基于可變集的區(qū)域水資源全要素配置方案評價

邱慶泰王剛王維馮忠倫趙天宇林洪孝

摘要：傳統(tǒng)的區(qū)域水資源配置以水量配置為主，存在的指標單一、評價重量輕質(zhì)、忽視水質(zhì)潛在效應及缺乏水質(zhì)調(diào)控方案等問題；以統(tǒng)籌水資源、社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境三大系統(tǒng)的水資源全要素配置為指導，通過水量水質(zhì)聯(lián)合配置得出配置方案集；將可變模糊清晰集應用于方案集評價，構建了基于指標區(qū)間優(yōu)選法的評價模型，該模型包括水資源配置中指標級別區(qū)間的構建及評價。經(jīng)山東省鄒城市2030年水資源配置方案實證分析表明：山東省鄒城市2030年水資源配置方案集級別特征值區(qū)間為[2.5，3.5]，水資源可持續(xù)利用程度處于良好與及格之間，評價模型實用性成果顯著。

關鍵詞：水量水質(zhì)；全要素優(yōu)化；可變集；區(qū)間；級別

中圖分類號：TV213.9 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2016）05005507

區(qū)域水資源合理配置即在區(qū)域內(nèi)遵循一定原則、按照相應準則，通過各種措施合理調(diào)配區(qū)域內(nèi)的可用水資源。隨著水資源評價認識的發(fā)展，我國現(xiàn)代水資源配置先后經(jīng)過基于水資源廣義屬性的水資源配置、基于區(qū)域宏觀經(jīng)濟的水資源配置[12]、基于生態(tài)耗水的水資源配置、基于ET的水資源整體配置。當前基于水量的水資源配置研究已日趨成熟。唐德善等[2]以經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益為目標建立流域水資源優(yōu)化配置模型，用階梯分析法求解；邵東國等[3]以多種機制約束下水資源凈效益最大化為目標，并通過熵變關系判別水資源配置合理性；孫月峰等[4]構建了基于混合遺傳算法的區(qū)域大系統(tǒng)多目標水資源優(yōu)化配置模型，計算求得不同保證率情況下的生活和生態(tài)需水情況；周祖昊、桑學鋒等[57]基于生態(tài)水文、針對“真實節(jié)水”探討了基于廣義ET的區(qū)域水資源與水環(huán)境綜合管理規(guī)劃，并在天津市適用得出的方案進行定量評價，優(yōu)選出基于廣義ET的水資源與水環(huán)境綜合規(guī)劃推薦方案；魏傳江、張守平等[812]提出水資源全要素優(yōu)化配置，并以水量水質(zhì)聯(lián)合配置為方法得出區(qū)域合理配置方案，然而對配置方案整體評價需要進一步研究。

對水資源綜合配置方案來說，影響方案本身的指標因素多，各要素變動區(qū)間相互影響且相互影響程度模糊不清晰，無法定量表示；本文選用基于對立統(tǒng)一理論的可變模糊清晰集[1318]，分析全要素配置方案中的水資源系統(tǒng)、社會經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)三大系統(tǒng)，結合方案評價中各要素之間的清晰關系及各要素指標區(qū)間的模糊關系，建立以水資源、社會經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)可持續(xù)性最優(yōu)為目標的方案評價模型，并用可變集指標區(qū)間優(yōu)選法求解，明確了方案本身協(xié)調(diào)程度及方案集整體趨勢，促進了可變集指標區(qū)間優(yōu)選法在選擇最優(yōu)水資源配置方案中的應用。

1 研究方法

1.1 水資源全要素優(yōu)化配置模型

1.1.1 水資源全要素配置指標控制

水資源全要素優(yōu)化配置以水資源天然和人工側(cè)支循環(huán)演化二元模式為基礎，統(tǒng)籌水資源系統(tǒng)、經(jīng)濟社會系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，以水量與水質(zhì)聯(lián)合配置為方法，控制社會經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境合適的用水比例，控制取耗水總量與污染物排放總量，對區(qū)域各用水部門進行水量、水質(zhì)聯(lián)合配置，提高用水比例，合理抑制需求，保障有效供給，實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用。

（1）水資源系統(tǒng)調(diào)控指標。水資源系統(tǒng)調(diào)控主要為區(qū)域內(nèi)水資源利用現(xiàn)狀分析、規(guī)劃中水利工程對區(qū)域供需水格局的改善、以及未來水資源系統(tǒng)整體水平，調(diào)控程度主要體現(xiàn)在區(qū)域人均水資源量、區(qū)域水資源開發(fā)利用程度、區(qū)域水資源總量水量平衡方程、區(qū)域分質(zhì)供水保障率等要素。

（2）社會經(jīng)濟耗水調(diào)控指標。社會經(jīng)濟調(diào)控指標主要體現(xiàn)在區(qū)域人畜飲水的完全保障、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、區(qū)域萬元GDP用水量、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的缺水程度、區(qū)域產(chǎn)業(yè)升級帶來的耗水模式的改變、區(qū)域水資源配置的總體投入（工程和非工程）等。

（3）生態(tài)調(diào)控指標。確定生態(tài)用水比例主要分析流域當前的水資源開發(fā)利用形勢和生態(tài)環(huán)境演變情勢，分析當前社會經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)特點與耗水結構，以及未來社會經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)方式與耗水結構的改進，分析得出合理生態(tài)用水比例及其閥值。根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況，確保未來水平年整體生態(tài)狀況不低于天然生態(tài)保護的最低要求，維護生態(tài)系統(tǒng)圈層結構合理穩(wěn)定。主要指標為滿足河道最小生態(tài)基流、確保當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)生物多樣性的最小需水量，各水平年生態(tài)用水比例保持在水資源可持續(xù)利用的最小比例之上。

（4）環(huán)境調(diào)控指標。點源及非點源污染的排放必須滿足水功能區(qū)水質(zhì)目標和水域納污能力，滿足水資源合理開發(fā)和有效保護的需求。主要指標水功能區(qū)水質(zhì)達標率，污廢水的排放率和處理率。

1.1.2 水資源全要素優(yōu)化配置模型

以水量水質(zhì)聯(lián)合配置為方法對三大系統(tǒng)進行優(yōu)化配置：以供水單元為核心計算水資源供需平衡，以流域水資源分區(qū)水量平衡及河流生態(tài)徑流量為核心分析水資源耗水平衡及生態(tài)用水保證率，以河流納污能力為核心分析水功能區(qū)達標率。

（1）供需平衡分析。供需平衡分析基于水資源分區(qū)節(jié)點、水傳輸系統(tǒng)，根據(jù)水量平衡原理，建立供需水系統(tǒng)各個控制節(jié)點、供需水節(jié)點，在目標函數(shù)最值下計算單元節(jié)點平衡方程和約束方程，求解最優(yōu)值。目標函數(shù)程如下：

（2）耗水平衡分析。耗水平衡以水量平衡為方法，對水資源分區(qū)的產(chǎn)水量、調(diào)入和調(diào)出水量、出境和入境水量、社會經(jīng)濟耗水量、生態(tài)耗水量及水資源分區(qū)間水傳輸關系構成評價模型。目標函數(shù)如下。

（3）水質(zhì)平衡分析。水質(zhì)平衡分析是以水功能區(qū)的水質(zhì)目標及納污能力為依據(jù)，對規(guī)劃水平年污染物進行總量控制，對每個河段污染物降解能力及納污能力分析，控制排污口污染物排放量及排放種類。目標函數(shù)如下：

在水資源全要素配置過程中，三大系統(tǒng)的各要素之間相互影響程度模糊不定，如經(jīng)濟增長速率與生態(tài)需水，在水資源量一定的情況下，隨著經(jīng)濟增速增大，區(qū)域經(jīng)濟需水量增大，勢必會占用一部分生態(tài)需水，但生態(tài)需水縮減量無法直觀得到，只能以區(qū)間形式表現(xiàn)并通過變化區(qū)間來映射模糊影響程度。因此選取可變模糊清晰集對具有指標清晰及影響區(qū)間模糊的方案進行分析，并通過可變集指標區(qū)間優(yōu)選法計算方案級別特征值。

1.2 基于對立統(tǒng)一的指標區(qū)間可變集優(yōu)選法

將水資源全要素配置方案中各指標作為評價對象，基于可變集對立統(tǒng)一定理，采用指標區(qū)間優(yōu)選法計算出各方案級別特征值，反映方案本身合理程度，即方案優(yōu)劣等級。

1.2.1 可變集的對立統(tǒng)一定理

對每個決策方案uj進行如上計算，得到各方案級別特征值，且方案級別特征值越小方案越優(yōu)?？勺兗u價在水庫聯(lián)調(diào)、水質(zhì)評價和干旱評價等方面應用較多，如水庫聯(lián)合調(diào)度研究、三峽庫區(qū)環(huán)境污染評價、區(qū)域干旱分區(qū)研究等。本文將此評價方法應用于水資源全要素配置方案中，針對全要素優(yōu)化配置涵蓋的水資源系統(tǒng)、經(jīng)濟社會系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之間的相互影響問題，選取三大系統(tǒng)的主要調(diào)控指標作為評價要素，通過各指標的區(qū)間變化來映射三大系統(tǒng)模糊制約關系，計算各配置方案級別特征值并分析成因。

2 實例應用

2.1 研究區(qū)概況與水資源配置方案

鄒城市位于魯西南腹地，地處沂蒙山區(qū)西部邊緣，屬華北地臺型，地形東高西底，市內(nèi)多年平均降水量為7064 mm，區(qū)域50%、75%、95%保證率下降水量為7284 mm、5704 mm、3560 mm，境內(nèi)河流多屬雨源型山溪性河流。鄒城市多年平均水資源量為53 732萬m3，其中地表水資源量為25 112萬m3，人均水資源可利用量464 m3[19]，不足全國平均水平的1/4，水資源利用率達55%。

2010年鄒城市實際供水量總計為29 727萬m3，其中地表水、地下水（淺層水）和其他水源供水量分別為12 219萬m3、16 868萬m3、640萬m3，參照文獻[20]分析現(xiàn)狀年經(jīng)濟社會實際情況得出的需水量29 1309萬m3，相差率為002，需水計算模型可用。根據(jù)鄒城市社會經(jīng)濟發(fā)展和水利工程開發(fā)等情況配置多個水資源配置方案，遵循水資源配置的需水代表性、供水代表性及工程布局代表性三大準則，分別以水資源系統(tǒng)、社會經(jīng)濟系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)各自最優(yōu)配置，結合高中低三個發(fā)展模式[21]，以區(qū)域水量水質(zhì)[22]聯(lián)合配置相互交叉得出27個水資源配置方案[23]。

本文采用一維水質(zhì)模型[23]對水功能區(qū)主要河流斷面水質(zhì)進行評價，對主要承污河流分段計算不同斷面污染物濃度，采用上下游分配法[9]，根據(jù)同一河流段上下游斷面間的濃度差、河流段污水排入量、設計流量、河流段水功能區(qū)水質(zhì)要求計算河流段最大納污能力。鄒城市按水質(zhì)標準區(qū)劃水功能區(qū)（采取“就高”原則）主要分為白馬河水系、泗河水系漁業(yè)用水區(qū)、大城河水系、北沙河水系、界河水系，浚河水系，鑒于鄒城市生產(chǎn)生活區(qū)域主要集中在中西部，選取作為主要排污的白馬河作為分析水功能區(qū)納污能力計算河段，主要控制斷面COD最大納污能力分別為3542、10195、28823、4236、5132 kg/d；氨氮為177、509、480、212、257 kg/d，至2030年鄒城市設計污水處理量為9 4900萬m3，污水排放最大方案下污水入河量見表2，水功能區(qū)納污超限率見圖2。

2.2 方案集級別分析

針對鄒城市2030水資源配置方案集，參照文獻[8]、[9]及[16]，本文選取8項評價指標為：人均水資源量（m3）、水資源開發(fā)利用率（%）、區(qū)域經(jīng)濟增長速度（%）、缺水率（%）、萬元GDP用水量（m3）、萬元GDP耗水量（m3）、生態(tài)用水比例（%）、納污超限率（%）。按水資源可持續(xù)程度分為5個級別：1級（優(yōu)秀），2級（良好），3級（中等），4級（合格），5級（不合格）。方案集各控制指標優(yōu)選區(qū)間見矩陣[WTHX]I[WT]，各個方案評價指標見圖2。

依據(jù)文獻[25]，并選用AHP方法和熵值法的指標融合權重，構建權重分析矩陣，一致性檢驗后，得各指標權重w=（0.071，0086，0221，0104，0124，0137，0157，011），由公式（18）得方案1對各級相對隸屬度歸一化向量vu1=（031198，019043，002559，011177，036023），應用式（19）得方案1級別特征值H（u）=30678。以此計算其他方案特征值見圖3。

2.3 結果分析

由圖3可知，方案集級別特征值區(qū)間為[25，35]，方案級別特征值越低方案越優(yōu)，級別特征值為25023方案25為最優(yōu)方案；方案集水資源可持續(xù)程度整體處于良好與合格之間，表明按現(xiàn)有發(fā)展模式下鄒城市在2030年水資源全要素配置整體處于一般水平，分析原因為：（1）鄒城市水資源相對緊缺，人均水資源量少，水資源方案集缺水率范圍區(qū)間為3%～165%；（2）鄒城市用水結構較為合理，但社會經(jīng)濟中農(nóng)業(yè)用水水平不高，灌溉水利用系數(shù)較低，現(xiàn)狀年農(nóng)業(yè)用水比重為669%，其中耗水比重為571%，方案集中農(nóng)業(yè)用水耗水比重控制在22%～42%范圍內(nèi)；（3）鄒城市工業(yè)用水水平較高，工業(yè)以高耗水的能源型產(chǎn)業(yè)為主，現(xiàn)狀年工業(yè)耗水率高達85%以上，出現(xiàn)用水量不大耗水量較大的現(xiàn)象，同時高耗水造成方案中生態(tài)需水量減少。

由圖2、圖3知，對應水資源系統(tǒng)最優(yōu)、生態(tài)環(huán)境最優(yōu)、社會經(jīng)濟最優(yōu)的方案19、方案1、方案27級別特征值分別為272、306、334，三大系統(tǒng)各自最優(yōu)的三個方案中方案19最接近方案25，表明：在鄒城市后期規(guī)劃中單一考慮三大系統(tǒng)都不能得到最優(yōu)方案，而應統(tǒng)籌三大系統(tǒng)預測遠期規(guī)劃；以水資源利用現(xiàn)狀為依據(jù)的遠期預測規(guī)劃中，分別以三大系統(tǒng)最優(yōu)為側(cè)重點得出的方案中水資源系統(tǒng)最優(yōu)方案最接近最優(yōu)方案，即后期規(guī)劃落腳點應選取在水資源系統(tǒng)，其次是生態(tài)系統(tǒng)，最后是社會經(jīng)濟系統(tǒng)。

3 結論

（1）將可變集理論應用在區(qū)域水資源全要素配置上，建立以方案典型性要素為評價目標的多目標多級別系統(tǒng)評價模型，既統(tǒng)籌了全要素配置的三大系統(tǒng)又分析了配置方案各指標之間的模糊變化，同時結合熵值法確定的要素權重，能定量的評價出配置方案集各方案級別程度、方案集的級別穩(wěn)定區(qū)間，以及區(qū)域水資源可持續(xù)利用程度。

（2）根據(jù)可變集指標區(qū)間優(yōu)選法在山東省鄒城市水資源全要素配置方案上的應用，將每個方案在水資源系統(tǒng)、社會經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)進行定量評價，從27個配置方案中選出最優(yōu)方案并與三大系統(tǒng)各自最優(yōu)方案進行比較，得出鄒城市后期規(guī)劃主要落腳點為水資源系統(tǒng)。

（3）不同的區(qū)域由于三大系統(tǒng)相互影響關系的不同，得出的配置方案不同，方案集的指標優(yōu)選區(qū)間也隨之變化，根據(jù)三大系統(tǒng)分別最優(yōu)化方案的級別特征值可準確的反映出區(qū)域配置的著重點，為區(qū)域水資源配置方案優(yōu)選提供決策依據(jù)。

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