面向水資源安全的綠洲受水區(qū)水資源配置方案評(píng)價(jià)

彭亮+何英+穆振俠+梁川+高凡

摘要：水資源安全問題已成為制約克拉瑪依市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。通過調(diào)查克拉瑪依市水資源開發(fā)利用情況，從空間配置、時(shí)間配置、用水配置、水源配置等方面入手，設(shè)計(jì)兩個(gè)步驟來解決：（1）選取12個(gè)用水指標(biāo)構(gòu)建水資源安全評(píng)價(jià)體系，應(yīng)用層次分析法構(gòu)造判斷矩陣，并確定各指標(biāo)因子的權(quán)重；（2）擬定各類需水方案、供水方案組合疊加生成調(diào)度運(yùn)行方案，形成水資源配置方案集，并設(shè)置各方案的水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，再運(yùn)用層次分析法優(yōu)選WRMM模型配置結(jié)果，然后對(duì)克拉瑪依市2011年水資源安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。結(jié)果表明，基于水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的最佳水資源配置方案8，供水保證率達(dá)到100%，水資源開發(fā)利用率為57%，灌溉水綜合利用系數(shù)為0.75，為提高克拉瑪依市水資源利用率、保障區(qū)域用水安全提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水資源安全；指標(biāo)體系；層次分析；水資源配置；克拉瑪依市

中圖分類號(hào)：TV213.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）04-0026-08

Abstract：Water resource security problem has become one of the important factors which restrict the economic development of Karamay.Based on the investigation into the development and utilization of water resources in Karamay，an evaluation index system for water resource security was established.Considering the space，time，water use，and water sources，we took two steps：（1） We selected 12 indexes to build the water resource security evaluation system，and used the analytic hierarchy process （AHP）to build a judgment matrix so as to determine the weight of each factor.（2）We combined various types of water demand and water supply schemes to generate various dispatching schemes，and thus form a water resources allocation scheme set.At the same time，we set up water resource security indexes for each scheme，and used AHP to select the optimum results of the WRMM model.Then we evaluated and analyzed the water resource security situation of Karamay in 2011.According to the water resource security index system，the optimal water resources allocation scheme was Scheme 8，whose water supply guarantee rate was up to 100%，water resources exploitation rate was 57%，and irrigation water utilization coefficient was up to 0.75.This research has provided a scientific basis for utilization of water resources and management of water resource security in Karamay.

Key words：water resource security；index system；analytic hierarchy process；water resource allocation；Karamay city

水資源安全是城市水資源管理的核心內(nèi)容與終極目標(biāo)， 直接關(guān)系到群眾生活和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要。在一定歷史階段及社會(huì)條件下，為保障城市供水系統(tǒng)正常運(yùn)行，水系統(tǒng)中擁有足夠的水量和安全的水質(zhì)，能保證人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。水資源配置是實(shí)現(xiàn)水資源在不同區(qū)域和用戶之間有效合理分配，促進(jìn)水資源高效、合理利用的重要手段[1]。可持續(xù)發(fā)展理論被提出并廣泛接受后，只注重經(jīng)濟(jì)利益而忽視水資源安全的水資源配置技術(shù)逐漸被兼顧社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境和水資源可持續(xù)利用的水資源合理配置所取代[2-3]。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者從水量、水質(zhì)等方面探討了水資源配置問題 [4-10]。Rijisberman等把水資源承載力作為城市水資源安全保障的衡量標(biāo)準(zhǔn)[11]；曾暢云等人利用綜合指數(shù)法通過用層次分析法賦權(quán)，構(gòu)建了安全度函數(shù)，從社會(huì)經(jīng)濟(jì)安全、生態(tài)安全、水質(zhì)安全、水量安全等角度，對(duì)北京市水環(huán)境安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)[12]。傳統(tǒng)的水資源配置以供需分析為核心，以缺水量來衡量區(qū)域水資源滿足不同用水戶的程度，但水資源安全的保證程度則缺少評(píng)判依據(jù)。

“石油城”克拉瑪依市地處準(zhǔn)噶爾盆地西北邊緣，為典型的綠洲受水區(qū)，區(qū)域內(nèi)除獨(dú)山子區(qū)以外基本不產(chǎn)流，基本上都是從周邊流域引入地表水。隨著周邊區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源需求逐漸增加，較大地影響到了流入克拉瑪依市的地表水資源量，尤其是枯水年份，直接影響著居民生活用水、工農(nóng)業(yè)用水及艾里克湖生態(tài)用水等[13-15]。因此，需要對(duì)新形勢(shì)下克拉瑪依市水資源進(jìn)行優(yōu)化配置。

本文以水資源安全為目標(biāo)，以水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)為依據(jù)，通過對(duì)比分析不同水資源配置方案的水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終確定克拉瑪依水資源配置最佳方案，確?？死斠朗兴Y源及水環(huán)境安全。

1 研究區(qū)概況

克拉瑪依市位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，地處東經(jīng)84°44′-86°01′，北緯44°07′-46°08′之間，總面積7 733.9 km2，地勢(shì)西高東低，向準(zhǔn)噶爾盆地中心傾斜，地貌大部分為戈壁灘，海拔高度在250～500 m之間?？死斠朗卸嗄昶骄鶜鉁?.6 ℃，最高氣溫達(dá)42.9 ℃，最低氣溫為-35.9 ℃；年均降水量為116 mm，多集中在5月-8月，年均蒸發(fā)量為2 958 mm，屬典型的溫帶大陸性氣候，夏季炎熱，冬季寒冷，晝夜溫差大，干旱少雨，蒸發(fā)量大?？死斠赖貐^(qū)基本不產(chǎn)流，從周邊進(jìn)入的河流有白楊河、克拉蘇河、達(dá)爾布圖河。白楊河多年平均徑流量2.48億m3，克拉蘇河多年平均徑流量0.29億m3，達(dá)爾布圖河多年平均徑流量0.16億m3。河流補(bǔ)給源主要是冬季積雪和夏季降雨，冬季時(shí)間長(zhǎng)，積雪較厚，次年春季氣溫回升，積雪消融形成洪水，河流水量主要集中在4月-6月?？死斠朗行姓^(qū)劃見圖1。

截止2011年底，全市總?cè)丝冢ú缓爡^(qū)內(nèi)兵團(tuán)人口）29.47萬人，其中農(nóng)業(yè)人口0.27萬人，非農(nóng)業(yè)人口29.20萬人；國(guó)民生產(chǎn)總值728.1億元，三產(chǎn)比例為0.5∶89.9∶9.6，規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)累計(jì)完成總產(chǎn)值1 063.4億元（現(xiàn)價(jià)）。 克拉瑪依市2007-2011年供水量和用水量情況分別見表1、表2。克拉瑪依市區(qū)域之間水資源量相差較大，不同區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也不盡相同，亟需解決水資源安全問題和合理配置。

2 研究方法

2.1 水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)克拉瑪依市水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，考慮用水指標(biāo)選取的代表性、綜合性、定量化和可比較性原則，選取了12個(gè)用水指標(biāo)，即缺水量、人均水資源量、供水保證率、水資源開發(fā)利用率、非農(nóng)業(yè)人口比例、城鎮(zhèn)人均生活用水量、工業(yè)萬元GDP用水量、灌溉水綜合利用系數(shù)、工業(yè)用水重復(fù)利用率、地下水超采比例、廢污水排放總量、單位面積環(huán)境用水量[17]。根據(jù)12個(gè)用水指標(biāo)的特征，將其分為4個(gè)評(píng)價(jià)方面，構(gòu)建了水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見圖2。

2.2 層次分析法

層次分析法是根據(jù)系統(tǒng)分析和決策分析的基礎(chǔ)，將各個(gè)因子分為相互聯(lián)系的、有層次的系統(tǒng)，建立有聯(lián)系的層次模型，再構(gòu)造判斷矩陣，利用求解特征值的方法，確定各因子權(quán)重[18]。本文應(yīng)用層次分析法構(gòu)造判斷矩陣，并確定各指標(biāo)因子的權(quán)重，優(yōu)選出水資源優(yōu)化配置方案。

2.3 水資源配置模型

水資源合理配置是水資源安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。由于在設(shè)定目標(biāo)函數(shù)時(shí)優(yōu)化方法已經(jīng)確定了最優(yōu)方向，所得配置結(jié)果為反映當(dāng)前目標(biāo)下的最佳結(jié)果，再用水資源安全指標(biāo)來評(píng)價(jià)優(yōu)化配置模型結(jié)果，并將評(píng)價(jià)結(jié)果信息反饋到優(yōu)化配置模型中重新調(diào)算，會(huì)造成優(yōu)化配置模型的死循環(huán)。因此，本文選擇水資源管理模型WRMM對(duì)水資源進(jìn)行配置。

2.3.1 水資源配置模型結(jié)構(gòu)

水資源管理模型WRMM（簡(jiǎn)稱WRMM模型）是加拿大阿爾伯特省環(huán)境署開發(fā)的地表水分配模擬模型，它將實(shí)際水資源系統(tǒng)及其內(nèi)部聯(lián)系用系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)圖來描述。模型以流域?yàn)榛狙芯繂卧?，其?jì)算方法以線性規(guī)劃理論為基礎(chǔ)，水分配的優(yōu)先權(quán)由罰值系統(tǒng)和線性規(guī)劃技術(shù)以整個(gè)系統(tǒng)罰值最小來確定[19]。該模型在已知來水量、需水量與供水優(yōu)先序的情況下，可較好地模擬水庫(kù)、天然河道、干渠、水電站、灌區(qū)和工業(yè)城市用水的水量分配情況，是實(shí)用性較強(qiáng)的地表水分配模型，已成功應(yīng)用于塔里木河流域、烏魯木齊市等干旱內(nèi)陸區(qū)的水資源綜合規(guī)劃[20-21]。WRMM模型由標(biāo)準(zhǔn)輸入過程（含兩個(gè)輸入文件SCF、HBDF）、WRMM模擬模塊和標(biāo)準(zhǔn)輸出過程（OUTSIM）組成，模型結(jié)構(gòu)見圖3。

2.3.2 模型求解

WRMM模型將水資源系統(tǒng)概化為流網(wǎng)，流網(wǎng)中的每個(gè)水流成分的物理特征以數(shù)學(xué)關(guān)系來描述，地理特征以該成分與其他成分的關(guān)系來描述，并且用罰值分配的方法描述各個(gè)成分的重要程度[4]。流網(wǎng)分為外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)：（1）內(nèi)網(wǎng)，程序根據(jù)外網(wǎng)而形成的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，見圖4； （2）外網(wǎng)，是用戶對(duì)水資源系統(tǒng)物理特征和地理關(guān)系的描述，即水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。然后，模擬計(jì)算程序按照每個(gè)成分的數(shù)學(xué)關(guān)系式、優(yōu)先權(quán)平衡供水與需水。

模型中罰值是指單位水流從一點(diǎn)如i點(diǎn)到j(luò)點(diǎn)的虛擬成本。每條弧的費(fèi)用是指每條弧上的流量與對(duì)應(yīng)虛擬成本的乘積。流網(wǎng)總費(fèi)用即每一條水流連接上弧費(fèi)用的總和。每一個(gè)流網(wǎng)上都會(huì)有很多個(gè)流網(wǎng)總費(fèi)用組合，取其最小費(fèi)用的那個(gè)流量組合即為費(fèi)用最小流量。

式中：A為水流網(wǎng)絡(luò)中所有的弧（如（i，j））的集合；N為水流網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)（如i）的集合；（i，j）為從節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的?。籜i，j為?。╥，j）上通過的流量；Li，j為?。╥，j）上通過的最小流量；Ki，j為?。╥，j）上通過的最大流量；Ci，j為?。╥，j）上每單位流量的費(fèi)用即罰值。

沿著內(nèi)網(wǎng)如圖4所示弧，根據(jù)上述公式通過Out-of-Kilter（OKA）線性技術(shù)求得一個(gè)滿足總費(fèi)用最小的流量即為最優(yōu)結(jié)果。

3 面向水資源安全的水資源優(yōu)化配置

3.1 水資源配置方案的生成

配置方案設(shè)置涉及需水預(yù)測(cè)、節(jié)約用水、供水預(yù)測(cè)和水資源保護(hù)等多個(gè)環(huán)節(jié)內(nèi)容[22-23]。為有效考慮各方面因素，同時(shí)避免方案集設(shè)置過于復(fù)雜，將上述涉及的因素劃分為供水方案集和需水方案集，組合成水資源配置方案組合集。其中，供水方案包括各類開源措施的組合，如地表水工程建設(shè)方案、地下水開采利用方式、污水處理再利用等。需水方案為不同需水預(yù)測(cè)所確定的需水，節(jié)水方案則體現(xiàn)在不同的需水方案中。根據(jù)克拉瑪依市水資源及用水戶特點(diǎn)，概化水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)見圖5。

各種組合形成的方案并非全部參與計(jì)算，而是篩選出可行且有參考意義的各類方案，通過方案-反饋-新方案-再反饋一系列過程完成方案設(shè)置，最后得到水資源配置模型計(jì)算的基本方案集。

3.1.1 需水方案

需水預(yù)測(cè)按經(jīng)濟(jì)發(fā)展中速度與高速度預(yù)測(cè)需水量，分為中情景和高情景方案，在中情景下， 2020年、2030年總需水量預(yù)計(jì)將分別達(dá)到3.585 5億m3、3.554 2億m3；在高情景下， 2020年、2030年預(yù)計(jì)將分別達(dá)到4.107 4億m3、4.034 9億m3。2020年、2030年三條紅線指標(biāo)分別為6.782億m3和7.646億m3，各水平年需水量均在最嚴(yán)格水資源管理制度用水總量指標(biāo)控制范圍內(nèi)。需水定額則采用基本節(jié)水與強(qiáng)化節(jié)水兩種指標(biāo)，與不同的節(jié)水措施組合，形成了11個(gè)需水方案。需水方案1-方案8為中情景方案，各方案之間主要區(qū)別在于農(nóng)業(yè)與林牧漁業(yè)灌溉定額和灌溉水利用系數(shù)，其次是工業(yè)用水與生活用水定額，它們體現(xiàn)了不同的節(jié)水面積與節(jié)水措施；需水方案9-方案11為高情景，需水方案9與需水方案5除綠化以外各業(yè)用水定額相同，需水方案10與需水方案6除綠化以外各業(yè)用水定額相同；需水方案11在需水方案9的基礎(chǔ)之上減去大農(nóng)業(yè)Ⅱ期需水。

3.1.2 供水方案

供水方案1：在現(xiàn)狀供水方案0的基礎(chǔ)之上增加烏爾禾引水渠首、大農(nóng)業(yè)輸水管道（Ⅱ期）、克拉瑪依區(qū)三坪凈化水廠Ⅱ期、獨(dú)山子四水源建設(shè)、獨(dú)山子三水源續(xù)建配套組成。

供水方案2：在供水方案1的基礎(chǔ)之上，增加污[HJ1.7mm]水處理回用工程等工程組成。

供水方案3：在供水方案1的基礎(chǔ)之上，增加白楊河流域城市綠化管網(wǎng)建設(shè)，建設(shè)城市第五水廠。

供水方案4：在供水方案3的基礎(chǔ)之上，實(shí)施調(diào)水Ⅱ期，擴(kuò)建第五凈化水廠。

供水方案5：在供水方案3的基礎(chǔ)之上，擴(kuò)建第五凈化水廠。

3.1.3 水資源配置方案集

由以上各類需水方案、供水方案組合疊加生成調(diào)度運(yùn)行方案，形成水資源配置方案集。由于供水方案與需水方案相關(guān)，并非所有供水方案與需水方案組合都是可行，最終確定13個(gè)水資源配置方案如表4所示，方案0為現(xiàn)狀配置方案。

3.2 各方案的水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)

從WRMM模型模擬的13個(gè)資源配置方案中，選取如圖2所述的12個(gè)指[HJ3mm]標(biāo)作為克拉瑪依市水資源配置方案的水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，各方案評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。

通過指標(biāo)層Cj的排序可以得出，權(quán)重最高的指標(biāo)層是水資源生態(tài)安全中廢污水排放總量指標(biāo)和地下水超采比例指標(biāo)，在方案擇優(yōu)時(shí)優(yōu)先考慮廢污水排放總量指標(biāo)和地下水超采比例指標(biāo)。當(dāng)這兩個(gè)指標(biāo)要求相同時(shí)，依次考慮缺水量指標(biāo)、工業(yè)萬元GDP用水量指標(biāo)、供水保證率指標(biāo)、單位面積環(huán)境用水量指標(biāo)、水資源開發(fā)利用率指標(biāo)、人均水資源量指標(biāo)、灌溉水綜合利用系數(shù)指標(biāo)、城鎮(zhèn)人均生活用水量指標(biāo)、工業(yè)用水重復(fù)利用率指標(biāo)、非農(nóng)業(yè)人口比例指標(biāo)，最終選擇出符合克拉瑪依市的水資源配置方案。本次計(jì)算，基于水資源安全的克拉瑪依市水資源配置方案選取方案8為推薦方案，參考推選方案為方案2，方案4，方案6。

3.4 結(jié)果比較

通過對(duì)比推薦方案8與現(xiàn)狀方案（方案0）的評(píng)價(jià)指標(biāo)可以看出：從水資源自身?xiàng)l件看，方案0的缺水量為2 633萬m3，遠(yuǎn)大于方案8的292萬m3；方案8的供水保證率達(dá)到100%，高于方案0的供水保證率96%；從水資源社會(huì)安全指標(biāo)可以看出，方案8的水資源開發(fā)利用率為57%，而方案0的水資源開發(fā)利用率為86%；從水資源經(jīng)濟(jì)安全來看，方案8的灌溉水綜合利用系數(shù)為0.75，是所有配置方案中最高的，而方案0的灌溉水綜合利用系數(shù)為0.64。因此，從水資源安全角度考慮，應(yīng)用層次分析法優(yōu)選出的方案8，可以有效提高水資源利用率、保障區(qū)域用水安全。

4 結(jié)語

綠洲受水區(qū)城市水資源合理配置關(guān)系到城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)安全、水量安全、水質(zhì)安全、水資源安全的紐帶，關(guān)系到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。本文從不同角度選取評(píng)價(jià)水資源安全的指標(biāo)，計(jì)算了不同指標(biāo)所占的權(quán)重，通過對(duì)比方案，應(yīng)用層次分析法最終優(yōu)選出方案8為克拉瑪依市水資源優(yōu)化配置方案，方案8的供水保證率達(dá)到100%，水資源開發(fā)利用率為57%，灌溉水綜合利用系數(shù)為0.75，能更好為城市的規(guī)劃發(fā)展提供可靠的水資源保證。

（1）通過WRMM模型建立的克拉瑪依市水資源配置模型，可以模擬各方案的水資源配置過程，并得到各方案相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，表明該模型能適用于克拉瑪依市水資源配置。

（2）本文提出的基于水資源安全的水資源配置方法，通過對(duì)12個(gè)水資源安全指標(biāo)的評(píng)價(jià)分析，將水資源配置從傳統(tǒng)的以缺水量最小為核心，擴(kuò)展到在滿足水資源安全前提下實(shí)現(xiàn)了各用水戶的有效供給，對(duì)于提高水資源利用率、保障區(qū)域用水安全具有重要意義。

（3）基于水資源安全的水資源配置理論與方法尚處于探索階段，對(duì)于水資源安全指標(biāo)設(shè)置還有些欠考慮的因素，評(píng)價(jià)指標(biāo)還需進(jìn)一步改進(jìn)。

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