唐山市水資源優(yōu)化配置研究

時玉濤

(河北省唐山水文勘測研究中心,河北 唐山 063000)

水是人類及其發(fā)展必不可少資源,也是維持生態(tài)平衡的關(guān)鍵因素之一[1-2]。然而由于受自然條件、經(jīng)濟社會發(fā)展、全球氣候變化等因素影響,世界大部分地區(qū)面臨著水資源供需失衡、水污染和水生態(tài)系統(tǒng)退化問題。研究顯示近50年來我國水資源總量減少了4%,水危機已成為影響國家經(jīng)濟社會發(fā)展的制約因素[3-4]。當(dāng)前我國不僅要保持合理經(jīng)濟發(fā)展速度,也要建設(shè)生態(tài)文明、確保糧食安全。如何有效協(xié)調(diào)關(guān)系,合理分配和優(yōu)化水資源供給已成為影響中國可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題[5-6]。唐山是北方工業(yè)重鎮(zhèn),也是現(xiàn)代半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展示范區(qū)。該地水資源配置面臨的首要問題是協(xié)調(diào)人與自然關(guān)系,即利用有限資源滿足經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境發(fā)展的需要。因此,加強統(tǒng)一管理,合理配置水資源,合理配置水源地,提高水資源利用效率,對促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

唐山位于燕山南側(cè)、渤海灣西北岸,介于117°31′～119°19’E、38°55′～40°28′N之間,總面積1.704萬 km2,海岸線229.7 km。地勢自北向南傾斜,有濱海平原、土石丘陵、山地地貌,海報在0～842 m(圖1)。境內(nèi)暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,多年平均氣溫12.5℃、年降水500～700 mm、日照時數(shù)2 600～2 900 h、無霜期180～190 d。區(qū)域地表、地下水資源量依次為146 200、136 900萬 m3,平均河川基流量為4.01億 m3。但由于該市密集人口(771.79萬)、聚集性重工業(yè)發(fā)展,對水資源用量產(chǎn)生巨大需求。在此背景下,唐山市水資源供需形勢嚴(yán)峻,有必要開展精確的水資源配置規(guī)劃。

圖1 唐山市地理概況

2 數(shù)據(jù)資料

本研究使用的數(shù)據(jù)保護自然環(huán)境與社會資料方面,其中人口、GDP、土地利用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來自《河北統(tǒng)計年鑒》《河北省水資源公報》,農(nóng)業(yè)、工業(yè)和居民用水?dāng)?shù)據(jù)從唐山稅務(wù)局獲取。

3 用水定額計算方法

基于水資源用途,本市用水劃分為:生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水。水資源優(yōu)化配置的關(guān)鍵在于科學(xué)評估用水配額,其前提是準(zhǔn)確核算耗水量。

(1)生產(chǎn)用水主要來自為農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水,則其耗水需求計算如下:

(1)

式中:WCAt,i表示第i種作物在t年耗水量;Areat,i為其種植面積、INt,i為第t年第i種作物的純灌溉定,URIWt,i為其相應(yīng)的灌溉系數(shù),取值介于0～1。

(2)工業(yè)水定額計算公式如下:

(2)

式中:WCIt,i為i縣t年用水量、ICIPt,i為t年度萬元工業(yè)產(chǎn)值用水定額;RRt,i工業(yè)用水回用率。

(3)生活用水量分為城市生活用水量、農(nóng)村生活用水量和牲畜用水量,由城鄉(xiāng)生活用水量可從實際統(tǒng)計中獲得,公式如下:

WCRt,i=NRt,i×WCNRt,i

(3)

式中:WCRt,i為第i類用戶在t年的總用水量;NRt,i為第t年第i類用戶總數(shù);WCNRt,i為第i類用戶在t年的生活用水定額。

(4)生態(tài)耗水分為自然生態(tài)耗水和人工生態(tài)耗水,其公式如下:

(4)

式中:WCCt,i為第i類植被在t年的生態(tài)耗水量;EAt,i為t年i類生態(tài)植被總面積;EWCt,i為t年i類生態(tài)植被的灌溉定額;UIEt,i為t年i類生態(tài)植被灌溉水利用系數(shù)。

若頂點在線段BC上方時，如圖4，將x=0代入拋物線得y=-3a，因為拋物線與線段BC恰有一個公共點，所以-3a>4，解得

4 水資源配置優(yōu)化方法

水資源在自然和社會系統(tǒng)中的分布直接影響著生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水(WPLE)的協(xié)同演化。WPLE 組件不僅密切相關(guān),而且還相互排斥,任一組件增減變化將影響其他組件存量,基于該理論,學(xué)者們開發(fā)了WPLE優(yōu)化配置框架,旨在通過線性綜合規(guī)劃確保用水定額最優(yōu)分配進而協(xié)調(diào)人地關(guān)系、實現(xiàn)發(fā)展可持續(xù)。參照Xu等人研究經(jīng)驗,設(shè)置水資源優(yōu)化配置的目標(biāo)函數(shù)式(4)～式(6):

(5)

(6)

(7)

式中:i∈I表示計算單元(縣數(shù));j為各縣WPLE(生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水)指數(shù);Qi為i縣的總用水量;Wi,jsupplyis、Wi,jdemand分別為i縣j指數(shù)的供水量為、用水量;Wiind、Wiagri縣工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水量轉(zhuǎn)化為工業(yè)、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的系數(shù);Wiagr、Wiind為第i縣農(nóng)業(yè)、工業(yè)耗水量;y1、y2、y3依次為環(huán)境、社會、經(jīng)濟目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)。

在此基礎(chǔ)上設(shè)置最小供水約束條件,如下:

βy,m,u,k≥min(βm,u,k)

(8)

(9)

式中:y,m,u,k表示計算單位u在第y年第k種用戶m時期供水保證率(%),相應(yīng)地Min (βm,u,k)為其最小供水保證率、Spy,m,u為供水量、Dy,m,u為耗水量。對于約束WPLE,則有:

min(Wym,j)≤Wgm,j≤max(Wym,j)

(10)

min(Wym,j)≤?gj≤max(Wym,j)

(11)

式中:j為用水量類型max(Wym,j)、min(Wym,j)分別為m時段內(nèi)WPLE的上、下限值。對于非約束,則有:

(12)

式中:Wi,j為第i縣j指標(biāo)供水下限。

對于上述約束條件,WPLE采用遺傳算法建立最優(yōu)分配模型。遺傳算法是一種模仿自然選擇理論的適應(yīng)性優(yōu)化算法,其計算單一個體適配值,選擇具有最佳適配值的個體進行遺傳算子(選擇、交叉和突變),直到產(chǎn)生了具有最大適配性的個體。文中使用Rstudio程序包進行了10折交叉驗證,對遺傳算法的關(guān)鍵參數(shù)種群大小、交叉率和突變率分別配置為50,0.3和0.02。

5 唐山市水資源優(yōu)化配置結(jié)構(gòu)

5.1 唐山市用水量估算結(jié)果

基于上述公式計算得到唐山市2021年總耗水量達186.5億 m3,其中農(nóng)業(yè)、工業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)環(huán)境用水量依次達96.24 m3、19.13 m3、27.82 m3、43.31億 m3,其用水結(jié)構(gòu)依次占51.60%、10.26%、14.92%、23.22%?？梢?農(nóng)業(yè)依然是該地用水最大需求,且集中在遷安、遵化等,地鑒于該地半濕潤的環(huán)境背景,有必要發(fā)展節(jié)水型灌溉農(nóng)業(yè),進而有效提升灌溉保證率和水資源利用效率,進而減少區(qū)域供水壓力。生態(tài)用水量次之,以灤南、樂亭、遵化、遷西等地居多,其是唐山地區(qū)生態(tài)中心,承擔(dān)著水源涵養(yǎng)、綠水青山減少任務(wù),保障該地生態(tài)用水供應(yīng)極有必要。從工業(yè)用水估算結(jié)果來看,曹妃甸地區(qū)最高,也證明該地用水壓力大。

5.2 唐山市用水量優(yōu)化配置結(jié)果

基于研究區(qū)人口、經(jīng)濟和自然生態(tài)區(qū)發(fā)展背景,設(shè)置了三種情景模式:經(jīng)濟效益優(yōu)先、社會效益優(yōu)先、生態(tài)效益優(yōu)先,在每一情景模式下對另外兩個約束目標(biāo)的權(quán)重設(shè)定依次為0.45、0.55。經(jīng)計算程序參數(shù)配置后運算得到三種情景下水資源配置,其結(jié)果見表2～表4。如表2和表1所示,在經(jīng)濟優(yōu)先模式下,對工農(nóng)業(yè)用水支持力度會提高,相應(yīng)地會擠壓生活用水量并減少生態(tài)用水配置。就各市區(qū)而言,對曹妃甸、路北區(qū)用水結(jié)構(gòu)影響最大,相應(yīng)地工業(yè)用水量增加了而生活用水量減少了。在這種情況下,提升單位GDP耗水量是優(yōu)化水資源配置的關(guān)鍵因素。此時,唐山市其中農(nóng)業(yè)、工業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)環(huán)境用水量依次達75.15 m3、24.81 m3、34.60 m3、52.39 1億 m3,其用水結(jié)構(gòu)依次占40.20%、13.27%、18.51%、28.02%,并產(chǎn)生了1.95億 m3的用水缺口。

表1 唐山市耗水量定額估算 億m3

表2 經(jīng)濟優(yōu)先模式下唐山市耗水量定額估算 億 m3

社會效益模式下,唐山市用水配置具體如表3。與經(jīng)濟優(yōu)先模式相比,該情景加強了居民生活質(zhì)量,然而導(dǎo)致社會用水量達35.84億 m3,升高了1.15%。相應(yīng)地,社會效益條件下水資源配置總量為187.74億 m3,將產(chǎn)生2.24億 m3的用水缺口,將進一步惡化供水平衡;其中農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生態(tài)用水配置量依次為75.09 m3、24.63 m3、52.19億 m3,依次變化了1.13%、1.63%、-3.59%。

表3 社會效益優(yōu)先模式下唐山市耗水量定額估算 億 m3

在生態(tài)效益優(yōu)先的情景下(表4),唐山市WPLE用水配置具體如表3。其總用水量達185.14億 m3,產(chǎn)生的盈余為0.46億 m3,表該情景下會減少供水壓力且促進生態(tài)環(huán)境建設(shè)。用水結(jié)構(gòu)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)用水配置量依次為73.13 m3、23.60 m3、33.07 m3、55.34億 m3,依次占比為39.50%、12.75%、17.86%、29.89%;相應(yīng)地該情景條件下農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活分別減少了0.12%、1.25%、4.53%,而生態(tài)用水增加了3.66%。從分縣區(qū)來看,曹妃甸、玉田、遷西等地生態(tài)用水比重增加最大,達5.42 m3、4.78 m3、5.88億 m3,相應(yīng)地其農(nóng)業(yè)用水量有所減少,依次為2.49 m3、1.76 m3、4.53億 m3。

表4 生態(tài)效益優(yōu)先模式下唐山市耗水量定額估算 億 m3

6 結(jié)語

本文使用WPLE框架根據(jù)唐山市水資源資源方向差異,設(shè)計了區(qū)域水資源優(yōu)化配置算法,使用遺傳算法優(yōu)化多目標(biāo)函數(shù),結(jié)果表明:(1)WPLE結(jié)合遺傳算法方案具有良好收斂性,為解決多目標(biāo)綜合決策問題提供新方法。(2)設(shè)計了社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益優(yōu)先模式下水資源配置方案,符合不同政策性傾向需要,有助于落實該市階段性目標(biāo); 通過WPLE配置,可滿足保持經(jīng)濟合理發(fā)展同時,穩(wěn)定居民用水需求、保障生態(tài)供水。