北戴河新區(qū)水資源優(yōu)化配置研究

劉林娟

（河北省秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島 066004）

秦皇島市北戴河新區(qū)位于秦皇島市沿海，無地表蓄水工程，可利用的水源只有地下水及水廠水，多年來，由于需水量越來越大，且用水效率不高，大量超采地下水，造成區(qū)內(nèi)出現(xiàn)面積不等的深層地下水漏斗，同時引起沿海地區(qū)不同程度的海（咸）水入侵，進一步加劇了新區(qū)的用水緊張情勢，嚴重制約了區(qū)域社會和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

本文建立了北戴河新區(qū)水資源優(yōu)化配置模型，力求通過利用優(yōu)化理論與計算機技術［1］，提高北戴河新區(qū)水資源的優(yōu)化配置水平及利用效率，可為新區(qū)未來水利工程建設和管理、規(guī)劃提供決策依據(jù)；基于水資源優(yōu)化配置的多目標性，利用遺傳算法求解所建模型，提出水量優(yōu)化分配方案。

1 北戴河新區(qū)概況

北戴河新區(qū)位于河北省東北部，秦皇島市東南部沿海。南起灤河口，北到戴河口，西部以京山鐵路和沿海高速公路為界，東臨渤海灣，轄4個片區(qū)：七里海片區(qū)、赤洋口片區(qū)、中心片區(qū)及南戴河片區(qū)，規(guī)劃面積425km2。新區(qū)地勢平坦，海拔較低，屬沖洪積扇群構成的濱海沖洪積平原區(qū)。境內(nèi)水系豐富，主要河道有：灤河及獨流入海的飲馬河、東沙河、小黃河、洋河、戴河、人造河、泥井溝、劉坨溝等河道。雨量充沛，多年平均年降水量606.7mm，降水主要集中于6～9月，占全年降水量的61.8%～89.8%。

2 水資源平衡分析

2.1 可供水量預測

本次近期規(guī)劃水平年為2020年，遠期規(guī)劃水平年為2030年，以現(xiàn)狀年的供水設施和供水水源的供水量為基礎，結合北戴河新區(qū)未來水平年2020，2030年水利工程規(guī)劃，分別預測2020年、2030年的可供水量。

（1）現(xiàn)狀北戴河新區(qū)供水主要依靠北戴河水廠及地下水（深、淺層地下水）。

（2）近期規(guī)劃水平年2020年，新區(qū)可供水水源（廠）主要有北戴河水廠+北戴河西水廠（1期）、灤河水（規(guī)劃修復的引灤工程可通水）、地下水（深、淺層地下水）、中水。

（3）遠期規(guī)劃水平年2030年，根據(jù)河北省相關條例規(guī)定，深層地下水全面禁采，只作為戰(zhàn)略儲備水源，因此，新區(qū)可供水水源（廠）主要有北戴河水廠+北戴河西水廠（1、2期）、灤河水、地下水（淺層地下水）、中水。各水平年可供水量預測如表1。

2.2 需水量預測

需水預測一般以歷史資料數(shù)據(jù)為基礎，根據(jù)用水目的、供水對象、水質(zhì)等要求不同，將研究區(qū)域用水分為生活用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)環(huán)境用水4種類型。

通過對社會經(jīng)濟發(fā)展指標進行預測，預測北戴河新區(qū)水平年需水量，如表1。

表1 供需結果 單位：萬m3

由表1可知，需水量在不斷增加，如果供水格局保持現(xiàn)狀不變，2020年、2030年都將出現(xiàn)較大缺水量。本地區(qū)由于存在大面的海水入侵區(qū)，淺層地下水資源可利用量較小，且無地表蓄水工程，要緩解供需水矛盾，應充分利用當?shù)馗鞣N水源及過境水資源，本文規(guī)劃修復引灤工程，增加引灤工程供水后，2020年及2030年供水均可滿足需水要求，不再缺水。

3 水資源優(yōu)化配置模型

3.1 單元劃分

本次單元劃分與行政區(qū)劃分保持一致，劃分為七里海片區(qū)、赤洋口片區(qū)、中心片區(qū)、南戴河片區(qū)4個供水片區(qū)。

3.2 決策變量設定

北戴河新區(qū)用水戶主要包括生活用水、生態(tài)用水、工業(yè)用水及農(nóng)業(yè)用水。

2020年供水水源為：北戴河水廠+北戴河西水廠（1期），引灤水、地下水（包括淺層地下水和深層地下水）、再生水，各水源供水能力如表1。

2030年供水水源為：北戴河水廠+北戴河西水廠（1、2期），引灤水、淺層地下水、再生水，各水源供水能力如表1。

3.3 目標函數(shù)及約束條件設定

選取社會、經(jīng)濟、生態(tài)3個目標作為優(yōu)化目標，通過對水資源的優(yōu)化分配，使得社會效益目標s（X）、經(jīng)濟效益目標f（X）和生態(tài)效益目標e（X）達到協(xié)同最優(yōu)。

3.3.1 目標函數(shù)

3.3.1.1 社會效益目標

社會效益目標采用生活用水、生態(tài)用水、工業(yè)用水及農(nóng)業(yè)用水的總缺水率最小，如式（1）：

3.3.1.2 經(jīng)濟效益目標

經(jīng)濟效益為各水平年不同用水戶產(chǎn)生的經(jīng)濟凈效益最大，如式（2）：

根據(jù)生活、生態(tài)用水優(yōu)先滿足的分配原則，本文對生活、生態(tài)用水效益系數(shù)取較大值，對農(nóng)業(yè)用水效益系數(shù)取較小值。各效益、費用系數(shù)如表2。

表2 各用水戶的效益及費用系數(shù) 單位：元/m3

3.3.1.3 生態(tài)效益目標

選取重要污染物BOD排放量之和最小表示，如式（3）：

3.3.2 約束條件

（1）水源供水能力約束。水廠供水約束如式（4），地下水可開采量約束如式（5）：

式中 Wm為水廠可供水總量。

式中 Gm為子區(qū)m地下水開采量；Gmax（m）為子區(qū)m地下水可開采量上限。

（2）用戶需水約束。需水約束為u，用戶從給水系統(tǒng)取得水量不超過用戶的需水量，如式（6）：

（3）最小供水保證率。為避免用戶間配水嚴重失衡，采用此約束，如式（7）：

式中 ηu為u用戶的用水保證率。

（4）變量非負約束。非負約束如式（8）：

3.4 模型求解

本文采用遺傳算法求解上述模型。遺傳算法是基于群體的算法，在種群中每一個個體都并行演化，最終獲得的解包含在最后一代個體中［2］。其過程為：①隨機生成若干組水資源初始預分配方案；②將方案代入已建優(yōu)化模型，進行遺傳操作；③從初始方案中選出相對較優(yōu)的幾個方案，作為下一輪優(yōu)化的方案集。重復以上優(yōu)化過程，直至尋得一組最優(yōu)解集［3］。

3.4.1 模型處理

3.4.1.1 目標函數(shù)處理

由于所建模型的3個目標函數(shù)求解結果為不同量綱，需進行無量綱化處理，越大越優(yōu)的目標如式（9），越小越優(yōu)的目標如式（10）：

式中 k為第k個目標函數(shù)（k=1，2，3）。

3.4.1.2 適應度確定

遺傳算法中，個體擇優(yōu)通過適應度完成，而適應度函數(shù)是由目標函數(shù)變換而來的。在進行搜索中，遺傳算法基本不利用外部信息，僅以適應度函數(shù)為依據(jù)，利用種群中每個個體的適應度值來進行搜索［4］。對于求函數(shù)最大值的優(yōu)化問題，變換方法如式（11），求函數(shù)最小值的優(yōu)化問題，變換方法如式（12）：

式中 Cmin，Cmax分別為進化到當代位置的最小、最大目標函數(shù)值。

3.4.1.3 多目標遺傳算法的實現(xiàn)

采用加權法將3個目標函數(shù)優(yōu)化問題整合為一個單目標優(yōu)化問題。本文利用權重法將3個目標量化，令w∈W={w│w∈Rp，w1≥0及為非負權重集，對w∈W，記為P（w），如式（13）：

其中，每給定一組權重向量w0，可求得一組最優(yōu)解x0。

針對本社會、經(jīng)濟和生態(tài)3個效益目標的重要性，對其權重分別取0.5，0.33，0.17。

3.4.2 模型求解

根據(jù)該區(qū)的水源與用水戶情況，北戴河水廠及北戴河西水廠水只供給生活用水。本文采用多目標遺傳算法求解。

（1）本文所確定的決策變量進行二進制編碼，產(chǎn)生隨機的初始分配方案集。

（2）確定適應度函數(shù)，并計算初始方案集每個適應度函數(shù)的值，通過適應度函數(shù)值進行擇優(yōu)棄劣，將適應度較好的遺傳至下一次優(yōu)化操作。

（3）經(jīng)多次重復迭代，尋得最優(yōu)方案，完成多水源優(yōu)化分配。

具體求解過程如圖1。種群規(guī)模popsize=40，交叉率pcross=0.6，變異率為pmutation=0.02，最大迭代數(shù)maxgen=150。

圖1 求解過程

3.5 配置方案

規(guī)劃水平年供水方案以増加引灤工程、常規(guī)供水利用和非常規(guī)供水利用（中水）的組合為配置方案的上限；以現(xiàn)狀供水條件為配置方案的下限，即常規(guī)供水利用和非常規(guī)供水利用（中水）的組合。本次以上限方案代入水資源優(yōu)化配置方案計算，如果上限方案計算出的配置結果能完全滿足北戴河新區(qū)的需水要求，則再將下限方案代入優(yōu)化模型進行計算，否則就選擇上限方案為最終推薦方案。北戴河新區(qū)水資源優(yōu)化配置方案集如表3。

表3 水資源優(yōu)化配置方案集

2020年的F1，F(xiàn)2方案實質(zhì)上是F3方案的邊界極端條件，2030年的F5，F(xiàn)4方案實質(zhì)上是F6方案的邊界極端條件。

4 方案確定

不同水平年的水資源優(yōu)化分配結果如表4。其水量對比結果如表5。

表4 不同水平年水資源優(yōu)化配置結果 單位：萬m3

表5 不同水平年水量對比結果 單位：萬m

由表4、表5可看出，新區(qū)2020年和2030年優(yōu)化后的地下水、地表水利用量，均未超過區(qū)內(nèi)地下水可開采量與地表水可利用量。

5 結語

（1）北戴河新區(qū)供水形勢緊張，從2020年到2030年，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，需水量越來越大，現(xiàn)狀的供水水平，遠不能滿足需水要求，且會加劇新區(qū)地質(zhì)環(huán)境的惡化。

（2）隨著2030年深層地下水的全面禁采，供水緊張形勢將更嚴峻，而優(yōu)化配置最終要解決如何合理分配水資源，以使效益最大化。

（3）通過修復引灤工程，提高供水能力，滿足規(guī)劃水平年的需水要求，2020年、2030年優(yōu)化后的50%保證率地下水利用量遠小于地下水可開采量，有利于新區(qū)地下水環(huán)境的修復。從長遠考慮，還應采取非工程措施節(jié)約用水、科學用水，提高各行各業(yè)的用水效率，加快城市基礎設施建設以提高污水處理回用量。