城市群水資源協(xié)同配置模型及超長期配置方案研究

李麗琴，魏傳江，謝新民，武學毅

（中國水利水電科學研究院 水資源研究所，北京 100038）

城市群水資源協(xié)同配置模型及超長期配置方案研究

李麗琴，魏傳江，謝新民，武學毅

（中國水利水電科學研究院 水資源研究所，北京 100038）

針對城市群實施跨越式發(fā)展過程中出現(xiàn)的新情況和新問題，以長吉聯(lián)合都市區(qū)為例，開展城市群水資源配置模型及超長期配置方案研究，通過構(gòu)建面向城市群的水資源多維多目標配置模型和長系列逐月調(diào)節(jié)計算及對比分析，提出2050年超大時間跨度的水資源配置推薦方案和配置工程布局，為進一步優(yōu)化城市群水資源配置總體格局和保障跨越式發(fā)展供水安全提供重要依據(jù)。

城市群；水資源協(xié)同配置；長吉聯(lián)合都市區(qū)

1 研究背景

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，在一些經(jīng)濟發(fā)達的區(qū)域先后出現(xiàn)了諸如長三角、珠三角、臺灣海峽西岸、成渝城市群等現(xiàn)象的城市集聚效應，即由單一城市向城市群方向轉(zhuǎn)化和發(fā)展。相對于單一城市而言，城市群由具有一定數(shù)量、高度密集、不同等級和不同類型的城市組成，以一個或若干個特大城市為核心，城市之間存在一定內(nèi)部聯(lián)系等特性［1-2］。因此，從滿足城市群協(xié)同發(fā)展和水生態(tài)文明建設的實際需求出發(fā)，科學調(diào)整和優(yōu)化城市群水資源配置總體格局，已顯得十分重要和緊迫。

2009年8 月底，國務院批復了《中國圖們江區(qū)域合作開發(fā)規(guī)劃綱要—以長吉圖為開發(fā)開放先導區(qū)》，首次明確提出將長吉聯(lián)合都市區(qū)作為經(jīng)濟腹地的概念以及城市群區(qū)域協(xié)同整合的理念［3］。長吉聯(lián)合都市區(qū)是以長春市、吉林市為中心，四平市、遼源市、松原市3個地級市為依托，集聚整合各種資源要素（老工業(yè)基地、糧食基地、畜牧業(yè)基地和重要濕地保護區(qū)集聚地）于一體，對促進吉林省實現(xiàn)跨越式可持續(xù)協(xié)同發(fā)展和人水和諧的水生態(tài)文明社會建設具有舉足輕重的作用。因此，如何利用新理論和新方法研究解決長吉都市區(qū)所面臨的用水總量持續(xù)增長、不同城市之間競爭性用水矛盾加劇、河道外與河道內(nèi)及各行業(yè)之間用水競爭激化、供水規(guī)模與水質(zhì)標準及保證程度持續(xù)提高等多重挑戰(zhàn)問題［4-5］，得到了吉林省各級水行政主管部門的高度重視和社會各界的廣泛關注。本文基于“自然-人工”二元水循環(huán)互相耦合過程，以實現(xiàn)長吉都市區(qū)水資源與社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境之間及其各內(nèi)部之間的協(xié)同配置為目標［6-7］，通過構(gòu)建面向城市群的水資源多維多目標配置模型和長系列逐月調(diào)節(jié)計算及對比分析，提出2050年超大時間跨度的水資源配置推薦方案和配置工程布局，為長吉都市區(qū)優(yōu)化調(diào)整水資源配置總體格局和確保供水安全等提供重要依據(jù)。

2 區(qū)域概況

長吉都市區(qū)多年平均（1956—2000年）年降水量為583.7 mm，水資源總量為135.9億m3，水資源可利用量為85.8億m3，現(xiàn)狀（2012年）人均、畝均水資源量分別為696 m3和1 261 m3，分別為全國平均水平的30%和87%。根據(jù)“國際人口行動”提出的“可持續(xù)水——人口和可更新水的供給前景”報告采用的人均水資源評價標準：“少于1 700 m3為用水緊張國家；少于1 000 m3為缺水國家；少于500 m3為嚴重缺水國家”，長吉都市區(qū)屬于較嚴重缺水區(qū)域。

長吉都市區(qū)現(xiàn)有供水水源以地表水源為主，地表水供水量占供水總量的64%；地下水源為輔，地下水供水量占供水總量的36%。在各行業(yè)用水量中，生產(chǎn)用水量占用水總量的90%；生活用水量占用水總量的8%，生態(tài)環(huán)境用水量占用水總量的2%。長春市作為長吉都市區(qū)主核心區(qū)，在未來區(qū)域發(fā)展中起主導和引擎作用，但長春市水資源不豐富且水質(zhì)較差，而作為次核心區(qū)的吉林市土地資源、礦產(chǎn)資源及水資源相對較為豐富，但其發(fā)展驅(qū)動力、創(chuàng)新能力和科技實力等卻相對弱一些。因此，從區(qū)域協(xié)同發(fā)展角度，如何根據(jù)各自的優(yōu)勢和不足，通過區(qū)域間各種資源的協(xié)調(diào)整合，開辟出一條區(qū)域間各要素資源合理流動和區(qū)域間協(xié)同發(fā)展的新模式。

3 模型構(gòu)建

城市群水資源多維多目標協(xié)同配置模型是通過建立“自然-人工”二元水循環(huán)轉(zhuǎn)化與調(diào)控平衡方程［8-9］，以水資源分區(qū)套行政區(qū)為基本計算單元的水資源供用耗排平衡方程、水利工程調(diào)度供水平衡方程、水源利用及其它各類約束方程為約束條件，以供水凈效益最大及損失水量最小為目標函數(shù)的數(shù)學規(guī)劃模型［10-11］。利用世界銀行和美國GAMS公司研制的通用數(shù)學模型系統(tǒng)（Windows GAMS 2.50）對該模型進行求解計算，以實施水資源供需平衡的各項任務。通過對各種方案的分析計算和比選提出推薦方案，為水資源配置決策提供依據(jù)。

3.1 目標函數(shù)

3.1.1 社會目標 基于城市群水安全保障要求，每個城市單元采取多水源、水源地多分區(qū)優(yōu)化配置［12］，針對單一水源供給多個對象的問題，根據(jù)不同城市單元等級差異，賦予不同供水權(quán)重。

式中：i為城市群的第i個城市單元，i=1，…，n；j為第j個水源地區(qū)域，j=1，…，m；αj為第j個水源地區(qū)域的權(quán)重，分別為第i個城市單元地表水、地下水、外調(diào)水和再生水供水水源的權(quán)重參數(shù)；XZS、XZG、XZD、XZT分別為城市單元中地表水、地下水、外調(diào)水和再生水供水量。

3.1.2 經(jīng)濟目標 為滿足各個城市單元特色化發(fā)展需求同時又實現(xiàn)城市群整體的協(xié)同發(fā)展，選取缺水量作為社會經(jīng)濟效益評價標準，不同行業(yè)缺水量通過賦予不同的權(quán)重來滿足各個城市的特色化發(fā)展和城市群的協(xié)同發(fā)展需求。

3.1.3 生態(tài)目標 考慮到城市群城市化進程加快易與水生態(tài)文明建設相脫節(jié)考慮，選擇城市群綠地、公共衛(wèi)生和湖泊濕地的缺水量為目標，其缺水量越小，社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的平衡狀態(tài)越好［13-14］；基于城市群區(qū)域集聚性和水資源配置系統(tǒng)中水資源的強可再生性，從環(huán)境效益考慮，再生水供給量越大，工業(yè)和生活污水排放量中污染物入河越少，水功能達標率相對越高。

3.1.4 綜合目標 城市群水資源優(yōu)化配置作為多目標優(yōu)化問題，求解過程中通常采用權(quán)重賦值將多目標問題從形式上轉(zhuǎn)化為單一目標問題。鑒此，本文給出城市群水資源多維多目標協(xié)同配置模型的目標函數(shù)為：

式中：λ1、λ2、λ3分別為社會目標、經(jīng)濟目標和生態(tài)目標的權(quán)重參數(shù)。

3.2 約束條件

3.2.1 水資源可供水量約束

式中：XZSijt為第t時段第i個城市單元在第j個區(qū)域內(nèi)地表水資源使用量；Qst為城市群區(qū)域內(nèi)第t時段地表水資源可利用量；XZGijt為第t時段第i個城市單元在第j個區(qū)域內(nèi)地下水資源使用量；Qgt為城市群區(qū)域內(nèi)第t時段地下水可開采量；XZDijt為第t時段第i個城市單元在第j個區(qū)域內(nèi)外調(diào)水資源使用量；Qdt為城市群區(qū)域內(nèi)第t時段外調(diào)水資源可利用量；XZTijt為第t時段第i個城市單元在第j個區(qū)域內(nèi)再生水使用量；Qtt為城市群區(qū)域內(nèi)第t時段污水處理廠處理能力。

3.2.2 社會經(jīng)濟約束

式中：Si為第i個城市單元內(nèi)農(nóng)田灌溉面積；S為城市群內(nèi)總的農(nóng)田可灌溉面積；Ii為第i個城市單元內(nèi)工業(yè)單方水效益值；I規(guī)劃為城市群內(nèi)工業(yè)單方水效益規(guī)劃目標（本文采用全國平均值149萬元/m3）。

3.2.3 生態(tài)環(huán)境約束

式中：XRQl為第l條河道的實際過流量；Qlmin為第l條河道所需的最小生態(tài)流量。

3.2.4 其他約束

主要包括分水節(jié)點、水庫和城市單元的水量平衡方程，變量非負約束等。

4 配置方案

4.1 方案設置根據(jù)水資源配置供給和需求兩方面的影響因素分析，選取社會經(jīng)濟發(fā)展模式、節(jié)水方式、再生水利用情況和外調(diào)水工程規(guī)劃情況等4個方面組合設置了3種方案。具體見表1。

方案Ⅰ在需求側(cè)實施高速發(fā)展和適度節(jié)水，在供水側(cè)加大再生水和外調(diào)水利用規(guī)模；方案Ⅱ在需求側(cè)實施高速發(fā)展和強化節(jié)水，在供水側(cè)加大再生水利用規(guī)模、保持現(xiàn)有外調(diào)水供水規(guī)模和新增白山自流引水工程；方案Ⅲ在需求側(cè)實施適度發(fā)展和強化節(jié)水，在供水側(cè)適度利用再生水和緩慢實現(xiàn)外調(diào)水工程供水規(guī)模。

表1 城市群配置組合方案

4.2 方案優(yōu)選利用以上構(gòu)建的水資源多維多目標協(xié)同配置模型，對各種組合方案進行1956—2000年45年長系列逐月調(diào)算，得到城市群不同組合方案、不同水平年的水資源配置結(jié)果，詳見表2。表中需水量、供用水量指毛水量，配置過程中輸水損失已在模型中通過設置渠系、管道等水利用系數(shù)進行了模擬控制。

表2 城市群不同方案優(yōu)化配置結(jié)果 （單位：億m3、%）

由表2可以看出，方案Ⅰ：2050年需水量為143.73億m3，供水量為138.38億m3，缺水深度為3.7%，城鎮(zhèn)缺水深度為5.2%。其中外調(diào)水供水量為22.80億m3，包括引松入長工程供水量為3.08億m3，中部城市引水工程供水量為19.72億m3，這時中部城市引水工程供水量比原設計規(guī)模要翻一番。方案Ⅱ：2050年需水量為131.64億m3，供水量為130.54億m3，缺水深度為0.8%，城鎮(zhèn)缺水深度為1.5%。其中外調(diào)水供水量為20.67億m3，包括引松入長工程供水量為3.08億m3，中部城市引水工程供水量為7.39億m3，白山引水工程供水量為10.20億m3。該方案缺水深度相對較小，并且主要集中在農(nóng)業(yè)方面，該方案2050年實施了自流的白山引水工程，而中部城市引水工程仍保持原設計規(guī)模。方案Ⅲ：2050年需水量為122.32億m3，供水量為118.65億m3，缺水深度為3.0%，城鎮(zhèn)缺水深度為4.6%。其中外調(diào)水供水量為12.22億m3，包括引松入長工程供水量為3.08億m3，中部城市引水工程供水量為9.14億m3，這時中部城市引水工程供水量達到了2030年設計規(guī)模。

從水資源配置總體格局分析：方案Ⅰ在中部城市引水工程原設計規(guī)模的基礎上，擴建二期工程，從受水區(qū)范圍和運行成本、安全供水角度分析可行性不大；方案Ⅱ新建一條白山引水工程較為有利，不僅可以大大降低遼源市和四平市的供水運行成本，由提水變?yōu)樽粤饕?，實現(xiàn)低碳發(fā)展模式，而且白山水庫水質(zhì)比豐滿水庫更加優(yōu)質(zhì)。從供水安全角度，遼源市和四平市實現(xiàn)了雙套外調(diào)水系統(tǒng)：一套是提水調(diào)水系統(tǒng)（中部城市引水工程）、一套是自流調(diào)水系統(tǒng)（白山引水工程），長春市實現(xiàn)了三套外調(diào)水系統(tǒng)：一套是提水調(diào)水系統(tǒng)（引松入長工程）、兩套是自流調(diào)水系統(tǒng)（中部城市引水工程和白山引水工程），供水安全保障程度更高。從生態(tài)文明構(gòu)建角度，白山引水工程對飲馬河、伊通河上游各水系生態(tài)補水和修復、改善水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)具有得天獨厚的優(yōu)勢；方案Ⅲ保持既定外調(diào)水規(guī)模，保持平穩(wěn)式發(fā)展。

從水資源供需平衡角度分析：方案Ⅰ：對應經(jīng)濟社會高速發(fā)展和適度節(jié)水，外調(diào)水規(guī)模最大，開源投資最大，但節(jié)水力度較小，生態(tài)環(huán)境用水被國民經(jīng)濟發(fā)展用水大量擠占，不利于構(gòu)建人水和諧的水生態(tài)文明社會；方案Ⅱ：對應經(jīng)濟社會高速發(fā)展和強化節(jié)水，外調(diào)水規(guī)模適中，開源投資適度，既可保證經(jīng)濟社會快速發(fā)展，又可節(jié)約大量水資源，從而避免生態(tài)環(huán)境用水被國民經(jīng)濟發(fā)展用水大量擠占，對于構(gòu)建人水和諧的水生態(tài)文明社會十分有利；方案Ⅲ：對應經(jīng)濟社會適度發(fā)展和強化節(jié)水，雖然需要的外調(diào)水規(guī)模最小，但節(jié)水力度較大，雖然有利于生態(tài)環(huán)境改善，但不利于國民經(jīng)濟快速發(fā)展和經(jīng)濟財富的大量積累，對于構(gòu)建人水和諧的水生態(tài)文明社會也不利。

綜上所述，選擇方案Ⅱ作為優(yōu)先推薦方案。

4.3 優(yōu)選結(jié)果分析由于篇幅限制，僅列出長吉都市區(qū)多年平均保證率下的2050年的配置結(jié)果，具體結(jié)果見表3。從表3中可以看出，2050年長吉都市區(qū)實現(xiàn)了分區(qū)域多水源供給和城市間各具特色的協(xié)同發(fā)展，實施中部城市引水工程和白山引水工程后總?cè)彼?.12億m3，缺水深度0.85%，且主要集中在農(nóng)村用水缺口上。由此可以看出，長吉都市區(qū)通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、大力推廣節(jié)水和污水處理再利用以及修建外調(diào)水工程等，完全可以確保未來水資源安全供給，可滿足人水和諧的水生態(tài)文明社會建設用水需求。

表4 長吉都市區(qū)推薦方案2050年水資源優(yōu)化配置結(jié)果 （單位：億m3、%）

5 結(jié)論

（1）長吉都市區(qū)未來水資源優(yōu)化配置思路：吉林市和長春市作為東北的老工業(yè)基地，以保障其用水安全為主，因此主要都采用分區(qū)域多水源供給。吉林市當?shù)氐乇硭Y源較為豐富，以地表水為主、地下水為輔，當?shù)乇硭荒芙鉀Q當?shù)厝彼畣栴}時，適當增加地下水開采量；長春市、四平市和遼源市是外調(diào)水工程——引松入長工程、中部城市引水工程和白山引水工程的主要受水區(qū)，未來城鎮(zhèn)新增用水需求主要以外調(diào)水工程予以滿足；松原市地處第二松花江和嫩江的交匯處，水資源較為豐富，尤其是過境水資源十分豐富，同時也是吉林省糧食安全主產(chǎn)區(qū)，以發(fā)展農(nóng)業(yè)為主，為保障國家未來的糧食安全問題，未來新增用水需求主要通過修建哈達山水庫及配套引提水工程優(yōu)先利用地表水，合理開采地下水予以解決。

（2）2050年推薦方案（方案Ⅱ）配置結(jié)果：長吉都市區(qū)多年平均供水總量為130.53億m3，缺水量為1.12億m3，缺水深度為0.85%。其中地表水供水量75.50億m3，地下水供水量為31.80億m3，再生水供水量為2.55億m3，引松入長工程調(diào)水量為3.08億m3，中部城市引水工程調(diào)水量為7.39億m3，白山引水工程調(diào)水量為10.20億m3。

（3）從社會目標上，2050年長吉都市區(qū)實現(xiàn)了分區(qū)域多水源供給，例如長吉都市區(qū)的核心城市長春市2050年總供水量為40.20億m3，其中外調(diào)水量為14.02億m3（引松入長工程調(diào)水量3.08億m3、中部城市引水工程調(diào)水量7.40億m3、白山引水工程調(diào)水量為3.54億m3）、地表水供水量為13.99億m3，地下水供水量為9.66億m3，再生水供水量為2.54億m3。

（4）從經(jīng)濟目標上，2050年長吉都市區(qū)實現(xiàn)了城市間各具特色的協(xié)同發(fā)展，例如，長春市作為城市群的區(qū)域中心，以金融貿(mào)易、都市商業(yè)、科教和生活服務為主要功能，因此其更側(cè)重于第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；吉林市利用其主要的自然礦產(chǎn)資源，以產(chǎn)業(yè)制造為主，主要側(cè)重于第二產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；松原市作為吉林省主要的糧食生產(chǎn)基地，為了保障糧食安全，主要側(cè)重于第一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

（5）從生態(tài)目標上，2050年長吉都市區(qū)“三生”需水比例為12∶85∶3。城鎮(zhèn)公共綠地面積將達到7.662萬hm2、河湖補水面積將達到1.231萬hm2、環(huán)境衛(wèi)生面積將達到2.365萬hm2，總需水量將達到3.15億m3。通過“三橫三縱”（“三橫”——引松入長工程、引松供水工程、白山引水工程及東遼河干流，“三縱”——第二松花江干流、飲馬河干流、伊通河干流）的水資源配置格局使得城市群內(nèi)形成天然水系河道和骨干輸水工程良好連通、引排得當、循環(huán)通暢、蓄泄兼籌、豐枯調(diào)劑、多源互補和調(diào)控自如的河庫水系連通體系，為國家城市化發(fā)展提供了安全保障，為水生態(tài)文明構(gòu)建提供了科學依據(jù)。

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（責任編輯：王成麗）

《中國水利水電科學研究院學報》2014年度優(yōu)秀論文公告

依據(jù)《〈中國水利水電科學研究院學報〉優(yōu)秀論文和優(yōu)秀審稿人獎勵辦法》的規(guī)定，為促進水利科技的創(chuàng)新發(fā)展，不斷提高《中國水利水電科學研究院學報》的論文質(zhì)量和學術影響力，鼓勵為院學報撰寫高水平學術論文的作者，經(jīng)編委會投票推薦，編委會主任委員審定，以下6篇論文評為2014年度《中國水利水電科學研究院學報》優(yōu)秀論文，名單如下：

《中國水利水電科學研究院學報》2014年度優(yōu)秀論文名單

《中國水利水電科學研究院學報》編輯部

Water resources collaborative allocation model and ultra long-term scheme in megalopolis

LI Liqin，WEI Chuanjiang，XIE Xinmin，WU Xueyi
（Department of Water Resources，IWHR，Beijing 100038，China）

In terms of the new situation and problems caused by the rapid development of megalopolis，exploring the water resources collaborative allocation model and ultra-long-term water allocation scheme are the solutions for the sustainable use of water resources for megalopolis.We choose Chang-Ji megalopolis as the case study.A multi-dimensional and multi-objective model was established to optimize water resources allocation for the megalopolis.This paper compared the results of long-term monthly water resources regulations under different schemes and proposed an ultra-long-term water resources allocation layout and water construction distribution of Chang-Ji megalopolis in 2050.The model with multi-dimensional and multi-objective functions provides a feasible approach to optimizing the overall layout of water resources allocation and offers fundamental support to guarantee a reliable water supply during the rapid urbanization.

megalopolis；water resources collaborative allocation；Chang-Ji megalopolis

TV213

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.06.001

1672-3031（2015）06-0401-07

2015-02-02

水利部公益性項目（201401003）；中央分成水資源費項目（1261530110043）；十二五水專項（2012ZX07201-006）

李麗琴（1988-），女，河南禹州人，博士生，主要從事水資源規(guī)劃與優(yōu)化配置研究。E-mail：liliqin__cool@126.com

謝新民（1963-），男，山東人，博士，教授級高級工程師，主要從事水資源規(guī)劃、配置和管理研究。E-mail：xiexm@iwhr.com