沿海城市多水源多用戶供水優(yōu)化配置研究*

高 波 郭菊娥薛欣喜

(1.西安交通大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安 710049, 2.青島海潤自來水集團有限公司，山東 青島 266100)

沿海城市多水源多用戶供水優(yōu)化配置研究*

高 波1郭菊娥1薛欣喜2

(1.西安交通大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安 710049, 2.青島海潤自來水集團有限公司，山東 青島 266100)

針對多水源、多行業(yè)用戶的城市供水特點，從經(jīng)濟效益、社會效益等角度構(gòu)建水資源優(yōu)化配置模型，并以某沿海城市為例分別從各類水資源工程成本、全成本角度對城市供水結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化及對比，以期在充分利用水資源、保證需水要求的前提下，尋求水資源開發(fā)最佳組合模型，實現(xiàn)供水效益的最大化。為全國同類城市水資源利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到一定的借鑒作用。

水資源；優(yōu)化配置；全成本

我國北方沿海城市大多存在嚴重缺水的實際情況,隨著城市建設(shè)與經(jīng)濟發(fā)展迅速，水資源的供需矛盾問題日益顯著，水資源短缺已成為制約當(dāng)?shù)亻L遠發(fā)展的關(guān)鍵問題。在開發(fā)新水源的同時，有效利用現(xiàn)有水資源，合理調(diào)配多種水源在各類用水戶的有機分配，解決供需的分配矛盾、提高用水效益，成為缺水城市解決用水問題的有效途徑。

一、水資源優(yōu)化配置的理論依據(jù)

水資源的優(yōu)化配置可理解為：在一定范圍內(nèi)，遵循有效、公平和可持續(xù)性等原則，借助各種有效措施，考慮價值規(guī)律，通過合理抑制需求、有效增加供水、積極保護生態(tài)環(huán)境等手段和措施，對多種水源在時間和空間(包括區(qū)域間和各用水部門間)上進行的合理調(diào)配。

水資源配置的實施措施包括：通過跨地區(qū)、跨流域調(diào)水來調(diào)劑水資源的余缺；通過水庫等調(diào)節(jié)工程來解決年內(nèi)和年際水資源分布不均勻的問題；對地表水、地下水、中水回用、外調(diào)水、海水淡化等水源進行統(tǒng)一調(diào)配，來滿足不同用戶不同時期的用水需求，保證區(qū)域供水要求，促進區(qū)域經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

由于水資源的短缺性、分布不均衡性、不可替代性，以及日益激烈的用水競爭性等特點，水資源優(yōu)化配置研究在解決我國城市水資源短缺問題、實現(xiàn)可持續(xù)利用等方面有著極為重要的現(xiàn)實意義。

國外水資源優(yōu)化配置研究最初源于20世紀(jì)40年代Masse提出的水庫優(yōu)化調(diào)度問題。后來Nebulas和W.A.Hall首次將動態(tài)規(guī)劃引入地表水和地下水的聯(lián)合運用和分配。隨著系統(tǒng)工程的原理和方法的引入，國外開始用系統(tǒng)分析方法研究水資源問題，許多水資源規(guī)劃的目標(biāo)，都由以前的單一強調(diào)經(jīng)濟發(fā)展，逐步過渡到更廣泛的社會需求方面，即多目標(biāo)規(guī)劃。

1997年，Wong和Hugh S等提出地表水、地下水、外調(diào)水等多水源聯(lián)合運用的多目標(biāo)多階段優(yōu)化管理的原理和方法。[1]同年Carlos Percia和Gideon Oron則以以色列南部地區(qū)為實例構(gòu)建了以經(jīng)濟效益最大化為目標(biāo)的多水源供水模型。[2]美國、以色列、日本等國家很早就認識到城市水資源“高質(zhì)高用、低質(zhì)低用”的重要性，將污水回用也納入水資源范疇，將污水回用水用于農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)冷卻、景觀用水等。[3]A.Burcu Altan Sakarya等建立了污水、地表水和地下水等多種水源的管理模型。[4]Lnjayant C和Chiek U于2003年建立了流域地表水和地下水利用的空間分配模型。[5]

我國水資源配置方面的研究雖然起步較晚，但由于我國特殊的地理環(huán)境及水資源保護不力，水資源緊缺的日益突出，使得我國學(xué)者在20世紀(jì)90年底后期對水資源優(yōu)化配置方面的研究發(fā)展迅速。吳險峰等通過構(gòu)建多約束的線性規(guī)劃模型，通過費用效益系數(shù)等進行修正求解，對棗莊市水資源進行了供水優(yōu)化配置。[6]吳英杰等構(gòu)建錫林浩特市多水源工業(yè)供水優(yōu)化配置模型，并應(yīng)用NSGA-Π算法進行了求解，但城市水資源優(yōu)化配置涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、居民生活、公共服務(wù)等多個方面，該模型僅考慮工業(yè)用水，不能涵蓋城市整體水資源的優(yōu)化配置。[7]岳春芳以珠海市為例，探討了在復(fù)雜水源下的供水優(yōu)化配置，建立了原水—純凈水耦合配置模型，采用遺傳算法進行了解證。[8]谷紅梅、孫文等利用動態(tài)規(guī)劃模型構(gòu)建了城市供水水源優(yōu)化調(diào)度模型。[9-10]葉健等構(gòu)建了不確定性模糊多目標(biāo)模型來進行水資源的優(yōu)化配置。[11]張鑫等利用多目標(biāo)遺傳算法以經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益為目標(biāo)函數(shù)，對西寧市水資源進行了優(yōu)化配置。[12]

綜上所述，目前對于水資源的優(yōu)化配置方面的探討與研究取得了許多有價值的成果，但大多研究是依據(jù)各種水資源的工程成本來進行測算的。但由于水資源全成本的研究及優(yōu)化配置理論涉及情況十分復(fù)雜，至今仍沒有形成水資源全成本優(yōu)化配置的統(tǒng)一公認的理論體系與成熟完善的計算方法。本文將進一步探索基于全成本定價的水資源優(yōu)化配置理論。

二、我國城市水資源現(xiàn)狀及規(guī)劃分析

我國淡水資源人均占有量僅為世界平均值的l/4，位居世界第109位，已經(jīng)被聯(lián)合國列為全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。在全國661個城市中有420個以上的城市缺水，缺水量約70億m3。而且我國水資源與經(jīng)濟發(fā)展格局極不匹配。長江以北的廣大地區(qū)人口占全國的47%，耕地占全國的65%，水資源卻僅占全國的19%，沿海地區(qū)的水資源嚴重不足，特別是長江以北的沿海城市更為嚴重，大部分城市和地區(qū)人均水資源量低于500m3的國際缺水標(biāo)準(zhǔn)，2010年全國34個主要沿海城市供水狀況統(tǒng)計，人均用水低于100m3/a的城市有26個，占城市統(tǒng)計總量的76.4%。北方部分流域水資源的開發(fā)程度已經(jīng)接近甚至超過其利用極限，部分北方沿海城市已面臨嚴重的缺水問題。淡水資源危機，已成為制約我國沿海城市和地區(qū)經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要因素。在此背景下，20世紀(jì)80年代末期我國北方城市先后啟動了外調(diào)水量工程，如黃河流域各城市的引黃補濟工程，近年來向流域城市補水耗用的河川徑流量為370億m3；近年來實施的南水北調(diào)工程，計劃每年將長江流域的200億m3水量通過東、中、西三線向我國北方區(qū)域補充供水。同時，有條件的十余沿海城市(如天津、青島等)紛紛通過海水淡化來補充城市供水。“調(diào)水”應(yīng)與“節(jié)水”并重，各城市在加大供水能力的同時，也紛紛通過水源優(yōu)化配置等節(jié)水措施來保障供需匹配。

以華北沿海城市青島為例，該市年平均水資源總量為23.9億m3，人均占有水資源量334m3，畝均耕地占有量330m3，分別為全國平均值的13%和18%，本地淡水資源極其貧乏，可進一步開發(fā)的水資源量十分有限，淡水資源不足已經(jīng)制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟和社會的發(fā)展，外調(diào)區(qū)域外淡水及發(fā)展海水淡化成為該市解決水量短缺的途徑，水資源優(yōu)化配置也成為重要節(jié)水手段。

青島市水資源現(xiàn)狀為：城區(qū)所轄七區(qū)包括：市南區(qū)、市北區(qū)、四方區(qū)、李滄區(qū)、黃島區(qū)、城陽區(qū)和嶗山區(qū)。區(qū)域水資源時空分布不均，水源地分布也極不均勻，目前供水水源主要有：地表水、地下水、引黃濟青水、海水淡化水、中水回用水五大類，未來還會有南水北調(diào)水。目前，該市七區(qū)城市供水水源綜合生產(chǎn)能力為125.82萬m3/d。

表1 2010年青島市城區(qū)水資源可利用量表(萬m3)

注：其中部分郊區(qū)的地表供水水源如產(chǎn)芝水庫、尹府水庫、吉利河水庫等水源向城區(qū)供水。

根據(jù)《青島市海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，2010年海水淡化能力達到20萬m3/d(年供水量增加0.73億m3)。規(guī)劃到2020年日供能力達40萬m3/d。2015年為26.4萬m3/d。

中水回用僅可用做市政雜用水、生活雜用水、農(nóng)業(yè)用水和景觀用水等；《青島市中水利用規(guī)劃》中提出到2010年再生水利用量21.7萬m3/d，規(guī)劃到2020年，污水再生利用量達到60萬m3/d。

2010年城區(qū)各行業(yè)部門用水情況如表2所示：

表2 2010年青島市城市供水綜合表

圖1 2010年青島市城市供水類別百分比

圖2 青島市多水源多用戶供水系統(tǒng)圖

根據(jù)《青島市城市供水規(guī)劃(2008-2020)》可以得知到2015年該市供需水量具體見表3、表4：

表3 2015年青島市需水量預(yù)測表(萬m3)

表4 2015年青島市供水量預(yù)測表(萬m3)

注：其中跨流域調(diào)水量主要為外調(diào)水的庫容量，遠期將補充部分外調(diào)水量。

三、水資源優(yōu)化配置實證分析

對于多水源多目標(biāo)的優(yōu)化配置研究的數(shù)學(xué)模型主要有線性、非線性和動態(tài)規(guī)劃模型，國內(nèi)多水源優(yōu)化配置研究主要選擇線性模型。供水結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置是多水源、多目標(biāo)的資源分配問題，因多水源聯(lián)合供水問題上存在于許多的不確定性，需要綜合考慮各方面的因素，因此我們以線性規(guī)劃模型為基礎(chǔ)，將動態(tài)規(guī)劃引入水資源優(yōu)化配置中，以帶約束條件的經(jīng)濟效益最大化目標(biāo)來進行研究。

本文所建模型設(shè)定供水方式有i(i=1,2,3,4,5)種：地表水、地下水、跨流域調(diào)水、中水回用水、海水淡化水五種。其用戶則有j(j=1,2,3,4)個：居民家庭用水、生產(chǎn)運營用水、公共服務(wù)用水、其他用水等。其水資源系統(tǒng)可以概括為五種水源、四種用戶的優(yōu)化配置關(guān)系。各水源每年的供水量為Qi，水資源價格為pi，用戶j實際用水量為Qj，xij為i水源供給j用戶的供水量。

供水效益計算方法主要有最優(yōu)等效替代工程費用法、影子價格法、缺水損失法和分攤系數(shù)法等，其中分攤系數(shù)法能夠綜合反映效益與費用的關(guān)系，結(jié)合城市供水實際，數(shù)據(jù)的獲得較為容易，本文采用分攤系數(shù)法來確定各種用水的效益系數(shù)。

(一)效益系數(shù)aij

1、生產(chǎn)運營用水主要指的是工業(yè)和商業(yè)用水，其效益系數(shù)可采用工業(yè)總產(chǎn)值分攤方法，[13]計算公式如下：

aij=β·(1/w)

式中，β指工業(yè)用水效益分攤系數(shù)，不同的取水水源，其分攤系數(shù)不同，以城市供水管網(wǎng)直接取用自來水的，其分攤系數(shù)取5%，以水庫、外引水等水利工程為取水水源的取8%；w指工業(yè)萬元產(chǎn)值取水量(m3/萬元)。

假設(shè)某市2010年人均生產(chǎn)總值3.64萬元,人均占有水資源量313m3，工業(yè)萬元產(chǎn)值取水量為116.29m3/萬元。以城市供水管網(wǎng)直接取用自來水的，其效益系數(shù)為5.81，以水庫、跨流域調(diào)水等水利工程為取水水源的效益系數(shù)為9.3。

2、居民家庭用水的效益系數(shù)計算如下：[14]

式中，αi1為居民家庭用水效益系數(shù)；r為居民可支配收入；e為恩格爾系數(shù)；q為該市人均年用水量；η為生活用水效益分攤系數(shù)。

假設(shè)某市2010年居民可支配收入為24998元，恩格爾系數(shù)為38.5%，生活用水效益分攤系數(shù)取為0.3。[15]

則該市居民家庭用水的效益系數(shù)為9.2。

3、公共服務(wù)用水和其他用水的效益系數(shù)(其效益是間接而復(fù)雜的，不僅有經(jīng)濟方面的因素，而且有社會效益存在，因而其效益系數(shù)比較難確定。根據(jù)中水回用優(yōu)先用于公共服務(wù)用水的原則，本文在計算中賦予較大的權(quán)值，用以表示其效益系數(shù)的計算公式為：

αi4=bi4-b34，(i=1,2,4)

式中，αi4為公共服務(wù)用水效益系數(shù)；bi4為i水源用于公共服務(wù)用水的費用系數(shù)；另外我們賦予α34=b34。

4、其他用水則賦予較小的權(quán)值，用以表示其效益系數(shù)，取生產(chǎn)運營用水效益系數(shù)的0.875。[16]

(二)費用系數(shù)bij

這里我們分為兩類討論：一類是不考慮其外部成本情況下，以各水源供水成本來作為其費用系數(shù)；另一類是考慮外部成本情況下，以各水源其供水全成本來作為其費用系數(shù)。

假設(shè)某市各水源供水成本為：地下水3.6元/m3，地表水4.2元/m3，跨流域調(diào)水為5.05元/m3，海水淡化為5.485元/m3，中水回用為1.79元/m3。

全成本(考慮資源成本、外部成本)情況下該市各水源供水全成本為：地下水6.693元/m3，地表水5.494元/m3，跨流域調(diào)水為5.654元/m3，海水淡化為7.116元/m3，中水回用為1.98元/m3。[17]

優(yōu)化計算：

(1)不考慮各水源外部成本情況

通過對表5分析我們可以得出，應(yīng)首先利用地下水供給居民家庭用水，用地表水供給生產(chǎn)運營用水，如果地下水不能滿足居民家庭用水，可以用地表水進行補給，如果地表水不能滿足生產(chǎn)運營用水，則用地下水來補充。如果地表水和地下水供給量滿足不了居民家庭和生產(chǎn)運營用水，其缺水量由跨流域調(diào)水補充，其次考慮用海水淡化水來供給，而中水回用只能用于公共服務(wù)用水，具體結(jié)果見表6。

表5 不同水源不同用戶供水效益費用系數(shù)表(元/m3)

表6 2015年水源優(yōu)化配置成果表(萬m3)

由表6可知供水量合計為46073.05，可以滿足該市的需水要求，從表6中也可以看出，地下水應(yīng)首先用來滿足居民家庭用水，而地表水主要用來滿足生產(chǎn)運營用水，跨流域調(diào)水在滿足生產(chǎn)運營用水的基礎(chǔ)上為居民家庭提供用水，海水淡化作為備用來彌補居民家庭用水供水量的不足，公共服務(wù)用水完全可以采用中水回用水進行供給。

(2)考慮各水源全成本情況

在考慮全成本情況下(見表7)，應(yīng)首先考慮用地表水來供給生產(chǎn)運營用水，在此基礎(chǔ)上居民家庭用水由剩余地表水和地下水進行供給，其次跨流域調(diào)水優(yōu)先供給生產(chǎn)運營用水，如果居民家庭用水仍未能滿足，由于中水回用不能用于居民家庭用水，這里需要用跨流域調(diào)水進行補充，如果跨流域調(diào)水剩余水量仍不能滿足居民家庭用水量，再考慮用海水淡化補充居民家庭用水和其他用水，中水回用水用于公共服務(wù)用水，具體結(jié)果見表8。

表7 不同水源不同用戶供水效益費用系數(shù)表(元/m3)

表8 2015年水源優(yōu)化配置成果表(萬m3)

以上分析可得，在采用兩種不同的費用系數(shù)的前提下，雖然水資源優(yōu)化配置表6與表8結(jié)果相同，但是優(yōu)化配置的驗算過程是不一樣的。如其他實例可能會出現(xiàn)供給模式不同的情況。

通過水資源優(yōu)化配置研究，可得知：水量不足情況下，應(yīng)依據(jù)各類用戶的社會及經(jīng)濟重要性來順次保障供水；水量充足情況下根據(jù)水源的成本及效益系數(shù)實施優(yōu)化配置供水，實現(xiàn)經(jīng)濟及社會效益最優(yōu)；特定水質(zhì)水源(如中水)只能滿足特定需求(如公共服務(wù)用水)，應(yīng)創(chuàng)造條件提高其利用率，以節(jié)約優(yōu)質(zhì)水量；應(yīng)從全成本角度考慮水量優(yōu)化配置，以實現(xiàn)社會及經(jīng)濟效益最優(yōu)。上述原則，是各城市實施水資源優(yōu)化配置的決策參考依據(jù)。

四、結(jié)語

探討城市多水源多用戶情況下的供水優(yōu)化配置，是解除城市缺水困擾的有效途徑。由于我國北方城市缺水現(xiàn)象嚴重，尤其是北方沿海地區(qū)淡水資源的緊缺已經(jīng)嚴重影響了城市的穩(wěn)定發(fā)展，如何確定一個合理的供水結(jié)構(gòu)，顯得尤為重要。本文以極具代表性的青島市為例，根據(jù)預(yù)測的該市供需水量，分別通過工程成本與全成本角度對各種供水水源、各種用戶的費用效益進行量化對比分析，構(gòu)建該市的水資源優(yōu)化配置模型，在保證供給的情況下，使總體效益最大，得出其多水源多用戶的聯(lián)合優(yōu)化方案，通過優(yōu)化供水結(jié)構(gòu)來解決該市的城市缺水問題。這也為我國其他城市特別是沿海缺水城市合理配置水資源提供了較好借鑒。本文在水資源優(yōu)化配置過程中，對各水源各用戶費用效益的取值，需要考慮的因素還有不完善的地方，這將有待于我們進一步的研究和探討。

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AStudyoftheOptimizationofWaterSupplyBasedonVariousWaterSourcesandConsumersinCoastalCities

Gao Bo1, Guo Jü'e1, Xue Xinxi2

(1.School of Management, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China;2.Qingdao Hairun Water Company, Qingdao 266002, China)

In view of various water sources and multi-industry users in urban water supply, an optimal allocation model should be designed from the perspective of the economic and social benefits.The article explores the optimization of water supply structure in a certain coastal city by analyzing various types of water resources engineering costs and total cost, and tries to find the best composite model in the development of water resources so as to maximize benefits of water supply, which will set an example of structure optimization of water resources for other similar cities.

water resources; optimal allocation; total cost

TU991

A

1672-335X(2013)02-0019-06

責(zé)任編輯：王明舜

2013-01-16

高波(1970- )，男，山東青島人，西安交通大學(xué)管理學(xué)院博士研究生，專業(yè)方向為水資源管理與應(yīng)用。