基于Mike Basin模型的萊州市水資源配置研究

王瑤瑤,董潔,陳學群,孟伊戈,洪櫻珉,苗靖苑

基于Mike Basin模型的萊州市水資源配置研究

王瑤瑤1,3,董潔1*,陳學群2,孟伊戈3,洪櫻珉3,苗靖苑3

1. 山東農(nóng)業(yè)大學水利土木工程學院, 山東 泰安 271000 2. 山東省水利科學研究院水資源與水環(huán)境研究所, 山東 濟南 250014 3. 威海市水利勘測設(shè)計有限責任公司, 山東 威海 264200

本文以萊州市為研究區(qū)域，利用Mike Basin模型軟件搭建流域水資源配置模型。針對萊州市規(guī)劃年2025年城鄉(xiāng)一體化建設(shè)，建立了適合萊州市復雜情景的地表水，外調(diào)水多水源配置方案。并利用多目標規(guī)劃的方法求解最優(yōu)方案，結(jié)果表明，方案四是在現(xiàn)狀年適度節(jié)水的情況下再節(jié)水7%，同時新增蓄引水工程、引用黃河水的方案最優(yōu)。為萊州市城鄉(xiāng)供水一體化規(guī)劃提供技術(shù)支撐，保障農(nóng)村用水安全具有極其重大的意義。

Mike Basin模型; 水資源配置; 萊州

近年來，國家高度關(guān)注“三農(nóng)”問題，想方設(shè)法增加農(nóng)民收入、改善農(nóng)民生活、縮小城鄉(xiāng)差別。但飲水安全問題不解決，這些目標和構(gòu)想將難以實現(xiàn)。本文針對萊州市出現(xiàn)的地下水嚴重超采、海水入侵[1]、用水結(jié)構(gòu)不合理、供需矛盾突出等問題，建設(shè)城鄉(xiāng)一體化供水工程，對維護社會穩(wěn)定、促進社會和諧發(fā)展具有重大意義。在此大背景下，研究如何實現(xiàn)農(nóng)村分散水源地有效調(diào)度、配置，實現(xiàn)城鄉(xiāng)供水一體化，解決農(nóng)村供水安全隱患，提高水資源的使用效率，尤為重要。因此，以萊州市實現(xiàn)城鄉(xiāng)供水一體化作為研究目的，提高萊州市水資源的利用效率，達到可持續(xù)發(fā)展的目標。

在國內(nèi)，諸多學者提出水資源可持續(xù)發(fā)展的問題，并提出了相應的對策，這才使得人們開始意識到水資源需要合理配置的問題，并提出了相應的解決辦法，如多目標規(guī)劃[2]、動態(tài)規(guī)劃、粒子群算法[3]、遺傳算法、MATLAB方法[4]及大系統(tǒng)理論[5]等運籌學方法，還有運用相應軟件進行合理配置水資源的方法：Mike Basin、WMS、WaterWare、Aquarius、Weap等軟件。杜倩等將Mike Basin模型與Excel軟件的規(guī)劃求解相結(jié)合，極大的提高了工作效率，為快速高效地解決各工程之間聯(lián)合調(diào)度問題提供參考[6]；吳迪利用Mike Basin模型分別模擬了渾河流域的水庫特征、徑流量和灌溉區(qū)需水量變化規(guī)律[7]；韓鵬等利用試估—校正法建立哈密淖毛湖工業(yè)園區(qū)水資源優(yōu)化配置模型，并分析

了其水資源利用狀況的嚴峻趨勢[8]；Gao JJ等建立了一種新的水資源配置優(yōu)化工具，其中包括傳統(tǒng)水資源（如地表水和地下水）和非傳統(tǒng)水資源（如再生水和淡化水）使用具有進化算法的多目標模型可以幫助政策制定者在不同的水分配計劃下發(fā)揮水和能源的最大利益，并為優(yōu)化水和能源的綜合

利用關(guān)系提供有價值的參考[9]。在國外，也有許多專家學者意識到合理分配水資源的重要性。Singh A在地下水資源管理中，將計算智能優(yōu)化方法和地下水數(shù)值模擬方法相結(jié)合，實現(xiàn)水量、水質(zhì)綜合調(diào)配[10,11]；Read L等認為水資源配置方案的效率與公平性決定水資源配置方案的可行性，并建議從眾多決策者的角度對配置方案進行可行性評價[12]。Yaltaghian Khiabani M等以伊朗為例，通過水資源調(diào)配減少地下水的使用，合理利用地表水資源，達到保護地下水的目的[13]。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，人們已經(jīng)意識到水資源合理配置的重要性，并提出了較為成熟的解決辦法。但是，國內(nèi)外學者多集中于大城市、大水源地的研究，對于農(nóng)村、小型水源的水資源配置研究較少。因此，農(nóng)村供水的水量水質(zhì)安全是需要繼續(xù)解決的一個關(guān)鍵問題。

1 研究區(qū)域概況

萊州市位于膠東半島西北部，地處煙臺、青島、濰坊三市交界處，緊臨渤海萊州灣，地理坐標為北緯36°59′～37°28′、東經(jīng)119°33′～120°18′?？偯娣e1928 km2，海岸線總長108 km[14]?，F(xiàn)轄17個鎮(zhèn)街，2017年常駐人口84.42萬人，是全國百強縣和山東省十強縣之一。近年來，萊州市相關(guān)部門為提高人民的生活水平，實現(xiàn)水資源有效利用，提出城鄉(xiāng)供水一體化的措施，因為飲水安全工程是農(nóng)村重要的基礎(chǔ)設(shè)施，關(guān)系到農(nóng)民群眾的身心健康和切身利益，如解決不好，將成為社會的不穩(wěn)定因素，與農(nóng)村快速發(fā)展的形勢不相適應，將成為農(nóng)村進一步發(fā)展的制約因素。因此，解決城鄉(xiāng)一體化規(guī)劃工程刻不容緩。

2 Mike Basin模型設(shè)置與結(jié)果

Mike Basin模型是DHI公司的應用軟件之一，是一種用于研究在流域或者區(qū)域尺度上，受時間、空間等要素影響的水資源分配及水資源供需平衡的數(shù)學模擬工具。該模型特色是基于GIS應用和開發(fā)，并以Arcview為平臺，很直觀地將界面呈現(xiàn)出來，讓用戶根據(jù)自己的需要，設(shè)定相應的模型，其中全部的建模功能均可以在地里信息系統(tǒng)軟件Arcview中實現(xiàn)，同時該軟件可以提供不同時間步長的水資源優(yōu)化配置模擬計算、結(jié)果的呈現(xiàn)以及分析等。此外，Mike Basin模型還可以通過自己編程，將更為復雜的水資源分配過程呈現(xiàn)在模型中。甚至可以通過與外部的程序進行整合，實現(xiàn)二次開發(fā)[15]。

2.1 Mike Basin模型設(shè)置

2.1.1 模型設(shè)置模型模擬的研究范圍是整個萊州市，以2017年現(xiàn)狀年、以月為時間序列進行水資源供需平衡計算，水庫起調(diào)水位為正常蓄水位，汛限水位為死水位，則消落水位也設(shè)置成死水位，對應的消落系數(shù)為0.8。將每個鎮(zhèn)/街道的生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水之和統(tǒng)一作為該鎮(zhèn)/街道的需水量，故將其分別作為17個用水戶，

供水路線的設(shè)定本著以下原則進行：（1）優(yōu)先使用地表水，然后是引黃水，充分利用現(xiàn)有地表水源，優(yōu)化調(diào)度各個水源，使有限的水資源發(fā)揮最大的效能；（2）遵循“就近調(diào)度”原則，供水水源優(yōu)先取自距離近的水源地，并充分考慮地形條件，利用已有的水利設(shè)施進行調(diào)水；（3）用水戶包括生活、生產(chǎn)、生態(tài)三類用水；（4）科學性、前瞻性、可操作性相結(jié)合的原則。

2.1.2 模擬過程建立Mike basin模型的步驟：（1）首先，應用Arcgis中的Arcmap模塊，將萊州市的高程圖轉(zhuǎn)化為萊州市DEM圖.txt文件，導入Mike basin模型中的“Map Configurations”的下拉菜單中的“Digital Elevation Model（DEM）”；（2）利用DEM數(shù)據(jù)計算水流向，中間窗口切換到Map標簽，工具欄切換到“Branches”點擊追蹤河流“Add trace”工具；（3）添加用水戶節(jié)點，本論文中將萊州市17個鎮(zhèn)/街道，分為17個用水戶，點擊“Water users”中的“Add”進行添加；（4）設(shè)置用水戶的需水量，及為用水時間序列，利用各年各街道的用水量數(shù)據(jù)進行需水量的輸入，得到17個用水序列，并將生活、生產(chǎn)、生態(tài)放在一起考慮。如需改動數(shù)據(jù)，點擊編輯即可；（5）設(shè)置水庫節(jié)點，選擇“Reservoirs”下的“Reservoir definitions”標簽進行水庫的相關(guān)設(shè)置，包括水位-庫容-面積曲線、初始水位、正常蓄水位、防洪限制水位、死水位、水庫最大下泄流量、水庫最小下泄流量以及水庫用水庫的取水先后順序；（6）根據(jù)供水路線的原則以及地形等因素將供水水源（水庫）與用水戶（各鎮(zhèn)/街）連接起來；（7）點擊run按鈕中simulation進行缺水性模擬分析，待模型運行進度條至100%時，得到運行結(jié)果；（8）點擊“relust”，選擇“RiverBasin-Simulation1”下拉菜單中的“Nodes”，查看用水戶的供水以及缺水情況。

2.2 Mike Basin模型結(jié)果

2.2.1現(xiàn)狀年缺水情況現(xiàn)狀年2017年，用水戶為17個鎮(zhèn)/街道，其中15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中的部分村莊已經(jīng)納入城鄉(xiāng)一體化的供水管網(wǎng)中，分別是土山鎮(zhèn)、沙河鎮(zhèn)、柞村鎮(zhèn)、文峰路街道、虎頭崖鎮(zhèn)、金城鎮(zhèn)、朱橋鎮(zhèn)、城港路街道、程郭鎮(zhèn)、平里店鎮(zhèn)、文昌路街道、永安路街道、驛道鎮(zhèn)、三山島街道、金倉街道。夏邱鎮(zhèn)、郭家店鎮(zhèn)尚未納入城鄉(xiāng)供水一體化中。利用模型對萊州市現(xiàn)狀年的缺水量情況進行分析，僅利用地表水利工程時，萊州市用水戶的缺水量達到1432萬m3，缺水率為36.4%，缺水情況嚴重。為盡早實現(xiàn)萊州市城鄉(xiāng)一體化的建設(shè)，在規(guī)劃年2025年設(shè)置四種方案，為其他城市的城鄉(xiāng)一體化規(guī)劃提供借鑒。

2.2.2 方案分析根據(jù)萊州市的供需水實際狀況，提出可行的4種方案，具體情況如下表：

表 1 萊州市城鄉(xiāng)一體化水資源優(yōu)化配置方案集

方案一至四均是在現(xiàn)狀年方案的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)置，其具體設(shè)置如下：

（1）方案一：增加節(jié)水力度，進行適度節(jié)水；

（2）方案二：增加節(jié)水力度，在原來適度節(jié)水的基礎(chǔ)上再節(jié)水7%；

（3）方案三：增加節(jié)水力度，在原來適度節(jié)水的基礎(chǔ)上再節(jié)水7%，新增蓄引水工程。

（4）方案四：增加節(jié)水力度，在原來適度節(jié)水的基礎(chǔ)上再節(jié)水7%，新增蓄引水工程，引黃工程，在原來利用利用黃河水的基礎(chǔ)上，增加引黃水的使用，充分利用申請的引黃指標。

（備注：由于本論文是萊州市城鄉(xiāng)一體化的水資源配置，故礦坑水、再生水等不納入可利用的水源之中，以保證農(nóng)村飲水安全。）

2.2.3 Mike Basin模型結(jié)果從模型模擬的情況可知，在規(guī)劃年2025年，17個鎮(zhèn)/街道的缺水量情況為：

方案一：萊州市的用水戶缺水量為1611萬m3，缺水率為38.0%；

方案二：萊州市的用水戶缺水量為1183萬m3，缺水率為30.0%；

方案三：萊州市的用水戶缺水量為384萬m3，缺水率為9.7%；

方案四：萊州市的用水戶缺水量為0萬m3，缺水率為0.0%。

從以上結(jié)果可知，方案四的缺水量最少，可以較好地解決萊州市水資源供需矛盾突出的問題。

3 多目標規(guī)劃的設(shè)置與求解

3.1 多目標規(guī)劃的設(shè)置

3.1.1 目標函數(shù)本論文中，以社會效益、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益、綜合效益為目標函數(shù)，以獲取效益最大值的最優(yōu)方案，下面進行多目標規(guī)劃的設(shè)置情況如下：

（1）社會效益將與生活息息相關(guān)的水資源短缺情況作為判斷社會效益的依據(jù)，其目標函數(shù)為：

式中：min1()為最小缺水量，考慮到每個用水戶的需水量均包括生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水，故以合計缺水量最小為社會效益最優(yōu)的標志；D為第個用水戶的需水量（m3）；x為第個水源向第個用水戶的供水量（m3）；、分別表示水源總數(shù)、用水戶總數(shù)。

（2）經(jīng)濟效益經(jīng)濟效益是衡量一切經(jīng)濟活動的最終的綜合指標。本論文中以區(qū)域供水純利潤最大化作為經(jīng)濟目標，其目標函數(shù)為：

式中：max2()表示供水效益最大值，可以用GDP表示；b指效益系數(shù)，表示第個用水戶從第個水源單位取水量的效益（元/ m3）；c指費用系數(shù)，表示第個用水戶從第個水源單位取水量的費用（元/m3）；ɑ表示第個水源的供水次序系數(shù)；ω表示第個用水戶的用水公平系數(shù)。

（3）環(huán)境效益將區(qū)域內(nèi)的重要污染物的排放量或者對水質(zhì)污染最小定為環(huán)境效益的指標，其目標函數(shù)為：

式中：min3()表示水資源配置中進入環(huán)境中的污染物總量；h為第個用水戶排放單位廢水中所含重要污染因子的含量（mg/L），通常用COD（化學需氧量）、氨氮等指標來表示；d為第個用水戶的污水排放系數(shù)；為污水處理達標率（%），為污水收集管道漏失率（%）。

（4）綜合效益綜合效益目標函數(shù)是將社會效益、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益進行綜合分析，得到的多目標規(guī)劃的統(tǒng)一值。其目標函數(shù)為：

=11+22+33(4)

123(5)

式中：為綜合效益目標；1、2、3分別表示社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益的權(quán)重值；1、2、3分別為社會效益目標函數(shù)（缺水量最小最優(yōu)）、經(jīng)濟效益目標函數(shù)（GDP最大最優(yōu)）以及環(huán)境效益目標函數(shù)（COD、氨氮排放量最小最優(yōu)）進行規(guī)范化處理后的值。

3.1.2 約束條件（1）可供水量約束第個水源供給第個用水戶的水量之和不能超過水源的可供水量。

式中：x為第個水源向第個用水戶的供水量（m3）；W為水源的最大可供水量。

（2）需水量約束第個用水戶的需水量不能小于最小需水量，也不能大于最大需水量。

式中：D為第個用水戶的最大需水量。

（3）排污條件約束C≤0(8)

式中：C為第個用水戶排放的污水中污染物的濃度；0為排放的達標污水中污染物的濃度。

（3）污染物總量約束

式中：h為第個用水戶排放單位廢水中所含重要污染因子的含量（mg/L），通常用COD（化學需氧量）、氨氮等指標來表示；d為第個用水戶的污水排放系數(shù)；為污水處理達標率（%），為污水收集管道漏失率（%）；0為排放的污水中允許含有的污染物的總量。

（5）變量非負約束

x≥0 (10)

3.1.3 參數(shù)的確定（1）效益系數(shù)b生活用水、生態(tài)環(huán)境用水的效益系數(shù)一般難以定量化，故忽略其二者產(chǎn)生的效益，將生產(chǎn)用水產(chǎn)生的效益為目標。生產(chǎn)用水的用水效益系數(shù)采用總產(chǎn)值分攤的方法。其公式如下：

=/?10000(11)

式中：指生產(chǎn)用水效益系數(shù)；指生產(chǎn)用水效益分攤系數(shù)；指工業(yè)萬元產(chǎn)值取水量（m3/萬元）。

（2）費用系數(shù)c費用系數(shù)采用萊州市城市水費征收標準來確定。

（3）供水次序系數(shù)ɑ供水次序系數(shù)ɑ表示該地區(qū)某供水水源由于其他供水水源的供水優(yōu)先程度。萊州市的規(guī)劃年2025年供水水源為當?shù)氐乇硭⑼庹{(diào)水?，F(xiàn)將各水源的供水優(yōu)先次序轉(zhuǎn)化成[0,1]之間的數(shù)，即為供水次序系數(shù)。

式中：n為第個水源向第個用水戶的供水次序號；max為第個水源向用水戶供水的供水次序號最大值，對萊州市來說，max=2。當?shù)氐乇硭墓┧涡蛳禂?shù)為0.67，外調(diào)水的供水次數(shù)系數(shù)為0.33。

3.2 多目標規(guī)劃的求解

3.2.1 計算權(quán)重采用AHP法、熵權(quán)法、AHP-熵權(quán)耦合法來計算權(quán)重，其社會效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟效益所占比重計算結(jié)果如下：

AHP法確定的權(quán)重值：=(1,2,3)=(0.460,0.319,0.221)

熵權(quán)法確定的權(quán)重值：=(1,2,3)=(0.329,0.331,0.340)

AHP-熵權(quán)耦合法確定的權(quán)重值：=(1,2,3)=(0.456,0.318,0.226)

3.2.2 綜合效益的求解利用三種方法計算的權(quán)重值與規(guī)范化之后的數(shù)值，求解綜合效益系數(shù)（表2）。

表 2 不同方法確定的綜合效益計算結(jié)果表

從表2中可知，綜合效益最大為方案四，在現(xiàn)狀年適度節(jié)水的情況下再節(jié)水7%，同時新增蓄引水工程，并引用黃河水的方案綜合效益值最高，可以創(chuàng)造出最大的效益。

4 結(jié)果與討論

（1）針對萊州市山丘區(qū)農(nóng)村需水分布較為分散的特點，綜合考慮當?shù)厮礂l件、地形條件、需水條件等因素，構(gòu)建基于水質(zhì)目標約束、經(jīng)濟目標約束的農(nóng)村供水配置調(diào)度模型；同時基于Mike Basin模型設(shè)置萊州市水資源優(yōu)化配置模型，為實現(xiàn)萊州市的城鄉(xiāng)一體化規(guī)劃提供指導，積極響應國家政策，保障農(nóng)村用水安全，為其他地區(qū)的城鄉(xiāng)一體化工程提供技術(shù)指導；

（2）基于Mike Basin模型建立萊州市的水資源配置模型。在模型中將水資源開發(fā)利用的轉(zhuǎn)化過程概化為“點、線、面”來加以描述將它們之間的水利聯(lián)系，將現(xiàn)狀年2017年、規(guī)劃年2025年四種方案的數(shù)據(jù)輸入模型進行模擬，得到各種方案下的缺水情況；建立多目標規(guī)劃模型，計算四種方案對應的綜合效益值，由此得知，方案四在現(xiàn)狀年適度節(jié)水的情況下再節(jié)水7%，同時新增蓄引水工程，并引用黃河水的方案綜合效益值最高，缺水量為0，故方案四為萊州市水資源優(yōu)化配置的最優(yōu)方案，為其他地區(qū)的城鄉(xiāng)一體化水資源配置提供技術(shù)支撐。

[1] 張雯.基于“美麗鄉(xiāng)村”建設(shè)的莊河市水資源配置規(guī)劃[D].大連:大連理工大學,2019

[2] 陳芳.基于多目標規(guī)劃的區(qū)域水資源優(yōu)化配置[D].重慶:重慶交通大學,2017

[3] Huang H, Liang LV, Ye SJ,. Particle swarm optimization with convergence speed controller for large-scale numerical optimization [J]. Soft Computing, 2019,23(12):4421-4437

[4] 張校瑋.基于MATLAB方法南水北調(diào)受水縣城水資源優(yōu)化配置方案探討—以固安為例[J].內(nèi)蒙古水利,2019(1):47-49

[5] 李韌,聶春霞.基于系統(tǒng)動力學的烏魯木齊市水資源配置方案優(yōu)選[J].中國農(nóng)村水利水電,2019(10):99-104,110

[6] 杜倩,苗偉波.基于Mike Basin的復雜水庫群聯(lián)合調(diào)度模型研究[J].人民長江,2016,47(4):88-92

[7] 吳迪.基于MIKE BASIN的渾河流域水資源管理模型模擬研究[J].黑龍江水利科技,2018,46(5):25-29

[8] 韓鵬,李曉平.哈密淖毛湖工業(yè)園區(qū)水資源優(yōu)化配置模型及應用分析[J].地下水,2019,41(1):153-155

[9] Gao JJ, Li CL, Zhao P,. Insights into water-energy cobenefits and trade-offs in water resource management [J]. Journal of Cleaner Production, 2019,213:1188-1203

[10] Singh A. Simulation and optimization modeling for the management of groundwater resources.I: distinct applications [J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2014,140(4):04013021-04013021

[11] Singh A. Simulation and optimization modeling for the management of groundwater resources II: combined applications [J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2014,140(4):0000689

[12] Read L, Madani K, Inanloo B. Optimality versus stability in water resource allocation [J]. Journal of Environmental Management, 2014,133:343-354

[13] Yaltaghian Khiabani M, Hashamy Shahadany SM, Maestre JM,. Potential assessment of non-automatic and automatic modernization alternatives for the improvement of water distribution supplied by surface-water resources: A case study in Iran [J]. Agricultural Water Management, 2020,230:105964

[14] 程舜,戴文濤,羅偉華.萊州市海水入侵治理實踐與經(jīng)驗[J].山東水利,2016(3):32-33

[15] 劉金鐸.MIKE BASIN軟件平臺在雙柏縣水資源配置的應用[J].云南水力發(fā)電,2018,34(5):184-186

Research on Water Resources Allocation in Laizhou City Based on the Mike Basin Model

WANG Yao-yao1,3, DONG Jie1*, CHEN Xue-qun2, MENG Yi-ge3, HONG Ying-min3, MIAO Jing-yuan3

1.271000,2.250014,3.264200,

This paper takes Laizhou City as the research area and uses Mike Basin Model software to build a basin water resources allocation model. Aiming at the urban-rural integration construction of Laizhou City in the planning year of 2025, a surface water and external water diversion multi-source allocation scheme suitable for the complex scenarios of Laizhou City was established. And the multi-objective programming method was used to solve the optimal solution. The results show that the fourth solution saves another 7% of water under the current annual moderate water saving situation, while adding water storage and diversion projects, and citing the optimal solution of the Yellow River. It is of great significance to provide technical support for the integrated urban and rural water supply planning of Laizhou City and ensure the safety of rural water use.

Mike Basin Model; water resources allocation; Laizhou

TV211.1

A

1000-2324(2021)06-0984-06

2020-02-14

2020-04-28

王瑤瑤(1995-),女,碩士研究生,研究方向為水文學及水資源. E-mail:215160688@qq.com

通訊作者:Author for correspondence.E-mail:12101451228@qq.com