基于紅線管理的鄭州市水資源優(yōu)化配置研究

周 科

(華北水利水電大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，河南 鄭州 450046)

1 研究背景

目前，就我國水資源配置來說，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用水比例不斷變化，工業(yè)和生活用水兩者所占比例逐年增大，農(nóng)業(yè)用水所占比例逐漸減小，且用水效率逐漸提高，非常規(guī)水資源的開發(fā)利用呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)，水資源開發(fā)利用出現(xiàn)了一些新的特點(diǎn)。根據(jù)水利部發(fā)布的《2016年中國水資源公報(bào)》[1]，2016年，全國生活用水為821.6億m3，占用水總量的13.6%；工業(yè)用水為1 308.0億m3，占用水總量的21.6%；農(nóng)業(yè)用水為3 768.0億m3，占用水總量的62.4%；人工生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水為142.6億m3，占用水總量的2.4%。與2015年相比，農(nóng)業(yè)用水量減少了84.2億m3，工業(yè)用水量減少了26.8億m3，生活用水量及人工生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水量分別增加了28.1億m3和19.9億m3。

全國城市供水預(yù)計(jì)將越來越多地受到人口、缺水、氣候變化和生態(tài)環(huán)境需水的影響。面對(duì)缺水的嚴(yán)峻形勢(shì)，全國各地采取了許多對(duì)策。2012年1月，國務(wù)院國發(fā)(2012)3號(hào)文件發(fā)布了《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》[2-3]，對(duì)我國水資源近期、中期和遠(yuǎn)期開發(fā)利用提出了量、效率和水功能區(qū)水資源保護(hù)管理紅線指標(biāo)與四項(xiàng)基本制度，即“三條紅線，四項(xiàng)制度”。對(duì)于解決我國復(fù)雜的水資源水環(huán)境問題，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。近年來，為了實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度，全國各地開展了大量理論研究，同時(shí)也新建了一大批水利工程。有些地方采用了先進(jìn)的水處理技術(shù)，提高了非常規(guī)水資源利用率[4-6]。但是，工程設(shè)施的老化和供水水質(zhì)的提高迫使城市重新評(píng)估傳統(tǒng)的水資源管理模式。鑒于所面臨的水問題挑戰(zhàn)，無論是供水管理部門、還是用水戶，都需要采取科學(xué)的行動(dòng)實(shí)現(xiàn)水資源的科學(xué)管理[7-10]。

近年來，國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對(duì)水資源優(yōu)化配置與管理進(jìn)行了大量研究，積累了一些可供參考的經(jīng)驗(yàn)和成果[11-12]。一些水敏感城市強(qiáng)調(diào)適應(yīng)性基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，對(duì)傳統(tǒng)的用水模式改革和工程設(shè)施運(yùn)行起到了支撐作用[13-14]?？沙掷m(xù)城市水管理戰(zhàn)略框架將各部門的經(jīng)濟(jì)、物質(zhì)和體制觀點(diǎn)進(jìn)行跨行業(yè)結(jié)合，同時(shí)吸收更廣泛的社會(huì)參與[15]。但是，大多數(shù)可持續(xù)城市水管理的障礙往往是來自體制方面的，而不是技術(shù)性的[16]。城市水治理系統(tǒng)支離破碎，缺乏基于公眾參與的投入，發(fā)展緩慢[17]。干旱缺水、社會(huì)偏好的演變和其他外部因素能激發(fā)新方法的產(chǎn)生[18]。對(duì)管理模式的科學(xué)評(píng)價(jià)需要不同尺度的時(shí)間與空間資料。在耦合和復(fù)雜系統(tǒng)中，不間斷地信息反饋可以改善行為與環(huán)境效果[19]。查閱國內(nèi)外有關(guān)研究成果[20-22]，發(fā)現(xiàn)缺乏基于強(qiáng)化節(jié)水措施的水資源優(yōu)化配置方案，大多數(shù)優(yōu)化配置方案的結(jié)果仍然是缺水，還有缺乏組織管理為背景的水資源優(yōu)化配置方案，許多方案中使用的指標(biāo)仍然是傳統(tǒng)性的[23]。

就鄭州市水資源優(yōu)化配置而言，已經(jīng)進(jìn)行了大量研究并取得了有價(jià)值的成果，但大多數(shù)屬于理論或計(jì)算方法方面的探索。首先在研究目標(biāo)的選取上，以往研究目標(biāo)的選取存在很大的任意性。研究人員根據(jù)自己研究的方法(理論、模型)不同，選取不同的研究目標(biāo)，而不是考慮當(dāng)?shù)氐膶?shí)際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)或水資源約束目標(biāo)，因而嚴(yán)重脫離生產(chǎn)實(shí)際。其次，極少文獻(xiàn)將“三條紅線”考核指標(biāo)作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，并融合在一個(gè)指標(biāo)體系當(dāng)中進(jìn)行水資源優(yōu)化配置。另外，在研究?jī)?nèi)容上，“三條紅線”的提出，對(duì)水資源的開發(fā)利用有了更加嚴(yán)格的要求，同時(shí)也提出應(yīng)當(dāng)制定相應(yīng)的發(fā)展規(guī)模以滿足“三條紅線”的要求。目前，關(guān)于鄭州市水資源優(yōu)化配置的研究中，還缺乏針對(duì)“三條紅線”控制目標(biāo)進(jìn)行水資源優(yōu)化配置的研究成果。

綜上所述，本文結(jié)合我國實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”的有關(guān)指標(biāo)和鄭州市強(qiáng)化節(jié)水措施情況，針對(duì)目前組織管理現(xiàn)狀、工程設(shè)施和科技認(rèn)知水平，挖掘節(jié)水能力，擴(kuò)大系統(tǒng)受益范圍，構(gòu)建了水資源配置網(wǎng)絡(luò)框架模型和水資源優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型。該模型將工程系統(tǒng)、水資源系統(tǒng)、組織管理等融合在一個(gè)耦合模型內(nèi)，并進(jìn)一步提出了基于“三條紅線”有關(guān)指標(biāo)的鄭州市水資源開發(fā)利用優(yōu)化方案和管理對(duì)策。研究結(jié)果表明，靈活和適應(yīng)性強(qiáng)的建模技術(shù)在水資源優(yōu)化配置和數(shù)據(jù)環(huán)境中非常具有優(yōu)勢(shì)。

2 模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建

(1) 目標(biāo)函數(shù)。以“三條紅線”指標(biāo)為前提，強(qiáng)化節(jié)水措施，合理制定需水指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)缺水程度最小，即：

(1)

式中：D(i，j)t、W(i，j)t分別表示第t時(shí)段第i地區(qū)第j用水戶的需水量和供水量；S為缺水量；I為行政分區(qū)數(shù)；J為用水戶總數(shù)；T為時(shí)段總數(shù)。

(2) 河道生態(tài)環(huán)境需水量控制。滿足河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水，控制河道生態(tài)環(huán)境流量，以斷面生態(tài)環(huán)境需水滿足程度E來表征：

(2)

式中：E為河道生態(tài)環(huán)境需水滿足度，其值越大，表明河道生態(tài)需水滿足程度越高；QR(x，t)、Qe(x，t)分別為t時(shí)段、x河段的流量和河道生態(tài)環(huán)境需水量；φx為河段權(quán)重系數(shù)；X為河段總數(shù)。

(3) 約束條件。流量約束：滿足斷面最小流量要求，即

QR(x，t)≥Qmin(x，t)

(3)

工程約束：各水源工程供水量不超過其供水能力，即

QM(m，t)≤Qpmax(m)

(4)

河段水量平衡約束：

QR(x，t)=QR(x-1，t)+QRn(x，t)-QSx(x，t)-

QL(x，t)+QT(x-1，t)

(5)

紅線指標(biāo)約束：區(qū)域耗水總量小于本區(qū)紅線用水指標(biāo)，即

Qcon(i)≤QY(i)

(6)

流量非負(fù)約束：

Qijkt≥0

(7)

式中：QR(x，t)為斷面t時(shí)段下泄量，m3；Qmin(x，t)為斷面最小下泄水量，m3；QM(m，t)為m工程t時(shí)段取水量，m3；Qpmax(m)為工程最大取水能力，m3；QR(x-1，t)為x上一河段t時(shí)段的徑流量，m3；QRn(x，t)為x河段t時(shí)段的區(qū)間入流量，m3；QSx(x，t)為x河段t時(shí)段的取水量，m3；QL(x，t)為x河段t時(shí)段的水量損失，m3；QT(x-1，t)為x上一河段t時(shí)段的退水量，m3；Qcon(i)為i地區(qū)年度耗水量，m3；QY(i)為i地區(qū)分水指標(biāo)。

(4) 水質(zhì)模型。以河道污染物遷移、轉(zhuǎn)化模擬為基礎(chǔ)，以水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)為控制目標(biāo)，建立以數(shù)值模擬為核心的水質(zhì)模型，用于模擬不同水資源分配、污染物排放情景下的河流環(huán)境效應(yīng)[24]。

為滿足河段水功能區(qū)水質(zhì)的要求，以河段水功能區(qū)水質(zhì)指標(biāo)與目標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)的偏差最小為目標(biāo)，即

minF(QSx(x，t)，Cob，θ)

(8)

式中：θj為j河段水質(zhì)的權(quán)重系數(shù)；Cob為水功能區(qū)目標(biāo)水質(zhì)控制指標(biāo)；φ(QSx(x，t))為河段取水量在QSx(x，t)情況下的水質(zhì)指標(biāo)函數(shù)。

(5) 河流紅線管理約束與水功能區(qū)污染控制。① 徑流量和污染物濃度采用長期觀測(cè)數(shù)據(jù)；② 定期監(jiān)測(cè)入河排污口排水量和排放濃度；③ 污染物濃度采用分布式模型分析，計(jì)算公式如下：

(9)

式中：mlt為入河排污口排入的污染物質(zhì)量；QRn(l，t)為x河段內(nèi)第l個(gè)入河排污口入流點(diǎn)的流入水量；Clt為第l個(gè)入河排污口污染物質(zhì)濃度；L為河段入河排污口總數(shù)。

引出污染物質(zhì)量與取水量及引出污染物的濃度有關(guān)，引出的污染物質(zhì)量為

(10)

式中：m2t為引出的污染物質(zhì)量；Cijt為第i地區(qū)j用戶t時(shí)段取水的污染物濃度；QS(i，j，t)為t時(shí)段i地區(qū)j用戶取用水量；I，J分別為河段內(nèi)的行政分區(qū)和用水戶總數(shù)。

2.2 模型軟件開發(fā)

采用通用網(wǎng)絡(luò)流優(yōu)化框架，該網(wǎng)絡(luò)流模型已在眾多的水資源管理問題的研究中得以應(yīng)用[25-26]。該模型中的基本決策變量是k連線連接i和j之間的流量Qijk。

本文基于優(yōu)化配水和水資源管理網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)化管理的概念開發(fā)了新的軟件。 該軟件結(jié)構(gòu)靈活，可以對(duì)不同供需水方案進(jìn)行評(píng)估，也可以評(píng)估水短缺風(fēng)險(xiǎn)。軟件模型的構(gòu)建和分析思路方法如圖1所示。

圖1 模型構(gòu)建與研究程序框架示意Fig.1 Description on study procedures and configuration of the model

3 鄭州市水資源優(yōu)化配置方案與管理

3.1 研究區(qū)概況

鄭州市行政轄區(qū)總面積為7 446 km2，市區(qū)面積為1 010 km2。行政分區(qū)包括6個(gè)市轄區(qū)、1個(gè)縣和5個(gè)縣級(jí)市。鄭州市按流域劃分可分為6個(gè)水資源分區(qū)，其中淮河流域3個(gè)區(qū)，黃河流域3個(gè)區(qū)，分別為沙穎河平原區(qū)、沙穎河山區(qū)、渦河區(qū)、伊洛河區(qū)、小浪底～花園口干流區(qū)和花園口以下干流區(qū)。鄭州市屬于缺水地區(qū)，水資源在很大程度上依靠引黃河水和南水北調(diào)水。近年來，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需求，水資源供需矛盾加劇，而要解決水資源供需矛盾，不但會(huì)受到水資源數(shù)量的限制，同時(shí)也會(huì)受到水體污染和管理水平的影響。

3.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與模型求解

3.2.1水資源管理節(jié)點(diǎn)規(guī)劃

經(jīng)過系統(tǒng)分析，將鄭州市水資源優(yōu)化配置與管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為332個(gè)節(jié)點(diǎn)、682個(gè)連線；共劃分為47個(gè)供水單元、103個(gè)供水樞紐點(diǎn)、18個(gè)配水管理中心、13個(gè)地下水開發(fā)核心區(qū)、16個(gè)水庫和輸水工程設(shè)施，以及20處污水處理和再生水開發(fā)利用板塊。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有需水、供水和蓄水能力的屬性。通過指定起始和終止節(jié)點(diǎn)以及相應(yīng)的流量，確定網(wǎng)絡(luò)連線，可以根據(jù)不同階段內(nèi)的總水量分配外推到每月、每旬的數(shù)量。

資料時(shí)間序列為2000～2015 年，用實(shí)測(cè)流量和水質(zhì)資料對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)鄭州市主要河流及其流域進(jìn)行了細(xì)分，并與上游產(chǎn)流區(qū)相對(duì)應(yīng)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有地下水和地表水交叉的主要特征。

鄭州市水資源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.2.2資料輸入

(1) 當(dāng)?shù)厮Y源可利用總量。模型資料包括地下水開發(fā)利用、地下水補(bǔ)給、工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水量、生活需水量、市政與商業(yè)需水量、管理措施、生態(tài)需水、污水處理回用、外引水(南水北調(diào)、黃河引水等)以及降水與蒸發(fā)資料等。選擇資料時(shí)段為2000～2015年。鄭州市當(dāng)?shù)靥烊凰Y源計(jì)算成果如表1所列。

表1 鄭州市多年平均當(dāng)?shù)厮Y源可利用總量計(jì)算成果Tab.1 Calculation results of local annual average available water resources in Zhengzhou

(2) 客水資源可利用量。鄭州市客水資源量主要是黃河干流的引供水量、南水北調(diào)中線的供水量和洛陽陸渾水庫西水東引的調(diào)水量，如表2所列。

圖2 鄭州市水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)示意Fig.2 The nodes map of Zhengzhou water resources system

表2 鄭州市客水資源可利用量 Tab.2 Water availability from other basins 萬m3

(3) “三條紅線”控制目標(biāo)。依據(jù)《河南省實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度考核辦法》[5]，鄭州市的水資源開發(fā)利用總量、用水效率、水功能區(qū)的達(dá)標(biāo)指標(biāo)如表3所列。

表3 鄭州市“三條紅線”達(dá)標(biāo)指標(biāo)Tab.3 “Three Red Lines” indicators in Zhengzhou

3.2.3模型求解

網(wǎng)絡(luò)模型采用重復(fù)迭代法，迭代運(yùn)行了55次，構(gòu)成了55個(gè)初步方案，從中優(yōu)選得出了優(yōu)化方案。

本文考慮了優(yōu)化水資源配置基本方案和強(qiáng)化節(jié)水措施方案條件下的供需水量、地下水補(bǔ)給和排水量。對(duì)于每一個(gè)配水點(diǎn)，根據(jù)人口數(shù)量(2015年水平)、對(duì)應(yīng)需水量、生態(tài)環(huán)境需水、洪水安全指標(biāo)、人均最低用水指標(biāo)、工業(yè)萬元GDP(當(dāng)年價(jià))用水量、農(nóng)田灌溉畝均用水量、生態(tài)環(huán)境用水量、考慮不同植被景觀地表覆蓋率、地下水提取量、雨水收集利用、污水再生利用以及外引水量和其他流量數(shù)據(jù)，綜合現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施、管理體系和水資源管理制度等配套資料，經(jīng)模型優(yōu)化計(jì)算，從55個(gè)初步方案中，優(yōu)選得出了水資源優(yōu)化配置方案，最后計(jì)算得出各配水點(diǎn)在一定供需水條件下的缺水量。

在不同保證率、常規(guī)管理和紅線管理背景下，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，從中優(yōu)選得出的水資源優(yōu)化配置方案如表4所列。

由表4可以看出：正常年份(P=50%)在常規(guī)管理下的總需水量為19.917 0億m3，對(duì)應(yīng)的實(shí)際供水量為17.738 3億m3，實(shí)際缺水為10.94%；而實(shí)行“三條紅線”管理后，總需水量為17.641 8億m3，實(shí)際供水量為17.541 8億m3，缺水為0.56%。基本實(shí)現(xiàn)了正常年份的水資源供需平衡。

從水資源組成成分來看，外部引水(黃河、南水北調(diào)等)所占比例最大，紅線管理3種年型的外部引水均在50%以上。其次是地下水資源的開發(fā)利用，常規(guī)管理下，3種年型的外部引水均在20%以上。

從表4還可以看出：基于紅線管理，采取強(qiáng)化節(jié)水措施，通過構(gòu)建的模型實(shí)施優(yōu)化配置，則一般年型基本實(shí)現(xiàn)了缺水量為0，即使在P=95%的干旱年份，缺水量?jī)H為2.21%。可見，實(shí)施水資源紅線管理和優(yōu)化配置的效果顯著。

表4 基于“三條紅線”的水資源優(yōu)化配置方案Tab.4 Water resources optimal allocation scheme based on “Three Red Lines” 億m3

同時(shí)由表4還可以看出：實(shí)行水資源紅線管理與強(qiáng)化節(jié)水措施，加上水資源優(yōu)化配置，地下水補(bǔ)給量有所增加，在P=95%保證率下，地下水的提取量與補(bǔ)給量接近，實(shí)行常規(guī)管理下，地下水的補(bǔ)給量相當(dāng)于提取量的40.39%，在實(shí)行紅線管理與強(qiáng)化節(jié)水措施的條件下，地下水的補(bǔ)給量相當(dāng)于提取量的84.70%。因此，基本上解決了鄭州市地下水的下降漏斗問題。

在實(shí)行紅線管理與強(qiáng)化節(jié)水措施條件下，非常規(guī)水資源得到了進(jìn)一步開發(fā)利用，非常規(guī)水資源的比例由4.49%提高到16.15%。

4 紅線管理與強(qiáng)化節(jié)水措施分析

為了確保實(shí)現(xiàn)“三條紅線”確立的目標(biāo)，鄭州市制定了系統(tǒng)性強(qiáng)化節(jié)水措施方案。強(qiáng)化節(jié)水方案是在經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、增加節(jié)水投入的條件下推行的節(jié)水措施。根據(jù)估算的節(jié)水潛力以及各水平年水資源供需分析反饋的缺水狀況，擬定了逐步加大節(jié)水投資和力度的節(jié)水方案，明確了分階段采取的節(jié)水措施及其相應(yīng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，估算了各計(jì)算分區(qū)不同水平年各部門的節(jié)水量，可供進(jìn)一步開展供需分析和水資源配置選用。

基于鄭州市紅線管理目標(biāo)和強(qiáng)化節(jié)水措施，應(yīng)用本文模型進(jìn)行了系統(tǒng)分析?；诜治鼋Y(jié)果，提出了科學(xué)管理措施及建議，如表5所列。

模型研究方案表明：實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置目標(biāo)，必須強(qiáng)化各項(xiàng)管理，只有將科學(xué)的方案置于嚴(yán)格的管理措施下，才能發(fā)揮其優(yōu)化配置的效果。解決缺水問題必須采用兩條腿走路：一是科學(xué)決策，二是科學(xué)管理，二者缺一不可。

表5 基于“三條紅線”管理和模型優(yōu)化存在的問題與對(duì)策Tab.5 Optimizing development objectives and management countermeasures based on “Three Red Lines Model”

5 結(jié) 論

當(dāng)前國內(nèi)外供需水期望值不斷變化，在資金壓力和水資源短缺雙重壓力下，按照實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理“三條紅線”的目標(biāo)，全國各地水資源優(yōu)化配置水平得以不斷提高，水資源開發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益也得以不斷提升。

(1) 基于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”的有關(guān)指標(biāo)，本研究利用網(wǎng)絡(luò)流模型概念，構(gòu)建了水資源優(yōu)化配置模型，利用優(yōu)化手段來評(píng)估鄭州市水資源優(yōu)化配置情況，并提出了水資源優(yōu)化配置方案。

(2) 根據(jù)本文研究結(jié)果，在正常年份(P=50%)實(shí)行“三條紅線”管理的情況下，總需水量為17.641 8億m3，實(shí)際供水量為17.541 8億m3，缺水為0.56%?；緦?shí)現(xiàn)了正常年份供需水量平衡。而常規(guī)管理下的總需水量為19.917 0億m3，對(duì)應(yīng)的實(shí)際供水量為17.738 3億m3，實(shí)際缺水為10.94%。本文提出的水資源優(yōu)化配置方案可為解決當(dāng)?shù)厮Y源短缺問題提供科學(xué)參考。

(3) 地下水補(bǔ)給量由現(xiàn)狀的2.861 8億m3增加到了3.921 3億m3，鄭州市的地下水下降漏斗區(qū)面積縮小約30%，既保證了水資源需求，同時(shí)對(duì)于鄭州市社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市生態(tài)景觀以及實(shí)現(xiàn)“三條紅線”目標(biāo)具有十分重要的意義。

驗(yàn)證結(jié)果表明：本文開發(fā)的模型具有一定的靈活性、自適應(yīng)性和實(shí)用性，可以隨著新的數(shù)據(jù)和科學(xué)信息的變化而變化，從而產(chǎn)生出新的預(yù)測(cè)模型。

未來的研究應(yīng)當(dāng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定性、水資源系統(tǒng)的泄漏損失、蒸散發(fā)損失和地下水補(bǔ)給，以便更好地揭示地表水與地下水的耦合流動(dòng)。

基于本文構(gòu)建的模型，未來的研究可以對(duì)一些重要的區(qū)域性問題進(jìn)行檢驗(yàn)，例如，已經(jīng)規(guī)劃的水資源工程目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的可能性、地下水儲(chǔ)蓄工程運(yùn)行和地下水的補(bǔ)給效果、配套的管理機(jī)構(gòu)設(shè)置與管理運(yùn)行，以及缺水程度的緩解、生態(tài)環(huán)境效益等。