新疆白楊河流域水資源的優(yōu)化配置

張桂林, 馬 亮, 唐曉宇, 陳新全, 呂 倩

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052; 2.新疆白楊河流域管理局, 新疆 烏魯木齊 830000)

水資源是區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)、資源和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要支撐和保障[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加以及人們生活質(zhì)量的不斷提高，對(duì)水資源的需求逐漸增長(zhǎng)，水資源短缺成為中國(guó)可持續(xù)發(fā)展的重要限制因素[2]。近年來(lái)新疆白楊河流域出現(xiàn)地下水超采、上下游用水矛盾、生態(tài)用水被擠占等現(xiàn)象，引起河流沿岸植被稀疏、形成局部地下水漏斗區(qū)、地面沉陷。如何實(shí)現(xiàn)新疆白楊河流域水資源的合理利用與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求相結(jié)合具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

地區(qū)水資源優(yōu)化配置是解決水資源問(wèn)題的主要途徑，當(dāng)下主要通過(guò)多目標(biāo)模型進(jìn)行水資源優(yōu)化配置，它遵循可持續(xù)性、公平性、優(yōu)先保證生態(tài)和生活用水、用水效益最大化、開源與節(jié)流并重原則，其目標(biāo)是追求整體效益最優(yōu)[3-6]。賀北方等[7]建立供水效益最大、污染排放量最小、缺水最小的區(qū)域多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置模型。王宏偉[8]構(gòu)建以經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)環(huán)境為目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置模型用來(lái)解決西寧市用水效率問(wèn)題。徐光泉等[9]建立資源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境多目標(biāo)地下水管理模型，主要從經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境污染等角度得到適合地區(qū)發(fā)展的配水方案。以上3個(gè)水資源優(yōu)化配置方案缺乏對(duì)地區(qū)配水公平性的考慮，容易造成不同地區(qū)間的引水矛盾。武鵬飛[10]將經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益3個(gè)目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)的形式，計(jì)算邯鄲市最優(yōu)配水方案。丁超等[11]為實(shí)現(xiàn)包頭市的經(jīng)濟(jì)規(guī)模最大化、用水量最小化以及COD排放的最小化為目標(biāo)進(jìn)行水資源優(yōu)化配置，通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)谿DP分析，選取最優(yōu)配水方案。于鳳存等[12]建立以缺水量最小與抽水量最小為目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，通過(guò)主觀權(quán)重和客觀權(quán)重相結(jié)合的方式，得到南水北調(diào)東線工程調(diào)水方案?，F(xiàn)有的多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置方案大多是選擇多目標(biāo)解集中的一個(gè)解或者通過(guò)加權(quán)的方式把多目標(biāo)模型轉(zhuǎn)為單目標(biāo)形式，這種水資源優(yōu)化方案受初始值和主觀因素的影響，存在一定的局限性。

本文以缺水量最小、經(jīng)濟(jì)效益最大、公平性最優(yōu)3個(gè)目標(biāo)函數(shù)建立水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，采用NSGA-Ⅱ算法對(duì)多目標(biāo)模型進(jìn)行求解，把缺水量根據(jù)每種配水方案對(duì)應(yīng)的不同萬(wàn)元產(chǎn)值用水量這個(gè)指標(biāo)換算成GDP缺，尋找新疆白楊河流域整體GDP總的增長(zhǎng)率大于公平性增長(zhǎng)率臨界點(diǎn)，從客觀的角度得到該流域水資源最優(yōu)配水方案，避免受初始值和主觀因素的影響，這對(duì)新疆白楊河流域的社會(huì)發(fā)展和地區(qū)穩(wěn)定具有重要的意義。

1 新疆白楊河水資源現(xiàn)狀分析

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究以2018年為現(xiàn)狀年，對(duì)新疆白楊河流域規(guī)劃年進(jìn)行水資源優(yōu)化配置。該流域的經(jīng)濟(jì)、用水量、耕地面積等各項(xiàng)有關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于歷年烏魯木齊年鑒、新疆年鑒、吐魯番年鑒、新疆白楊河流域規(guī)劃。

1.2 新疆白楊河流域水資源概述

新疆白楊河流域發(fā)源于東天山支脈博格達(dá)山南坡，系阿拉溝支流，屬艾丁湖水系，由上游烏魯木齊市達(dá)坂城區(qū)的黑溝、阿克蘇河、高崖子河等山溝匯集而成，從北向南依次經(jīng)過(guò)上游達(dá)坂城區(qū)和下游托克遜縣，同時(shí)也是兩地主要的地表水來(lái)源。圖1為新疆白楊河流域主要河流水系分布。

圖1 新疆白楊河流域水系分布

根據(jù)新疆白楊河流域水資源規(guī)劃，2018年新疆白楊河流域地表水資源量為2.59×108m3，地下水資源可開采量為9.55×107m3，第一產(chǎn)業(yè)用水量為3.11×108m3，第二產(chǎn)業(yè)用水量為2.01×107m3，第三產(chǎn)業(yè)用水量為3.01×106m3，生活用水量為4.75×106m3，生態(tài)用水量為3.45×107m3，地下水開采量為1.32×108m3，開采系數(shù)為1.4，大于允許開采系數(shù)上限1.2，屬于嚴(yán)重超采[13]。

1.3 流域水資源承載力分析

水資源承載力作為流域水資源的基本度量，是衡量一個(gè)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的決定性指標(biāo)[14]，有助于水資源的合理利用，并促進(jìn)地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[15]。從宏觀、綜合兩個(gè)方面構(gòu)建水資源承載力綜合評(píng)價(jià)模型，選擇：人均用水量，供水模數(shù)，產(chǎn)水模數(shù)，水資源開發(fā)利用率，人口密度，城鎮(zhèn)化水平，人口自然增長(zhǎng)率，生活用水定額，人均GDP，GDP增長(zhǎng)率，第三產(chǎn)業(yè)比重，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值密度，農(nóng)田灌溉用水率，工業(yè)用水率，生態(tài)環(huán)境用水率，人均用水量，萬(wàn)元GDP用水量，單位面積糧食產(chǎn)量，萬(wàn)元農(nóng)業(yè)增加值用水量共19個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用水資源綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)地區(qū)承載力進(jìn)行計(jì)算，得到新疆白楊河流域和達(dá)坂城區(qū)水資源承載力處于瀕臨超載，且水資源利用處于輕度不協(xié)調(diào)，托克遜縣水資源處于輕度超載和水資源短缺狀態(tài)。新疆白楊河流域、達(dá)坂城區(qū)、托克遜縣水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 新疆白楊河流域水資源承載力評(píng)價(jià)結(jié)果

1.4 流域水資源利用存在的問(wèn)題

新疆白楊河流域雖然在加強(qiáng)節(jié)水設(shè)施的建設(shè)，但是長(zhǎng)期形成的用水結(jié)構(gòu)性矛盾和粗放型用水方式還沒(méi)有得到根本轉(zhuǎn)變[11]，依然存在地下水超采、生態(tài)用水被擠占等現(xiàn)象，其主要原因如下。

(1) 農(nóng)業(yè)用水比例過(guò)大，灌溉水利用效率低。2018年流域農(nóng)業(yè)用水3.11×108m3，占流域總用水量的87.4%，流域灌水利用系數(shù)為0.53，低于全疆平均灌溉水利用系數(shù)0.55[16]。

(2) 新疆白楊河流域存在嚴(yán)重的用水矛盾。上游達(dá)坂城區(qū)引用地表水過(guò)多，導(dǎo)致下游托克遜縣大量開采地下水和擠占生態(tài)用水，托克遜地區(qū)生態(tài)用水占地區(qū)供水量的3.1%，遠(yuǎn)低于生態(tài)最佳需水量16%[17]。

2 水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型

2.1 構(gòu)建模型

多目標(biāo)規(guī)劃是數(shù)學(xué)規(guī)劃的一個(gè)分支，用于研究多個(gè)目標(biāo)函數(shù)在給定區(qū)域上的最優(yōu)化[18]，主要研究在一定區(qū)域范圍內(nèi)多個(gè)目標(biāo)的最優(yōu)方案，廣泛用于解決社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與資源短缺之間的矛盾。

2.1.1 決策變量 為反應(yīng)新疆白楊河流域總用水量、經(jīng)濟(jì)效益、配水公平性的情況。本文選擇第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)、生活及生態(tài)的用水量作為決策變量。

2.1.2 建立目標(biāo)函數(shù) 新疆白楊河流域水資源優(yōu)化配置要兼顧資源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)等多個(gè)屬性，由于該流域出現(xiàn)水資源承載力瀕臨超載，因此，以缺水量最小作為流域水資源優(yōu)化配置的一個(gè)目標(biāo)。經(jīng)濟(jì)效益是保證該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的基本條件，用來(lái)指導(dǎo)水資源優(yōu)化配置。目前流域水資源分配處于差距懸殊狀態(tài)，配水公平性也是該流域水資源優(yōu)化配置的主要指標(biāo)，流域配水公平性計(jì)算常用基尼系數(shù)(CINI)表示。因此，建立以缺水量最小、經(jīng)濟(jì)效益最大、配水公平性最優(yōu)3個(gè)目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化配置模型。

(1) 缺水量最小。

(1)

式中：xij為第i個(gè)區(qū)(縣)第j個(gè)部門的用水量；i為區(qū)縣,取值1及2分別表示達(dá)坂城區(qū)和托克遜縣,j取值1—5分別表示第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)、生活、生態(tài)(全文i和j意義相同);Q3為流域供水量。

(2) 經(jīng)濟(jì)效益最大。

(2)

式中：GDPij為第i個(gè)區(qū)(縣)第j個(gè)部門產(chǎn)值;wij為第i個(gè)區(qū)(縣)第j個(gè)部門萬(wàn)元產(chǎn)值用水量。

(3) 公平性最優(yōu)。

(3)

部門間配水公平性系數(shù)：0表示絕對(duì)公平；0.2以下視為絕對(duì)平均；0.2～0.3視為比較平均；0.3～0.4視為收入相對(duì)合理；0.4～0.5視為差距較大；0.5以上視為差距懸殊；1表示絕對(duì)不公平[19]。

式中：m,f,l,t,s分別表示為第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)、生活、生態(tài)GINI系數(shù);i,i′代表達(dá)坂城區(qū)和托克遜縣;Ai1為第i個(gè)區(qū)(縣)農(nóng)業(yè)灌溉面積;Ai2為第i個(gè)區(qū)(縣)生態(tài)灌溉面積;P1為達(dá)坂城區(qū)人口;P2為托克遜縣人口;n為地區(qū)個(gè)數(shù)。

2.1.3 約束條件

(1) 水量約束。

(4)

(5)

(2) 經(jīng)濟(jì)約束。

(6)

公式(4)—(6)中：Q1redline為達(dá)坂城區(qū)供水總量紅線；Q2redline為托克遜縣供水總量紅線；x5redline為流域生態(tài)供水下限；x4redline為流域生活供水下限； GDPmin為產(chǎn)值下限； GDPmax為產(chǎn)值上限。

2.2 參數(shù)計(jì)算方法

(1) 生活用水下限xi4redline。

xi4redline=pi1·q1+pi2·q2

(7)

式中：Pi1,Pi2為第i個(gè)區(qū)(縣)的城鎮(zhèn)和農(nóng)村人口;q1,q2為城鎮(zhèn)和農(nóng)村人口單日用水量〔L/(人·d)〕。

(2) 產(chǎn)值上下限的確定GDPijmax,GDPijmin和GDPij。

ARIMA模型對(duì)地區(qū)產(chǎn)值的預(yù)測(cè)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，如趙莉等[20]運(yùn)用ARIMA模型對(duì)梅龍鎮(zhèn)未來(lái)3 a的生產(chǎn)總值進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與梅龍鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀趨勢(shì)相符。龔國(guó)勇[21]運(yùn)用ARIMA模型對(duì)深圳生產(chǎn)總值進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)ARIMA模型對(duì)非平穩(wěn)時(shí)間序列具有很好的預(yù)測(cè)效果。因此，本文選擇ARIMA模型對(duì)流域各地區(qū)產(chǎn)值進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)查閱年鑒得到長(zhǎng)序列達(dá)坂城區(qū)和托克遜縣各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值，選擇95%的置信區(qū)間對(duì)各個(gè)行業(yè)產(chǎn)值進(jìn)行預(yù)測(cè)得到規(guī)劃年的GDPijmin、GDPijmax和GDPij。

(3) 萬(wàn)元產(chǎn)值的確定wij。

第一產(chǎn)業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值

(8)

式中：GDPi1/(xi1×η0)為第i個(gè)區(qū)(縣)第一產(chǎn)業(yè)1 m3凈用水量的產(chǎn)值;η0為現(xiàn)狀年灌溉水利用系數(shù);ηm為規(guī)劃年灌溉水利用系數(shù);Ri1為GDPi1/(xi1×η0)平均每年增長(zhǎng)率;m為規(guī)劃年據(jù)現(xiàn)狀年年限。

第二、三產(chǎn)業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值

(9)

式中：GDPij/xij為第i個(gè)區(qū)(縣)第二或第三產(chǎn)業(yè)1 m3凈用水量的產(chǎn)值;Rij為GDPij/xij平均每年增長(zhǎng)率;m為規(guī)劃年據(jù)現(xiàn)狀年的年限。

2.3 求解方法

(1) 運(yùn)用NSGA-Ⅱ?qū)Χ嗄繕?biāo)模型求解。傳統(tǒng)的多目標(biāo)選用評(píng)價(jià)函數(shù)法、互交法等進(jìn)行求解[22]，易陷入局部最優(yōu)，而不能達(dá)到全局最優(yōu)，因此，本研究引入NSGA-Ⅱ算法對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行求解。1994年Deb和Srinivas[23]提出非支配排序遺傳算法(non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA)，該算法解決了早熟收斂的問(wèn)題。2002年Deb等[24]提出快速非支配排序算法(non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ，NSGA-Ⅱ)，該算法在原NSGA算法的基礎(chǔ)上引入精英策略，提高算法速度。本文選擇運(yùn)用NSGA-Ⅱ算法對(duì)缺水量最小、經(jīng)濟(jì)效益最大、公平性最優(yōu)3個(gè)目標(biāo)函數(shù)求解。

(2) 結(jié)果優(yōu)化。計(jì)算出n個(gè)非劣解方案得n個(gè)萬(wàn)元產(chǎn)值用水量wa。

wa=Qa/GDPa(a=1,2,…,n)

(10)

式(10)中：wa,Qa,GDPa分別表示流域第a種配水方案整體萬(wàn)元產(chǎn)值用水量、總用水量、總產(chǎn)值。

把每個(gè)方案的缺水量Qa缺換算成GDP，計(jì)算每個(gè)公平性對(duì)應(yīng)得整個(gè)流域得GDPa總。

GDPa總=GDPa-Qa缺/wa

(11)

式中：GDPa總為在用水總量確定條件下,流域第a種配水方案總產(chǎn)值;Qa 缺為流域第a種配水方案缺水量。

把每個(gè)方案中的流域總資產(chǎn)GDP總和公平性做成散點(diǎn)圖，選擇一個(gè)主觀認(rèn)為的最優(yōu)點(diǎn)，我們記為B1，將點(diǎn)B1與散點(diǎn)圖上所有的點(diǎn)連接形成(Bx2-Bx1)/(By2-By1)，(Bx3-Bx1)/(By3-By1),…,(Bxn-Bx1)/(Byn-By1)(只分析大于0)的斜率，尋找與B1連接斜率最小的點(diǎn)，我們記為第2個(gè)最優(yōu)點(diǎn)B2，然后再讓B2重復(fù)B1的步驟，一次類推，最終尋找出一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)，它的前一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)斜率小于1，后一個(gè)最優(yōu)點(diǎn)斜率大于1，此點(diǎn)代表GDP的增長(zhǎng)率大于公平性增長(zhǎng)率臨界點(diǎn)，我們記做Bx，通過(guò)此點(diǎn)的公平性系數(shù)找到NSGA-Ⅱ解集中的最優(yōu)配水方案。

3 結(jié)果與分析

3.1 確定各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)

(1) 確定規(guī)劃年流域各產(chǎn)業(yè)GDP范圍。以1978—2018年達(dá)坂城區(qū)和托克遜縣的第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)用ARIMA模型，取95%的置信區(qū)間對(duì)規(guī)劃年的各產(chǎn)業(yè)GDP進(jìn)行預(yù)測(cè)，確定規(guī)劃年流域各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的上下限：第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值[12.2，23.4]，第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值[170.3，224.6]，第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值[59.9，82.4]。

(2) 水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型中的主要變量和相關(guān)數(shù)據(jù)估計(jì)。根據(jù)上文計(jì)算方法和相關(guān)資料的查閱，確定各產(chǎn)業(yè)用水量指標(biāo)。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 新疆白楊河流域現(xiàn)狀年和規(guī)劃年各產(chǎn)業(yè)用水量指標(biāo)

3.2 模型求解

根據(jù)ARIMA模型對(duì)規(guī)劃年第一、二、三產(chǎn)業(yè)GDP的預(yù)測(cè)，通過(guò)萬(wàn)元產(chǎn)值用水量計(jì)算各產(chǎn)業(yè)用水，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。新疆白楊河流域配水處于差距懸殊狀態(tài)，在規(guī)劃年流域預(yù)測(cè)用水量與計(jì)劃用水量相比增加5.23×107m3，GDP減少3.44×109元，未來(lái)水資源將會(huì)嚴(yán)重影響新疆白楊河流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定，為使規(guī)劃年能夠達(dá)到原計(jì)劃方案的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)減少流域用水，增加地區(qū)配水公平性，現(xiàn)需要對(duì)規(guī)劃年新疆白楊河流域水資源進(jìn)行優(yōu)化配置。

構(gòu)建以缺水量最小、經(jīng)濟(jì)效益最大、公平性最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)模型，對(duì)新疆白楊河流域水資源進(jìn)行優(yōu)化配置，采用NSGA-Ⅱ算法對(duì)多目標(biāo)模型進(jìn)行求解，結(jié)果見(jiàn)圖2a，把缺水量根據(jù)每種配水方案對(duì)應(yīng)的不同萬(wàn)元產(chǎn)值用水量這個(gè)指標(biāo)換算成GDP缺，得到多組GDP總和公平性的方案，運(yùn)用Origin描繪散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖2b，尋找GDP總增長(zhǎng)率大于公平性系數(shù)增長(zhǎng)率的臨界點(diǎn)，最終確定規(guī)劃年最佳配水方案為Bx點(diǎn)，根據(jù)得到的公平性系數(shù)結(jié)合pareto解集找到適合新疆白楊河流域發(fā)展的配水方案。多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置后，流域用水量相對(duì)原計(jì)劃方案減少2.84×107m3，GDP接近計(jì)劃產(chǎn)值，配水公平性由差距懸殊提高到絕對(duì)平均，流域用水得到滿足，用水結(jié)構(gòu)均衡，提高了地區(qū)水資源利用效率，保證了生態(tài)用水。規(guī)劃年新疆白楊河流域水資源預(yù)測(cè)結(jié)果和優(yōu)化配置方案見(jiàn)表3。

圖2 白楊河流域規(guī)劃年多目標(biāo)求解圖

表3 白楊河流域規(guī)劃年ARIMA模型預(yù)測(cè)與多目標(biāo)優(yōu)化配置結(jié)果

3.3 新疆白楊河流域水資源優(yōu)化配置分析

本次研究包括流域規(guī)劃年ARIMA模型預(yù)測(cè)配水方案和多目標(biāo)模型優(yōu)化配水方案以及原計(jì)劃配水方案從用水量、經(jīng)濟(jì)效益和配水公平性進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下結(jié)果。

(1) 用水量分析。由圖3a可知，多目標(biāo)模型求解得到的水資源優(yōu)化配置方案較于ARIMA模型，新疆白楊河流域、達(dá)坂城區(qū)、托克遜縣用水總量減少8.07×107m3，4.05×107m3，4.02×107m3。其中流域第一產(chǎn)業(yè)用水量減少了8.26×107m3，第二產(chǎn)業(yè)用水量增加了7.60×105m3，第三產(chǎn)業(yè)用水量增加8.56×105m3。水資源優(yōu)化配置后流域、達(dá)坂城區(qū)、托克遜縣生態(tài)用水占比為20.0%，14.7%，16.3%，流域各地區(qū)生態(tài)用水得到了保證。由圖3b可知，流域、達(dá)坂城區(qū)、托克遜縣的預(yù)測(cè)用水量在規(guī)劃年超過(guò)原計(jì)劃用水量5.23×107，3.78×107，1.44×107m3，通過(guò)多目標(biāo)模型水資源優(yōu)化配置與計(jì)劃配水方案相比，用水量減少2.84×107，2.60×107，2.39×107m3，優(yōu)化后的配水方案對(duì)新疆白楊河流域的水資源利用、減少地下水開采和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

圖3 不同條件下各地區(qū)用水量變化特征

(2) 經(jīng)濟(jì)效益分析。由圖4a可知，規(guī)劃年多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置方案相對(duì)于ARIMA預(yù)測(cè)結(jié)果，流域、達(dá)坂城區(qū)、托克遜縣GDP增加3.00×109元、增加5.28×109元、減少2.28×109元。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示第一產(chǎn)業(yè)GDP占比為6.2%，第二產(chǎn)業(yè)GDP占比為69.0%，結(jié)合圖3發(fā)現(xiàn)第一產(chǎn)業(yè)用水占比為73.4%，第二產(chǎn)業(yè)用水占比為9.8%，表明流域在規(guī)劃年可能出現(xiàn)水資源利用不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。

水資源優(yōu)化配置后第一產(chǎn)業(yè)GDP占比3.9%，用水量占比64.5%，第二產(chǎn)業(yè)GDP占比70.7%，用水量占比13.1%，緩解了流域水資源利用不合理的現(xiàn)象。由圖4b可知，流域、達(dá)坂城區(qū)、托克遜縣的預(yù)測(cè)GDP在規(guī)劃年低于計(jì)劃產(chǎn)值5.07×109，1.62×109，3.44×109元。多目標(biāo)模型水資源優(yōu)化配置后，流域GDP產(chǎn)值與計(jì)劃產(chǎn)值的誤差在2%范圍內(nèi)，基本達(dá)到計(jì)劃經(jīng)濟(jì)。

圖4 不同條件下各地區(qū)GDP變化特征

(3) 公平性。將各配水方案代入式(3)中，計(jì)算流域配水公平性。結(jié)果顯示：2018年流域?qū)嶋H配水方案、規(guī)劃年原計(jì)劃配水方案、預(yù)測(cè)配水方案公平性系數(shù)分別為0.8，0.6，0.7，遠(yuǎn)超過(guò)最大允許配水公平性系數(shù)0.5[19]，表明現(xiàn)狀年和規(guī)劃年該流域水資源分配差距懸殊，容易引起地區(qū)用水矛盾。多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置后，規(guī)劃年的公平性系數(shù)為0.2，流域水資源分配差距縮小，達(dá)到絕對(duì)平均。配水公平性結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 流域配水公平性評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié) 論

以2018年新疆白楊河流域水資源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)新疆白楊河流域進(jìn)行水資源承載力評(píng)價(jià)及優(yōu)化配置，得到如下結(jié)論。

(1) 當(dāng)下新疆白楊河流域和達(dá)坂城區(qū)處于水資源瀕臨超載和輕度不協(xié)調(diào)，托克遜縣水資源出現(xiàn)輕度超載和水資源短缺現(xiàn)象。

(2) 水資源優(yōu)化配置后，流域用水量為2.60×106m3，GDP為3.16×1010元，相較于ARIMA預(yù)測(cè)結(jié)果用水量減少8.07×107m3，GDP增加3.00×109元，配水公平性由差距懸殊提高到絕對(duì)平均。相較于原計(jì)劃方案，用水量減少了2.84×107m3，經(jīng)濟(jì)效益基本相同，配水公平性由差距懸殊提高到絕對(duì)平均。

(3) 結(jié)合多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置方案可得，未來(lái)達(dá)坂城區(qū)重在發(fā)展第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)，在保證農(nóng)業(yè)產(chǎn)品需求的條件下，主要減少農(nóng)業(yè)耕地面積的同時(shí)提高灌溉水利用系數(shù)。托克遜縣重在發(fā)展第一、三產(chǎn)業(yè)，提高灌溉水利用系數(shù)的同時(shí)根據(jù)本地特色發(fā)展旅游業(yè)。

多目標(biāo)水資源優(yōu)化配水結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于預(yù)測(cè)和計(jì)劃配水方案，將水資源合理均衡的分配與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相結(jié)合，有利于流域各地區(qū)之間的穩(wěn)定發(fā)展。