基于可持續(xù)發(fā)展的甘州區(qū)水資源合理配置研究

楊 連 海

(甘肅省甘州區(qū)水務(wù)局， 甘肅 張掖 734000)

甘州區(qū)位于甘肅省河西走廊中部、古“絲綢之路”南北兩線(xiàn)和“居延古道”交匯點(diǎn)上，位于東經(jīng)100°6′～100°52′，北緯30°32′～39°24′，最高海拔2 230 m，最低海拔1 410 m，平均海拔1 474 m，屬典型的溫帶大陸性氣候，具有寒冷、干燥、晝夜溫差大、日照時(shí)間長(zhǎng)、降水稀少變率大、蒸發(fā)大等明顯的水平分帶差異[1]。甘州區(qū)年平均氣溫為7.8 ℃，1月平均氣溫最低，為-9.1 ℃,7月平均氣溫最高，為22.3 ℃，全年極端最低氣溫為-28.2 ℃，極端最高氣溫為39.8 ℃；多年平均降水量為132.6 mm，降水年際變化大，年內(nèi)分配不均；多年平均蒸發(fā)量為1 796.7 mm，年均蒸發(fā)量是降水量的14倍，是全國(guó)重點(diǎn)缺水區(qū)域，也是中國(guó)西部地區(qū)自然生態(tài)環(huán)境比較脆弱的地區(qū)。2016年甘州區(qū)實(shí)際可供水量為7.79 億m3，本地區(qū)的可利用水資源100%利用，農(nóng)業(yè)用水比例85.3%，用水效率低。現(xiàn)狀年全區(qū)人口51.29 萬(wàn)人，耕地面積約8.92 萬(wàn)hm2。

1 需水量預(yù)測(cè)

1.1 預(yù)測(cè)方法

總需水量包括生活需水、牲畜需水、工業(yè)需水、農(nóng)業(yè)需水和生態(tài)需水。區(qū)域需水量預(yù)測(cè)模型為：

WZ=WP+WB+WI+WA+WG

(1)

式中：WZ為總需水量；WP為生活需水量；WB為牲畜需水量；WI為工業(yè)需水量；WA為農(nóng)業(yè)需水量；WG為生態(tài)需水量。

(1)生活需水預(yù)測(cè)。 生活需水量包括城鎮(zhèn)生活需水和農(nóng)村生活需水。城鎮(zhèn)生活需水分為城鎮(zhèn)居民生活需水和城鎮(zhèn)公共需水；農(nóng)村生活需水包括農(nóng)村居民生活需水和牲畜需水[2]。生活需水在一定范圍內(nèi)，其增長(zhǎng)速度是比較有規(guī)律的，因而可以用綜合分析定額方法推求未來(lái)需水量。此方法考慮的因素是用水人口需水定額。用水人口以計(jì)劃部門(mén)預(yù)測(cè)數(shù)為基礎(chǔ)。需水定額以現(xiàn)狀用水調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。分析歷年變化情況，考慮不同水平年居民生水平的改善及提高程度，擬定其相應(yīng)的用水定額：

(2)

式中：Pk為k地區(qū)人口數(shù)量，萬(wàn)人；QPk為k地區(qū)生活綜合用水定額，L/(人·d)。

(2)牲畜需水預(yù)測(cè)。牲畜需水量包括大牲畜需水量和小牲畜需水量。牲畜數(shù)量以計(jì)劃部門(mén)預(yù)測(cè)數(shù)為基礎(chǔ)，需水定額以現(xiàn)狀用水調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。分析歷年變化情況，考慮不同水平年牲畜數(shù)量的變化，擬定其相應(yīng)的用水定額：

(3)

式中：Nk為k地區(qū)牲畜的數(shù)量，萬(wàn)頭；QBk為k地區(qū)牲畜的用水定額，L/(頭·d)。

(3)工業(yè)需水預(yù)測(cè)。工業(yè)需水量包括火電工業(yè)需水，國(guó)有及規(guī)模以上工業(yè)需水及一般工業(yè)需水3類(lèi)。工業(yè)需水主要利用萬(wàn)元增加值需水量法進(jìn)行預(yù)測(cè)：

(4)

式中：QIk為k地區(qū)萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量，m3/萬(wàn)元；Ek為k地區(qū)工業(yè)增加值，萬(wàn)元。

(4)農(nóng)業(yè)需水預(yù)測(cè)。農(nóng)業(yè)灌溉需水預(yù)測(cè)采用定額法。農(nóng)業(yè)灌溉需水預(yù)測(cè)分鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)需水量之和即為全區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉需水量。灌溉需水量預(yù)測(cè)涉及3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：各類(lèi)作物的凈灌溉定額、灌溉水利用系數(shù)和灌溉面積。定額法的計(jì)算公式為：

(5)

式中：QAk為k地區(qū)凈灌溉定額，m3/hm2；Ak為k地區(qū)灌溉面積，hm2；ηk為k地區(qū)灌溉水利用系數(shù)。

(5)生態(tài)需水預(yù)測(cè)。生態(tài)環(huán)境需水與農(nóng)業(yè)需水類(lèi)似，仍采用定額法，用不同種類(lèi)植物及相應(yīng)定額計(jì)算。計(jì)算公式：

(6)

1.2 預(yù)測(cè)結(jié)果

以2016年為現(xiàn)狀年，預(yù)測(cè)年為2025年和2030年。需水量預(yù)測(cè)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，2025年甘州區(qū)總需水量為75 351.70 萬(wàn)m3，其中生活需水量為1 879.56 萬(wàn)m3，牲畜需水量為1 639.21萬(wàn)m3，工業(yè)需水量為1 480 萬(wàn)m3，農(nóng)業(yè)灌溉需水量為65 909 萬(wàn)m3，生態(tài)需水量為4 444 萬(wàn)m3。2030年甘州區(qū)總需水量為78 408.27 萬(wàn)m3，其中生活需水量為2 114.31 萬(wàn)m3，牲畜需水量為2 091.96 萬(wàn)m3，工業(yè)需水量為1 379 萬(wàn)m3，農(nóng)業(yè)灌溉需水量為68 188 萬(wàn)m3，生態(tài)需水量為4 635 萬(wàn)m3。

表1 甘州區(qū)2025、2030年預(yù)測(cè)需水量 萬(wàn)m3Tab.1 Forecasted water demand summary Tables of 2025 and 2030 in Ganzhou District

1.3 供需平衡分析

根據(jù)甘肅省水資源管理“三條紅線(xiàn)”要求，實(shí)際分配給甘州區(qū)2016年、2025年、2030年可供水總量分別為7.79、6.92、7.02 億m3；2016年、2025年、2030年甘州區(qū)總需水量分別為8.42、7.54和7.84 億m3，供水明顯不能滿(mǎn)足區(qū)域需水要求，分別缺水0.63、0.62、0.82 億m3，缺水率分別達(dá)到7.48%、8.22%、10.46%。甘州區(qū)發(fā)展道路嚴(yán)重受阻，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展將受到嚴(yán)重制約，在沒(méi)有外來(lái)水源的情況下，水資源緊缺的局面短期內(nèi)將難以緩解，供需矛盾將難以消除?？偭靠刂浦笜?biāo)按“以供定需”的原則確定[3]：當(dāng)需水預(yù)測(cè)量大于區(qū)域可利用水資源總量時(shí)，即過(guò)度開(kāi)發(fā)，采用區(qū)域可利用水資源總量作為分配總量；當(dāng)需水預(yù)測(cè)量小于區(qū)域可利用水資源總量時(shí)，即預(yù)留部分水量，采用區(qū)域預(yù)測(cè)需水總量作為分配總量；當(dāng)需水預(yù)測(cè)量等于區(qū)域可利用水資源總量時(shí)，即飽和狀態(tài)下，通過(guò)多次供需分析采用區(qū)域預(yù)測(cè)需水總量或可利用總量作為分配總量。甘州區(qū)預(yù)測(cè)的需水量均大于實(shí)際可利用的水資源總量，所以按照“以供定需”的原則，采用可供用水資源總量作為分配總量。

2 水資源合理配置

2.1 模型構(gòu)建

水資源優(yōu)化配置是以區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境相協(xié)調(diào)作為優(yōu)化目標(biāo)，在環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)的基礎(chǔ)上，依據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平條件，對(duì)區(qū)域有限水資源進(jìn)行科學(xué)合理的優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)水資源的合理髙效開(kāi)發(fā)利用[4]。模型的建立首先要確定目標(biāo)函數(shù)，代表區(qū)域可持續(xù)發(fā)展過(guò)程中各方面的主要發(fā)展指標(biāo)，用于衡量水資源優(yōu)化配置的方案優(yōu)劣，其決策變量由經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和水資源系統(tǒng)內(nèi)的諸多約束條件組成。對(duì)于甘州區(qū)水資源優(yōu)化配置是多目標(biāo)的，以經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、社會(huì)效益等綜合效益最佳為優(yōu)化配置目標(biāo)[5]。甘州區(qū)水資源在進(jìn)行優(yōu)化配置中，從環(huán)境生態(tài)的角度來(lái)進(jìn)行水資源配置的綜合考慮，其優(yōu)化目標(biāo)的函數(shù)表達(dá)為。

區(qū)域水資源優(yōu)化配置的目標(biāo)是經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)綜合效益最大,并保持系統(tǒng)協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展。其一般模型形式為：

Z=opt {f1(X),f2(X),f3(X)}

G(X)≤0X≥0

式中：X為決策向量；f1(X)、f2(X)、f3(X)分別為經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益;G(X)為約束條件集,表示水資源承載力、環(huán)境容量、上地資源、其他社會(huì)約束和子系統(tǒng)狀態(tài)方程等。

(1)目標(biāo)1:區(qū)域供水凈效益最大。

(7)

(2)目標(biāo)2：區(qū)域重要污染物排放量最小。

(8)

(9)

2.2 約束條件

(3)用戶(hù)需水能力約束。

(10)

(4)污染物約束。

(11)

(5)變量非負(fù)約束。

改革開(kāi)放近40年來(lái)，我國(guó)得到了快速發(fā)展，但農(nóng)業(yè)農(nóng)村的發(fā)展相對(duì)滯后。當(dāng)前處于全面建成小康社會(huì)的決勝階段，更為迫切的是要同步推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，這就要求必須把農(nóng)業(yè)農(nóng)村放在優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略地位，解決城鄉(xiāng)發(fā)展不平衡的問(wèn)題，縮小城鄉(xiāng)差距，實(shí)現(xiàn)與城鎮(zhèn)的同步發(fā)展。

(12)

2.3 模型的求解

粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)是由Kennedy和Eberhart于1995年提出的一種新型的群智能進(jìn)化算法,它可以靈活方便地處理具有大量等式約束、不等式約束和同時(shí)包含連續(xù)變量、離散變量的混合整數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，因此,對(duì)于水資源合理配置問(wèn)題,采用粒子群優(yōu)化算法也是一種可行方案,為水資源合理配置提供了一種很有前景和潛力的新型方法。算法描述如下：

PSO算法一般是采用下面的公式對(duì)粒子的位置和速度進(jìn)行更新：

(13)

(14)

式中：k為迭代代數(shù)；學(xué)習(xí)因子c1、c2是2個(gè)正常數(shù),一般取值為[1.5，2.05]；r1、r2是均勻分布于[0，1]的2個(gè)隨機(jī)數(shù)。

公式(13)主要通過(guò)3部分來(lái)計(jì)算粒子i新的速度：粒子i前一時(shí)刻的速度、粒子i當(dāng)前位置與自己最好位置之間的距離、粒子i當(dāng)前位置與群體最好位置之間的距離。粒子i通過(guò)公式(14)計(jì)算新位置的坐標(biāo)。

由于不同問(wèn)題對(duì)局部搜索和全局搜索能力要求不同,所以在式(13)中引入慣性權(quán)重因子來(lái)平衡算法全局搜索和局部搜索,得到新的速度更新公式：

從式(15)中可以看出,慣性權(quán)重ω決定粒子先前速度對(duì)當(dāng)前速度的影響程度,具有平衡算法全局搜索和局部搜索的能力。在求解配水優(yōu)化問(wèn)題時(shí),與遺傳算法相比,粒子群優(yōu)化算法具有較好的收斂性和收斂速度,能以較少的迭代次數(shù)收斂到與遺傳算法用較多迭代次數(shù)才能得到的解甚至更好的解,算法靈活簡(jiǎn)單,易于處理不可微、非線(xiàn)性、非凸的優(yōu)化間題。雖然其初衷主要用于求解連續(xù)變量問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理，PSO算法也能夠很好地求解離散變量以及包含連續(xù)變量和離散變量在內(nèi)的混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題。

本研究采用粒子群算法(PSO)求解數(shù)學(xué)模型，粒子群算法是基于迭代的優(yōu)化算法，期望找到優(yōu)化問(wèn)題中的一個(gè)潛在的解，實(shí)際中可以理解為是為了在空間中找到粒子(particle)的位置。具體流程見(jiàn)圖1。

圖1 粒子群算法流程Fig.1 Flow chart of particle swarm optimization

2.4 甘州區(qū)水資源合理配置結(jié)果

針對(duì)甘州區(qū)自然環(huán)境特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)生活發(fā)展?fàn)顩r確定水資源配置時(shí)的優(yōu)先序?yàn)椋合瘸浞譂M(mǎn)足城鄉(xiāng)居民及牲畜等生活用水，保障穩(wěn)定生態(tài)環(huán)境發(fā)展的生態(tài)用水，滿(mǎn)足重點(diǎn)工業(yè)用水及一般工業(yè)的生產(chǎn)用水，公平保障農(nóng)民生存的農(nóng)業(yè)基本用水，協(xié)調(diào)分配各水平年可供用水。經(jīng)過(guò)對(duì)甘州區(qū)2025年近期水平年和2030年遠(yuǎn)景水平年的社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)預(yù)測(cè)及用水定額和效率變化趨勢(shì)的分析，分別預(yù)測(cè)各水平年各區(qū)域和各行業(yè)的用水需求得：2025年甘州區(qū)各行業(yè)總需水量為7.54 億m3，其中農(nóng)業(yè)6.59 億m3、工業(yè)0.15 億m3、生活0.19 億m3、生態(tài)0.44 億m3；2030年張掖各行業(yè)總需水量為7.84 億m3，其中農(nóng)業(yè)用水6.82 億m3、工業(yè)0.14 億m3、生活0.21 億m3、生態(tài)0.46 億m3。

對(duì)甘州區(qū)水資源平衡分析后的水量配置如表2所示。甘州區(qū)水資源匱乏，供水量小于需水量。經(jīng)過(guò)粒子群優(yōu)化算法的水資源合理配置后，2025、2030年缺水量比配置前分別降低了516.7、1 194.3 萬(wàn)m3。通過(guò)合理配置當(dāng)?shù)厮Y源，已經(jīng)大大提高了當(dāng)?shù)厮Y源利用率，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。

3 結(jié) 論

結(jié)合甘州區(qū)的用水現(xiàn)狀，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)水資源進(jìn)行合理優(yōu)化配置，并對(duì)規(guī)劃水平年(2025年和2030年)的水資源優(yōu)化配置結(jié)果進(jìn)行了分析，對(duì)甘州區(qū)水資源合理配置提出了以下建議和對(duì)策。

(1)當(dāng)?shù)亟邓纬傻乃Y源時(shí)空分布不均，年際變化較大，蒸發(fā)量大。現(xiàn)有水利工程調(diào)蓄能力不足，汛期洪水資源得不到充分利用。應(yīng)該加強(qiáng)以豐補(bǔ)枯的措施，提髙地表水利用率。

(2)針對(duì)甘州區(qū)水資源短缺、農(nóng)業(yè)用水較多的實(shí)際情況，開(kāi)展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉和高效用水是十分必要的，為其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供富余水資源。

(3)在制定資源開(kāi)發(fā)利用與治理保護(hù)總體實(shí)施方案時(shí)，做到總體目標(biāo)、任務(wù)與措施相協(xié)調(diào)，建設(shè)規(guī)模與發(fā)展機(jī)制和生產(chǎn)力發(fā)展水平相協(xié)調(diào)，因地制宜，大中小工程相結(jié)合，努力提高用水效率，合理利用地表水與地下水資源，有效保護(hù)水資源，積極治理利用廢污水、雨水等其他水源。

表2 甘州區(qū)2025、2030年水資源合理配置成果 萬(wàn)m3Tab.2 Water resources rational allocation results of 2025 and 2030 in Ganzhou District