水資源優(yōu)化配置結(jié)果合理性檢驗與歸因分析

溫祖梁 牟舵

摘要：水資源作為一種非常重要的資源，是整個社會發(fā)展的基礎(chǔ)。新世紀我國乃至全世界的水資源短缺問題都非常嚴重，因此進行區(qū)域水資源優(yōu)化配置研究非常重要。通過水資源優(yōu)化配置可以找到當(dāng)?shù)厮Y源所存在的問題，本文根據(jù)水資源優(yōu)化配置結(jié)果所表現(xiàn)出的十分嚴峻的缺水問題，結(jié)合優(yōu)化算法和一般算法的結(jié)果比較，來找出如此嚴重缺水的原因所在，并給出相應(yīng)建議。

關(guān)鍵詞：水資源優(yōu)化配置；合理性檢驗；歸因分析

1研究背景

水資源是人類文明的源泉，是社會發(fā)展和生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，水資源問題是涉及到包括人口、經(jīng)濟、社會與環(huán)境的一個復(fù)雜巨系統(tǒng)。我國的水資源十分短缺，人均水資源量遠低于世界平均水平，水資源供需矛盾突出?，F(xiàn)在國內(nèi)很多地區(qū)的水資源供應(yīng)都較為緊張，影響當(dāng)?shù)厣鐣陌l(fā)展與和諧，同時影響當(dāng)?shù)氐乃鷳B(tài)環(huán)境。為緩解水資源問題，有必要通過水資源優(yōu)化配置，提高水資源利用效率，實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用。國內(nèi)外很多位學(xué)者都做過相關(guān)的研究，如吳險峰等探討了進化算法在城市多水源優(yōu)化配置中的應(yīng)用：甘泓等以地市級行政區(qū)為研究區(qū)域開發(fā)了水資源配置動態(tài)模擬模型：王博基于水足跡理論，對處在城市化進程中的吉林省遼河流域的水資源優(yōu)化配置進行了研究；王中凱基于系統(tǒng)動力學(xué)，研究了處于生態(tài)系統(tǒng)從半濕潤草原向半干旱沙漠地區(qū)的過渡帶，生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)的水資源優(yōu)化配置：唐景云等探討了調(diào)水工程在實現(xiàn)區(qū)域水資源優(yōu)化配置的必要性：Pearson利用多個水庫的控制曲線、以產(chǎn)值最大為目標(biāo)、以輸水能力及預(yù)測的需水作為約束條件，利用二次規(guī)劃方法研究了英國Nawwa區(qū)域的用水量優(yōu)化分配問題；Pe rcia等則以經(jīng)濟效益最大為目標(biāo)，建立以色列南部E ilat地區(qū)的污水、地表水與地下水等多種水源的管理模型，并在模型里考慮不同用水行業(yè)對水質(zhì)的不同要求；Jerson等針對經(jīng)濟用水量超過當(dāng)?shù)厮Y源承載能力的干旱地區(qū)，討論了水分配機制，研制了基于不同用水行業(yè)的機會成本的配置模型。本文將2020與2030未來水平年75%頻率下麗江市優(yōu)化配置結(jié)果和一般配置結(jié)果處理后進行對比，在驗證優(yōu)化結(jié)果的合理性及優(yōu)越性的同時，輔助尋找水資源問題的癥結(jié)所在，并據(jù)此提出建議。

2麗江市水資源優(yōu)化配置結(jié)果分析

2.1優(yōu)化目標(biāo)與約束條件

優(yōu)化目標(biāo)：同一行業(yè)各個單元間的缺水率差異最小，通過方差來表示；同一行業(yè)各單元總的缺水率最小，通過求和來表示。

約束條件：供用水量平衡、水庫水量平衡、供水量不得高于需水量。

2.2配置結(jié)果分析

2020水平年，麗江市P=75%頻率下需水31688萬㎡，本區(qū)各類水利工程P=75%頻率供水量23923萬㎡，缺水7765萬㎡，缺水率24.5%，其中城市生活缺水1815萬㎡，城市生活缺水率51.8%，占總?cè)彼康?3.4%；農(nóng)村生活基本不缺水；工業(yè)缺水928萬㎡，工業(yè)缺水率32.5%，占總?cè)彼康?1.9%；農(nóng)田灌溉缺水728萬㎡，缺水率7.2%，占總?cè)彼康?.4%；景觀生態(tài)缺水4295萬㎡，缺水率29.2%，占總?cè)彼康?5.3%。

2030水平年，麗江壩區(qū)P=75%頻率總需水34827萬㎡，各類水利工程P=75%頻率供水量24138萬㎡，缺水10689萬㎡，缺水率30.69%，其中城市生活缺水4360萬㎡，城市生活缺水率71.9%，占總?cè)彼康?0.8%；農(nóng)村生活基本不缺水；工業(yè)缺水1378萬㎡，工業(yè)缺水率34.4%，占總?cè)彼康?2.9%；農(nóng)田灌溉缺水657萬㎡，缺水率6.9%，占總?cè)彼康?.2%；景觀生態(tài)缺水4295萬㎡，缺水率29.2%，占總?cè)彼康?0.2%。

根據(jù)水資源優(yōu)化配置結(jié)果，未來各水平年當(dāng)?shù)厮Y源供需缺口比較大，其中值得注意的是2020和2030水平年城鎮(zhèn)生活缺水非常多，缺水率分別為51.8%和71.9%，這樣嚴峻的缺水問題很可能會導(dǎo)致社會的不安定，但是在總?cè)彼Y(jié)構(gòu)中，城鎮(zhèn)生活缺水量甚至高于工業(yè)缺水量和農(nóng)業(yè)缺水量之和，并且農(nóng)業(yè)缺水率都在10%以下，這樣的現(xiàn)象較為反常，因為在以人為本的指導(dǎo)思想下，應(yīng)該優(yōu)先滿足人口的生活用水，據(jù)此，通過一般算法進行水資源配置，將配置結(jié)果與優(yōu)化配置結(jié)果進行對比，在保證基礎(chǔ)資料正確的情況下，來驗證優(yōu)化配置結(jié)果的合理性與優(yōu)越性，并嘗試尋找造成這種現(xiàn)象的原因所在。

3一般算法與優(yōu)化算法配置結(jié)果對比分析

3.1一般算法遵循原則

（1）按照從水系的上游到下游，從左岸到右岸的順序進行配置；（2）按照水庫庫容從小到大進行供水；（3）按照生活工業(yè)農(nóng)業(yè)生態(tài)的優(yōu)先度順序進行供水：（4）同樣滿足優(yōu)化算法的約束條件：（5）在滿足上述條件的同時盡量使缺水率最小。

3.2結(jié)果對比

通過公平性指標(biāo)與缺水率指標(biāo)來進行比選，公平性指標(biāo)表示各個單元的年缺水率之間的差異程度，差異越小越公平：缺水率指標(biāo)反應(yīng)供水量對需水量的滿足程度，缺水率越大說明，供水保障率越小。對公平性目標(biāo)和缺水率指標(biāo)進行加權(quán)求和，得到最終的總目標(biāo)總目標(biāo)函數(shù)越小說明配置結(jié)果越優(yōu)化。本次研究中，將公平性指標(biāo)和缺水率指標(biāo)的權(quán)重分別定為0.5與1。

下面分析75%來水頻率的枯水典型年條件下各行業(yè)的缺水率情況和區(qū)域公平性，來校對分析水資源優(yōu)化配置算法的合理性與優(yōu)越性。

可以看出，在75%枯水年份，2020水平年和2030水平年，優(yōu)化配置結(jié)果總目標(biāo)函數(shù)較優(yōu)，且在缺水率指標(biāo)和區(qū)域公平性指標(biāo)上均優(yōu)于一般算法的配置結(jié)果。2020水平年，優(yōu)化結(jié)果總目標(biāo)為67.08，一般配置總目標(biāo)為67.13；2030水平年，優(yōu)化結(jié)果總目標(biāo)為80.10，一般配置總目標(biāo)為80.61。在考慮多目標(biāo)、多水源、多用戶水資源分配，從缺水率最小和區(qū)域公平性最高兩個方面優(yōu)化水資源調(diào)控，優(yōu)化算法的配置結(jié)果要好于一般算法的結(jié)果，并且優(yōu)化算法的結(jié)果是合理的。

但是要注意到，優(yōu)化算法的目標(biāo)值都只是略好于一般算法甚至與之一致，這表明優(yōu)化的效果并不是很明顯，原因在于優(yōu)化配置的作用在于當(dāng)一個水源可以供給多個用水戶時，通過優(yōu)化算法分配水量，并使目標(biāo)函數(shù)達到最優(yōu)，但是當(dāng)區(qū)域的供水結(jié)構(gòu)大部分都是一個水源供給一個用水戶或者多個水源供給一個用水戶時，此時公平性目標(biāo)難以得到優(yōu)化，所以和一般算法的配置結(jié)果沒有很大的區(qū)別。

4結(jié)論與建議

結(jié)論：配置結(jié)果的對比表明，優(yōu)化算法和一般算法相比具有優(yōu)越性，同時也具有合理性。但是二者相差不大，表明當(dāng)?shù)毓┧Y(jié)果還是以一個水源供給一個用水戶或者多個水源供給一個用水戶的情況為主，再結(jié)合優(yōu)化配置得到的生活缺水異常多的情況，可以得出造成這種結(jié)果的原因在于城鎮(zhèn)生活用水的水源不夠，很多水源都無法供給城鎮(zhèn)的生活用水，只能供給其他的單一行業(yè)，供水結(jié)構(gòu)存在一定問題，造成一種從結(jié)果看優(yōu)先保證農(nóng)業(yè)用水的情況出現(xiàn)。

建議：（1）新增加城市生活用水的水源，同時提倡人民節(jié)約用水，開源節(jié)流兩手抓，提高城鎮(zhèn)生活用水的供水保證率。（2）調(diào)整當(dāng)?shù)氐墓┧Y(jié)構(gòu)，加強管網(wǎng)建設(shè)，堅持優(yōu)水優(yōu)用，以人為本，優(yōu)先保證生活用水的供給。