基于不同驅(qū)動因素的廣東省珠江三角洲水資源優(yōu)化配置研究

胡 培，黃本勝，雷洪成

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合實驗室，廣東 廣州 510635)

珠江三角洲位于廣東省東南部沿海，是我國改革開放的先行地區(qū)，是粵港澳大灣區(qū)的重要組成，也是亞太地區(qū)最具活力的經(jīng)濟(jì)區(qū)之一[1-2]。

近幾十年來，隨著城鎮(zhèn)化與工業(yè)化高速發(fā)展，珠江三角洲地區(qū)用水需求與水資源承載力、用水總量控制紅線之間的矛盾日益凸顯，水資源在不同城市不同行業(yè)之間的競爭日益嚴(yán)峻，如何通過水資源優(yōu)化配置獲取最大綜合效益[3]顯得尤為重要。水資源作為一種稀缺性資源，已由原來的水量、水質(zhì)為核心因素的配置理念，向公平、高效、低碳等配置需求轉(zhuǎn)變[4-5]。本文研究了不同驅(qū)動因子下的珠江三角洲水資源優(yōu)化配置模型及產(chǎn)生的綜合效益，以期為該區(qū)域水資源配有效利用提供理論和應(yīng)用價值。

1 研究區(qū)域概況

廣東省珠江三角洲由西北江三角洲、東江三角洲和注入三角洲的其他各河流流域所組成，涉及廣州、深圳、珠海、佛山、江門、東莞、中山、惠州市及肇慶市等9市(見圖1所示)。近年來，廣東省珠江三角洲地區(qū)人口總量增加、工業(yè)規(guī)模擴(kuò)大、水質(zhì)性缺水以及用水總量控制指標(biāo)限制等因素都直接或間接地加劇水資源與城市發(fā)展之間的矛盾[6]。2018年廣東省珠江三角洲9市人均水資源量為1 012 m3，低于廣東省人均水平(1 683 m3)；2018年9市用水總量為184.88億m3，距總量控制指標(biāo)限值剩余33.38億m3，深圳、珠海、江門已十分接近紅線。

圖1 廣東省珠江三角洲范圍示意

2 水資源優(yōu)化配置模型

2.1 配置模型目標(biāo)

水資源配置模型目標(biāo)函數(shù)如式(1)，追求供水效益、社會效益、生態(tài)效益的綜合效益最大化[3，7-8]。

Max{f1(x),f2(x),f3(x)}

G(x)≤0x≥0

(1)

式中x為決策向量；f1(x)、f2(x)、f3(x)分別為供水效益、社會效益和生態(tài)環(huán)境效益；G(x)為約束條件集，表示各約束條件的狀態(tài)方程。

1) 供水效益目標(biāo)

以區(qū)域總供水效益的最大值表示。

(2)

式中f1(x)為總供水效益；ωk為第k子區(qū)的權(quán)重系數(shù)(可由層次分析法或?qū)＜曳ǖ鹊玫?；i=(1，2，3，4，5，6)分別為生活需水、工業(yè)需水、建筑業(yè)需水、第三產(chǎn)業(yè)需水、農(nóng)業(yè)需水以及河道外生態(tài)需水；bi(k)為水源向k子區(qū)i用戶供水的綜合效益系數(shù)，由考慮的不同驅(qū)動因素來確定；xi(k)為k子區(qū)i用水戶的配水量。

2) 社會效益

以區(qū)域總?cè)彼康淖钚≈当硎尽?/p>

(3)

式中Di(k)為k子區(qū)i用戶的需水量,萬m3；其他符號意義同前。

3) 生態(tài)環(huán)境效益

以區(qū)域廢污水排放量的最小值表示。

(4)

式中i=(1，2，3，4)分別為生活、工業(yè)、建筑業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)的廢污水排放量；di(k)為k子區(qū)i用戶的廢污水排放系數(shù)；其他符號意義同前。

2.2 模型約束條件

1) 區(qū)域水資源量約束

(5)

WQ(m,k)=μ(k)×[WQ1(m,k)+WQ2(m,k)+WQ3(m,k)-WQ4(m,k)-WQ5(m,k)]。

2) 水庫樞紐水量平衡約束

VR(m+1,j)=VR(m,j)+WQRC(m,j)-WQRX(m,j)-WQVL(m,j)

(6)

式中VR(m+1，j)為第m+1時段第j個水庫樞紐的庫容；WQRC(m，j)為水庫的來水量；WQRX(m，j)為水庫的下泄水量；WQVL為水庫的水量損失。

3) 河渠節(jié)點水量平衡約束

(7)

式中WH(m，k)為第m時段第k節(jié)點的過水量；WQH為區(qū)間來水量；WQRX為第j個水庫的下泄水量。

2.3 模型求解

在基本遺傳算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個混合算子遺傳算法，以克服早熟現(xiàn)象和通過設(shè)計罰函數(shù)來有效處理約束條件[3]。其中，基本遺傳算法的編碼與解碼方法、個體適應(yīng)度評價函數(shù)和懲罰函數(shù)、選擇運算、交叉運算等參考文獻(xiàn)[9]和[10]。

本次混合算子遺傳算法中，變異運算采用的是均勻變異，見式(8)，因為優(yōu)化問題的最優(yōu)解極可能存在可行域的邊界上，故增加了邊界變異運算，見式(9)。

假定要變異的染色體為x=(x1，x2， …，xn)，具體公式如下：

(8)

(9)

2.4 模型構(gòu)建

1) 系統(tǒng)概化

以各地市行政分區(qū)為基礎(chǔ)，結(jié)合廣東省珠江三角洲水系特點及水源工程供水特征，建立水資源優(yōu)化配置計算的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點示意，并與珠江三角洲水資源配置工程相銜接，重點考慮佛山、廣州(不含南沙，下同)、南沙、江門、中山、珠海、惠州、東莞、深圳等分區(qū)(見圖2所示)。

圖2 廣東省珠江三角洲水資源優(yōu)化配置節(jié)點示意

2) 配置模型的主要參數(shù)

需水方面參考文獻(xiàn)[11]的成果，河道外需水按照各計算分區(qū)2030年生活、工業(yè)、建筑業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)的預(yù)測成果(見圖3)；河道內(nèi)需水按各地市多年平均徑流量的10%計算(見圖4)；生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、河道內(nèi)生態(tài)用水保證率分別取97%、90%、95%、90%。

圖3 2030年河道外需水預(yù)測成果示意(P=50%)

圖4 河道內(nèi)生態(tài)需水計算成果示意

供水方面參考文獻(xiàn)[11]的成果，主要考慮現(xiàn)狀河流供水工程、水庫供水工程和調(diào)水工程。其中，河流以西江干流、北江干流、潭江、高明河、流溪河、石馬河、增江和東江干流為主要水源，水庫以珠江三角洲地區(qū)現(xiàn)有的73座中型水庫和各計算分區(qū)打捆處理的小型水庫為主要水源，調(diào)水工程主要考慮深圳市東江水源工程、廣東粵港供水工程、廣州市西江引水工程、廣州市北江引水工程等。

遺傳算法中種群初始規(guī)模設(shè)為100，終止迭代次數(shù)設(shè)為600，交叉概率設(shè)為0.9，變異概率為0.06。

3 配置結(jié)果及分析

3.1 配置方案設(shè)置

各方案的主要驅(qū)動因素、模型參數(shù)見表1。

表1 廣東省珠江三角洲水資源優(yōu)化配置方案設(shè)置

3.2 不同方案配置結(jié)果

1) 方案1配置結(jié)果

在該配置思路下，97%來水頻率各地市總配置水量為177.44億m3/a，缺水9.35億m3/a，水量保證率94.99%(結(jié)果見表2)。

表2 方案1水資源配置結(jié)果(P=97%) 億m3/a

2) 方案2配置結(jié)果

在該配置思路下，97%來水頻率各地市總配置水量為177.35億m3/a，缺水9.44億m3/a，水量保證率94.95%(結(jié)果見表3)。

表3 方案2水資源配置結(jié)果(P=97%) 億m3/a

3) 方案3配置結(jié)果

在該配置思路下，由于配置模型中所采用的單位用水量碳排放量無法細(xì)分到各行業(yè)，因此，該方案按生活、生產(chǎn)、生態(tài)的要素配置水量。97%來水頻率各地市總配置水量為177.08億m3/a，缺水9.70億m3/a，水量保證率94.81%(結(jié)果見表4)。

表4 方案3水資源配置結(jié)果(P=97%) 億m3/a

3.3 配置結(jié)果分析

1) 方案1配置結(jié)果分析

根據(jù)表2的計算結(jié)果，97%來水頻率下，廣東省珠江三角洲西北江片區(qū)(廣州、佛山、江門、中山、珠海)水量豐沛，各地市供水工程建設(shè)比較完善，水量保證率均達(dá)95%以上，供水保障程度較高，缺水主要發(fā)生在江門市第一產(chǎn)業(yè)；東江片區(qū)(惠州、東莞、深圳)用水需求較大，水資源開發(fā)利用程度較高，惠州、東莞、深圳的水量保證率分別為91.21%、74.65%、99.17%，特枯年份各地區(qū)的用水均存在不同程度的破壞。

基于均衡發(fā)展的配置思路，廣東省珠江三角洲各地市用水保障程度較高，生活用水基本得到滿足，各行業(yè)水量保證率也比較高。

2) 方案2配置結(jié)果分析

根據(jù)表3的計算結(jié)果，并統(tǒng)計對比方案1和方案2的水資源配置結(jié)果和經(jīng)濟(jì)效益結(jié)果(見圖5～6)。從方案2的配置結(jié)果上看，廣東省珠江三角洲缺水量仍主要集中在東江流域片區(qū)；從各行業(yè)上看，第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)等用水效益較高行業(yè)缺水量明顯減少，第一產(chǎn)業(yè)、河道外生態(tài)、生活等用水效益較低的行業(yè)缺水量有不同程度的增加。

圖5 方案1和方案2配置缺水量對比示意

97%來水頻率下，與方案1進(jìn)行對比，方案2在總?cè)彼可嫌兴黾?，缺水量增?.085億m3/a，水資源在保障了基本生活、生態(tài)的基礎(chǔ)上，更多的向經(jīng)濟(jì)效益高的東莞市等區(qū)域以及第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)流動，GDP增加了3 314.76億元/a。

圖6 方案1和方案2經(jīng)濟(jì)效益對比示意

3) 方案3配置結(jié)果分析

根據(jù)表4的計算結(jié)果，并統(tǒng)計對比方案1和方案3的水量配置結(jié)果和碳排放結(jié)果(見圖7～8)。從方案3的配置結(jié)果上看，東江流域片區(qū)仍是廣東省珠江三角洲較為缺水的片區(qū)；從各行業(yè)上看，生活、生態(tài)等碳排放強(qiáng)度低的行業(yè)缺水量明顯減少，東莞、江門等碳排放強(qiáng)度較大的地市生產(chǎn)用水缺水量有所增加。

圖7 方案1和方案3配置缺水量對比示意

97%來水頻率下，與方案1進(jìn)行對比，方案3在總?cè)彼可嫌兴黾?，缺水量增?.35億m3/a，在低碳發(fā)展的驅(qū)動下，水資源更多的向碳排放強(qiáng)度較低的深圳市、廣州市等區(qū)域以及生活、生態(tài)等行業(yè)流動，碳排放量減少了392.39萬t/a。

圖8 方案1和方案3碳排放量對比示意

4 結(jié)語

1) 現(xiàn)階段的水資源配置主要考慮水資源的均衡配置，要求各地市各行業(yè)盡量保障供水，實現(xiàn)最小缺水；在該配置模式下，廣東省珠江三角洲各地市用水保障程度較高，97%來水頻率下配置水量為177.44億m3/a，水量保證率94.99%，各行業(yè)水量保證率也比較高。

2) 隨著珠江三角洲社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，水資源在區(qū)域之間、在行業(yè)之間的競爭日益嚴(yán)峻，需要進(jìn)一步結(jié)合用水效率、環(huán)境保護(hù)的特點，進(jìn)行區(qū)域水資源的優(yōu)化配置。其中，基于經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)動模式下，水資源更多向經(jīng)濟(jì)效益高的東莞市等區(qū)域以及第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)流動，配置水量有所減少，GDP增加了3 314.76億元/a；基于低碳發(fā)展模式下，水資源更多向碳排放強(qiáng)度較低的深圳市、廣州市等區(qū)域以及生活、生態(tài)等行業(yè)流動，配置水量減少，碳排放量也減少了392.39萬t/a。

3) 在粵港澳大灣區(qū)等區(qū)域發(fā)展背景下，水資源的配置需要更多的考慮區(qū)域內(nèi)各地市、各行業(yè)的用水特征，由各地市、各行業(yè)的均衡配置，向用水效率更高、更環(huán)保的用水對象供水轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步實現(xiàn)區(qū)域水資源的優(yōu)化配置和社會經(jīng)濟(jì)的高效發(fā)展。