水網(wǎng)連通下山東藍色半島經(jīng)濟區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)配研究

冷曼曼，趙進勇，李慶國，張 晶，付意成

（1.北京林業(yè)大學 水土保持學院水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京 100083；2.濟南大學 資源與環(huán)境學院，山東 濟南 250022；3.中國水利水電科學研究院 水環(huán)境研究所，北京 100038）

水網(wǎng)連通下山東藍色半島經(jīng)濟區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)配研究

冷曼曼1，2，趙進勇3，李慶國2，張 晶3，付意成3

（1.北京林業(yè)大學 水土保持學院水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京 100083；2.濟南大學 資源與環(huán)境學院，山東 濟南 250022；3.中國水利水電科學研究院 水環(huán)境研究所，北京 100038）

對山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)進行水資源優(yōu)化配置，利于解決區(qū)內(nèi)水資源短缺，促進經(jīng)濟區(qū)發(fā)展及規(guī)劃實現(xiàn)。以山東現(xiàn)代水網(wǎng)建設(shè)為依托，針對山東藍色地區(qū)水系連通的水資源可持續(xù)開發(fā)利用的功能需求以及河庫連通的二元水網(wǎng)特征，構(gòu)建水資源優(yōu)化調(diào)配模型。模型基于最嚴格水資源管理制度需求，通過對現(xiàn)狀及規(guī)劃水平年水資源供需預測分析，開展山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)水系連通下的分層水資源優(yōu)化配置研究。研究結(jié)果為優(yōu)化區(qū)域水資源配置方案，實現(xiàn)地區(qū)水資源與社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論支撐。

山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)；水資源優(yōu)化配置；水網(wǎng)；分層

1 研究背景

山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)位于環(huán)渤海和東北亞經(jīng)濟圈的關(guān)鍵地帶，是山東省“十二五”重點發(fā)展區(qū)域，因此，經(jīng)濟區(qū)的規(guī)劃與發(fā)展必然會給本就嚴峻的區(qū)域水問題帶來更大挑戰(zhàn)。山東現(xiàn)代水網(wǎng)戰(zhàn)略是營造優(yōu)美舒適的自然、人文水環(huán)境和水生態(tài)景觀及綠色經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)、建設(shè)文明藍色經(jīng)濟區(qū)的一項重要支撐措施［1］。山東省的現(xiàn)代水網(wǎng)即在已建和規(guī)劃的各類水利工程的基礎(chǔ)上，以南水北調(diào)和膠東調(diào)水為骨干，輔以區(qū)域水系聯(lián)網(wǎng)工程，共同構(gòu)成山東省“南北貫通、東西互濟、蓄引結(jié)合、庫河串聯(lián)、城鄉(xiāng)一體”的現(xiàn)代化水網(wǎng)，為山東社會經(jīng)濟的騰飛提供助力。河湖水系連通性是流域內(nèi)河流與湖泊、河道與河漫灘之間物質(zhì)流、能量流、信息流和物種流保持暢通的基本條件?；謴秃雍颠B通性規(guī)劃除了論證恢復連通性的生態(tài)功能以外，還需論證恢復連通性在水資源配置，水資源保護和防洪抗旱方面的作用［2］。本文以山東現(xiàn)代水網(wǎng)建設(shè)為依托，針對山東藍色地區(qū)水系連通的水資源可持續(xù)開發(fā)利用功能需求以及河庫連通的二元水網(wǎng)特征，構(gòu)建水資源優(yōu)化調(diào)配模型。模型基于最嚴格水資源管理制度需求，通過對現(xiàn)狀及規(guī)劃水平年水資源供需預測分析，開展山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)水系連通下的水資源優(yōu)化配置研究。

基于現(xiàn)代水網(wǎng)規(guī)劃及膠東調(diào)水路線，處于水網(wǎng)連通下的山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)為較為缺水的青島、煙臺、威海和濰坊地區(qū)。而東營、日照和濱州的兩個縣在大的連通體系之外，可單獨分析，本文不再考慮。因此，本文研究分區(qū)為青島、煙臺、威海和濰坊。山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)供水水源分為地表水、地下水、引黃水和引江水，用水對象可分為生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境用水，區(qū)域調(diào)水路線和水資源配置系統(tǒng)概化見圖1。

2 水網(wǎng)聯(lián)通下山東藍色半島經(jīng)濟區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)配模型

2.1 基于最嚴格水資源管理制度的水資源優(yōu)化配置模型

（1）目標與目標函數(shù)。水資源配置模型是基于水資源開發(fā)利用、節(jié)約用水和保護、水資源供需預測等分析制定的總體布局和方案，與最嚴格水資源管理制度中的“三條紅線”和“四項制度”密切聯(lián)系。水資源優(yōu)化配置模型的有效實施要以最嚴格水資源管理制度為保障［3］。水資源優(yōu)化配置模型的社會目標與水量約束、經(jīng)濟目標與用水效率約束、環(huán)境目標與水質(zhì)約束均與最嚴格水資源管理制度的用水總量控制制度、用水效率控制紅線和限制納污紅線互相對應(yīng)。基于以上論述，考慮水資源配置的目的是支撐整個大系統(tǒng)的社會、經(jīng)濟、環(huán)境的全面協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展，其目標常設(shè)為實現(xiàn)社會、經(jīng)濟和環(huán)境的綜合效益最大化［4-6］。即

圖1 山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)調(diào)水路線和水資源配置系統(tǒng)概化圖

依據(jù)用水總量控制制度設(shè)定社會目標：

依據(jù)用水效率控制指標設(shè)定經(jīng)濟目標：

依據(jù)限制納污控制指標，以區(qū)域性污染物（COD）排放量最小作為環(huán)境效益目標，即：

式中：dj為j種供水目標單位廢水排放量中重要污染物COD含量；pj為j種供水目標污水排放系數(shù)。

（2）約束條件。約束條件的選取不僅要依照研究區(qū)的情況，還要嚴格按照最嚴格水資源管理制度量化具體指標。

①用水總量約束。

可供水量約束：

式中：W公共為共同擁有的水，即引黃水和引江水；W獨立為本身獨有的水，即地表水和地下水。

輸水能力約束：

②用水效率約束。可設(shè)定用水戶最高用水定額及最低用水定額，進行水資源需水預測，建立用水效率約束：

③水質(zhì)約束。第3條紅線為限制納污控制紅線，即污染物排放濃度不能大于其允許排放量的最高濃度，污染物排放量不能超過其允許的總排放量，并滿足用水戶對水質(zhì)要求的約束：

④變量非負約束及其它各個分區(qū)供水設(shè)施對引黃水的分水比例等一些約束條件，本文暫不考慮。

2.2 分層協(xié)調(diào)式多目標優(yōu)化模型方法研究區(qū)水資源配置問題復雜，不確定因素眾多，不同區(qū)域優(yōu)化目標存在區(qū)別，系統(tǒng)內(nèi)供水水源及供水對象多樣，因此，建立區(qū)域復雜巨系統(tǒng)多目標水資源優(yōu)化調(diào)配模型存在問題難以表述，模型變量多、維數(shù)高，且是多目標等。傳統(tǒng)優(yōu)化建模及求解方法往往難以實現(xiàn)或成效不佳。鑒此，本文基于智能算法及多目標模糊優(yōu)選模型提出分層協(xié)調(diào)式求解方法［7］。具體如下：（1）根據(jù)重要水庫節(jié)點將研究區(qū)分區(qū)，進行各區(qū)水資源需求分析；（2）針對山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)水網(wǎng)連通特征，把水源分為當?shù)厮磁c公共水源，并依據(jù)社會經(jīng)濟原則、水管理制度以及水資源承載力及技術(shù)條件原則，以公共水源對象，擬定大系統(tǒng)配水方案；（3）依據(jù)各區(qū)水資源可持續(xù)開發(fā)利用目標與需求，基于最嚴格的水資源管理制度構(gòu)建分區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)配模型，并運用群智能算法對模型進行求解［8］，求出給定供水方案下各分區(qū)典型年水資源優(yōu)化配置方案；（4）依據(jù)大系統(tǒng)總體目標要求，在給出分區(qū)優(yōu)化配置結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用多目標模糊優(yōu)選模型對方案集進行優(yōu)選，得到藍色半島經(jīng)濟區(qū)較優(yōu)水資源配置方案，并把較優(yōu)的大系統(tǒng)配水方式反饋回子系統(tǒng)［9］；（5）通過上層反饋信息，進一步微調(diào)初擬配水方案，并再次進行各分區(qū)水資源優(yōu)化配置，通過這種分層協(xié)調(diào)式多目標理論來實現(xiàn)大系統(tǒng)和分區(qū)水資源配置方案間的優(yōu)化和協(xié)調(diào)，最終選出山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)水資源優(yōu)化配置方案。方法步驟示意圖見圖2。

圖2 分層協(xié)調(diào)式多目標優(yōu)化模型方法

3 山東藍色半島經(jīng)濟區(qū)水資源優(yōu)化配置

3.1 模型參數(shù)分析

（1）用水部門公平系數(shù)。確定用水優(yōu)先權(quán)是模型分析計算的前提。本文根據(jù)研究用水部門的性質(zhì)和重要程度，按照“先生活，后生產(chǎn)”的原則，將各用水部門用水的優(yōu)先程度轉(zhuǎn)化為［0，1］區(qū)間上的系數(shù)利用下式確定［4］：

經(jīng)計算，青島市各用水戶的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水公平系數(shù)分別為0.4、0.3、0.2、0.1；威海市各用水戶的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水公平系數(shù)分別為0.4、0.2、0.1、0.3；煙臺市各用水戶的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水公平系數(shù)分別為0.4、0.2、0.3、0.1；濰坊市各用水戶的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水公平系數(shù)分別為0.4、0.2、0.3、0.1。

（2）供水次序系數(shù)。根據(jù)當?shù)馗魉凑{(diào)節(jié)能力的不同，將當?shù)厮Y源的供水次序劃分成不同的優(yōu)先級，具有較低調(diào)節(jié)能力的水源先供水，具有較高調(diào)節(jié)能力的水源后供水。供水次序為地表水工程供水，地下水工程供水；對于客水，根據(jù)客水的成本和實際情況，通常作為當?shù)厮Y源的補充水源；還有海水利用，污水回用等。供水次序系數(shù)的計算公式為：

（3）用水效益系數(shù)。工業(yè)用水的效益系數(shù)，取用水定額（工業(yè)萬元產(chǎn)值取水量，單位：m3/萬元）的倒數(shù)：

式中：b工，j為工業(yè)用水凈效益系數(shù)；D為工業(yè)萬元增加值用水量。

生活與環(huán)境用水效益系數(shù)一般難以定量化，為保證其得到滿足，效益系數(shù)賦予較大值。農(nóng)業(yè)灌溉用水效益系數(shù)按灌溉后的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)效益乘以水利分攤系數(shù)確定。具體分攤系數(shù)可參考有關(guān)規(guī)定。單方水效益系數(shù)可通過單位面積灌溉凈效益和用水定額來求得，即：式中：b農(nóng)，j為第i種農(nóng)作物單方水凈效益系數(shù)，即農(nóng)業(yè)用水效益系數(shù)；B農(nóng)，i、M農(nóng)，i分別為第i種農(nóng)作物單位面積灌溉凈效益和耗水定額。

灌溉效益水利分攤系數(shù)一般為0.20～0.60，本文取0.50。依據(jù)各市的水資源規(guī)劃報告，計算出青島市、煙臺市、威海市和濰坊市的用水效益系數(shù)。本文以威海市為例分析其效益系數(shù)，見表1。

表1 威海市用水效益系數(shù)

（4）費用系數(shù)。不同水源供水給各用水部門的費用系數(shù)，可參考其水費征收標準確定。對于有資料的水源工程，根據(jù)資料計算確定；缺乏資料時，參考鄰近地區(qū)同類水源工程選取。依據(jù)各市的統(tǒng)計年鑒，得出青島市、威海市、煙臺市和濰坊市各費用系數(shù)。同樣以威海為例費用系數(shù)見表2。

表2 威海市各費用系數(shù)

（5）需水量上下限及可供水量約束。對青島、威海、煙臺、濰坊的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)需水量進行預測分析。依據(jù)山東省的水資源規(guī)劃報告，分析確定2015年、2020年山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)的水資源地表水、地下水、引黃水和引江水的最大供水量。

3.2 大系統(tǒng)水資源配置方式與方案集從研究區(qū)地市的水資源狀況看，當?shù)氐牡乇硭偷叵滤疅o法滿足生活和生產(chǎn)需求，基本上處于缺水狀況。本文以膠東調(diào)水和南水北調(diào)東線的一部分工程為基礎(chǔ)，研究在整個水網(wǎng)連通條件下，引黃和引江水的調(diào)度問題。依據(jù)配水方案的可實施性和山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)的實際狀況，以均衡青島、威海、煙臺和濰坊的供水量為目的，通過采用行政、經(jīng)濟、法制和科技等一系列手段，充分發(fā)揮水資源最大的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益。依此總體原則，本文設(shè)定社會經(jīng)濟效益、水資源管理需求、水資源承載能力與技術(shù)條件可行性原則［10-11］，并對各原則進行細化，進而明確水資源配置方式，以不同配置方式的組合，在水量不變的前提下，可初擬得到山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)20個水資源配置方案見表3。

3.3 水資源配置優(yōu)化方案成果及分析采用前文提出的水資源優(yōu)化配置模型和分層協(xié)調(diào)式求解方法，將20種初擬的基于不同原則和目標下的配水方案作為初始模型輸入代入各分區(qū)進行優(yōu)化配置，將各分區(qū)的優(yōu)化配置結(jié)果反饋到大系統(tǒng)，在方案優(yōu)選的基礎(chǔ)上調(diào)整水網(wǎng)總調(diào)配方案，再到各分區(qū)進行優(yōu)化配置，反復調(diào)整直到滿足總目標要求。山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)系統(tǒng)的水資源優(yōu)化配置較優(yōu)方案為方案一，既考慮了缺水量最小、經(jīng)濟效益最大，同時又兼顧了生態(tài)效益，最終得到優(yōu)選方案見表4。

該優(yōu)選方案的缺水量和經(jīng)濟效益指標如下：2012年50%、75%的缺水量為105 678萬m3、219 655萬m3；2015年50%、75%的缺水量為106 732萬m3、154 861萬m3；2020年50%、75%的缺水量為35 193萬m3、39 328萬m3。2012年50%、75%的經(jīng)濟效益值為316 042萬元、285 435萬元；2015年50%、75%的經(jīng)濟效益值為467 861萬元、468 320萬元；2020年50%、75%的經(jīng)濟效益值為744 265萬元、740 268萬元。2012年、2015年和2020年在不同的保證率下，缺水量是逐漸減少的，由此可見，客水資源對山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)的水資源緊缺程度具有緩解作用，在合理調(diào)度客水的情況下，雖仍然缺水，但是在分配到各分區(qū)，在充分滿足生活、工業(yè)用水下，生態(tài)環(huán)境用水達到70%以上，農(nóng)業(yè)用水達到50%以上，較好地體現(xiàn)了現(xiàn)代水網(wǎng)水資源配置目的，緩解了當?shù)厮Y源緊缺程度。

表3 山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)初擬方案集

表4 缺水量最小、經(jīng)濟效益最大的水資源配置方案 （單位：萬m3）

4 結(jié)語

依據(jù)山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)需要及水資源短缺特點，基于最嚴格的水資源管理制度與水網(wǎng)連通理論，建立了適于山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)的多目標分層協(xié)調(diào)水資源優(yōu)化配置模型方法。最終優(yōu)化得到山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)水資源配置方案，為實現(xiàn)現(xiàn)代水網(wǎng)水資源配置的戰(zhàn)略目的、緩解了當?shù)氐乃Y源緊缺程度提供了一定的理論基礎(chǔ)。

優(yōu)化模型方法的方案集合初擬是關(guān)鍵，需要較多的經(jīng)驗或者大數(shù)量的備選方案供模型分析，為此，本文的模型初擬方案集尚需進一步豐富，提供更多滿足不同目標的組合，為最終優(yōu)化方案的確定提供扎實可靠的基礎(chǔ)。同時，本文側(cè)重于水資源配置的經(jīng)濟效益研究，對水資源的生態(tài)環(huán)境效果研究不夠，尚需進一步探討。

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Optimal allocation of water resources in the Blue Economy Region of Shandong Peninsular based on water network interconnection

LENG Manman1，2，ZHAO Jinyong3，LI Qingguo2，ZHANG Jing3，F(xiàn)U Yicheng3
（1.Key laboratory ofSoilandWaterConservation and Desertificating，Ministry ofEducation//Waterand SoilConservation College，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China；2.SchoolofResourcesand Environment，University ofJinan，Ji’nan 250022，China；3.WaterEnvironmentalDepartment，China Institute ofWaterResourcesand HydropowerResearch，Beijing 100038，China）

The water resources optimal allocation in the Blue Economy Region of Shandong Peninsular will help to solve water resources shortage prboems，promote economic development and implement plans.Based on Shandong modern water network construction，the water resources optimal allocation model was constructed，focusing on functional requirements of sustainable development and utilization of water reserviors interconnection.Through analyzing and predicting the water supply and demand blance of the current and planned year，the strictest water resources management system was used to research the hierarchical water resources optimal allocation in the Blue Economy Region of Shandong Peninsular.The results provide the optimization of regional water resources allocation schemes and theoretical support for realizing the coordinated development of regional water resources and cocial economy.

Blue Economy Region of Shandong Peninsular；water resources optimal allocation；water net-

TV213.9

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.03.003

1672-3031（2017）03-0180-07

2016-08-18

水利部公益性行業(yè)科研專項（201401003，201501030，20120113）

冷曼曼（1991-），女，山東魚臺人，博士生，主要從事水資源優(yōu)化配置和流域水文循環(huán)研究。E-mail：672454740@qq.com