[发明专利]考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源调控方法

权利要求书

1.考虑气候变化对地下水环境影响的灌区水资源调控方法，其特征在于，包含如下步骤：

S1：基础数据收集：

S1中基础数据包括：

气象水文数据包括有效降雨量、灌溉水利用系数、作物需水量；

社会经济数据包括作物价格、种植成本、灌溉面积、作物水分生产力、单位面积的化肥用量、单位面积的农药用量、单位面积的农机用量、单位面积的农膜用量、沿程水头损失、单位管长水头损失、计算管段的长度、管粗糙率、管段流量、地下水埋深H、泵站效率、沿途损失；

环境数据包括地下水现存水量、降雨补给地下水量、地表水补给地下水量、水汽凝结量、地下水蒸发量、地表水携带地下水流出量、年水位变幅、含水层介质、地形坡度、包气带介质、含水层渗透系数；

S2：构建作物的经济效益函数，量化收获的作物售卖所得效益减去种植过程中的成本花费，得到最终的净经济效益；

S2中，经济效益函数为：

maxF_NB＝max(R-C_cos)

F_NB是净收益的目标函数，元；R是作物收益，元；C_cos是作物种植成本，元；

式中，PC_k是农作物k价格，元/kg；YA_ik是灌区i中作物k的单位面积产量，kg/hm²；A_ik是k作物在i灌区的种植面积，hm²；

C_cos＝ECF+WCF

式中，sur是地表水上标；gro是地下水上标；ECF是作物的总种植成本，元/hm²；WCF是作物的用水成本，元；δ_k是种植单位面积作物k所需成本，元/hm²；WP_i^sur是地表水价格，元/m³；WP_i^gro是地下水价格，元/m³；

S3：构建水资源能量消耗函数，量化地表水和地下水在取水和输入到田间过程中能量的消耗；

S3中，所述水资源能量消耗函数为：

h_fik＝q×L

i＝10.294×n²×Q²÷d^5.333

式子，和是地表水和地下水的输水耗能值，kWh；是地表水的输水质量，kg；g是重力加速度，N/kg；h_fik是沿程水头损失，m；q是单位管长水头损失，m/m；L是计算管段的长度，m；n是粗糙率；Q是管段流量，m³/s；d是管道内径，m；

式中，H是地下水埋深；ε_ik是泵站效率，％；

S4：构建地下水利用量函数，量化地下水供需平衡，最大限度节约地下水的开采和使用；

S4中，所述地下水利用量函数为：

式中，W_ik是地下水现存水量，m³；P_ik是降雨补给地下水量，m³；M_ik是地表水补给地下水量，m³；Z_ik是水汽凝结量，m³；MO_ik是地表水携带地下水流出量，m³；ZO_ik是地下水蒸发量，m³；η是农用地下水比例；

P_ik＝P×A_ik×α

式中，α是年平均降水入渗系数；

S5：构建水资源利用效率函数，量化水资源利用量与作物产量之间的关系；

S5中，所述水资源利用效率函数为：

S6：设定模型边界：模型边界约束条件包括地表水可利用量约束、地下水可利用量约束、粮食供给约束、灌溉定额约束和决策变量不应为负约束；

S6中，所述地表水利用量约束：

式中，SWA_i是各个地区地表可供水量，m³；η^sur是地表水利用效率；r是河流调水比例；Q是地表总可供水量，m³；

所述地下水利用量约束：

式中，GWIA_i是灌区i的地下水可供水量，m³；η^gro是地下水利用效率；β_ik是各个地区地下水评价指标贡献率；TGWA是农业灌溉地下水总量，m³；

所述粮食供给约束：

式中，PO_i是分区的人口；FD是粮食需求，kg/人；

所述灌溉定额约束为：

式中，IQ_min和IQ_max是作物允许灌溉的最小定额和最大定额；

决策变量不应为负约束为：

S7：构建地下水评价指标体系，指标体系的构建考虑了水量评价、质量评价和脆弱性评价3项一级指标，其中包括：地下水开采率、地下水水质综合评价、地下水埋深H、含水层净补给量R、含水层介质A、地形坡度T、包气带介质I、含水层渗透系数C这8项二级指标；

将得到的3个一级指标和8个二级指标的评分情况进行贡献率的求解，公式如下：

式中，n是二级指标索引，n＝1...8；V_in是不同地区各项贡献率得分；

S7中，地下水开采率模型为：

S8：构建贝叶斯网络，通过降水量和温度预测含水层净补给量；通过爬山法学习贝叶斯网络结构，查看各个变量的相关强度，通过黑白表格调整贝叶斯网络结构；利用极大似然法进行参数学习；进行贝叶斯推理，确定各个参数的后验概率分布，并求得各个变量对径流量影响的概率密度；通过RCP4.5和RCP8.5的两种情景的降水量和温度，预测气候变化条件下含水层净补给量的变化，将其输入到构建的地下水评价体系，得到气候变化条件下的灌区水资源节能高效调控方案。