基于目標(biāo)規(guī)劃的中國水資源一級區(qū)調(diào)配方案研究

董橋　湯新宇　陸敏　姜英姿

摘 要：將水資源分布一級區(qū)作為研究對象，根據(jù)各一級區(qū)2016年來的水資源供需情況，將水資源配送方式分為本地區(qū)海水淡化與跨流域調(diào)水2種方式。綜合考慮2種方式的經(jīng)濟(jì)成本，建立了以最小費(fèi)用為目標(biāo)的淡化調(diào)水模型，求解得到2016年的最優(yōu)水資源調(diào)配方案。

關(guān)鍵詞：海水淡化；水資源；配置方案；需水量

中圖分類號：TV211.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.008

1 中國水資源的區(qū)域劃分

幅員遼闊的中國土地面積水資源量為全球平均水平的83%，但人均水資源量僅2 100 m3，不足世界人均水平的1/3，南北東西地區(qū)可利用淡水資源差異很大。為了制訂未來10年最優(yōu)的用水計(jì)劃，必須清楚地認(rèn)識到中國水資源的實(shí)際情況。因此，有必要對中國進(jìn)行區(qū)域劃分。

水功能區(qū)劃的目的是通過分析水資源的特點(diǎn)、開發(fā)利用現(xiàn)狀和趨勢評價水質(zhì)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展對水量、水質(zhì)的要求，明確江河湖庫的主導(dǎo)功能及功能順序劃定水功能區(qū)，協(xié)調(diào)用水關(guān)系，為水資源管理、保護(hù)和水污染防治提供基礎(chǔ)依據(jù)，促進(jìn)水資源優(yōu)化配置，保障可持續(xù)利用。

以《中華人民共和國水法》為依據(jù)，考慮水資源的開發(fā)利用，包括地形、地貌單元、水文氣象及自然災(zāi)害規(guī)律的相似性，在一定程度上照顧流域界限與行政界限進(jìn)行分區(qū)劃片，將水利區(qū)在全國劃分為10個一級區(qū)。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，海水淡化也逐漸成為沿海地區(qū)為緩解水資源緊張的一種有效方法。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，在探究最優(yōu)配置方案的過程中加入了海水淡化方式以及海水淡化與運(yùn)輸?shù)脑敿?xì)費(fèi)用估計(jì)，求出了目標(biāo)函數(shù)為最小成本的最優(yōu)調(diào)配方案。

在保證各一級區(qū)能正常維持地區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)展的情況下，本文取各一級區(qū)水資源總量的75 %作為該區(qū)域的供水量。經(jīng)由上述分析和所得出的結(jié)論，水資源供應(yīng)量可記作Wi（i=1，2，…，10），其中，i為9個水資源流域。水資源需求量為Xi（i=1，2，…，10），則水資源各流域一年度的可提供量與需求量之差為：

Vi=Wi-Xi. （1）

在綜合考慮年降水總量（年降水總量=年降水量×面積）、人均年降水量（人均年降水量=年降水總量/人口）等的前提下，為了方便解答問題，我們假設(shè)除了人均年降水量大于1 300 m3外，該區(qū)域在該年的供應(yīng)量大于需求量時，為水資源豐富區(qū)，反之為匱乏區(qū)；如果人均年降水量小于1 300 m3，則依然為水資源匱乏區(qū)。

供應(yīng)量與需求量的大小關(guān)系為：如果Vi≥0，則表示該區(qū)域本年度不缺乏水資源，可采取庫存、節(jié)水等方式，以備不時之需；Vi<0，則表示該區(qū)域本年度缺乏水源，可采取調(diào)水、淡化水資源等方式來解決缺水問題。

中國水資源一年度的可提供量與需求量之差的總和為：

如果V>0，則表示中國本年度的淡水資源是足夠的；如果V<0，則表示中國本年度的淡水資源是不夠的，需采用淡化水資源、節(jié)水等方式來解決水資源問題。

綜上所述，遼河、海河與淮河為水資源匱乏區(qū)，其余基本富余。

2 單目標(biāo)低成本的調(diào)水淡化模型

由上述模型給出的結(jié)論，我們將各一級區(qū)供求差解答出，并繪制成如表2。

在表2中，水資源一級區(qū)各區(qū)的供求差為正，則表示該區(qū)域內(nèi)整體而言不缺水（不包含個別地區(qū)缺水的情況）；供求差

為負(fù)，則表示該區(qū)域缺水，需要從水資源豐富區(qū)調(diào)水或者淡化海水（這些分析在上文中已具體給出）。

由于水資源分區(qū)存在問題，必然會有區(qū)域的個別地方是缺水的。然而，有些地區(qū)所缺水資源可以由本區(qū)域提供，對于這種情況，我們認(rèn)為其可以進(jìn)行內(nèi)部調(diào)節(jié)，我們暫不作考慮。

在表2中，我們可以比較直觀地看出遼河區(qū)、海河區(qū)和淮河區(qū)是嚴(yán)重缺水的，這必然會從其他區(qū)調(diào)水或是淡化海水，以滿足自身需求。以下我們分析遼河區(qū)、海河區(qū)和淮河區(qū)的調(diào)水淡化模型。

由于該模型要求由7個不缺水區(qū)域向3個缺水區(qū)域調(diào)水，所以，引入0-1變量對其進(jìn)行判斷，比較方便，計(jì)算公式為：

3 目標(biāo)規(guī)劃模型的建立

3.1 決策變量的選取

我們引入0-1變量，模型的決策變量為xik，i區(qū)域是否往k區(qū)域調(diào)水的計(jì)算公式為：

3.2 約束條件的建立

從i區(qū)域往k區(qū)域調(diào)水的總數(shù)量與k區(qū)域淡化海水的數(shù)量之和應(yīng)不小于k區(qū)域的缺水量，表達(dá)式為：

式（5）中：Vik為從i水資源區(qū)域往k區(qū)域的調(diào)水量；dk為i區(qū)域的淡化海水量；Qk為k區(qū)域的缺水量。

從i區(qū)域往k區(qū)域的調(diào)水量不能大于i區(qū)域的淡水資源盈余量，表達(dá)式為：

式（6）中：Yi表示i區(qū)域的淡水資源盈余量。

3.3 目標(biāo)函數(shù)的確立

在保證調(diào)水和淡化海水使得各地區(qū)不缺水的情況下，最低成本的計(jì)算公式為：

式（7）中：Z為區(qū)域間調(diào)水和缺水地區(qū)淡化海水的費(fèi)用；P1為單位淡水運(yùn)輸單位距離的費(fèi)用；P2為淡化海水每單位的費(fèi)用；lik為i區(qū)域與k區(qū)域的距離。

綜上所述，我們所建立的調(diào)水規(guī)劃模型為：

通過優(yōu)化軟件Lingo對目標(biāo)規(guī)劃問題求解，得到最優(yōu)調(diào)配方案，如圖1所示。

從圖1可以看出，通過目標(biāo)規(guī)劃求解得到2016年遼河區(qū)、海河流域與淮河流域缺水最為嚴(yán)重，綜合各方面因素選擇了松花江、黃河和長江與之供水，具體水資源調(diào)配方案為：①松花江調(diào)往遼河1.75×1010 m3，遼河海水淡化7.5×109 m3；②黃河調(diào)往淮河3.948×1011 m3，淮河海水淡化1.692×1011 m3；③長江調(diào)往海河1.458 1×1012 m3，海河海水淡化6.249×109 m3。

4 結(jié)束語

將水資源分布劃分為10個一級區(qū)，根據(jù)10個一級區(qū)2016年的水資源供需狀況，考慮到緩解水資源缺乏的方式可分為海水淡化以及跨流域調(diào)水供給2種，綜合各方面成本，建立了以最小調(diào)用成本為目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)規(guī)劃方程，利用Lingo求得結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主要調(diào)水源頭為長江。本題的研究結(jié)果為中國各水資源一級區(qū)的海水淡化與水資源調(diào)度的方案提供了依據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化與資金投入的最小化，所建模型是輔助水資源相關(guān)機(jī)構(gòu)與管理人員合理決策的有效工具。

參考文獻(xiàn)

[1]胡衛(wèi)國.基于仿真的專網(wǎng)性能評價與控制研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[2]李云玲.水資源需求與調(diào)控研究[D].北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2007.

[3]張毅.工業(yè)園區(qū)污水再生回用技術(shù)研究及工程應(yīng)用[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[4]秦思平.水權(quán)制度及初始水權(quán)分配的探討[D].江蘇：河海大學(xué)，2005.

[5]孟曉路.吉林中部水資源決策支持系統(tǒng)中宏觀經(jīng)濟(jì)水資源多目標(biāo)規(guī)劃問題解決方案的研究[J].水文，2008（09）.

[6]張亞迪，楊帆.基于故障定位算法的配電網(wǎng)自動化[J].電氣應(yīng)用，2007，26（10）.

〔編輯：張思楠〕