丹東市水資源優(yōu)化配置研究

林青森

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

0 引 言

以宏觀經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)配置理論為基礎(chǔ)考慮環(huán)境、資源、人口和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展配置理論，現(xiàn)階段該配置理論的實際操作不便，且仍未轉(zhuǎn)變應(yīng)用實踐少、理論探討多的現(xiàn)狀。水資源優(yōu)化配置涉及生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會、人口資源等多種因素，這種多目標(biāo)決策規(guī)劃問題強(qiáng)調(diào)不同目標(biāo)間的協(xié)調(diào)發(fā)展，應(yīng)考慮各類因素以避免忽視其他目標(biāo)而僅實現(xiàn)某單一目標(biāo)[1-3]。

針對水資源優(yōu)化配置問題我國相關(guān)研究起步較晚，如辛玉深[4]、聶相田[5]、吳澤寧[6]等提出了區(qū)域水資源配置的多目標(biāo)決策分析法，該方法以追求環(huán)境、社會、經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)，比較常用的求解方法有遺傳算法、線性加權(quán)法和目標(biāo)法等。

丹東市地處亞歐大陸東岸中緯度地帶，屬溫暖帶亞濕潤季風(fēng)型氣候，因地貌形態(tài)差異其氣候環(huán)境變化明顯，年降水量881.3-1087.5mm，夏季降水占全年的2/3，該區(qū)暴雨集中期為7月中旬至8月中旬。丹東地區(qū)水系發(fā)育良好、江河密布，境內(nèi)有大洋河、鴨綠江和沿海水系，其中大江大河有渾江、大洋河、鴨綠江、叆河，河長超過2km的河流有944條。結(jié)合水文資料，該地區(qū)年均水資源量84.88億m3，平均徑流深81mm，區(qū)域產(chǎn)水模數(shù)57.48萬m3/km2，地下水補(bǔ)給量16.82億m3，屬于遼寧省降雨量最多且水資源最豐富的區(qū)域。受地勢地貌和自然條件限制，水資源開發(fā)利用存在的問題有：區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用不協(xié)調(diào)、干旱性缺水和地表水污染問題突出、局部地區(qū)超采現(xiàn)象嚴(yán)重、農(nóng)業(yè)灌溉用水效率低等。因此，如何合理規(guī)劃、科學(xué)統(tǒng)籌地下水、地表水和外調(diào)水已成為水文領(lǐng)域研究的熱點。

1 水資源優(yōu)化配置模型

以生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會的協(xié)調(diào)發(fā)展為區(qū)域水資源優(yōu)化配置目標(biāo)，即以各用水部門缺水量最小、綜合效益最大為目標(biāo)構(gòu)建水資源優(yōu)化配置模型。對于社會、經(jīng)濟(jì)方面的目標(biāo)用缺水量最小和用水綜合效益最大來衡量，同時以水環(huán)境和水資源承載力為約束條件確保生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1.1 決策變量

1.2 目標(biāo)函數(shù)

采用以下公式代表水資源綜合效益最大、缺水量最小函數(shù)，即：

(1)

(2)

模型中不可公度的有缺水量最小函數(shù)和綜合效益最大函數(shù)，其中綜合效益最大函數(shù)追求數(shù)值上的最大值，該線性函數(shù)所涉及到的參數(shù)均為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的無量綱系數(shù)，如分區(qū)權(quán)重、供水次序系數(shù)和供水綜合效益系數(shù)等。

1.3 綜合效益系數(shù)

各個部門協(xié)調(diào)發(fā)展以及水資源合理分配的關(guān)鍵問題是如何合理確定用水綜合效益系數(shù)，結(jié)合區(qū)域發(fā)展情況和相關(guān)文獻(xiàn)資料，選擇水利用系數(shù)、供水成本、凈效益系數(shù)代表生態(tài)、社會和經(jīng)濟(jì)評價因子。采用各個部門的供水成本、水利用系數(shù)、凈效益系數(shù)三組數(shù)據(jù)構(gòu)成供水綜合效益系數(shù)矩陣，并對其利用德爾菲法和變異系數(shù)法進(jìn)行求解。

設(shè)參評樣本數(shù)有n個，則樣本集為(x1，x2，…，xn)；參評指標(biāo)數(shù)有m個，則指標(biāo)集為(x1,x2,…,xn)；此時，考慮初始數(shù)據(jù)構(gòu)造評判矩陣X=(xabm×n)，即：

(3)

式中：xab為指標(biāo)a關(guān)于樣本b的實際值；m、n為單樣本指數(shù)數(shù)和樣本數(shù)。將樣本b表示為xb，則m個指標(biāo)關(guān)于樣本b的實際值為(x1b，x2b，…，xb)?？紤]到各指標(biāo)為效益型，對以上矩陣?yán)脴?biāo)準(zhǔn)化公式處理，則構(gòu)造的標(biāo)準(zhǔn)矩陣R如下：

(4)

(5)

式中：rab為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的xab數(shù)值。將德菲爾法、變異系數(shù)法求解的主觀和客觀效益系數(shù)求和，并利用歸一化公式處理確定供水綜合效益系數(shù)，該方法綜合了差異性數(shù)據(jù)和決策者的主觀偏好。

設(shè)(B1(2),B2(2)，Bn(2))代表水資源客觀效益指數(shù)，其表達(dá)式如下：

(6)

設(shè)(B1(1)，B2(1)，…，Bn(1))代表水資源主觀效益指數(shù)，將水資源主、客觀效益指數(shù)求和，經(jīng)歸一化處理確定綜合效益系數(shù)，其計算式為：

Bb=Bb(1)+Bb(2)

(7)

式中：Bb(1)、Bb(2)為德爾菲法和變異系數(shù)法求解的效益指數(shù)；Bb為綜合效益系數(shù)。

1.4 約束條件

1)水資源承載力約束。各水源的可供水量不得小于總供水量，對獨立水源和公共水源，其約束條件為：

(8)

(9)

式中：ωc、ωik為第c種公共水源和k分區(qū)中第i種獨立水源的可供水量，m3。

2)環(huán)境承載力約束。各水源的污水處理能力不得小于其污水排放量，其約束條件可表示為：

(10)

3)用水公平性約束。各個水源提供的用水量不大于各用水部門的最大需水量，且不小于其最低需水量，其約束條件為：

(11)

4)變量非負(fù)約束。模型中各決策變量符合非負(fù)要求，其約束條件為：

(12)

2 丹東市水資源優(yōu)化配置

地表水、地下水和外調(diào)水為丹東市主要的可利用水資源，模型中的獨立水源和公共水源取地表水、地下水與外調(diào)水，生態(tài)環(huán)境、生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)為用水部門。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料、水利條件和區(qū)域水資源狀況，按將丹東市劃分為6個分區(qū)，具體如表1。

表1 不同水源的供水效益系數(shù)

2.1 參數(shù)的確定

1)供水綜合效益系數(shù)。根據(jù)供水成本等指標(biāo)在不同供水水源中的差異性特征，丹東市水資源配置模型的供水綜合效益系數(shù)因水源的不同而存在差異?？紤]不同水源實際的供水成本、水利用系數(shù)和凈效益系數(shù)，利用文中所述方法和公式求解不同水源在各分區(qū)中的供水效益系數(shù)，如表1。借鑒丹東市灌區(qū)規(guī)劃報告、供水工程規(guī)劃報告、飲水規(guī)劃等資料確定地下水和地表水3個指標(biāo)數(shù)據(jù)，參考引水工程相關(guān)資料確定外調(diào)水指標(biāo)數(shù)據(jù)。

2)供水次序系數(shù)。相對于其他水源各分區(qū)水源的供水優(yōu)先程度利用供水次序系數(shù)來衡量，現(xiàn)階段丹東市地下水下降嚴(yán)重，局部地區(qū)地下水超采，應(yīng)遵循充分利用外調(diào)水、地下水及改善地下水超采狀態(tài)的原則確定供水次序系數(shù)，利用以下公式確定供水次序系數(shù)aik，即：

(13)

式中：nmaxk、nik為分區(qū)k的最大供水水源序號和水源i的供水次序序號。

將丹東市地下水、地表水和外調(diào)水的供水次序系數(shù)利用公式(13)求解，結(jié)果顯示各水源為0.18、0.32、0.50。

3)分區(qū)權(quán)重。相對于其他分區(qū)某一分區(qū)的重要程度利用分區(qū)權(quán)重衡量，丹東市水資源配置分區(qū)權(quán)重運(yùn)用層次分析法，并考慮丹東市總體規(guī)劃合理確定，如表1。

4)需水量上下限。首先滿足社會基本保障性用水(即居民生活用水)，取其需水量作為上下限值；目前，丹東市面臨著嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境形勢，亟待進(jìn)一步改善環(huán)境，故取其需水量作為生態(tài)環(huán)境用水上下限；采用規(guī)劃年需水量及其需水量的80%作為工業(yè)用水的上、下限；考慮多年來丹東市的農(nóng)業(yè)灌溉保證率，取規(guī)劃年需水量及其需水量的75%作為農(nóng)業(yè)用水的上、下限。

5)污水排放系數(shù)。生活和工業(yè)用水部門為丹東市污水排放的集中區(qū)，結(jié)合丹東市生活污水、工業(yè)污水排放情況和給排水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實施手冊，工業(yè)和生活污水排放系數(shù)取0.5、0.8，并結(jié)合丹東市各分區(qū)的污水處理廠實際情況合理確定其污水處理能力。

2.2 多目標(biāo)模型的求解

考慮到不同目標(biāo)之間的矛盾性和不可公度性特征，多目標(biāo)規(guī)劃問題通常無法達(dá)到所有項最優(yōu)，即找不到確定的最優(yōu)解。為解決此種問題，從多個有效解中決策者可以結(jié)合個人偏好選擇一個相對滿意解。各目標(biāo)權(quán)重系數(shù)利用層次分析法計算，并將多目標(biāo)優(yōu)化問題利用線性加權(quán)法轉(zhuǎn)變成單目標(biāo)問題。

對于給定的單目標(biāo)滿意度μi、μj，將多目標(biāo)決策問題利用線性加權(quán)法轉(zhuǎn)變成多個單項目標(biāo)的滿意度函數(shù)，以此生成多綜合目標(biāo)函數(shù)，即：

(14)

(15)

對加權(quán)后的目標(biāo)函數(shù)利用Matlab軟件中的Linprog函數(shù)求解，通過對滿意度μi、μj上下限值的不斷調(diào)整實現(xiàn)決策交互，從而生成水資源優(yōu)化配置有效解。

2.3 供需平衡分析

設(shè)基準(zhǔn)年為2015年，結(jié)合丹東市總體規(guī)劃、水資源評價和水資源公報等資料，確定各用水部門在規(guī)劃水平年(2025年)的需水量和可供水量，采用所構(gòu)建的模型輸入約束條件以及參數(shù)值，并借助Matlab軟件輸出丹東市各分區(qū)優(yōu)化配置的水資源，如表2-3。

表2 規(guī)劃水平年丹東市水資源優(yōu)化配置

由表3可知，丹東市2025年的總需水量、總供水量和總?cè)彼繛?3380萬m3、58426萬m3、4954萬m3，全市缺水率平均值7.82%，整體處于缺水狀態(tài)；其中，東港市、振興區(qū)、鳳城市的缺水率超過全市平均值；全市生態(tài)環(huán)境、生活用水總供水量為198萬m3和4866萬m3，在保證生態(tài)環(huán)境和生活用水的情況下，工業(yè)和農(nóng)業(yè)缺水量達(dá)889萬m3和4065萬m3，缺水率為5.48%和9.65%。

表3 規(guī)劃水平年各分區(qū)水資源供需平衡

2.4 水資源配置總體思路

充分考慮丹東市2025年水資源供需平衡分析結(jié)果，合理制定水資源配置方案，其總體思路如下：

1)保障生態(tài)環(huán)境和生活用水?，F(xiàn)階段，丹東市面臨著日益嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境壓力，任何情況下都要優(yōu)先滿足生活和生態(tài)環(huán)境用水。相對于農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水生態(tài)環(huán)境和生活用水比例較低，兩個用水部門的配水比重小幅度增加，如圖1，即從最初的10.20%、0.76%小幅增大至10.52%、0.75%。

圖1 優(yōu)化配置前后各部門用水比重

2)工農(nóng)業(yè)用水調(diào)整。2015年丹東市農(nóng)業(yè)用水比例為77.6%，而第一產(chǎn)業(yè)占GDP比重僅有36.2%。農(nóng)業(yè)用水效益低且用水量大，可見該地區(qū)存在灌溉效率低、農(nóng)業(yè)用水定額高等問題；相對于農(nóng)業(yè)用水比重工業(yè)明顯較低，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于農(nóng)業(yè)用水效益，優(yōu)化配置后農(nóng)業(yè)用水比例減少至70.45%，而工業(yè)用水比例增大至11.43%，較優(yōu)化前明顯增加。為有效緩解丹東市水資源供需緊張關(guān)系，應(yīng)增加工業(yè)蓄水比重、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及抑制過快增長的用水需求，并提倡農(nóng)業(yè)節(jié)水以提高灌溉效率。

3)嚴(yán)格控制地下水超采。目前，水環(huán)境日益惡化、地下水超采等為丹東市面臨的最大問題。優(yōu)化配置前地下水為該地區(qū)主要供給水源，局部地區(qū)超采嚴(yán)重；考慮約束條件的優(yōu)化配置模型，優(yōu)化后的地下水供給比重明顯減少，從最初的85.2%顯著降低至50.6%，如圖2。優(yōu)化配置后限制了水系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的地下水最大開采量，以保護(hù)地下水資源及改善區(qū)域供水結(jié)構(gòu)。

圖2 優(yōu)化配置前后的水資源供給占比

3 結(jié) 論

結(jié)合丹東市水資源特點，以缺水量最小和綜合效益最大為目標(biāo)，綜合考慮地下水、地表水、外調(diào)水等聯(lián)合供水條件，運(yùn)用多目標(biāo)規(guī)劃法構(gòu)建水資源優(yōu)化配置模型。在實現(xiàn)綜合效益最大的目標(biāo)中該模型考慮了供水成本、水利用率、用水凈效益指標(biāo)和供水綜合效益系數(shù)，較傳統(tǒng)風(fēng)閥能夠進(jìn)一步提高凈效益系數(shù)的合理性；此外，將供水綜合效益系數(shù)利用德菲爾法和變異系數(shù)法求解，有效避免了單一方法存在的不足；在實現(xiàn)缺水量最小、綜合效益最大的同時引入環(huán)境承載力約束，為區(qū)域水資源合理開發(fā)提供了有效保障。然后利用Matlab軟件編程和線性加權(quán)法，通過模型參數(shù)的計算輸出最佳的優(yōu)化配置方案。

采用構(gòu)建的優(yōu)化配置模型，合理配置生態(tài)環(huán)境、生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等用水部門的水資源。結(jié)果表明：丹東市2025年的總需水量、總供水量和總?cè)彼繛?3380萬m3、58426萬m3、4954萬m3，全市缺水率平均值7.82%，整體處于缺水狀態(tài)；外調(diào)水的引入有利于改善區(qū)域地下水超采的現(xiàn)狀，限制水系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的地下水最大開采量，為保護(hù)地下水資源及改善區(qū)域供水結(jié)構(gòu)提供保障。