引洮受水區(qū)水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置研究

王興宗，張隴娟，張 亮

引洮受水區(qū)水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置研究

王興宗，張隴娟，張 亮

(中共定西市委黨校，甘肅 定西 743000)

水資源；供需平衡；多目標(biāo)優(yōu)化配置；引洮受水區(qū)

甘肅省引洮工程通水后，其受水區(qū)的水資源匱乏狀況將得到極大改善，如何高效合理地利用水資源是該區(qū)域亟待解決的重要課題。在對當(dāng)?shù)厮Y源供需狀況全面預(yù)測的基礎(chǔ)上，建立受水區(qū)家庭、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、建筑業(yè)、生態(tài)六大用水戶水資源綜合效益最大化多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，采用多目標(biāo)規(guī)劃法進(jìn)行求解，得到7種水資源配置方案，并對各方案進(jìn)行分析，以期為促進(jìn)受水區(qū)水資源利用效益的最大化和經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供決策依據(jù)。

引洮工程是甘肅省大型跨區(qū)域調(diào)水工程，受水區(qū)包括位于甘肅中部的安定、隴西、臨洮、通渭、榆中、會寧、靜寧、渭源、武山、甘谷、秦安等11個國家扶貧開發(fā)工作重點縣，涉及155個鄉(xiāng)鎮(zhèn)330多萬人。工程致力于解決該區(qū)域城鄉(xiāng)家庭用水、工業(yè)用水、生態(tài)環(huán)境用水、農(nóng)業(yè)灌溉用水，緩解水資源供需矛盾，改善家庭供水條件及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，基本改變區(qū)域水資源極度緊缺的局面[1]。通水后該區(qū)域水資源量將得到極大補(bǔ)充，但要為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供可靠的供水保障，讓有限的水資源得到可持續(xù)利用，最大限度地發(fā)揮綜合效益，還需要進(jìn)一步對水資源的高效配置進(jìn)行研究。

水資源的開發(fā)利用具有多目標(biāo)、多層次屬性，各用水戶在用水?dāng)?shù)量、方式上相互制約，在水資源有限的情況下，區(qū)域發(fā)展過程中生產(chǎn)、家庭、生態(tài)等各項用水效益的最大化目標(biāo)互不相容，一個用水戶目標(biāo)的實現(xiàn)往往伴隨著另一些用水戶目標(biāo)的削弱。因此，在對區(qū)域水資源進(jìn)行優(yōu)化配置時，還需從全局出發(fā)，統(tǒng)籌安排，權(quán)衡各用水戶利益及區(qū)域發(fā)展需要，選擇適合的配置方案，以達(dá)到用水系統(tǒng)的最優(yōu)化。

1 水資源供需平衡分析

1.1 經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r與需水量預(yù)測

對未來需水量合理的預(yù)測和估算是進(jìn)行水資源合理配置的前提和重要組成部分。以2015年為現(xiàn)狀年，采用定額法對2020年受水區(qū)六大用水戶即家庭用水、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、建筑業(yè)用水、服務(wù)業(yè)用水、生態(tài)用水的需水情況進(jìn)行預(yù)測(表1)。定額法是根據(jù)區(qū)域發(fā)展現(xiàn)狀和規(guī)劃對用水戶發(fā)展指標(biāo)(產(chǎn)值、人口)和用水定額進(jìn)行預(yù)測，從而得出各用水戶的需水量。

表1 2020年引洮工程受水區(qū)六大用水戶需水情況

1.1.1 家庭需水量預(yù)測

家庭需水主要包括城鄉(xiāng)居民生活用水和農(nóng)村牲畜用水。家庭需水量與人口數(shù)量、城鎮(zhèn)化程度、用水定額、居民生活習(xí)慣等有關(guān)，需水量最終由人口數(shù)量與用水定額兩個因素決定。人口數(shù)量根據(jù)受水區(qū)人口基數(shù)和“十三五”規(guī)劃人口增長率7‰推算。目前，受水區(qū)城鎮(zhèn)化率在25%左右，并處于快速城鎮(zhèn)化階段，預(yù)計到2020年受水區(qū)城鎮(zhèn)化率可達(dá)到42%。城鄉(xiāng)生活用水定額參考引洮一期工程初設(shè)報告確定，城鎮(zhèn)生活用水為100～130 L/(人·d)，農(nóng)村生活用水為40～60 L/(人·d)，大牲畜為35～42 L/(頭·d)，小牲畜為5.8～7.5 L/(頭·d)，結(jié)合規(guī)劃目標(biāo)，2020年家庭需水量最大值和最小值分別為15 542.486萬、20 925.855萬m3。

1.1.2 農(nóng)業(yè)需水量預(yù)測

農(nóng)業(yè)用水量會隨著作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)水設(shè)施使用、灌溉設(shè)施完善、灌溉制度調(diào)整而變化。工程通水后，受水區(qū)灌溉面積將達(dá)到15.744萬hm2。今后幾年受水區(qū)將繼續(xù)建設(shè)田間水利設(shè)施，改善渠灌，推廣地膜覆蓋，節(jié)水保墑，加大微灌、噴灌、管灌比例，降低灌溉定額。據(jù)測算，將綜合灌溉定額確定為3 150～3 450 m3/hm2，則2020年農(nóng)業(yè)需水量將會在49 593.600萬～54 316.800萬m3之間。

1.1.3 工業(yè)需水量預(yù)測

工業(yè)需水定額以萬元工業(yè)增加值取水量作為指標(biāo)。今后幾年將是受水區(qū)完成從初步工業(yè)化向工業(yè)化更高水平邁進(jìn)的重要階段，將通過調(diào)整工業(yè)結(jié)構(gòu)布局，大力開發(fā)和推廣節(jié)水工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，提高水的重復(fù)利用率。2020年萬元增加值取水量將由目前的110 m3/萬元降到40～50 m3/萬元，因此將工業(yè)需水量確定為8 812.360萬～11 015.451萬m3。

1.1.4 建筑業(yè)需水量預(yù)測

受水區(qū)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，推進(jìn)了建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展。建筑業(yè)一直是耗水大戶，用水定額也較大，為80～90 m3/萬元，據(jù)預(yù)測到2020年受水區(qū)建筑業(yè)的總產(chǎn)值將達(dá)到1 178 748.800萬元，需水量在9 429.990萬～10 608.739萬m3之間。

1.1.5 服務(wù)業(yè)需水量預(yù)測

受水區(qū)服務(wù)業(yè)發(fā)展相對不足，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)層次較低，主要以交通運輸、商貿(mào)流通、餐飲服務(wù)為主。未來隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，現(xiàn)代物流、金融保險、科技教育、文化旅游等新興服務(wù)業(yè)將得到大力發(fā)展。這些行業(yè)屬于耗水量較少的行業(yè)，將其用水定額確定為10～20 m3/萬元，預(yù)計2020年實現(xiàn)產(chǎn)值4 461 673.280萬元，需水量為4 461.673萬～8 923.347萬m3。

1.1.6 生態(tài)需水量預(yù)測

長期以來，受氣候、環(huán)境、水資源條件等多方限制，受水區(qū)生態(tài)環(huán)境極差，水土流失嚴(yán)重，引洮工程的實施將極大地促進(jìn)受水區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)。根據(jù)受水區(qū)的生態(tài)治理目標(biāo)，今后幾年退耕還林還草力度將會加大，林草覆蓋率將從24%逐步提高到30%，甚至35%以上[2]，長期困擾當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境問題將得到基本解決。預(yù)計，2020年牧草地和林地的灌溉定額分別為2 700～3 000、3 150～3 510 m3/hm2，面積分別為0.610萬、1.781萬hm2，生態(tài)總需水量為7 257.150萬～8 081.310萬m3之間。

1.2 水資源開發(fā)潛力與供水量預(yù)測

2020年引洮二期工程實現(xiàn)通水后，受水區(qū)的主要供水水源將來自4個方面，即當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水和外調(diào)水、回收利用的中水。到2020年，當(dāng)?shù)刈援a(chǎn)水資源總量為48 200萬m3，其中地表水資源量44 000萬m3、地下水資源量4 200萬m3，自產(chǎn)可利用水資源總量39 100萬m3，其中地表水資源可利用量35 200萬m3、地下水可開采量3 900萬m3[3]。目前，受水區(qū)本地水資源開發(fā)利用程度已達(dá)57%，尤其是地下水超采現(xiàn)象更甚，進(jìn)一步開發(fā)的潛力很小。2020年外調(diào)水55 000萬m3，主要供水對象是城鄉(xiāng)居民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)修復(fù)，能夠顯著增強(qiáng)區(qū)域供水能力。開展污水處理、對中水回收利用是增強(qiáng)水資源供給潛力的重要途徑。按照區(qū)域污水排放情況，可在受水區(qū)興建污水處理廠，收集家庭、工業(yè)、建筑業(yè)污水，按照70%的回收利用率處理后，再用于工業(yè)和建筑業(yè)。此外，在開發(fā)潛力既定的條件下，可采用節(jié)水技術(shù)和節(jié)水設(shè)施減少水資源的浪費以增加水資源的供給能力。

總體上，實現(xiàn)通水后，受水區(qū)在水資源的總量上能夠?qū)崿F(xiàn)供需平衡，但在水資源利用系統(tǒng)內(nèi)部如何實現(xiàn)各目標(biāo)之間的平衡，還應(yīng)對水資源在各用水戶之間的配置做進(jìn)一步研究。

2 水資源多目標(biāo)決策分析

受水區(qū)水資源優(yōu)化配置的目標(biāo)是家庭、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)、服務(wù)業(yè)和生態(tài)六大類用水戶綜合效益最大化，并保持系統(tǒng)的協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展，其模型為

maxF(x)=max[f1(x),f2(x),…,f6(x)] (x≥0)

(1)

G(x)≤0

(2)

上式中：F(x)為水資源總效益；f1(x)，f2(x)，…，f6(x)為6個用水戶的用水效益目標(biāo)；x為決策變量；G(x)為對系統(tǒng)起約束作用的約束條件集，G(x)≤0是其在模型中的最優(yōu)表達(dá)形式。

在對各用水戶用水效益進(jìn)行折算時，均以單位工業(yè)用水效益為基準(zhǔn)[4]，根據(jù)其他用水戶用水量與效益的關(guān)系確定其單位用水效益，按照各用水戶的社會效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益，以發(fā)展目標(biāo)、人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)實力為準(zhǔn)則，用層次分析法或德爾菲法確定用水效益系數(shù)[5-6]。

2.1 用水效益目標(biāo)函數(shù)

2.1.1 工業(yè)用水效益

單位工業(yè)用水效益采用產(chǎn)值分?jǐn)偡椒?，計算公式?/p>

Bg=β(q1/W)/q1=β/W

(3)

式中：Bg為單位工業(yè)用水效益；β為工業(yè)供水效益分?jǐn)傁禂?shù)；q1為工業(yè)用水量；W為工業(yè)萬元產(chǎn)值用水量，取40 m3/萬元。

2.1.2 其他用水戶用水效益

建筑業(yè)用水效益按照工業(yè)用水效益確定，其他4個用水戶以單位工業(yè)用水效益(Bg)為基準(zhǔn)，根據(jù)用水分配水量占需水量的不同比例，通過層次分析法或德爾菲法確定其比例系數(shù)γj、βj, 再乘以Bg得到其用水效益函數(shù)，計算公式為

fj(x)=

(4)

式中：Qjmin、Qjmax分別為用水戶j的最小、最大需水量，根據(jù)規(guī)劃的發(fā)展目標(biāo)確定；qj為用水戶j實際分配水量；γj、βj分別為用水戶j的用水效益折算系數(shù)，家庭、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、生態(tài)4個用水戶的折算系數(shù)分別為γ2=1.70、β2=0.4，γ3=1.1、β3=0.2，γ4=1.4、β4=0.6，γ6=1.2、β6=0.8[7]。

2.2 約束條件

(1)不同水源約束條件為

(5)

式中：xij為第i個供水源為用水戶j的供水量；Q為所有水源的總供水量。

(2)供水能力約束條件為

(6)

式中：Qi為第i個供水源供水量，i=1、2、3、4，分別為地表水、地下水、外調(diào)水和中水。

(3)各用水戶取水量約束條件為

(7)

(4)決策變量非負(fù)約束條件為

xij≥0

(8)

2.3 決策變量

根據(jù)受水區(qū)4種水源的水質(zhì)和水量特點，選擇不同供水水源，得到其決策變量，見表2。

表2 決策變量

2.4 效益函數(shù)

(1)工業(yè)和建筑業(yè)效益函數(shù)。按照公式(3)計算工業(yè)和建筑業(yè)單位用水效益，分別為Bg=27.500元/m3，B5=13.800元/m3，乘以決策變量得到效益函數(shù)，即：工業(yè)用水效益最大，maxf1(x) =27.500(x1+x2+x3+x4)；建筑業(yè)用水效益最大，maxf5(x) =13.800(x12+x13+x14)。

(2)其余4個用水戶效益函數(shù)。將表1中家庭、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)和生態(tài)用水的最大、最小需水量數(shù)據(jù)帶入公式4(因水量分配不能超過各用水戶需水量的上、下限，故取Qjmin

2.5 優(yōu)化配置模型求解

根據(jù)水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置多約束、多關(guān)聯(lián)、規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，模型求解采用改進(jìn)的目標(biāo)規(guī)劃法，利用Matlab軟件優(yōu)化工具箱函數(shù)fgoalattain[8]，編制引洮受水區(qū)六大用水戶水資源優(yōu)化配置程序，目標(biāo)值取各用水戶最大需水量下的相應(yīng)目標(biāo)，權(quán)重按相應(yīng)目標(biāo)值確定，按照方案的側(cè)重點賦予不同的初始值，運行得到7種配置方案，見表3、4。

方案1是基準(zhǔn)方案，將4種水源平均分配給6個用水戶，賦初始值為平均值，經(jīng)模型運算后得到。該方案的總效益是7種方案中最大的，但依據(jù)前文各用水戶的需水量情況，水量平均分配后，家庭用水和農(nóng)業(yè)用水的最小需水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足，而其余4個用水戶在保證最大需水量的情況下，所配水量仍有結(jié)余，盡管總效益最大，但水資源的配置不合理。因此，該方案不具有參考價值。

方案2、4、5、6側(cè)重于優(yōu)先滿足各產(chǎn)業(yè)用水，4種方案都側(cè)重體現(xiàn)水資源配置的經(jīng)濟(jì)效益。其中，方案5，即優(yōu)先滿足服務(wù)業(yè)用水的情況下，總效益實現(xiàn)最大化，其余方案總效益大小排序依次為優(yōu)先滿足工業(yè)用水效益(方案2)、農(nóng)業(yè)用水效益(方案4)、建筑業(yè)用水效益(方案6)。由于工業(yè)和建筑業(yè)均屬第二產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)層次更高，因此水資源發(fā)揮的效益也更大。對受水區(qū)而言， 配水效益最大的服務(wù)業(yè)和工業(yè)發(fā)展都不足，要提升受水區(qū)水資源配置的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)當(dāng)提升本地產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)層次。農(nóng)業(yè)配水效益雖然較低，但因其基礎(chǔ)性和所占份額較大，今后一段時間內(nèi)，仍然是水資源分配的傾斜對象。側(cè)重建筑業(yè)用水的總效益最低，按照受水區(qū)的實際和國家去庫存的政策導(dǎo)向，可適當(dāng)降低其發(fā)展速度。

表3 引洮工程受水區(qū)水資源優(yōu)化配置結(jié)果 萬m3

表4 引洮工程受水區(qū)水資源優(yōu)化配置效益 億元

方案3側(cè)重于家庭用水，其總效益要低于側(cè)重工業(yè)和服務(wù)業(yè)用水(方案2和5)的效益，但作為民生工程，調(diào)水的重要目的就是要改善受水區(qū)城鄉(xiāng)居民的用水條件，提升生活質(zhì)量。因此，家庭用水所體現(xiàn)的社會效益也足以引起決策者的重視。

方案7側(cè)重于生態(tài)用水，其總效益最小。因此，在通水前水資源極度短缺和單一追求經(jīng)濟(jì)利益的價值導(dǎo)向下，生態(tài)配水在受水區(qū)發(fā)展中考慮得較少，也造成了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境惡劣的現(xiàn)狀。實現(xiàn)通水后，水資源的分配中應(yīng)當(dāng)加大生態(tài)用水比例，努力修復(fù)生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)受水區(qū)的“綠色發(fā)展”。

3 結(jié)論與討論

(1)引洮受水區(qū)供需平衡測算結(jié)果表明，2020年工程完全通水后，受水區(qū)的水資源可以基本實現(xiàn)供需平衡，可為受水區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供較好的供水保證。但隨著人口數(shù)量不斷增加、居民生活質(zhì)量提升，以及工業(yè)化進(jìn)程的有效推進(jìn)，對水資源的要求將會更高，要支撐受水區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，還應(yīng)對水資源進(jìn)行科學(xué)管理，加大節(jié)水力度，提高水資源利用效率。

(2)通水后，受水區(qū)水資源總量仍然有限，并不能確保各用水戶均實現(xiàn)效益最大化的目標(biāo)。多目標(biāo)優(yōu)化配置中多個用水目標(biāo)不可能同時達(dá)到最優(yōu)，也就不存在唯一最優(yōu)解。因此，應(yīng)依據(jù)區(qū)域發(fā)展的需要，取舍各種用水效益，選擇適宜的配置方案。

(3)區(qū)域水資源的供需控制和優(yōu)化配置是一個復(fù)雜、動態(tài)的長期戰(zhàn)略。本研究所做的探討僅僅得到了初步成果，要增強(qiáng)對實踐的指導(dǎo)性，還應(yīng)做進(jìn)一步的完善，如：用水定額是否是實際配置定額；可供水量僅考慮氣候正常年份；水資源的配置是針對受水區(qū)全局提出的參考思路，對具體縣域的發(fā)展來說還應(yīng)開展具體研究。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

2016年甘肅省社科規(guī)劃項目(YB183)

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A

1000-0941(2017)09-0036-04

王興宗(1965—)，男，甘肅天水市人，副教授，學(xué)士，研究方向為區(qū)域經(jīng)濟(jì)與生態(tài)建設(shè)。

2017-03-15