6号闸门配水结果；

图5(a)和图5(b)为两种配水流程下第4-1等级水权10号闸门配水结果；

图6为两种配水流程下典型闸门在x＝5条件下累积生态需水量保证程度。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。此外，以下所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参阅图1，本发明提供了一种生态水权时空配置方法，包括以下步骤：

S1：在待决策区域构建生态网络，并基于所述生态网络将所有生态闸门划分为N个水权等级，N为大于或等于3的整数；

具体的，生态网络分析方法是将复杂的生态系统描述成为由不同节点和路径组成的网络，在此基础上分析内部组成要素的相互作用、从整体角度对系统的功能和结构进行定量和定性的辨析。构建生态网络时，选取在两岸广泛分布的某种特有动物物种作为生态网络的构建对象，一般情况下，以这种动物出现频次最高的地点为中心建立缓冲区并与不同土地利用类型相交，得到适宜该物种生存的区域。该区域与高植被指数区域相交得到栖息地，与较高植被指数区域相交得到踏脚石。经人工合并小斑块及处理边界线，在目标流域提取栖息地和块踏脚石。按照生态廊道构建方法，对各种用地类型进行阻力值设定，然后运用最小累积阻力模型，以前述栖息地和踏脚石为源头，生成生态廊道。

生态网络组成体现了各生态闸门供水区域的相对重要性。因此，对供水区域包括栖息地、踏脚石、廊道等生态网络组成的闸门，分别设定其生态水权优先级别为1、2、3等级(数字越小，优先级越高)，对所有包括栖息地的闸门都划为1等级、对所有包括踏脚石但不包括栖息地的闸门都划为2等级、对所有仅包括廊道的闸门都划为3等级；对供水区域不包括任何生态网络组成的闸门，设定其生态水权优先级别为第4等级。

S2：在当前配水年度，根据轮灌周期内生态闸门的缺水程度确定当前水权等级下各生态闸门的最大配水量；

S3：若当前年度剩余生态可用水量大于或等于所述当前水权等级下各生态闸门的最大配水量之和，则所述当前水权等级下各生态闸门按最大配水量配水，然后对下一水权等级下的生态闸门进行分配，直到所有水权等级下的生态闸门分配完毕；否则，以所述当前水权等级下各生态闸门的水量许可系数为约束，以生态效益最大为目标，对所述当前水权等级下各生态闸门进行分配；

S4：在下一配水年度，若存在未得到完全满足的水权等级，则给所述未得到完全满足的水权等级配水，再逐等级配水；否则，从优先级最高的水权等级配水。

具体的，生态水权时序分配是从最高优先等级水权开始，逐等级给各闸门配水，在x个年度内分配各闸门的生态水权总量x·d

(1)按照1级、2级、3级、4级的顺序，在高优先级生态水权全部满足后，才向次一级生态水权配水；如此循环反复。此时，配置过程如下：

1)在当前配水年度，对当前等级生态水权所属闸门，根据缺水程度确定各闸门当前年度的最大配水量。对闸门i，其缺水程度为：

式中，l代表当前配水年度，k代表生态水权当前等级，g

其中，第i个生态闸门供水区植被年需水量d

式中，iu代表生态闸门引水受益区范围内的植被类型，v

2)在分配第k级水权前，计算当前年度剩余生态可用水量：

式中，V代表当前年度参考断面剩余植被可用水量，g

若剩余植被可用水量，即

3)在下一配水年度，若存在未得到完全满足的水权等级，则给所述未得到完全满足的水权等级配水，再逐等级配水；否则，从优先级最高的水权等级配水。

进一步地，对于2)中提及的同等级生态水权分配方法，下面做详细说明：

对同一等级生态水权，根据供水区域生态系统服务价值差异在该等级生态闸门间分配水量。配水目标为最大化配水的生态效益：

式中，

式中，iu代表植被类型，d

各闸门配水总量等于参考断面剩余植被可用水量：

为反映不同闸门在水权保障程度方面的差异，对各等级水权设定配水上下限约束：

式中，a

求得各闸门的水量许可系数后，以此为约束，并结合最大化配水效益的目标，求解某一来水条件下同级别的各闸门实际生态配水量。

(2)考虑先供高优先级再低优先级或对闸门连续配水年进行限制，可设计不同的配水流程：

相比第1种配水流程，第2种配水流程的不同在于增加了一个关于强制开始新一轮配水的判断：若某轮配水延续到开始后的第x年(某轮配水开始年份为第1年)、且在该年度可用水量用完后所有等级水权仍未能得到全部满足，则强制结束本轮配水，在第x+1年直接开始下一轮配水。

本发明另一方面提供了一种生态水权时空配置系统，包括：

等级划分模块，用于在待决策区域构建生态网络，并基于所述生态网络将所有生态闸门划分为N个水权等级，N为大于或等于3的整数；

第一配水模块，用于在当前配水年度，根据轮灌周期内生态闸门的缺水程度确定当前水权等级下各生态闸门的最大配水量；若当前年度剩余生态可用水量大于或等于所述当前水权等级下各生态闸门的最大配水量之和，则所述当前水权等级下各生态闸门按最大配水量配水，然后对下一水权等级下的生态闸门进行分配，直到所有水权等级下的生态闸门分配完毕；否则，以所述当前水权等级下各生态闸门的水量许可系数为约束，以生态效益最大为目标，对所述当前水权等级下各生态闸门进行分配；

第二配水模块，用于在下一配水年度，若存在未得到完全满足的水权等级，则给所述未得到完全满足的水权等级配水，再逐等级配水；否则，从优先级最高的水权等级配水。

上述生态水权时空配置系统中各个模块的划分仅用于举例说明，在其他实施例中，可将生态水权时空配置系统按照需要划分为不同的模块，以完成上述系统的全部或部分功能。

下面以塔里木河干流为例，对本发明进行进一步详细说明。

步骤一：计算生态闸门供水区域植被年需水量

塔里木河干流位于塔克拉玛干沙漠北部边缘，发源于阿克苏河、叶尔肯德河和和田河交汇处，全长1321公里，汇入台特玛湖。从阿拉尔至英巴扎为干流上游区域，英巴扎至恰拉为中游区域，恰拉以下为干流下游区域。干流来水大部分被中游区域灌溉农业使用，剩余水量则需要同时满足河岸植被和下游尾闾湖泊的需求。干流上中游沿河分布着47个用于生态供水的闸门(下文称为生态闸门)，现以此47个生态闸门间的水量分配为例对本发明内容进行说明。

计算各闸门供水区域的年度生态需水量时，根据各生态闸门供水区域和2018年土地利用图，将植被分为疏林地、有林地、低盖度草地和高盖度草地四种，相应年供水定额采用文献中天然植被生态保护红线需水量面积定额法计算成果，分别为4.45、30.42、6.28和23.40m

步骤二 在河流沿岸区域构建生态网络

构建生态网络过程中，选取在塔里木河两岸广泛分布的特有物种——塔里木兔作为生态网络的构建对象。塔里木兔是典型的荒漠地带物种，在人工开凿的水库周边，以及河畔沼泽、河滩地栖息。据此，按“位于水域附近，具有较好长势的胡杨林、柽柳灌丛”的原则确定塔里木兔栖息地及踏脚石。在ArcGIS中根据土地利用图，在水域附近建立1km缓冲区，与疏林地、有林地、高覆盖度草地三种土地利用类型相交，得到适宜塔里木兔生存的区域。该区域与高植被指数区域相交得到栖息地，与较高植被指数区域相交得到踏脚石。植被指数采用6-10月归一化植被指数的均值(用

表1阻力值

*取值范围设定为10～100，取值越低，越有利于物种的移动穿越

步骤三 生态水权分级

依据生态网络对闸门生态水权进行分级时，对供水区域包括栖息地、踏脚石、廊道等生态网络组成的闸门，分别设定其生态水权优先级别为1、2、3等级(数字越小，优先级越高)；对供水区域不包括任何生态网络组成的闸门，设定其生态水权优先级别为第4等级。在第2等级水权中，部分闸门供水区域集中且靠近栖息地；在第4等级水权中，中游闸门供水区域集中且临近栖息地、踏脚石和生态廊道。按植被连片保护的思路，这部分闸门的生态水权在同等级闸门中相对优先保障，故将第2等级中这部分水权设为2-1类(其余水权级别设为2-2类)，将第4等级中这部分水权设为4-1类(其余水权级别设为4-2类)。由此，得到所有生态闸门的生态水权等级，具体见表2。

表2生态水权等级

1编号大小代表闸门从上游向下游的分布顺序；

步骤四 生态水权时序配置及同等级水权配置

同等级生态水权配置过程中，各等级水权的a

表3水量许可系数计算公式

阿拉尔水文站年来水量扣除干流上中游国民经济用水量和恰拉断面需下泄水量后，即得到阿拉尔断面供塔河干流上中游植被可用水量。再乘以生态闸门供水区域植被年需水量占塔河干流上中游植被年需水量的比例，得到阿拉尔断面供生态闸门可用水量(Available Water for Gates at alaer station，AWG)。按上述方法，根据1958-2017年阿拉尔水文站年来水量，得到阿拉尔断面AWG的60年序列，如图3中(a)所示。将阿拉尔断面AWG序列作为f

图3中(b)和(c)展示了两种配水流程下配水轮次的数量和起止时间。图中，黑条代表配水轮次的持续时长，黑条前的数字代表轮次序号。如图3中(b)所示，每轮配水时长与x值不一致，上一轮配水结束的当年度即开始下一轮配水；如图3中(c)所示，每轮配水时长与x值一致，上一轮配水结束的下一年度开始下一轮配水。

阿拉尔断面AWG 60年总量为233.05亿m

生态水权设定参数x取值的变化，除了影响配水轮次的数量和持续时间，还会影响单一年度供水量的上限，以及长期的供水频次。图4(a)和图4(b)显示了两种配水流程下第1等级水权6号闸门各年度供水量(第1等级水权其他闸门和第3等级水权闸门配水情况与图4(a)和图4(b)类似)。图5(a)和图5(b)显示了两种配水流程下第4-1级水权10号闸门各年度供水量(第4等级水权其他闸门和第2等级水权闸门配水情况与图5(a)和图5(b)类似)。图4(a)和图4(b)中，随着x值增加，总体上看，两个配水轮次的间隔年份数增加，单一年度配水量提高。图5(a)和图5(b)中，随着x值增加，总体上看，两个配水轮次的间隔年份数增加，但单一年度配水量差别不大。这表明，配水轮次间隔年份随x值增加而增加，但不同等级水权闸门单一年度配水量与x值的关系不同。尽管目前缺乏关于配水轮次间隔年份和单一年度配水量对植被水分条件和生长状况影响的定量结论，但从上述结果看，x取值变化会对各闸门供水区域植被生长状况产生影响，第1和3等级水权闸门供水区域受到的影响更显著。

对某一闸门，我们其从第1次供水发生年度开始，各年度累计供水量除以累计生态需水量的比例(Satisfaction Degree of Cumulative Demand，SDCD)。SDCD体现了生态需水的长期保障程度，关系到供水区域植被生长状况的长期变化趋势。图6显示了x等于5时从每一等级水权任选一闸门的SDCD变化过程，同时还显示了不采用时序配置方式、仅根据各闸门生态需水占全部闸门生态需水总量比例来分配阿拉尔断面AWG的结果。图6中，在配水开始时，由于在较短时期内，来水总量增速的波动较大，所以不同等级水权闸门SDCD差异较大；随着配水时间的延长，以致在长时期内，来水总量增速的波动变小，因此，各等级水权闸门SDCD趋于稳定。如图6中(a)所示，所有等级水权闸门SDCD趋稳值相同且小于1，并且与不采用时序配置方式时的SDCD趋稳值非常接近；如图6中(b)所示，第1-3等级闸门SDCD趋稳值相同且大于1，第4等级水权趋稳值小于不采用时序配置方式时的SDCD趋稳值，第4-1和4-2级具有不同的趋稳值。上述结果表明，在短期内，闸门水权等级在两种流程中都会影响植被生长状况，但在长期，闸门水权等级仅在流程2中才会影响植被生长状况。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明，对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。