貴州地區(qū)灌區(qū)水資源管理與決策模型分析

饒 韜

（貴州省赫章縣水塘堡彝族苗族鄉(xiāng)水利站，貴州 畢節(jié) 553201）

由于目前水資源破壞嚴(yán)重，貴州地區(qū)灌區(qū)出現(xiàn)較大面積的用水荒問(wèn)題，直接導(dǎo)致城市環(huán)境生態(tài)和人文生態(tài)受到較為嚴(yán)重的影響，對(duì)于這種問(wèn)題的解決主要有以下途徑：開(kāi)發(fā)新水源、水資源的合理調(diào)配、建設(shè)維護(hù)輸水工程、提高水資源利用效率，水資源的合理調(diào)配作為一種管理措施，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，因而需要結(jié)合實(shí)際水資源分布與用水需求對(duì)水資源進(jìn)行合理調(diào)配，其直接影響工業(yè)、農(nóng)業(yè)、居民生活等。

當(dāng)前灌區(qū)水資源的主要需求方為：農(nóng)業(yè)灌溉、生活水資源、工業(yè)水資源、自然生態(tài)維護(hù)水資源，且相互之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系， 對(duì)于水資源的合理調(diào)配是一項(xiàng)較為重要的課題， 已有大量的專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究：齊學(xué)斌等［1］以水資源的管理政策、循環(huán)轉(zhuǎn)化規(guī)律、優(yōu)化配置模型與方法、水文生態(tài)為研究對(duì)象，分析了水資源的調(diào)配的研究進(jìn)展；李深林等［2］將破產(chǎn)理論應(yīng)用于區(qū)域水量分配問(wèn)題中， 結(jié)合配水單位水資源豐富程度、 用水效率和最低供水保障的因素進(jìn)行分析；王浩等［3］分析了最嚴(yán)格水資源管理制度下量、質(zhì)、效3個(gè)層次對(duì)水資源配置的綜合需求，并對(duì)未來(lái)發(fā)展方向作了進(jìn)一步展望；付湘等［4］以某水庫(kù)為例分析采用水庫(kù)常規(guī)調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度模型， 對(duì)徑流系列的常規(guī)與優(yōu)化調(diào)度結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)； 李建勛等［5］采用復(fù)雜性理論，建立具有復(fù)雜配水網(wǎng)絡(luò)圖、動(dòng)力學(xué)配水模型、模擬仿真演化、預(yù)測(cè)分析模塊的復(fù)雜水資源配置框架分析水資源系統(tǒng)配置；尹杰杰等［6］通過(guò)建立用水總量控制條件下的灌區(qū)水資源承載力多目標(biāo)優(yōu)化模型，分析了灌區(qū)水資源承載力；劉博等［7］建立了基于DP-PSO算法的灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置模型，分析了灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置；何振［8］針對(duì)贛撫平原灌區(qū)水資源現(xiàn)狀及存在問(wèn)題， 提出了相應(yīng)的解決措施和發(fā)展方向。

基于前人的研究， 本研究對(duì)貴州地區(qū)的灌區(qū)建立數(shù)值分析模型， 通過(guò)權(quán)重法研究了該區(qū)域的水資源合理分配。

1 區(qū)域概況

研究區(qū)域位于貴州地區(qū)， 該區(qū)域的總面積約為0.2萬(wàn)km2，該區(qū)域范圍內(nèi)的耕地面積占66.73%，需要修建的灌溉區(qū)面積約800km2。 引水自附近的干線水流，引水干線渠道分為東、西兩個(gè)干線渠道，且西兩個(gè)干線渠道占據(jù)了總灌溉干渠總面積的80%， 本研究以該西灌溉渠道為主要研究對(duì)象， 對(duì)于西灌溉渠道，該渠道取水自干線河流的西側(cè)水閘，該干線渠道的取水的使用對(duì)象主要為：農(nóng)業(yè)灌溉、生活水資源、工業(yè)水資源、自然生態(tài)維護(hù)水資源等。

水資源的利用率直接關(guān)系到生產(chǎn)生活的水資源供給，該區(qū)域水資源原始供應(yīng)端較為豐富，但由于輸水管網(wǎng)較為陳舊，運(yùn)輸效率大幅降低，進(jìn)而導(dǎo)致水資源浪費(fèi)的現(xiàn)象較為嚴(yán)重，利用率嚴(yán)重降低。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，農(nóng)業(yè)灌溉、生活水資源、工業(yè)水資源、自然生態(tài)維護(hù)水資源利用狀況均出現(xiàn)較大提升， 各個(gè)領(lǐng)域用水量出現(xiàn)分配不均勻，競(jìng)爭(zhēng)較為激烈，因而對(duì)水資源進(jìn)行合理配置將更有利于提升水資源的利用效率。表1為該區(qū)域經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得到的需水量、供水量，對(duì)于降雨頻率，本研究?jī)H考慮降雨頻率大于50%的狀況，主要是由于降雨頻率小于50%時(shí)， 供水量小于需水量，無(wú)需研究。 對(duì)表1中的不同降雨年份各個(gè)用水狀況分布規(guī)律進(jìn)行細(xì)分得到各個(gè)月份需水量狀況分布規(guī)律，對(duì)于各個(gè)月份進(jìn)行分析總結(jié)，在8月份出現(xiàn)了一個(gè)用水高峰期，該時(shí)間內(nèi)供需水資源缺口較大，該區(qū)域經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得到的8月份需水量、供水量如表2。

表1 年需水量、供水量單位：萬(wàn)m3

表2 8月需水量、供水量單位：萬(wàn)m3

2 建立模型

灌區(qū)用水主要包括：農(nóng)業(yè)灌溉、生活水資源、工業(yè)水資源、自然生態(tài)維護(hù)水資源，其中農(nóng)業(yè)灌溉、生活水資源、工業(yè)水資源為灌區(qū)內(nèi)水資源的利用，灌區(qū)內(nèi)水資源主要用于保障人民正常生產(chǎn)生活及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展使用； 自然生態(tài)維護(hù)水資源為灌區(qū)外水資源的利用，灌區(qū)外水資源主要用于維持城市生態(tài)環(huán)境、提升人們生活品質(zhì)、提高城市對(duì)外形象的作用，本次建立的模型， 采用各用水戶(hù)缺水率最小為配置目標(biāo)結(jié)合權(quán)重法的求解方法， 分析研究灌區(qū)用水向自然生態(tài)維護(hù)水資源分配，并對(duì)此分配方法進(jìn)行優(yōu)化，得到分配模型的最優(yōu)解。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

為了使各用水戶(hù)缺水率最小， 通過(guò)以下兩個(gè)公式進(jìn)行優(yōu)化，求解的目標(biāo)函數(shù)為：

2.2 約束條件

（1）可供分配水量約束：

2.3 求解方法

對(duì)于用水量的分配是一個(gè)多目標(biāo)最優(yōu)解的求解問(wèn)題，主要是由于用水單位之間存在競(jìng)爭(zhēng)，各用水單位的用水總量一定，某一個(gè)用水單位分配水量增加必然導(dǎo)致其他一個(gè)甚至多個(gè)用水單位分配水量的不足。

解決多目標(biāo)問(wèn)題的關(guān)鍵在于將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題，轉(zhuǎn)化方法主要有約束法和權(quán)重法，約束法主要是通過(guò)將多目標(biāo)問(wèn)題的一個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為基本控制目標(biāo)，將剩余的目標(biāo)作為不等式約束，通過(guò)構(gòu)建基本目標(biāo)與不等式約束的關(guān)系求出該約束條件的非劣解；權(quán)重法主要是將多目標(biāo)依據(jù)其重要性進(jìn)行賦值， 轉(zhuǎn)化為目標(biāo)權(quán)重， 進(jìn)而將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為依據(jù)權(quán)重分配的單目標(biāo)求解線性組合的問(wèn)題，進(jìn)而求出最優(yōu)分配模型，這種方法中的權(quán)重賦值可以體現(xiàn)建模者和決策方對(duì)于多目標(biāo)問(wèn)題的重視程度及最終的決策傾向。

對(duì)于這兩種求解方法中， 約束法主要適用于兩目標(biāo)最優(yōu)解求解的問(wèn)題， 而對(duì)于多于兩目標(biāo)的求解需要采用依次分配的方法進(jìn)行優(yōu)化求解， 大大增加了迭代次數(shù)與求解難度； 權(quán)重法主要是通過(guò)權(quán)重賦值的方法進(jìn)行最優(yōu)解的求解， 對(duì)于兩目標(biāo)以上的目標(biāo)求解具有較好的求解效果。 本研究的目標(biāo)有4個(gè)，因而選擇權(quán)重法具有更好的求解效果， 因而本研究最終決策方法選擇權(quán)重法。

3 求解結(jié)果分析

本研究灌區(qū)的水資源分配主要依據(jù)為綜合各用水戶(hù)的缺水情況進(jìn)行水資源的分配，這樣分配的優(yōu)點(diǎn)在于盡可能地滿足各用水單位的水資源的充足供應(yīng)，保證各用水單位的用水缺口較小，將各用水單位計(jì)算模型分別賦值可以體現(xiàn)出建模者和決策方對(duì)于多目標(biāo)問(wèn)題的重視程度及最終的決策傾向，依據(jù)單位用水的社會(huì)價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、人民需求等進(jìn)行賦值，選出最優(yōu)分配方案，表3為年各單位需水量、分配水量。

表3 年各單位需水量、分配水量單位：萬(wàn)m3

分析表3中的數(shù)據(jù)可得， 在降雨量較少的年份，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的水資源短缺現(xiàn)象， 這主要體現(xiàn)在該年份的可供水量小于需水量， 通過(guò)權(quán)重法賦值進(jìn)行計(jì)算，可以滿足生活水資源、工業(yè)水資源、自然生態(tài)維護(hù)水資源均得到正常供給， 但農(nóng)業(yè)灌溉用水仍有較大缺口，且降雨量越少，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重，主要原因在于農(nóng)業(yè)的需水量占據(jù)總需水量的大部分， 且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)直接關(guān)系到正常的生產(chǎn)生活， 且農(nóng)業(yè)用水呈現(xiàn)為季節(jié)變化趨勢(shì)，在作物生長(zhǎng)期需水量增大，在非作物生長(zhǎng)期，需水量減小。

農(nóng)業(yè)用水較多的月份為8月，8月各單位需水量、分配水量如表4，分析表中的數(shù)據(jù)，該灌區(qū)內(nèi)缺水現(xiàn)象仍較為嚴(yán)重， 需要結(jié)合工程措施對(duì)灌區(qū)內(nèi)的水資源進(jìn)行管理。

表4 8月各單位需水量、分配水量單位：萬(wàn)m3

4 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)建立數(shù)值分析模型， 通過(guò)權(quán)重法研究了該區(qū)域的水資源合理分配，主要如下研究成果：

（1）在不同降雨條件下，灌區(qū)區(qū)域的缺水狀況較為明顯，尤其是以農(nóng)業(yè)的缺水最為嚴(yán)重，對(duì)于水資源的合理調(diào)配將有利于水資源的合理供給。

（2）各用水單位基于權(quán)重法的水資源調(diào)配后仍存在較大缺口，主要是由于水資源總量的限制，通過(guò)合理賦值與水資源調(diào)配，生活水資源、工業(yè)水資源、自然生態(tài)維護(hù)水資源均能分配到滿足基本需求的水資源，但農(nóng)業(yè)用水仍存在較大缺口。

（3）該灌區(qū)水資源合理分配的同時(shí)，仍要結(jié)合工程措施保障水資源的充足供應(yīng)。