錦州市水資源優(yōu)化配置研究

王 凡

(錦州市水利事務服務中心，遼寧 錦州 121000)

0 引 言

水資源是國家可持續(xù)發(fā)展和人類賴以生存的基礎資源，對維持地球生命系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用[1-2]。近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會的不斷進步，水資源供需矛盾不斷突出，水體污染、水環(huán)境惡化、水資源短缺、地下水超采等問題逐漸成為制約社會發(fā)展的瓶頸[3-6]。水資源優(yōu)化配置是解決區(qū)域水資源短缺問題的重要途徑，通過合理分配區(qū)域內(nèi)各種形式的水資源實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和水資源的永續(xù)利用。

目前，國內(nèi)學者越來越關注水資源優(yōu)化配置問題，研究方法也日趨成熟，如劉玒玒等以黑河流域為例，利用蟻群算法進行了優(yōu)化配置；潘俊等以沈陽市為例，利用遺傳算法對區(qū)域水資源量進行了合理的配置[7-10]。曾萌等以廣東省為例，對水資源配置模型利用魚群算法進行求解；沙金霞等對不同規(guī)劃水平年的引大濟湟工程水資源量，運用粒子群算法進行優(yōu)化配置[11-12]。在優(yōu)化配置水資源時，這些算法大多存在收斂速度滿、易陷入局部最優(yōu)等缺陷。因此，文章以錦州市為例，以生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益最優(yōu)為目標，考慮供水能力、需水能力、污染物質量濃度、變量非負等約束條件構建優(yōu)化配置模型，并利用具有計算精度高、全局尋優(yōu)能力強、收斂速度快等優(yōu)點的鯨魚優(yōu)化算法，求解出2025年和2030年(不同規(guī)劃年)的配置方案，旨在實現(xiàn)該區(qū)域經(jīng)濟社會的協(xié)調(diào)發(fā)展和水資源合理開發(fā)利用。

1 鯨魚優(yōu)化算法

研究發(fā)現(xiàn)，鯨魚大腦特定區(qū)域內(nèi)的梭形細胞使鯨魚區(qū)別于其他生物，即能夠發(fā)生類似于人類的判斷、情感行為。2016年，有學者提出一種WOA鯨魚優(yōu)化算法，其理論來源于座頭鯨的捕食行為，即隨機捕獵、收縮包圍和位置螺旋式更新等，總體上可以劃分成環(huán)繞式、泡泡網(wǎng)式和搜索式3個捕魚階段。

1.1 環(huán)繞式捕食

環(huán)繞式捕食時能夠精準識別獵物的位置，并快速完成包圍。將目標獵物位置作為當前最優(yōu)位置，最優(yōu)位置定義之后其他鯨魚個體會不斷更新其位置，即朝著最優(yōu)位置更替，位置更新可表示成：

(1)

(2)

1.2 泡泡網(wǎng)捕食

結合泡泡網(wǎng)捕食行為能夠建立位置螺旋式更新、收縮包圍兩種數(shù)學模型，具體如下：

1)螺旋式位置更新機制。首先，計算最優(yōu)位置與鯨魚個體間的距離，構建螺旋數(shù)學模型模擬座頭鯨的螺旋形運動，其表達式為：

(3)

(4)

一般地，座頭鯨會按照螺旋形的路徑收縮包圍獵物，對此可假設螺旋式位置更新機制和收縮包圍機制的更新概率均為50%，由此構建的數(shù)學模型為：

(5)

式中：p為隨機數(shù)，取值區(qū)間為[-1,1]。

1.3 搜索捕食

(6)

(7)

2 實例應用

2.1 區(qū)域概況

錦州市地處“遼西走廊”東端，總面積為10301km2。境內(nèi)地勢東南低、西北高，從西北向東南依次為低山區(qū)、丘陵區(qū)、平原區(qū)，其土地結構整體呈“五山一水四分田”。錦州市屬于溫暖帶半濕潤大陸性季風氣候，多年平均降水量567mm，年均氣溫7.8℃-9.0℃，四季降水不均，夏季降水占全年的60%-70%。境內(nèi)主要有饒陽河、大凌河、女兒河、百股河、觀音洞水、小凌河、二郎洞水、小壩溝等河流水系，主要有流量小變化大、含沙量大、凍期長、含沙量大、利用率不高、地區(qū)差異顯著等特點。近年來，錦州市憑借其優(yōu)越的資源環(huán)境和地理條件快速發(fā)展經(jīng)濟，各行業(yè)用水需求量和水資源開發(fā)利用量急劇增大，致使水資源短缺等問題。因此，科學配置水資源對于促進經(jīng)濟社會、水資源、水生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

2.2 供需水量預測

錦州市主要有再生水、地下水和地表水(錦凌水庫、凌河水、遼西北供水工程、其他地表水)等供水水源，預測的2025年和2030年可供水量如表1所示。

表1 不同規(guī)劃年的可供水量預測 萬m3

錦州市用水部門主要有生態(tài)用水、第三產(chǎn)業(yè)用水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)和生活用水。以2020年為現(xiàn)狀基準年，對各用水部門2025年、2030年的需水量利用定額法進行預測，如表2所示。

表2 不同規(guī)劃年的需水量預測 萬m3

2.3 水資源優(yōu)化配置模型

2.3.1 目標函數(shù)

1)經(jīng)濟效益目標以區(qū)域最大供水效益來描述，其函數(shù)表達式為：

(8)

2)社會效益目標以區(qū)域缺水量最小來衡量，其函數(shù)表達式為：

(9)

式中：Djk為子區(qū)k內(nèi)用戶j的需水量，萬m3。

3)生態(tài)效益目標利用最小化學需氧量(COD)排放量來表征，其函數(shù)表達式為：

(10)

式中：pjk、djk為子區(qū)k中用戶j的污水排放系數(shù)和廢水中COD污染物的濃度，mg/L。

2.3.2 約束條件

1)以子區(qū)k中水源i的總供水量不超過其可供水量作為供水能力約束條件，即：

(11)

2)以水源向用戶分配的水量處于用需水量上下限之間作為需水能力約束條件，即：

(12)

式中：L(k，j)、H(k，j)為子區(qū)k中用戶j的最大和最小需水量。

3)以子區(qū)k中用戶j排放的重要污染物總量不超過該區(qū)域最大允許排放量D且廢水中的重要污染物COD濃度在國家允許排放指標d0內(nèi)作為廢水污染物質量濃度約束條件，即：

(13)

djk≤d0

(14)

4)以各變量不<0作為非負約束條件，即：

xijk≥0

(15)

2.3.3 參數(shù)確定

1)權重系數(shù)：采用熵權和層次分析組合賦權法確定生態(tài)環(huán)境、社會、經(jīng)濟3個效益目標的權重系數(shù)為0.24、0.31、0.45。

2)供水效益系數(shù)：結合錦州市及其周邊地區(qū)實際情況和居民生活用水優(yōu)先序最高的原則確定生活供水效益系數(shù)取0.05萬元/m3，2025年農(nóng)業(yè)、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)供水效益系數(shù)為0.0028萬元/m3、0.0185萬元/m3、0.2012萬元/m3，2030年農(nóng)業(yè)、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)供水效益系數(shù)為0.0047萬元/m3、0.0260萬元/m3、0.1542萬元/m3?？紤]到居民生活與城市生態(tài)環(huán)境息息相關，確定生態(tài)環(huán)境供水效益系數(shù)取0.05萬元/m3。

3)供水費用系數(shù)：根據(jù)錦州市稅費及水價征收標準，合理確定生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)和生態(tài)環(huán)境用水費用系數(shù)為2.45元/m3、0.42元/m3、2.80元/m3、3.50元/m3、2.45元/m3。

4)供水次序系數(shù)：與其他水資源相比子區(qū)k水源i的優(yōu)先使用程度用供水次序系數(shù)qik來衡量，即利用下式計算供水次數(shù)系數(shù)：

(16)

式中：nmax、ni為最大水源和水源i的供水次序序號。

根據(jù)錦州市各用水部門用水的重要程度和各供水水源的實際情況，確定水源供水次序為:再生水<地下水<遼西北供水工程<錦凌水庫<凌河水<其他地表水，以此計算的供水次序系數(shù)為0.06、0.12、0.15、0.20、0.25、0.30。

5)用水公平系數(shù)：結合錦州市各用水部門的重要程度確定先后用水次序為農(nóng)業(yè)<第三產(chǎn)業(yè)<工業(yè)<生態(tài)<生活用水，應用供水次序系數(shù)公式計算各部門用水公平系數(shù)依次為0.08、0.12、0.21、0.26、0.33。

6)模型參數(shù)設置：鯨魚優(yōu)化算法的最大迭代次數(shù)tmax取1000，種群規(guī)模N為150。

2.3.4 模型求解

在合理確定相關參數(shù)的基礎上，對水資源優(yōu)化配置模型利用鯨魚優(yōu)化算法進行求解，主要步驟為：

步驟4：經(jīng)更新計算，確定鯨魚個體的適應度值并找到全局最優(yōu)個體。

步驟5：經(jīng)檢驗，若滿足終止運算條件則輸出最優(yōu)適應度值及鯨魚個體位置；若不滿足終止條件，令t=t+1返回步驟3再次迭代運算。

2.4 結果分析

根據(jù)以上參數(shù)和錦州市水資源實際情況，利用Matlab軟件求解優(yōu)化配置模型確定不同規(guī)劃年的配置結果，如表3所示。

表3 不同規(guī)劃年的水資源供需平衡結果 萬m3

1)配水量分析。由表3可知，2025年按配水比例確定錦州市各用水部門排序依次為第三產(chǎn)業(yè)、生態(tài)、生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)配水，該排序與需水量預測結果保持一致。根據(jù)配水比例確定的2025年各用水部門排序與2030年保持相同，該排序可以客觀反映區(qū)域用水情況。結合配水比例可知，2030年的農(nóng)業(yè)配水量低于2025年，而生態(tài)、生活、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)配水高于2025年，該配水變化趨勢與需水變化情況基本相符。

2)缺水量分析。對比錦州市需水量預測結果和水資源優(yōu)化配置結果發(fā)現(xiàn)，該配置方案符合用水公平和可持續(xù)發(fā)展原則，能夠較好地滿足生態(tài)和生活蓄水。優(yōu)化配置后的缺水情況以生產(chǎn)部門為主，從綜合效益目標的角度上，在確保工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)用水需求的條件下允許存在少量的缺水，但考慮到農(nóng)業(yè)用水效率較低的實際情況，故農(nóng)業(yè)部門出現(xiàn)缺水的概率更高?？傮w而言，在實現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益目標的情況下，經(jīng)優(yōu)化配置錦州市缺水率不超過10%，可見相關參數(shù)設置和優(yōu)化配置模型是科學合理的。

3 結 論

文章錦州市為例，利用相關約束條件和生態(tài)環(huán)境、社會、經(jīng)濟目標構建優(yōu)化配置模型，并利用鯨魚優(yōu)化算法求解模型。結果發(fā)現(xiàn)，錦州市水資源量能夠滿足2025年和2030年的生態(tài)需水、生活需水，生產(chǎn)用水部門缺水率不超過10%，缺水量較少，該配置方案科學合理能夠滿足未來用水需求，為錦州市水資源可持續(xù)利用和科學管理提供一定指導。在水資源優(yōu)化配置問題求解時鯨魚優(yōu)化算法具有較好的有效性、適應性，能夠有效解決傳統(tǒng)算法存在的問題，在優(yōu)化配置水資源等領域具有一定應用價值。