基于“三條紅線”約束的濱海區(qū)多水源聯(lián)合調(diào)度模型

王 偲，竇 明，張潤(rùn)慶，湯 勇，張遠(yuǎn)東

(1.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001;2.煙臺(tái)市水利局，山東 煙臺(tái) 264000;3.水利部水資源管理中心，北京 100053)

隨著2011年中央一號(hào)文件《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》的提出，正式確立了將最嚴(yán)格水資源管理機(jī)制作為加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的戰(zhàn)略舉措，如何在水利工作中落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度成為目前面臨的最緊迫問(wèn)題。近年來(lái)，研究者針對(duì)最嚴(yán)格水資源管理和“三條紅線”進(jìn)行解讀和分析，在水資源管理理論體系和實(shí)踐研究方面取得了一定的成果，涉及最嚴(yán)格水資源管理制度、水資源優(yōu)化配置及節(jié)約用水和水資源保護(hù)等多個(gè)方面。但以上研究主要以定性分析為主，定量分析較少，尤其是“三條紅線”與水資源配置相結(jié)合的研究成果較少。當(dāng)前，有關(guān)水資源配置模型的研究經(jīng)驗(yàn)趨于成熟，模型多以多層次、多工程、多用戶、多水源為核心，如何將水資源配置模型應(yīng)用于海水入侵地區(qū)，使之既能滿足區(qū)域供需水的要求，又能推動(dòng)海水入侵地區(qū)的地下水保護(hù)工作是目前的研究重點(diǎn)［1］。本文結(jié)合濱海地區(qū)地下水保護(hù)工作的需要，科學(xué)劃定“三條紅線”管理指標(biāo)，構(gòu)建了基于“三條紅線”約束的濱海區(qū)多水源聯(lián)合調(diào)度模型，并以萊州市為例開展模型的應(yīng)用研究。

1 “三條紅線”控制指標(biāo)的確定方法

“三條紅線”控制指標(biāo)(用水總量控制指標(biāo)、用水效率控制指標(biāo)和水功能區(qū)限制納污控制指標(biāo))的確定是構(gòu)建最嚴(yán)格水資源管理制度的前提。然而，目前許多地區(qū)在劃定“三條紅線”指標(biāo)時(shí)，多帶有一定的行政色彩和主觀意識(shí)，缺乏科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C態(tài)度。為此，首先探討“三條紅線”控制指標(biāo)的確定方法，為實(shí)現(xiàn)多水源聯(lián)合調(diào)度提供支撐。

1.1 用水總量控制指標(biāo)的確定

用水總量控制指標(biāo)是對(duì)取用水總量進(jìn)行宏觀、量化管理的控制指標(biāo)。從區(qū)域供水結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，選取相應(yīng)的用水總量控制指標(biāo)，主要包括地表水用水量控制指標(biāo)、地下水用水量控制指標(biāo)和外調(diào)水用水量控制指標(biāo)。在劃定用水總量控制指標(biāo)時(shí)，首先充分考慮區(qū)域的地表水、地下水資源條件和供水結(jié)構(gòu)，以地表水可利用量和地下水可開采量作為用水量控制指標(biāo)劃定的上限值;其次考慮當(dāng)前的水資源開發(fā)利用水平和替代水源工程的供水潛力，并遵照“優(yōu)先考慮地表水、充分利用外調(diào)水、加大利用再生水、壓縮開采地下水”的水源建設(shè)理念，給出地表水、地下水、外調(diào)水等不同水源在考慮水源置換前提下的最大供水能力;最后結(jié)合當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及需水情況，并充分考慮未來(lái)各指標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性，對(duì)各水源的用水量指標(biāo)進(jìn)行合理調(diào)整，制定滿足不同發(fā)展水平要求的用水總量控制指標(biāo)。

1.2 用水效率控制指標(biāo)的確定

用水效率控制指標(biāo)是對(duì)區(qū)域用水行為進(jìn)行精細(xì)化管理的控制指標(biāo)。在選取用水效率控制指標(biāo)時(shí)，可從工業(yè)、農(nóng)業(yè)、居民生活等不同用水行業(yè)來(lái)選取相應(yīng)的指標(biāo)，如萬(wàn)元GDP用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值取水量、工業(yè)用水重復(fù)利用率、畝均灌溉用水量、農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)及人均綜合生活用水量、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉率等。用水效率控制指標(biāo)的確定方法為:首先，分析研究區(qū)當(dāng)前各行業(yè)的用水定額大小，并將其與全國(guó)節(jié)水先進(jìn)地區(qū)相同或相近行業(yè)的用水定額進(jìn)行對(duì)比;其次，綜合考慮研究區(qū)水資源條件、節(jié)水水平、替代水源建設(shè)情況、城鎮(zhèn)居民收入等多方面因素，分析當(dāng)?shù)馗餍袠I(yè)的用水效率和節(jié)水潛力，確定在最大節(jié)水水平下的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉率、灌溉水有效利用系數(shù)、工業(yè)用水重復(fù)利用率和城市污水回用率等效率指標(biāo);最后，結(jié)合當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和水資源管理工作水平，并充分考慮未來(lái)各指標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，分析指標(biāo)的合理性。

1.3 水功能區(qū)限制納污控制指標(biāo)的確定

水功能區(qū)限制納污控制指標(biāo)是對(duì)區(qū)域排污總量進(jìn)行定量化管理的控制指標(biāo)。從水功能區(qū)管理的角度，可選取水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率、主要污染物入河總量、工業(yè)廢水達(dá)標(biāo)排放率、城市生活污水處理率等指標(biāo)作為限制納污指標(biāo)。相應(yīng)的確定方法為:首先，科學(xué)核定水功能區(qū)的水體納污能力，針對(duì)劃定的水功能區(qū)，在滿足水域功能要求的前提下，明確水功能區(qū)的水質(zhì)管理目標(biāo);選取合適的數(shù)學(xué)方法，并綜合考慮水功能區(qū)的水文特性、自然凈化能力、排污狀況科學(xué)計(jì)算水體納污能力。其次，結(jié)合水功能區(qū)達(dá)標(biāo)現(xiàn)狀、水體納污能力、污廢水處理水平、污染源布局等多方面因素，確定污染負(fù)荷削減目標(biāo)。最后，分析未來(lái)的排污水平和水質(zhì)管理目標(biāo)，分析水功能區(qū)限制納污指標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，設(shè)定比較適合的控制指標(biāo)值。

2 濱海區(qū)多水源聯(lián)合調(diào)度模型的構(gòu)建

在確定“三條紅線”控制指標(biāo)的基礎(chǔ)上，還要通過(guò)實(shí)施多水源聯(lián)合調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的合理分配。針對(duì)濱海地區(qū)特點(diǎn)，建立多水源聯(lián)合調(diào)度模型的主要設(shè)計(jì)理念如下:在最嚴(yán)格水資源管理思想指導(dǎo)下，結(jié)合濱海地區(qū)特點(diǎn)，以防止海水入侵為調(diào)控目標(biāo)，提出相應(yīng)的地下水開采量閾值和地下水位閾值［2－3］，進(jìn)而結(jié)合以上指標(biāo)確定方法提出適合濱海地區(qū)水資源管理工作的“三條紅線”控制指標(biāo);以保障供水安全為目標(biāo)，以“三條紅線”控制指標(biāo)為約束，在充分考慮地表水、地下水、外調(diào)水、雨水等不同水源供水潛力和未來(lái)需水情況的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于“三條紅線”約束的多水源聯(lián)合調(diào)度模型，優(yōu)選出能滿足所有約束條件的多水源聯(lián)合調(diào)度方案。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

大部分沿海地區(qū)所面臨的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題以海水入侵最為突出。該問(wèn)題的解決可歸結(jié)為如何協(xié)調(diào)處理好社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水資源開發(fā)利用之間的關(guān)系和矛盾，關(guān)鍵手段在于如何合理地配置水資源。因此在水資源配置時(shí)，應(yīng)突出對(duì)地下水資源的調(diào)控，通過(guò)合理利用其他水源、有效壓縮地下水開采來(lái)維持地下水系統(tǒng)的良性循環(huán)，防治海水入侵［3－4］。

在防治海水入侵、合理開發(fā)利用地下水資源的前提下，以地下水開采量最小作為水資源調(diào)控的總體目標(biāo)，由此構(gòu)建目標(biāo)函數(shù):

式中:m為開采井的數(shù)量;n為開采總時(shí)段;Cj，i為各開采井在各開采時(shí)段的開采天數(shù);Qj，i為各開采井在各開采時(shí)段的開采量。

2.2 約束條件

a.地下水開采量和水位約束。依據(jù)地區(qū)多年地下水開采量及相應(yīng)站點(diǎn)地下水位與監(jiān)測(cè)井氯離子相關(guān)關(guān)系劃定地下水開采量閾值、地下水位(或地下水埋深)閾值。為避免海水入侵，地下水系統(tǒng)的開采量和水位降深應(yīng)低于相應(yīng)的閾值。對(duì)于整個(gè)區(qū)域來(lái)說(shuō)，水位降深閾值只是一個(gè)參考值，可以不考慮該約束;而當(dāng)研究區(qū)域位于地下水降落漏斗區(qū)附近時(shí)，則必須要考慮該約束，即

式中:Wg(x)為地下水開采量;WGT為地下水開采量閾值;HGmin為防止鹽堿化水位調(diào)控閾值;Hg(x)為地下水位;HGmax為防止海水入侵水位調(diào)控閾值;WGL為引起海水入侵的地下水開采量臨界值;WGA為地下水可開采量。

b.開采能力限制?？紤]地下水開采量不應(yīng)超過(guò)其可開采量，各開采井抽水設(shè)備能力不能超過(guò)其限定抽水量，即

式中:qj為第j個(gè)開采井抽水設(shè)備的限定抽水量。

c.可供水量約束?？紤]到社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，水源供水量應(yīng)大于用戶需水量，但不超過(guò)其可利用的水資源總量，即

式中:Wsur，Wg，Wr，Ww，Wsea，Wb分別為地表水供水量、地下水供水量、雨水利用量、污水回用量、海水利用量和微咸水利用量;Dind，Ddom，Dagr，Denv分別為工業(yè)需水量、生活需水量、農(nóng)業(yè)需水量和生態(tài)需水量;WC，DCA分別為某一水源的供水量和可供水量。

d.用水效率約束。在規(guī)劃水平年，工業(yè)需水定額、農(nóng)業(yè)需水定額以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)整體需水定額都應(yīng)小于設(shè)計(jì)用水效率控制指標(biāo)。為盡可能滿足人民生活水平不斷提高的物質(zhì)需求，故未對(duì)生活需水定額作出限制，則用水效率控制指標(biāo)如下:

式中:DI，DA，DE分別為規(guī)劃水平年的工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)整體需水定額;DID，DAD，DED分別為按照最嚴(yán)格水資源管理指導(dǎo)思想設(shè)計(jì)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)用水效率約束。

e.水功能區(qū)限制納污約束。研究區(qū)的污染物入河總量不得超過(guò)該區(qū)域內(nèi)所有水功能區(qū)的納污能力，即

式中:SI，SD，SP分別為研究區(qū)的工業(yè)污染物入河量、生活污染物入河量及面源污染入河量;SRN為所有水功能區(qū)的納污能力。

f.非負(fù)約束。模型要滿足決策變量非負(fù)約束:

3 調(diào)度方案的優(yōu)選

以上構(gòu)建的模型是一個(gè)極其復(fù)雜的非線性優(yōu)化模型，直接求解該模型比較困難，故采取計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，在多種方案中優(yōu)選最佳方案。其思路為:按照預(yù)測(cè)規(guī)劃水平年不同保證率條件下的需水量及供水量，進(jìn)行水資源供需平衡分析;繼而依據(jù)供需平衡分析結(jié)果進(jìn)行水資源配置及依據(jù)地下水開采水平的調(diào)控指標(biāo)來(lái)編制多水源調(diào)度方案;最后比對(duì)分析各方案，優(yōu)選滿足所有約束條件并能帶來(lái)最大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的方案作為最終調(diào)度方案。為了更好地緩解沿海地區(qū)海水入侵地下水的狀況，將區(qū)域按照海水入侵區(qū)及非海水入侵區(qū)進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)以氯離子濃度等級(jí)劃分為主要依據(jù)，考慮行政及地質(zhì)情況劃分計(jì)算單元。海水入侵地區(qū)嚴(yán)格控制地下水開采，地下水開采嚴(yán)重的地區(qū)實(shí)行地下水禁采，同非海水入侵區(qū)水資源進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度，以滿足供需要求［5］。

4 算例分析

以萊州市為算例進(jìn)行濱海區(qū)多水源聯(lián)合調(diào)度模型的應(yīng)用分析。萊州市位于膠東半島西北部、萊州灣東岸，瀕臨渤海，全市總面積為1878 km2，海岸線長(zhǎng)108.7 km，屬北溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，2010年全市總?cè)丝谶_(dá)85.9萬(wàn)人。根據(jù)《煙臺(tái)市水資源綜合規(guī)劃》1956—2000年水文系列資料成果，萊州市多年平均水資源總量為32 711萬(wàn)m3。2010年萊州市的總供水量為15344萬(wàn)m3，其中地下水供水量占總供水量的54.5%，是主要的供水水源。農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的 76.6%，是最大的用水行業(yè)［6－7］。在水資源利用方面，萊州市用水還存在地表水和地下水用水比例失調(diào)、行業(yè)用水結(jié)構(gòu)不合理、工業(yè)和農(nóng)業(yè)節(jié)水水平不高、非常規(guī)水資源利用量偏少等問(wèn)題。為了更好地解決萊州市用水問(wèn)題，緩解海水入侵對(duì)地下水造成的危害，通過(guò)構(gòu)建基于“三條紅線”約束的多水源聯(lián)合調(diào)度模型，研究提出多水源聯(lián)合調(diào)度方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的合理開發(fā)利用和科學(xué)配置［8－9］。

4.1 確定“三條紅線”控制指標(biāo)

4.1.1 用水總量控制指標(biāo)

結(jié)合萊州市水資源可利用量、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及需水情況，并協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)氐叵滤裳a(bǔ)平衡現(xiàn)狀及水資源涵養(yǎng)恢復(fù)目標(biāo)等要求，確定萊州市2011年用水控制指標(biāo)為1.89億m3，其中地表水0.86億m3，地下水0.86億m3，引黃水量0.17億m3。

依據(jù)萊州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及用水需求，按照節(jié)水閾值的要求及用水總量控制指標(biāo)的構(gòu)建原則，設(shè)定用水總量控制紅線初值，擬定2015年、2020年、2030年用水控制指標(biāo)見表1。

4.1.2 用水效率控制指標(biāo)

結(jié)合萊州市實(shí)際用水水平，按照用水效率控制指標(biāo)構(gòu)建原則，設(shè)定用水效率控制紅線初值，擬定萊州市2015年、2020年、2030年用水效率控制指標(biāo)見表2。

表1 萊州市規(guī)劃水平年用水總量控制指標(biāo) 萬(wàn)m3

表2 萊州市規(guī)劃水平年用水效率控制指標(biāo)

4.1.3 水功能區(qū)限制納污控制指標(biāo)

統(tǒng)籌萊州市未來(lái)污水處理水平、水資源保護(hù)要求和水環(huán)境建設(shè)目標(biāo)，按照限制納污控制指標(biāo)構(gòu)建原則，設(shè)定水功能區(qū)限制納污控制紅線初值，2015年、2020年和2030年萊州市水功能區(qū)限制納污控制指標(biāo)如表3所示。

4.2 調(diào)度方案

在萊州市水資源供需分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算出不同保證率條件下萊州市規(guī)劃水平年的余缺水量，進(jìn)而參照前面確定的“三條紅線”控制指標(biāo)和萊州市供用水實(shí)際情況編制多水源聯(lián)合調(diào)度方案。不同保證率條件下萊州市規(guī)劃水平年的調(diào)控目標(biāo)為:平水年(保證率P=50%)滿足城鄉(xiāng)生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水需求，實(shí)現(xiàn)供需水平衡;枯水年(P=75%)基本滿足城鄉(xiāng)生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水需求，允許少量缺水，缺水率控制在5%左右;特枯年(P=95%)基本滿足城鄉(xiāng)生活及工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)高效作物用水，缺水率控制在20%左右，通過(guò)豐、平水年間余水調(diào)節(jié)補(bǔ)充特枯年份缺水，實(shí)現(xiàn)供需基本平衡。調(diào)控方案編制原則為:若規(guī)劃水平年有盈余水量，則在滿足需水總量前提下，在供水方面通過(guò)減小地下水開采量，使地下水系統(tǒng)得到有效恢復(fù);若規(guī)劃水平年缺水，則在不進(jìn)一步擴(kuò)大需水總量的前提下，在供水方面通過(guò)挖掘地表水和其他水源的供水潛力以提高可供水量，同時(shí)適當(dāng)限制地下水開采量，使地下水開采量盡量維持在開采量閾值附近。

表3 萊州市規(guī)劃水平年水功能區(qū)限制納污控制指標(biāo)

根據(jù)萊州市多年地下水開采量、地下水水位與氯離子濃度的相關(guān)關(guān)系，將萊州市按海水入侵區(qū)與非海水入侵區(qū)進(jìn)行分區(qū)，在此基礎(chǔ)上得出根據(jù)不同區(qū)域取用水要求與目標(biāo)等條件計(jì)算的海水入侵區(qū)分區(qū)水源調(diào)控方案，綜合研究區(qū)域各項(xiàng)節(jié)水目標(biāo)及節(jié)水力度，控制海水入侵區(qū)地下水取水量，提高用水效率和節(jié)水水平，大力使用調(diào)配水水源，在“三條紅線”約束下，得到了萊州市海水入侵區(qū)分區(qū)多水源聯(lián)合調(diào)度方案［10－11］。規(guī)劃水平年50%保證率下萊州市分區(qū)多水源聯(lián)合調(diào)度方案見表4，對(duì)各規(guī)劃水平年多水源聯(lián)合調(diào)度方案下“三條紅線”的考核評(píng)估見表5。

表4 50%保證率下萊州市分區(qū)多水源聯(lián)合調(diào)度方案 萬(wàn)m3

表5 萊州市多水源聯(lián)合調(diào)度方案下“三條紅線”考核評(píng)估

根據(jù)表4、表5可知，該方案以分區(qū)規(guī)劃供需水為主線，地下水壓縮開采效果明顯，各項(xiàng)供水指標(biāo)滿足“三條紅線”要求。將海水入侵區(qū)與非海水入侵區(qū)供需水分別計(jì)算調(diào)配，可對(duì)地下水保護(hù)工作的進(jìn)一步開展起到重要作用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在最嚴(yán)格水資源管理思想的指導(dǎo)下，提出了基于區(qū)域水資源條件、開發(fā)利用現(xiàn)狀、未來(lái)發(fā)展要求及區(qū)域地下水開采量和地下水位控制指標(biāo)約束的

“三條紅線”控制指標(biāo)的確定方法，并在充分考慮地表水、地下水、外調(diào)水、雨水等不同水源供水潛力和未來(lái)需水情況的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于“三條紅線”約束的多水源聯(lián)合調(diào)控模型，優(yōu)選多水源聯(lián)合調(diào)度方案。

采用本文方法確定了萊州市不同規(guī)劃水平年“三條紅線”控制指標(biāo)，并優(yōu)選得出萊州市各規(guī)劃水平年多水源聯(lián)合調(diào)度方案，保證各項(xiàng)取水滿足“三條紅線”控制指標(biāo)要求［12］。模型應(yīng)用結(jié)果表明，“三條紅線”約束的多水源聯(lián)合調(diào)度模型不僅滿足當(dāng)前水資源保護(hù)的要求，也能為將來(lái)濱海地區(qū)地下水保護(hù)、海水入侵防治提供支持，可為推動(dòng)濱海地區(qū)水資源可持續(xù)利用和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

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