基于多維度調(diào)控模型的地區(qū)水資源優(yōu)化配置分析研究

賀建文

(新疆水利廳 水資源規(guī)劃研究所，烏魯木齊 830000)

1 概 述

地區(qū)水資源規(guī)劃管理是謀劃未來城市發(fā)展的重要基礎[1-3]?；诂F(xiàn)狀年水資源開發(fā)利用，結合水資源配置模型，而研究獲得的水資源配置優(yōu)化結果具有一定指導意義[4-6]。已有許多水利工程師利用多種算法，包括神經(jīng)網(wǎng)絡、人工魚群及遺傳迭代算法等，求解水資源模型，并分析配置優(yōu)化后結果[7-9]。由此可知，水資源模型是優(yōu)化配置的基礎，構建起科學合理的水資源模型，有利于提升優(yōu)化配置結果與求解過程，目前水資源模型包括多目標模型、最佳效益模型等[10-11]。本文引入多維度調(diào)控模型[12]，對地區(qū)內(nèi)水資源配置開展計算分析，并以熵變參數(shù)作為優(yōu)化配置評價基準，為地區(qū)內(nèi)規(guī)劃年水資源優(yōu)化配置提供重要參考。

2 工程概況及水資源供需現(xiàn)狀

2.1 研究區(qū)概況

西北某城市海拔在280～480 m，東部地勢較高，下轄有A-C共3個主城區(qū)。地區(qū)內(nèi)年徑流量為2.45×104m3，包括夾河、紅河及蘇拉河，3條主干河流長度分別為65、92和73 km，流域面積總共超過2 000 km2。夾河所在流域內(nèi)已建設有防洪堤壩，夏季水位較高，最大水位可達8.8 m，地表徑流量最大，可達13.45×104m3，在上下游共建設有引水工程與輸水調(diào)控閘門，為枯水期提供更多水資源。地區(qū)內(nèi)雨季集中在上半年，最大降雨量達200 mm，地表水分流失量年均為2 800 mm，晝夜溫差較大，此為地表水存量波動的較大內(nèi)因。為提升區(qū)域調(diào)水能力，引渠調(diào)水工程共建設有6個取水站，可供水3×108m3，建設輸水渠道長度貫穿城區(qū)和周邊區(qū)縣，總長度超過150 km。地表水資源中另有多個蓄水庫與引水工程，分布在各個區(qū)縣內(nèi)，水庫最大庫容達1 200×104m3；引水工程投入使用已有7個泵站，主要面向地區(qū)生活用水與農(nóng)業(yè)灌溉。目前，地區(qū)內(nèi)共有農(nóng)業(yè)耕地面積超過6 000 km2，工業(yè)產(chǎn)值占地區(qū)全年總收入的25%，而農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占比為70%。

2.2 水資源供需現(xiàn)狀

在水資源規(guī)劃年前一階段中，當前的規(guī)劃年地區(qū)內(nèi)地表水資源總量超過4×104m3，地下水資源可供應1.4×108m3；現(xiàn)狀年中地表可供水量為2.6×108m3，占地區(qū)總供水量的75%，地表水資源供應可達9.2×107m3?，F(xiàn)狀年總用水量為3.4×108m3，占比最多為工農(nóng)業(yè)用水，超過60%，生活用水與生態(tài)補水占比為39%，各用水項目具體用水量見圖1。從圖1中可看出，生活用水量達2 432.2×104m3，是各用水項目中占比最小的。分析認為此與地區(qū)內(nèi)人口密度較小有關，而農(nóng)業(yè)用水消耗較大，城區(qū)涉及多個農(nóng)田灌溉，總灌溉用水超過1.6×108m3。

圖1 各區(qū)用水項目具體用水量

根據(jù)對地區(qū)內(nèi)水資源供需關系分析可知，當前地區(qū)內(nèi)水資源主要面臨以下幾個問題：

1)水資源利用效率較低。調(diào)查得知，城市年用水量超過3×108m3，但相應的水資源供應經(jīng)濟總量卻高達12.2 m3/萬元，水資源開發(fā)效率較低；另一方面農(nóng)業(yè)用水占比超過45%，而農(nóng)業(yè)產(chǎn)值在經(jīng)濟總量中貢獻值僅為0.8%。

2)從水質監(jiān)測方面得知，多條地面河流水質富營養(yǎng)化嚴重，水質較差，供水廠對劣質水處理較困難，造成一定程度水資源浪費。

3)再生水資源建設進展及規(guī)劃落后，生活污水直接排入地面河流中，未進行污水處理后回收。另外，雨季水資源集收設備荒廢，循環(huán)利用觀念較差。

3 水資源供需預測分析

基于現(xiàn)狀年水資源開發(fā)資料以及研究區(qū)基本狀況，對規(guī)劃年2025、2035年開展水資源供需預測分析。

3.1 供水量預測

地區(qū)供水量分為地表水資源與地下水資源，而地表水資源可供水量分為地面主要河流與引水工程。經(jīng)水資源傳輸滲漏及部分損耗后，夾河、紅河及蘇拉河3條主要河流在規(guī)劃年2025年總共可供水量為6 220×104m3，而在規(guī)劃年2035年供水量為6 110×104m3；除流域內(nèi)地面河流可供水量外，另有從其他地區(qū)河流輸入水量達960×104m3，占比總供水量的2.4%；引水工程中總供水量為3×108m3，其中引水工程主要面向地區(qū)內(nèi)城市工業(yè)用水。圖2為基于當前水資源現(xiàn)狀，研究預測所獲得的規(guī)劃年2025、2035年地表水資源供應量具體明細。從圖2中可看出，規(guī)劃年2025、2035年地表水總供應量分別為3.76×108和3.75×108m3。而在兩個水平規(guī)劃年中，引水工程與地區(qū)調(diào)入水量均保持一致，分別為3×108和960×104m3，規(guī)劃年中水資源供應量起決定性改變的即為地表主要河流流量。

圖2 規(guī)劃年2025及2035年地表水資源供應量

針對地下水資源可供水量，分別開展3個城區(qū)分析，獲得圖3所示地下水資源利用量。從圖3可看出，規(guī)劃年2025年3個城區(qū)中地下水資源供應總量最多為B區(qū)，達967×104m3，占比超過50%；同樣的在規(guī)劃年2035年亦是B區(qū)占比最多，達52.1%。從地下水資源總體供應能力來看，規(guī)劃年2025和2035年分別可達1 935×104和2 000×104m3。

圖3 各區(qū)地下水資源供應量

3.2 需水量預測

基于水資源供需現(xiàn)狀，分別就各具體需水項目開展研究分析，獲得圖4所示需水量結果。從圖4中可看出，規(guī)劃年2025年生活需水量達2 260×104m3，占年度總需水量的4.6%；前文已知該地區(qū)為工農(nóng)業(yè)發(fā)展根本的城市，因而工農(nóng)業(yè)需水量超過3.3×108m3，生態(tài)需水量總共占全年比例為27.1%，其實質上需水總量遠高于生活需水量。分析認為，此與該地區(qū)為幅員遼闊，但人口稀少，因而生活用水量低于工農(nóng)業(yè)需水量，規(guī)劃年2025年總需水量為4.78×108m3。同理，計算出規(guī)劃年2035年地區(qū)總需水量為5.65×108m3，相比規(guī)劃年2025年增長18.2%。其中工農(nóng)業(yè)總需水量占比達65.5%，生活需水量為4 100×104m3，相比規(guī)劃年2025年增長81.4%。分析認為，在規(guī)劃年2035年由于經(jīng)濟技術發(fā)展及人口上漲，生活需水量及工業(yè)需水量均有較大幅度增多。

圖4 需水項目需水量

3.3 供需關系分析

從對比計算獲得的規(guī)劃年2025和2035水資源供需量可知，2025年缺水量達0.83×108m3，缺水率達21%。經(jīng)分析具體缺水項目可知，農(nóng)業(yè)用水與生態(tài)用水缺口較大，占總缺水量的80%，其中農(nóng)業(yè)缺水達0.65×108m3。而在規(guī)劃年2035年中同樣具有顯著缺水，且缺水率相比規(guī)劃年2025年還上漲至24%。分析認為，規(guī)劃年在2035年不僅由于可供水量大幅減少，而且生活用水與農(nóng)業(yè)用水的上漲，均一定程度影響了規(guī)劃年水資源配置。綜合分析可知，按照現(xiàn)狀年水資源預測規(guī)劃年所得結果，均會出現(xiàn)水資源供需矛盾，局部用水項目出現(xiàn)缺水，且總缺水率較大，為此需對地區(qū)水資源配置開展優(yōu)化研究分析。

4 水資源優(yōu)化配置分析

4.1 水資源優(yōu)化配置模型

為準確管理優(yōu)化地區(qū)內(nèi)水資源配置，引入多維度調(diào)控水資源模型，地區(qū)內(nèi)水資源維度分為安全、生態(tài)、經(jīng)濟3個維度指標。其中，安全目標主要評估水資源配置后地區(qū)內(nèi)用水安全，包括引水、蓄水工程運營安全及流量安全，可采用下式表述：

Zmin(m,t)≤Z(m,t)≤Zmax(m,t)

QRcmin(m,t)≤QRc(m,t)≤QRcmax(m,t)

(1)

式中：Z(m,t)、QRc(m,t)分別為水庫的水位與流量。

生態(tài)目標表征水資源優(yōu)化配置后生態(tài)價值，有利于地區(qū)內(nèi)水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，以下式表述生態(tài)平衡狀態(tài)：

Qrmin≤Qc≤Qrmax

(2)

式中：Qrmin、Qc、Qrmax分別為生態(tài)需水量的各項最小值、平均值、最大值。

水資源經(jīng)濟價值指優(yōu)化配置結果可提升水資源利用率，減少水資源供需矛盾，科學合理用水，解決用水項目之間優(yōu)先關系，采用下式表述：

(3)

式中：ω、i為缺水量與序號；θ(t)為缺水系數(shù)。

基于上述3個不同維度目標，給出每個維度下水資源配置管理的限制條件，分別有：

1)水庫蓄水流量條件：

Vmin(m,t)≤V(m,t)≤Vmax(m,t)

(4)

式中：Vmin(m,t)、Vmax(m,t)分別為最小庫容、最大庫容。

2)水庫安全運營條件：

Zmin(m,t)≤Z(m,t)≤Zmax(m,t)

(5)

式中：Z(m,t)為水庫安全水位。

3)輸水渠道傳輸條件：

QRcmin(m,t)≤QRc(m,t)≤QRcmax(m,t)

(6)

式中：QRc(m,t)為輸水渠道安全運營流量值。

4)地下水限制條件

0≤Q≤Qmax

(7)

式中：Q、Qmax分別為地下水開發(fā)量與最大開發(fā)量。

水資源調(diào)控的目的是使三者維度在水資源供需系統(tǒng)中達到有機平衡，而表征供需系統(tǒng)中水資源供需關系的為序列度，本文供需系統(tǒng)的維度序列分量可表述為：

(8)

式中：ui(eij)為序列度；Uij、Tij分別為維度臨界調(diào)控值。

表征維度序列狀態(tài)的參數(shù)為序列穩(wěn)定度，其實質上為上式的有序度與權重系數(shù)的乘積，如下式所示：

(9)

式中：λj為權重系數(shù)；其他參數(shù)與前式一致。

另一方面，為評價水資源供需關系中穩(wěn)定狀態(tài)，引入水資源系統(tǒng)熵變參數(shù)值，求解熵變參數(shù)的表達式為：

(10)

式中：ui(ei)為不同維度的序列度。

當熵變參數(shù)值愈小，則系統(tǒng)中各序列勢必會達到平衡狀態(tài)，因而熵變參數(shù)值是衡量水資源供需結果的重要指標，其與序列度有以下判別關系：

ΔSY=SY(n+1)-SY(n)

(11)

式中：SY(n+1)、SY(n)分別為第(n+1)、n次迭代后的熵變參數(shù)。

本文將以多維度調(diào)控模型開展地區(qū)水資源優(yōu)化配置研究分析，并以熵變參數(shù)值作為評價配置結果優(yōu)良性的指標。

4.2 優(yōu)化配置結果分析

基于多維度調(diào)控模型計算獲得地區(qū)內(nèi)水資源優(yōu)化配置結果，見圖5。從規(guī)劃年2025年水資源優(yōu)化配置結果中可看出，相比原水資源規(guī)劃方案，優(yōu)化后總缺水量降低89.2%，總缺水率降低至3.5%，總供水量相比原規(guī)劃方案亦提升57.9%，達6×108m3。從具體用水項目來看，生態(tài)供水、生活供水均滿足平衡要求，而農(nóng)業(yè)用水與工業(yè)用水均遠遠超過原水資源配置方案，極大提升了規(guī)劃年水資源配置安全性。而規(guī)劃年2035年總缺水量相比原規(guī)劃方案降低75.3%，僅為2 500×104m3，缺水率下降至安全區(qū)間，總供水量相比原方案增長64.6%，達6.45×108m3，工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水缺水量分別下降62.5%和58.8%，而生態(tài)供水與生活供水均滿足平衡狀態(tài)，分別為1.95×108和4 200×104m3。

圖5 地區(qū)內(nèi)水資源優(yōu)化配置結果

圖6為模型優(yōu)化配置過程中熵變參數(shù)值變化曲線。不論是2025年亦或是2035年，熵變參數(shù)均為遞減，最終迭代優(yōu)化后熵變參數(shù)均趨于零。當?shù)螖?shù)為12次時，規(guī)劃年2025、2035年熵變參數(shù)分別為0.25和0.27，基本相近，相比未迭代之初，熵變參數(shù)下降約47.9%。分析認為，從熵變參數(shù)變化態(tài)勢來看，模型調(diào)控后水資源優(yōu)化配置結果較為合理，并具有較強可行性。

圖6 模型優(yōu)化配置過程中熵變參數(shù)值變化曲線

5 結 論

基于地區(qū)概況與現(xiàn)狀年水資源利用資料，引入多維度調(diào)控模型，并對規(guī)劃年開展水資源優(yōu)化配置計算研究，主要結論如下：

1)預測分析了規(guī)劃年2025、2035年地表水總供應量分別為3.76×108和3.75×108m3，而兩規(guī)劃年總需水量分別為4.78×108和5.65×108m3，規(guī)劃年2025年缺水率達21%，其中農(nóng)業(yè)缺水量達0.65×108m3，水資源供需失衡嚴重。

2)引入多維度調(diào)控模型對規(guī)劃年水資源開展優(yōu)化配置研究，模型具有較強的適用性，熵變參數(shù)值均遞減，優(yōu)化配置結果較為合理，并具有較強可行性。

3)獲得了規(guī)劃年水資源優(yōu)化配置結果，兩規(guī)劃年總缺水量分別下降89.2%和75.3%，而總供水量分別提升57.9%和64.6%，總供水量分別提升至6×108和6.45×108m3，多項用水項目達到供需平衡，缺水率降低至3%左右。