云南文山州區(qū)域水資源優(yōu)化配置計(jì)算分析

崔東文

（云南省文山州水利學(xué)會(huì)，云南 文山 663000）

0 引言

水資源優(yōu)化配置是指在流域或特定區(qū)域范圍內(nèi)，以水資源安全和可持續(xù)利用為目標(biāo)，遵循公平、高效和環(huán)境完整性原則，通過(guò)各種工程與非工程措施，對(duì)多種可利用水資源在各區(qū)域和部門(mén)之間進(jìn)行科學(xué)分配，協(xié)調(diào)和處理水資源天然分布與生產(chǎn)力布局的相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)流域或區(qū)域水資源永續(xù)利用和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

目前，水資源配置理論主要有以需定供、以供定需和基于宏觀經(jīng)濟(jì)與可持續(xù)發(fā)展的水資源優(yōu)化配置等。 在水資源優(yōu)化配置中，由于通常比較關(guān)注將水資源按一定的需求比例分配給各需水部門(mén)，而對(duì)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、水資源的邊際成本等考慮不完全，因而缺乏有效的利益補(bǔ)償和激勵(lì)機(jī)制，妨礙了節(jié)水水平和水資源利用效率的進(jìn)一步提高，在一定程度上造成水資源整體配置的不合理[1]。 本文依據(jù)《文山州水資源綜合規(guī)劃報(bào)告》的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益多目標(biāo)的結(jié)合上，建立了基于最大經(jīng)濟(jì)效益的水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，并以文山州在不同規(guī)劃水平年、不同保證率情況下的水資源優(yōu)化配置為對(duì)象，進(jìn)行計(jì)算分析，旨在為文山州水資源優(yōu)化配置提供參考和決策依據(jù)。

1 文山州概況

文山州位于云南省東南部，東鄰廣西，北接曲靖，西與紅河州毗鄰，南與越南接壤，總面積31 456 km2，轄文山、硯山、西疇、麻栗坡、馬關(guān)、丘北、廣南、富寧8 縣。 其中部呈西東方向隆起的地帶把全州分為北南兩半，北半部屬珠江流域，面積17 144 km2,占全州面積的54.5%；南半部屬紅河流域，面積14 312 km2，占全州面積的45.5%。境內(nèi)干、支河流、溝溪眾多，流域面積大于50 km2的河溪共139 條，分屬珠江水流域西江水系和紅河流域?yàn)o江水系。

文山州地處低緯度高原季風(fēng)氣候區(qū)域，水資源總量豐富。 根據(jù)1959～2005 年水文資料，該區(qū)年平均降雨量為379.95 億m3，多年平均徑流深為501 mm，多年平均水資源總量157.7 億m3， 水資源可利用量49.7 億m3。 全州人均水資源占有量為5 303m3，略高于全省平均水平。 在現(xiàn)狀條件下，各類(lèi)水利工程年設(shè)計(jì)供水能力9.02 億m3，實(shí)際供水達(dá)7.42 億m3[2]。

2 文山州區(qū)域水資源優(yōu)化配置模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)成

水資源優(yōu)化配置涉及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)環(huán)境等多個(gè)決策主體，是典型的多目標(biāo)決策問(wèn)題[3～4]。 本文基于水資源經(jīng)濟(jì)效益最大化的思想，建立以水資源經(jīng)濟(jì)效益最大化、生態(tài)用水量得到最大滿(mǎn)足和缺水量最小為目標(biāo)函數(shù)的水資源優(yōu)化配置模型，并以生存條件約束、承載力約束和用水公平性約束等作為約束空間，以平衡各部門(mén)的經(jīng)濟(jì)用水量。 在建模過(guò)程中，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展、優(yōu)先保證生活和生態(tài)用水、用水經(jīng)濟(jì)效益最大化3 條基本原則。

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)區(qū)域水資源的特點(diǎn)以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源的需求，建立如下以經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益為目標(biāo)的水資源優(yōu)化配置子模型。

（1）經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。 區(qū)域用水產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益最大，即

式中：xkij為水源i 向k 子區(qū)j 用戶(hù)的供水量，萬(wàn)m3；bkij為水源i 向k 子區(qū)j 用戶(hù)的單位供水量效益系數(shù)， 元/m3；ckij為水源i 向k 子區(qū)j 用戶(hù)的單位供水量費(fèi)用系數(shù)，元/m3。

（2）生態(tài)目標(biāo)。 區(qū)域生態(tài)用水量得到最大滿(mǎn)足，即

式中：Dks為k 子區(qū)生態(tài)需水量，萬(wàn)m3。

（3）社會(huì)目標(biāo)。 區(qū)域缺水量之和最小，即

式中：Dkj為k 子區(qū)j 用水戶(hù)的總需水量，萬(wàn)m3。

2.1.2 約束條件

（1）可供水量約束。供水量必須在供水工程的供水能力范圍內(nèi)，同時(shí)不超過(guò)水資源的利用潛力，即

式中：Wki為k 子區(qū)水源i 的可供水量，萬(wàn)m3。

（2）生存條件約束。 水資源凈效益供水量和水環(huán)境質(zhì)量必須滿(mǎn)足人們生存的最低需求。 約束主要是為了保證各部門(mén)用水量的平衡，避免水量在用水效益較高的部門(mén)過(guò)分集中，而使用水效益較低的部門(mén)只分配到很少的水量，甚至分配不到水量。 生存條件約束主要包括生活需水量約束、生態(tài)需水量約束、農(nóng)業(yè)需水量約束、工業(yè)需水量約束。

生活需水量約束是優(yōu)先保證生活用水，即

式中：D1上、D1下分別為生活需水上下限，萬(wàn)m3；D1為生活需水量，萬(wàn)m3。由于生活需水是首先要保證項(xiàng)，因此，D1下=D1上=D1。

生態(tài)需水量約束是保證環(huán)境質(zhì)量不遭破壞，即

式中：D2下為生態(tài)需水量下限， 萬(wàn)m3；D2上為生態(tài)需水量上限，萬(wàn)m3。

農(nóng)業(yè)需水量約束是保證糧食用水安全，即

式中：D3下為農(nóng)業(yè)需水量下限， 萬(wàn)m3；D3上為農(nóng)業(yè)需水量上限，萬(wàn)m3。

工業(yè)需水量約束，即

式中：D4下為工業(yè)需水量下限，萬(wàn)m3；D4上為工業(yè)需水量上限，萬(wàn)m3。

2.2 模型求解

如上建立的區(qū)域水資源優(yōu)化配置模型是一個(gè)十分復(fù)雜的多目標(biāo)線(xiàn)性?xún)?yōu)化模型。 多目標(biāo)數(shù)學(xué)模型的求解有兩種方法，一種是將多目標(biāo)模型轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)模型，另一種是把其中的一個(gè)目標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，將其他目標(biāo)變?yōu)榧s束條件。 本文采用第二種方法求解。 根據(jù)水資源優(yōu)化配置的基本原則，結(jié)合文山州區(qū)域水資源實(shí)際情況，以水資源經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)先保證和滿(mǎn)足生活和生態(tài)用水，并以其他項(xiàng)為約束條件。 在用水部門(mén)效益系數(shù)和費(fèi)用系數(shù)的制約下（見(jiàn)下表1），水資源優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型如下：

采用MATLAB 軟件中線(xiàn)性規(guī)劃linprog 函數(shù)對(duì)模型進(jìn)行求解[5-6]。

3 文山州區(qū)域水資源優(yōu)化配置計(jì)算結(jié)果及分析

利用建立的水資源優(yōu)化配置模型，通過(guò)計(jì)算，可以得到文山州區(qū)域不同規(guī)劃水平年、 不同保證率情況下的水資源優(yōu)化配置方案。 配置結(jié)果見(jiàn)表2～表4。

分析表2～表4，可以得出以下結(jié)論。

（1）2005 規(guī)劃水平年，在不同保證率情況下，文山州均存在缺水現(xiàn)象。 在50%保證率下，農(nóng)業(yè)用水出現(xiàn)18.1%的缺水，缺水量達(dá)18 208 萬(wàn)m3，水資源最大經(jīng)濟(jì)效益達(dá)115 億元，其他部門(mén)供水均得到保證，總?cè)彼蕿?5.6%；在75%和90%保證率年份，工業(yè)和農(nóng)業(yè)均出現(xiàn)不同程度缺水， 缺水率分別為20.6%、33.7%和40.0%、55.4%，水資源最大經(jīng)濟(jì)效益為100 億元和89.9 億元，總?cè)彼蕿?5.7%和50.1%，缺水較為嚴(yán)重。

表1 文山州不同水平年各用水部門(mén)供水效益系數(shù)和費(fèi)用系數(shù) 單位：元/m3Table 1 Water delivery benefit coefficient and cost coefficient of water department in different years of Wenshan state (Unit: yuan/m3)

表2 文山州2005 年不同保證率水資源優(yōu)化配置結(jié)果 單位：萬(wàn)m3Table 2 Water resource optimization configuration results with different reliabilities in 2005 of Wenshan state (Unit: 10000m3)

表3 文山州2020 年不同保證率水資源優(yōu)化配置結(jié)果 單位：萬(wàn)m3Table 3 Water resource optimization configuration results with different reliabilities in 2020 of Wenshan state (Unit: 10000m3)

（2）2020 規(guī)劃水平年，當(dāng)來(lái)水保證率P=50%時(shí)，水資源的可供水量大于需水量， 也就是平水年份，文山州不缺水。 在75%和90%保證率情況下，農(nóng)業(yè)出現(xiàn)不同程度缺水，缺水率分別為18.3%和36.2%，水資源最大經(jīng)濟(jì)效益為736 億元和723 億元，總?cè)彼蕿?5.7%和31.1%，其他部門(mén)供水均得到保證。

（3）2030 規(guī)劃水平年，在50%和75%保證率情況下，農(nóng)業(yè)出現(xiàn)不同程度缺水，缺水率分別為6.5%和29.3%，水資源最大經(jīng)濟(jì)效益為1622 億元和1 602億元，總?cè)彼蕿?.4%和24.3%，其他部門(mén)供水均得到保證。 在90%保證率情況下，工業(yè)和農(nóng)業(yè)均出現(xiàn)不同程度缺水，缺水率分別為72.9%和40.0%，水資源最大經(jīng)濟(jì)效益為964.4 億元，總?cè)彼蕿?8.3%，其中工業(yè)缺水15 906 萬(wàn)m3， 農(nóng)業(yè)缺水108 556 萬(wàn)m3，缺水均較為嚴(yán)重。 尤其工業(yè)缺水，所造成的經(jīng)濟(jì)損失最為嚴(yán)重。

表4 文山州2030 年不同保證率水資源優(yōu)化配置結(jié)果 單位：萬(wàn)m3Table 4 Water resource optimization configuration results with different reliabilities in 2030 of Wenshan state(Unit:10000m3)

（4）從各用水部門(mén)之間的配置情況看，由于模型中在保證生活、生態(tài)用水條件下注重了經(jīng)濟(jì)效益最大化，所以不同水平年、不同保證率下的生活用水和生態(tài)用水優(yōu)先得到滿(mǎn)足。 在枯水年，農(nóng)業(yè)用水首先受到影響；在特枯年，農(nóng)業(yè)和工業(yè)部門(mén)都會(huì)有不同程度地缺水。

（5）從規(guī)劃水平年配置情況分析，在2020 年、2030 年，研究區(qū)盡管各用水部門(mén)需水量增加，但缺水程度卻會(huì)比2005 年降低。 這主要是根據(jù)水利發(fā)展規(guī)劃，新增水源及節(jié)水工藝的發(fā)展等原因。

（6）從表2～表4 的水資源配置結(jié)果可以看出，農(nóng)業(yè)需水量所占比例最大。 在基于最大經(jīng)濟(jì)效益的水資源配置模型中，由于農(nóng)業(yè)用水效益系數(shù)較小，為保證農(nóng)業(yè)用水需求和糧食安全，模型中農(nóng)業(yè)用水約束條件為不低于農(nóng)業(yè)需水量的60%。 即使如此，規(guī)劃中農(nóng)業(yè)缺水仍較為普遍，這就必須加強(qiáng)需水管理，充分挖掘農(nóng)業(yè)節(jié)水工程的潛力，進(jìn)一步提高水資源利用效率。

（7）在《文山州水資源綜合規(guī)劃報(bào)告》中，文山州在不同規(guī)劃水平年經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展預(yù)測(cè)指標(biāo)（GDP）為：2005 年148 億 元；2020 年778 億 元；2030 年1 680 億元。 與本文基于最大經(jīng)濟(jì)效益的水資源配置模型計(jì)算結(jié)果較為接近，說(shuō)明模型具有一定的參考意義。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）水資源優(yōu)化配置涉及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)環(huán)境等多個(gè)系統(tǒng)，是典型的用多目標(biāo)決策系統(tǒng)分析問(wèn)題。優(yōu)化配置的難點(diǎn)是如何以水資源的可持續(xù)利用為指導(dǎo)思想，兼顧效率、公平等原則，把區(qū)域內(nèi)可供水量合理地分配到各子區(qū)域或用水部門(mén)。 其關(guān)鍵之處在于如何確定最大化或最優(yōu)的配置目標(biāo)，以及約束條件等。

（2）水質(zhì)問(wèn)題是當(dāng)前水資源優(yōu)化配置中的難點(diǎn)所在。 而本文在建立模型時(shí)，由于缺少資料，并未對(duì)水質(zhì)條件進(jìn)行約束，模型在實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)對(duì)水質(zhì)或納污能力進(jìn)行約束，以滿(mǎn)足環(huán)境要求。

（3）本文從經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益的結(jié)合上， 建立了基于最大經(jīng)濟(jì)效益的水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，并以文山州不同規(guī)劃水平年不同保證率情景下的水資源配置為對(duì)象，運(yùn)用MATLAB 軟件、調(diào)用linprog 函數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了該模型的科學(xué)性、有效性和實(shí)用性，對(duì)文山州區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有參考意義。

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