水資源總量約束條件下瑪納斯河灌區(qū)水資源優(yōu)化配置

潘月,楊廣*,田浩,趙麗,李毅,李小龍,劉兵,黃洲,古力生木·安甫丁

(1. 石河子大學水利建筑工程學院,新疆 石河子 832003;2. 寒旱區(qū)生態(tài)水利工程兵團重點實驗室,新疆 石河子 832003;3. 西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院,陜西 楊凌 712100)

水資源優(yōu)化配置是采用科學手段結(jié)合用水需求,以公平、高效為基礎(chǔ),充分考慮水資源配置準則,將有限的水資源科學合理地分配到目標區(qū)域,以實現(xiàn)水資源高效利用[1].MAQSOOD等[2]在不確定條件下使用模糊隨機規(guī)劃法進行水資源系統(tǒng)配置,分析如何有效地得出穩(wěn)定的解決方案以及風險水平.FARHADI等[3]以灌溉缺水量最少、水量分配公平度最大和地下水下降最小為目標,使用MODFLOW地下水運動模型求解出水資源優(yōu)化分配方案.付銀環(huán)等[4]運用區(qū)間兩階段隨機規(guī)劃方法建立地表水和地下水聯(lián)合調(diào)度的灌區(qū)水資源優(yōu)化配置模型,以提高干旱/半干旱地區(qū)的水分利用率和減少農(nóng)業(yè)灌溉水量.吳丹等[5]綜合考慮城市水資源利用的經(jīng)濟、社會與生態(tài)環(huán)境效益,通過建立非線性多目標優(yōu)化模型,實現(xiàn)了城市水資源優(yōu)化配置.目前國內(nèi)研究多側(cè)重于水資源優(yōu)化配置模型的研究[6-7],從可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)對水資源配置后評價工作有待進一步深入,將后效性研究引入水資源優(yōu)化配置中對于科學合理地制定水資源配置方案具有重要意義.

瑪納斯河灌區(qū)位于中國西北內(nèi)陸干旱區(qū).隨著人類活動強度的增強、綠洲規(guī)模的擴大及城市化進程的加快,社會發(fā)展對水資源需求越來越大,灌區(qū)水資源緊缺壓力進一步增大.基于此,文中結(jié)合水資源總量約束條件構(gòu)建水資源優(yōu)化配置模型,以促進灌區(qū)水資源高效分配,緩解灌區(qū)缺水狀況,并使用LINGO語言進行模型求解,通過和諧性模糊綜合評價模型進行水資源配置效果評價,為區(qū)域水資源可持續(xù)利用提供基礎(chǔ)依據(jù),為瑪納斯河灌區(qū)規(guī)劃年水資源優(yōu)化配置提供和諧性方案參考.

1 研究方法

1.1 Lasso算法

最小絕對值收斂和選擇算子是一種可縮減變量集的正則化技術(shù),核心是利用L1范數(shù)稀疏性來解決回歸相關(guān)的懲罰優(yōu)化問題[8].

Lasso算法可以對一些不重要變量的系數(shù)進行壓縮,甚至將它們縮減為0來降低解釋變量矩陣的維數(shù).目標優(yōu)化問題可以表示為

(1)

式中:λLasso為Lasso算法的非負正則化參數(shù),用于調(diào)節(jié)懲罰項對模型的壓縮強度, 增大λLasso的值,則被壓縮的解釋變量數(shù)目增加,不重要變量的?h系數(shù)可以壓縮為0,從而去除冗余信息,避免維數(shù)詛咒問題;Yh為目標樣本的第h個回歸系數(shù);N為回歸系數(shù)總個數(shù);?0為常數(shù)項;P為特征維數(shù);?o為篩選出的第o個回歸系數(shù);Xho為樣本的第o個特征維數(shù);?h為篩選出的第h個回歸系數(shù).

圖1中Lasso算法曲線圖代表算法通過I=1下的懲罰函數(shù)來限制變量個數(shù)的情況,并優(yōu)先篩選掉一些不是特別重要的變量.其中,黃色正方形部分代表懲罰函數(shù)I=1;J(θ)代表突函數(shù);θ為參數(shù).

圖1 Lasso算法曲線

1.2 多目標水資源優(yōu)化配置模型

文中基于水資源總量約束條件構(gòu)建水資源優(yōu)化配置模型,以保障經(jīng)濟、社會和生態(tài)3方面和諧穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展[9-10].

1.2.1 目標函數(shù)

經(jīng)濟效益:將供水水源分配水量給用水戶所能帶來的最大凈效益表示為

(2)

社會效益:為了保證社會穩(wěn)定和諧發(fā)展,要盡量減少或避免缺水的情況,表示為

(3)

生態(tài)效益:令研究區(qū)內(nèi)排污后水體化學需氧量(chemical oxygen demand,COD)含量最小,表示為

(4)

1.2.2 約束條件

供水量約束為

(5)

需水量約束為

(6)

水質(zhì)約束為

(7)

非負約束為

(8)

1.3 熵值法-線性加權(quán)法

1.3.1 熵值法

熵值法計算步驟為分別選取2025年和2030年的J(k)個灌區(qū)用水戶,m個指標,則xjq為第j個用水戶的第q個指標的數(shù)值,j=1,2,…,J(k);q=1,2,…,m.

指標的歸一化處理:異質(zhì)指標同質(zhì)化.由于各項指標的計量單位并不統(tǒng)一,因此在計算綜合指標前,先要對它們進行標準化處理.由于正向指標和負向指標數(shù)值代表的含義不同,因此,對于高低指標采用不同的算法進行數(shù)據(jù)標準化處理.

具體方法中正向指標為

(9)

負向指標為

(10)

為了方便,歸一化后的數(shù)據(jù)仍記為

(11)

計算第q項指標下第j個用水戶占該指標的比重eq為

(12)

A=1/ln(J(k))>0,

(13)

式中:A為第q項指標的熵值.

計算信息熵冗余度dq為

dq=1-eq,

(14)

計算各項指標的權(quán)值wq為

(15)

計算各灌區(qū)用水戶的綜合得分sj為

(16)

1.3.2 線性加權(quán)法

由線性加權(quán)法構(gòu)造評價函數(shù),由熵值法求得加權(quán)因子Wq[11],即

(17)

(18)

1.4 水資源優(yōu)化配置和諧性模糊綜合評價

文中以何國華等[7]的研究為基礎(chǔ),從水資源系統(tǒng)、經(jīng)濟社會、生態(tài)系統(tǒng)3個方面出發(fā),選取9個具有代表性的指標反映區(qū)域水資源配置情況.

1.4.1 水資源優(yōu)化配置和諧性等級劃分

參考《中國水資源公報》《中國統(tǒng)計年鑒》等相關(guān)資料,將水資源配置的和諧性分為5個等級,分別對應(yīng)5個和諧標準,各評價指標的分級情況如表1所示.表中Ws為地表水資源量;Wg為地下水資源量;Wr為中水資源量;Vg為萬元工業(yè)增加值用水量;k為城鎮(zhèn)化率;Va為人均水資源量;γs為生活污水處理率;γg為工業(yè)污水處理率;γw為污水重復利用率.

表1 水資源配置和諧性各評價指標的分級標準

1.4.2 評價指標相對隸屬度確定

本研究的所有評價指標都屬于區(qū)間型指標,將在評價指標進行分級的基礎(chǔ)上,根據(jù)模糊數(shù)學原理,得其相對隸屬度函數(shù)為

(19)

式中:al1,al2分別為指標所在區(qū)間的上限值和下限值;y為指標值;l為第l個元素,l=1,2,…,n;s為第s個等級,s=1,2,…,m.

1.4.3 模糊綜合評價模型的建立

建立評價對象的因素論域U,U={u1,u2…,ul},其中u1,u2,…,ul表示評價對象因素論域中的元素;建立評語論域V,V={v1,v2,…,vs},其中v1,v2,…,vs表示評語論域中的元素;對評價對象的U和V之間進行單因素評價,建立模糊關(guān)系矩陣為

(20)

式中:rls為U中的第l個元素(ul)對應(yīng)V中的第s個等級(vs)的相對隸屬度.

水資源配置和諧性的模糊綜合評價模型為模糊關(guān)系矩陣R與熵值W的合成運算,即

B=(cs)1×m=RW,

(21)

2 實例研究

2.1 研究區(qū)概況

瑪納斯河灌區(qū)是典型中國西北歐亞大陸腹地的干旱/半干旱區(qū)域,降水少、蒸發(fā)量大、氣候干燥,屬典型大陸性干旱氣候[12],用水以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主,近30 a農(nóng)業(yè)用水占比約87.70%.隨著工業(yè)化和城市化進程的加快,工業(yè)用水比重不斷增加,占比由1990年的1.53%增加到2020年的4.90%,截至2020年,生活、生態(tài)用水也增加至7.4%.隨著區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展,灌區(qū)水資源供需矛盾日益突出,因此科學合理地配置灌區(qū)有限水資源量對保障灌區(qū)水資源持續(xù)利用及緩解用水沖突具有重要意義[13].

2.2 需水量預(yù)測結(jié)果

2.2.1 農(nóng)業(yè)用水

根據(jù)《第八師石河子市用水總量控制實施方案報告》,確定瑪納斯河灌區(qū)規(guī)劃年灌溉面積及灌溉定額數(shù)據(jù)如表2所示,表中S為灌溉面積;Q為灌溉定額.

表2 瑪納斯河灌區(qū)規(guī)劃年灌溉面積與灌溉定額

2.2.2 工業(yè)用水

隨著“國家節(jié)水行動方案”的實施和工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及用水水平的提高,工業(yè)用水定額逐步下降,預(yù)計2025年和2030年萬元工業(yè)增加值用水量分別下降至37,35 m3.將工業(yè)增加值(萬元)與萬元工業(yè)用水量相乘即可得到工業(yè)需水量分別為10 702.94萬m3,13 299.65萬m3.

2.2.3 生活用水

根據(jù)《第八師石河子市“十四五”期間水資源利用研究報告》中規(guī)劃年生活用水定額及管網(wǎng)漏損率數(shù)據(jù),瑪納斯河灌區(qū)規(guī)劃年人口數(shù)量、管網(wǎng)滲漏率和人均生活用水定額見表3—5,表中N為單位人口數(shù)量;Nt為總?cè)丝跀?shù)量;Ra為管網(wǎng)滲漏率;Qa為人均生活用水定額.通過365QaN/Ra即可得到生活需水量.其中,將規(guī)劃年瑪納斯河灌區(qū)管網(wǎng)滲漏率、人均生活用水定額按照城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村進行分層次劃分,以方便進行對應(yīng)劃分區(qū)域的生活需水量計算.

表3 預(yù)測瑪納斯河灌區(qū)規(guī)劃年人口數(shù)量

表4 瑪納斯河灌區(qū)管網(wǎng)滲漏率

表5 瑪納斯河灌區(qū)人均生活用水定額

2.2.4 生態(tài)用水

根據(jù)石河子市歷年《水利年報》及《石河子市城市總體規(guī)劃》得出瑪納斯河灌區(qū)2025年和2030年生態(tài)環(huán)境需水.通過Lasso算法和相關(guān)指標計算法可得規(guī)劃年四類用水需水量預(yù)測結(jié)果如表6所示,表中Da,Di,Dl,De分別表示農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)需水量.

表6 瑪納斯河灌區(qū)規(guī)劃水平年需水量預(yù)測

2.3 水資源總量控制指標

根據(jù)自治區(qū)人民政府《關(guān)于實行最嚴格水資源管理制度落實“三條紅線”控制指標的通知》(新政函〔2013〕111號)文件和《第八師石河子市用水總量控制實施方案報告》中確定瑪納斯河灌區(qū)規(guī)劃年供水計劃實施方案,“三條紅線”供水計劃如表7所示,表中Ss,Sg,So,St分別表示地表水、地下水、其他水供水量及總供水量.其中,三條紅線供水量計劃表按照規(guī)劃年瑪納斯河灌區(qū)中的石河子子灌區(qū)、莫索灣子灌區(qū)、下野地子灌區(qū)作為目標研究區(qū)域劃分,為了進行多目標水資源優(yōu)化配置模型的計算分析,將不同子灌區(qū)中不同類型的供水量分配情況進行詳細劃分,為后續(xù)模型計算提供研究基礎(chǔ).

表7 瑪納斯河灌區(qū)“三條紅線”供水計劃表

2.4 水資源供需平衡分析

對規(guī)劃年4類用水量與瑪納斯河灌區(qū)“三條紅線”供水量進行供需平衡分析.

2025年石河子灌區(qū)缺水3 819.24萬m3,莫索灣余水1 366.29萬m3,下野地灌區(qū)缺水1 802.42萬m3,瑪納斯河灌區(qū)總?cè)彼? 255.37萬m3.2030年石河子灌區(qū)缺水7 549.28萬m3,莫索灣缺水153.68萬m3,下野地灌區(qū)缺水2 703.61萬m3,瑪納斯河灌區(qū)總?cè)彼?0 406.57萬m3.需水量會隨著社會經(jīng)濟、人口增長逐年變化,為解決灌區(qū)規(guī)劃年用水量嚴重超指標這一問題,基于預(yù)測結(jié)果及水資源總量控制指標提出適合灌區(qū)水資源優(yōu)化配置的最佳方案.

2.5 構(gòu)建水資源優(yōu)化配置模型

文中選取農(nóng)業(yè)和工業(yè)效益參數(shù)、費用系數(shù)進行計算.

1) 效益參數(shù)及費用系數(shù)的確定

工業(yè)用水的效益系數(shù)采用工業(yè)總產(chǎn)值分攤方法,計算公式為

(22)

式中:b為工業(yè)用水效益系數(shù),元/m3;Q為工業(yè)萬元產(chǎn)值取水量,m3/萬元;β為工業(yè)用水效益分攤系數(shù),根據(jù)水利研究成果β取0.11.此外,農(nóng)業(yè)水利分攤系數(shù)取0.45;工業(yè)和農(nóng)業(yè)用水費用系數(shù)分別為4.74元/m3和0.50元/m3.

(23)

3) 生態(tài)環(huán)境相關(guān)參數(shù)

工業(yè)污水排放系數(shù)為0.75,生活污水排放系數(shù)為0.87.

4) 用水戶最小需水量

農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水最小需水量分別占實際需水量的75%,85%,95%和90%.

2.6 水資源優(yōu)化配置模型求解

2.6.1 確定經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益權(quán)重

計算出指標層各指標權(quán)重見圖2.

圖2 熵值法計算權(quán)重指標結(jié)果

2.6.2 優(yōu)化配置結(jié)果

規(guī)劃年水資源優(yōu)化配置方案如表8所示.表中Ua,Ui,Ul,Ue分別為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)用水量.

表8 瑪納斯河灌區(qū)2025年和2030年水資源優(yōu)化配置結(jié)果

經(jīng)過LINGO語言編寫的多目標規(guī)劃模型得到的水資源配置方案可滿足灌區(qū)用水需求且在灌區(qū)總水量約束范圍內(nèi).優(yōu)化后瑪納斯河灌區(qū)2025年和2030年用水總量分別降低5.88%和11.04%,水資源供需矛盾得到一定程度緩解.

2.7 水資源優(yōu)化配置和諧性評價結(jié)果

2.7.1 評價指標權(quán)重的確定

瑪納斯河灌區(qū)2025年和2023年水資源配置和諧性各評價指標的取值見表9,由表9計算可得規(guī)劃年9個評價指標的權(quán)重.

表9 瑪納斯河灌區(qū)2025年和2030年水資源配置和諧性各評價指標的取值

2.7.2 和諧性評價結(jié)果

由各評價指標的相對隸屬度建立模糊關(guān)系矩陣R,再由式(21)得到水資源配置和諧性評價矩陣B,最終得到和諧性評價結(jié)果如表10所示.

表10 瑪納斯河灌區(qū)2025年和2030年水資源配置和諧性評價結(jié)果

3 討 論

文中從預(yù)測灌區(qū)規(guī)劃年需水量、建立多目標水資源優(yōu)化配置模型、和諧性評價方面切入實例研究.

為協(xié)調(diào)區(qū)域配水問題,黃草等[14]認為以區(qū)域綜合缺水率最小為目標構(gòu)建水資源優(yōu)化配置模型可以滿足區(qū)域用水紅線要求.文中為保障瑪納斯河灌區(qū)綜合效益目標共同發(fā)展,建立的多目標水資源優(yōu)化配置模型更加具有適宜性與實踐性,這與吳凡[15]的研究結(jié)果一致.

為提升水資源配置評價的透明度,韓宇平等[16]采用模糊綜合評價法建立幸福河評價模型,研究幸福河指數(shù)需求層次.文中在此基礎(chǔ)上引入“和諧理論”,建立水資源配置和諧性模糊綜合評價模型,以判斷指標的和諧水平并得出評價結(jié)果.

4 結(jié) 論

1) 運用Lasso算法結(jié)合相關(guān)指標計算法預(yù)測瑪納斯河灌區(qū)規(guī)劃年4類用水需水量,并與規(guī)劃年供水指標進行供需平衡分析.

2) LINGO語言作為利用信息技術(shù)進行科學高效管理的有效工具之一,可以實現(xiàn)三大效益的有效結(jié)合.

3) 從可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā),建立評價模型,通過分析不同評價指標和諧度,判斷指標的和諧水平并得出評價結(jié)果.