基于“三條紅線”及SE-DEA模型的水資源優(yōu)化配置

姜志嬌，楊軍耀，任興華(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院， 太原 030024)

水是人類生命的源泉，是人類生活賴以生存、無法替代的基礎(chǔ)性自然資源。但是近些年來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展、城鎮(zhèn)化腳步的加快以及人口數(shù)量的不斷增長，水資源供需矛盾日益突出，水資源短缺和水環(huán)境惡化已成為亟待解決的問題。2011年中央1號文件《中共中央國務(wù)院關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》中明確提出：嚴格執(zhí)行關(guān)于水資源的管理規(guī)定，針對水資源進行用水總量控制、用水效率控制和水功能區(qū)限制納污“三條紅線”的規(guī)定。目前最嚴格水資源管理“三條紅線”的研究成果很多，但仍然是以定性研究為主，最嚴格水資源管理制度和水資源配置結(jié)合的研究成果較少。鑒此，本文以山西平定縣為例，科學(xué)劃定“三條紅線”管理指標，構(gòu)建了“三條紅線”約束下的多水源、多用戶、多目標的水資源優(yōu)化配置模型，為區(qū)域?qū)嵤┧Y源配置提供參考。

1 “三條紅線”控制指標

三條控制紅線是最嚴格水資源管理制度[1]的核心內(nèi)容，其主要包括用水總量控制紅線、用水效率控制紅線、水功能區(qū)限制納污紅線。“三條紅線”從不同層面、角度對水資源的利用保護進行管理，其具體內(nèi)容分別與水資源管理中的供、用、排3方面對應(yīng)，構(gòu)成了一個完整的水資源管理體系。

在嚴格遵守“三條紅線”控制指標選取原則：核心性、代表性、系統(tǒng)性、可操作性及可比性的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)文獻[2]，給出了“三條紅線”控制指標體系(見表1)。

表1 三條紅線控制指標體系

2 基于“三條紅線”約束的水資源優(yōu)化配置模型的構(gòu)建

2.1 模型目標函數(shù)

大多傳統(tǒng)的水資源配置模型可以兼具多水源、多用戶、多目標等特點，發(fā)展已相對成熟。如何在“三條紅線”約束下，使水資源配置模型達到用水總量控制、用水效率控制和污染物排放控制等要求，是本文研究的重點。

區(qū)域水資源優(yōu)化配置的目的是合理分配水資源，實現(xiàn)水資源與區(qū)域社會、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境的和諧可持續(xù)發(fā)展。因此，一般水資源優(yōu)化配置的目標函數(shù)應(yīng)包括經(jīng)濟效益目標、社會效益目標和水環(huán)境效益目標。目標函數(shù)[3,4]如下：

(1)

經(jīng)濟效益目標：

(2)

式中：αlp為l子區(qū)內(nèi)p部門單方水產(chǎn)值系數(shù)。

社會效益目標：

(3)

式中：cp為用水戶p的缺水權(quán)重；blp為l子區(qū)p用水部門的需水量。

水環(huán)境效益目標：

(4)

式中：wlp為l子區(qū)p污水排放系數(shù)，g/m3，一般選取COD表示。

G(x)：約束條件集。使用該模型需要滿足以下條件：分配給各用水部門的總水量不能超過各類水源總可供水量、分配給各用水部門的水量不能超過其需水總量和數(shù)值非負以及各子區(qū)自身特殊條件要求等。

2.2 模型約束條件

模型的約束條件包括兩個方面：①以構(gòu)成水資源配置系統(tǒng)的個組成部分為 分析對象進行研究。②水資源配置系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分的相關(guān)關(guān)系著手分析。其中，水量約束主要考慮供水量和需水量兩個方面。需水約束旨在保證不同用戶需水量，供水約束旨在保證各供水水源分配到各用水部門的水量小于等于該水源所能提供的水量[5]。

(1)供水水源可供水量約束。

①公共水源滿足下式約束：

(5)

式中：Wi為公共水源的可利用水資源量。

②專用水源滿足下式約束：

(6)

式中：WL為L子區(qū)地表水、地下水和再生水的可供配置的總水量。

(2)各用水部門需水量約束。需水約束是指每個用水部門分配到的總水量不能超過其需水量。

(7)

式中：Dlp為l子區(qū)p用水部門的需水量。

(3)變量非負約束。

xlmp≥0

(8)

3 實例分析

平定縣境內(nèi)有綿河和甘陶河兩大流域，流域面積占全縣總面積的15%，多年平均降水量514.44 mm，多年平均河川徑流量0.32億m3，地下水資源量1.59億m3，扣除地表與地下水重復(fù)計算量0.21億m3，多年平均水資源總量1.70億m3。平定縣水資源相對豐富，但是隨著經(jīng)濟的發(fā)展，出現(xiàn)了用水效率偏低、用水浪費以及水環(huán)境污染的問題。因此有必要對該地區(qū)進行以“三條紅線”為主要約束的水資源優(yōu)化配置工作，實現(xiàn)對水資源的最嚴格管理，緩解該地區(qū)水資源現(xiàn)存的問題。

綜合考慮區(qū)域的水資源實際情況和經(jīng)濟社會發(fā)展現(xiàn)狀及未來規(guī)劃，以平定縣行政區(qū)劃為依據(jù)進行子區(qū)劃分，分為10個子區(qū)，用l來表示。每個子區(qū)內(nèi)按照行業(yè)種類對用水戶進行分類，分為生活用水(城鎮(zhèn)居民和農(nóng)村居民)，生產(chǎn)用水(農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水)和生態(tài)環(huán)境用水。各用水部門用P表示，p=1代表生活用水，p=2代表農(nóng)業(yè)用水，p=3代表工業(yè)用水，P=4代表生態(tài)環(huán)境用水。本文將不同水源分配給各個用水部門的水量設(shè)定為水資源優(yōu)化配置模型的決策變量，用X表示，xl=(xlmp)，[m=1,2,…,i+j(l);j=1,2,…,j(l)]，其中xlmp代表m水源分配給l子區(qū)p用水部門的水量。

3.1 模型約束條件參數(shù)的確定

(1)用水總量控制指標：根據(jù)水資源分配中以供定需的原則，以水資源用水總量控制為主要目標，對該地區(qū)未來規(guī)劃水平年水資源供需平衡進行分析。擬定2020、2030年用水控制指標見表2。此外，缺水權(quán)重cp用部門用水優(yōu)先系數(shù)ηlp來表示，本文生活、生態(tài)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)的用水優(yōu)先系數(shù)分別取0.4、0.3、0.2、0.1。

表2 平定縣規(guī)劃水平年用水總量控制指標 萬m3

(2)用水效率控制指標：用水部門單方水國內(nèi)生產(chǎn)總值GDP產(chǎn)值αlp，經(jīng)過預(yù)算得出，到2020規(guī)劃水平年，每消耗1 m3水，農(nóng)業(yè)的GDP產(chǎn)值達到14元/m3，工業(yè)的GDP產(chǎn)值達到239元/m3；到2030規(guī)劃水平年，每消耗1 m3水，農(nóng)業(yè)的GDP產(chǎn)值為18元/m3，工業(yè)的GDP產(chǎn)值為375元/m3。

(3)水功能區(qū)限制納污控制指標：污水排放系數(shù)wpl是污水排放量與用水量的比值，該地區(qū)主要污染物為COD，因此以COD的排放量代表該地區(qū)污水排放量。由該地區(qū)研究資料可以得出，城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)的污水排放系數(shù)分別為28、21.75、36.3和7.25 g/m3。

3.2 配置方案的設(shè)定

基于水資源配置過程中優(yōu)先考慮的因素不同，本文應(yīng)用AHP層次分析法來確定各目標的權(quán)重主要產(chǎn)生下面4個配置方案。

方案1：均衡考慮3個目標的權(quán)重，基于層次分析法AHP計算出社會效益目標、經(jīng)濟效益目標和環(huán)境效益3個目標的權(quán)重分別為w1=0.637，w2=0.258，w3=0.105。

方案2：這種方案優(yōu)先考慮的是社會效益，在綜合考慮其他約束條件和為滿足社會效益的期望值所分配的用水量?；趯哟畏治龇ˋHP計算出經(jīng)濟和水環(huán)境2個目標的權(quán)重為w1=0.675,w2=0.325。

方案3：這種方案優(yōu)先考慮的是經(jīng)濟效益，在綜合考慮其他約束條件和為滿足經(jīng)濟效益的期望值所分配的用水量。基于層次分析法AHP計算出社會和水環(huán)境2個目標的權(quán)重為w1=0.675,w2=0.325。

方案4：這種方案優(yōu)先考慮的是水環(huán)境，在綜合考慮其他約束條件和為滿足環(huán)境效益的期望值所分配的用水量?；趯哟畏治龇ˋHP計算出社會和經(jīng)濟2個目標的權(quán)重為w1=0.675,w2=0.325。

應(yīng)用人工魚群算法[6]在matlab中進行編程處理，對本文所采用的多目標配置模型進行計算。結(jié)合平定縣的實際情況和社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃目標，對求解結(jié)果進行相關(guān)處理，得到如下水資源配置結(jié)果。2020、2030年規(guī)劃水平年水資源優(yōu)化配置結(jié)果見表3。

表3 2020、2030年平定縣水資源優(yōu)化配置方案 萬m3

從規(guī)劃水平年4個方案的水資源配置情況來看,方案2缺水量相對最小，滿足其側(cè)重社會效益的目標；提水工程耗資較大，供水費用較貴，從經(jīng)濟合理性的角度分析，方案3中提水工程提水比例相對比較小，滿足其側(cè)重經(jīng)濟效益最大的目標；從水環(huán)境效益方面來考慮，方案4中供水分配中再生水所占的比例較大，保護了清潔水資源，提高了水資源的重復(fù)利用效率，且生態(tài)環(huán)境用水能夠得到滿足，有易于減輕水環(huán)境的污染程度，保護地表水環(huán)境，滿足其側(cè)重水環(huán)境效益的最大的目標。

4 基于SE-DEA模型的水資源優(yōu)化配置效果評價

SE-DEA模型(超效率數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法)是一種基于數(shù)學(xué)規(guī)劃模型對決策單元間的相對效率進行比較的評價分析方法。其目的是分析出每個決策單元綜合效率的數(shù)量指標，根據(jù)綜合效率數(shù)量指標對各決策單元進行分析，找出有效的(即效率相對最高的)決策單元，作為水資源配置方案進行決策的依據(jù)[7]。

基于社會合理性評價準則、經(jīng)濟效益評價準則、生態(tài)環(huán)境評價準則、效率合理性評價準則及適度開發(fā)評價準則這5條評價指標選取準則以及用水總量、用水效率、納污能力控制“三條紅線”，并考慮平定縣的實際情況，建立如下評價指標體系。研究區(qū)水資源優(yōu)化配置效果評價決策體系見表4。計算得出的各方案評價指標結(jié)果見表5和表6。

將2020、2030年規(guī)劃水平年的各個方案的量化指標輸入SE-DEA模型中進行運算，得到各個方案的水資源配置效果評價的效率值如表7所示。

表4 研究區(qū)水資源優(yōu)化配置效果評價決策體系表

表5 2020年規(guī)劃水平年各評價指標計算結(jié)果表

表6 2030年規(guī)劃水平年各評價指標計算結(jié)果表

表7 2020、2030年水平年水資源配置方案評價效率表

使用SE-DEA模型對2020、2030年規(guī)劃水平年各方案的量化指標經(jīng)過輸入、輸出后得到的結(jié)果進行評價分析。從計算結(jié)果中可以看到，將各個水資源配置方案按超效率值進行排序，從高到低為社會效益優(yōu)先>經(jīng)濟效益優(yōu)先>水環(huán)境效益優(yōu)先方案>基本方案優(yōu)先。4個方案的超效率值都大于1，均為有效方案。經(jīng)過對超效率值進行排序可以得出，在此次評價中，社會效益優(yōu)先的方案是最佳的水資源配置方案。

5 結(jié) 語

實施最嚴格的水資源管理制度是現(xiàn)代水資源管理對我國水資源和經(jīng)濟社會發(fā)展新時期形式下的要求，本文針對平定縣實際情況，建立了服務(wù)于最嚴格水資源管理的多目標水資源優(yōu)化配置模型，基于SE-DEA模型得出了平定縣水資源優(yōu)化配置的最佳方案，旨在為新時期最嚴格水資源管理制度下的水資源利用提供參考，模型應(yīng)用結(jié)果表明，“三條紅線”約束的多水源聯(lián)合調(diào)度模型不僅滿足當前水資源保護的要求，而且有利于節(jié)水社會的建立，具有重要的推廣意義。

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