水資源優化配置結果合理性檢驗與歸因分析

溫祖梁 牟舵

摘要：水資源作為一種非常重要的資源，是整個社會發展的基礎。新世紀我國乃至全世界的水資源短缺問題都非常嚴重，因此進行區域水資源優化配置研究非常重要。通過水資源優化配置可以找到當地水資源所存在的問題，本文根據水資源優化配置結果所表現出的十分嚴峻的缺水問題，結合優化算法和一般算法的結果比較，來找出如此嚴重缺水的原因所在，并給出相應建議。

關鍵詞：水資源優化配置；合理性檢驗；歸因分析

1研究背景

水資源是人類文明的源泉，是社會發展和生存的物質基礎，水資源問題是涉及到包括人口、經濟、社會與環境的一個復雜巨系統。我國的水資源十分短缺，人均水資源量遠低于世界平均水平，水資源供需矛盾突出。現在國內很多地區的水資源供應都較為緊張，影響當地社會的發展與和諧，同時影響當地的水生態環境。為緩解水資源問題，有必要通過水資源優化配置，提高水資源利用效率，實現水資源可持續利用。國內外很多位學者都做過相關的研究，如吳險峰等探討了進化算法在城市多水源優化配置中的應用：甘泓等以地市級行政區為研究區域開發了水資源配置動態模擬模型：王博基于水足跡理論，對處在城市化進程中的吉林省遼河流域的水資源優化配置進行了研究；王中凱基于系統動力學，研究了處于生態系統從半濕潤草原向半干旱沙漠地區的過渡帶，生態環境脆弱地區的水資源優化配置：唐景云等探討了調水工程在實現區域水資源優化配置的必要性：Pearson利用多個水庫的控制曲線、以產值最大為目標、以輸水能力及預測的需水作為約束條件，利用二次規劃方法研究了英國Nawwa區域的用水量優化分配問題；Pe rcia等則以經濟效益最大為目標，建立以色列南部E ilat地區的污水、地表水與地下水等多種水源的管理模型，并在模型里考慮不同用水行業對水質的不同要求；Jerson等針對經濟用水量超過當地水資源承載能力的干旱地區，討論了水分配機制，研制了基于不同用水行業的機會成本的配置模型。本文將2020與2030未來水平年75%頻率下麗江市優化配置結果和一般配置結果處理后進行對比，在驗證優化結果的合理性及優越性的同時，輔助尋找水資源問題的癥結所在，并據此提出建議。

2麗江市水資源優化配置結果分析

2.1優化目標與約束條件

優化目標：同一行業各個單元間的缺水率差異最小，通過方差來表示；同一行業各單元總的缺水率最小，通過求和來表示。

約束條件：供用水量平衡、水庫水量平衡、供水量不得高于需水量。

2.2配置結果分析

2020水平年，麗江市P=75%頻率下需水31688萬㎡，本區各類水利工程P=75%頻率供水量23923萬㎡，缺水7765萬㎡，缺水率24.5%，其中城市生活缺水1815萬㎡，城市生活缺水率51.8%，占總缺水量的23.4%；農村生活基本不缺水；工業缺水928萬㎡，工業缺水率32.5%，占總缺水量的11.9%；農田灌溉缺水728萬㎡，缺水率7.2%，占總缺水量的9.4%；景觀生態缺水4295萬㎡，缺水率29.2%，占總缺水量的55.3%。

2030水平年，麗江壩區P=75%頻率總需水34827萬㎡，各類水利工程P=75%頻率供水量24138萬㎡，缺水10689萬㎡，缺水率30.69%，其中城市生活缺水4360萬㎡，城市生活缺水率71.9%，占總缺水量的40.8%；農村生活基本不缺水；工業缺水1378萬㎡，工業缺水率34.4%，占總缺水量的12.9%；農田灌溉缺水657萬㎡，缺水率6.9%，占總缺水量的6.2%；景觀生態缺水4295萬㎡，缺水率29.2%，占總缺水量的40.2%。

根據水資源優化配置結果，未來各水平年當地水資源供需缺口比較大，其中值得注意的是2020和2030水平年城鎮生活缺水非常多，缺水率分別為51.8%和71.9%，這樣嚴峻的缺水問題很可能會導致社會的不安定，但是在總缺水結構中，城鎮生活缺水量甚至高于工業缺水量和農業缺水量之和，并且農業缺水率都在10%以下，這樣的現象較為反常，因為在以人為本的指導思想下，應該優先滿足人口的生活用水，據此，通過一般算法進行水資源配置，將配置結果與優化配置結果進行對比，在保證基礎資料正確的情況下，來驗證優化配置結果的合理性與優越性，并嘗試尋找造成這種現象的原因所在。

3一般算法與優化算法配置結果對比分析

3.1一般算法遵循原則

（1）按照從水系的上游到下游，從左岸到右岸的順序進行配置；（2）按照水庫庫容從小到大進行供水；（3）按照生活工業農業生態的優先度順序進行供水：（4）同樣滿足優化算法的約束條件：（5）在滿足上述條件的同時盡量使缺水率最小。

3.2結果對比

通過公平性指標與缺水率指標來進行比選，公平性指標表示各個單元的年缺水率之間的差異程度，差異越小越公平：缺水率指標反應供水量對需水量的滿足程度，缺水率越大說明，供水保障率越小。對公平性目標和缺水率指標進行加權求和，得到最終的總目標總目標函數越小說明配置結果越優化。本次研究中，將公平性指標和缺水率指標的權重分別定為0.5與1。

下面分析75%來水頻率的枯水典型年條件下各行業的缺水率情況和區域公平性，來校對分析水資源優化配置算法的合理性與優越性。

可以看出，在75%枯水年份，2020水平年和2030水平年，優化配置結果總目標函數較優，且在缺水率指標和區域公平性指標上均優于一般算法的配置結果。2020水平年，優化結果總目標為67.08，一般配置總目標為67.13；2030水平年，優化結果總目標為80.10，一般配置總目標為80.61。在考慮多目標、多水源、多用戶水資源分配，從缺水率最小和區域公平性最高兩個方面優化水資源調控，優化算法的配置結果要好于一般算法的結果，并且優化算法的結果是合理的。

但是要注意到，優化算法的目標值都只是略好于一般算法甚至與之一致，這表明優化的效果并不是很明顯，原因在于優化配置的作用在于當一個水源可以供給多個用水戶時，通過優化算法分配水量，并使目標函數達到最優，但是當區域的供水結構大部分都是一個水源供給一個用水戶或者多個水源供給一個用水戶時，此時公平性目標難以得到優化，所以和一般算法的配置結果沒有很大的區別。

4結論與建議

結論：配置結果的對比表明，優化算法和一般算法相比具有優越性，同時也具有合理性。但是二者相差不大，表明當地供水結果還是以一個水源供給一個用水戶或者多個水源供給一個用水戶的情況為主，再結合優化配置得到的生活缺水異常多的情況，可以得出造成這種結果的原因在于城鎮生活用水的水源不夠，很多水源都無法供給城鎮的生活用水，只能供給其他的單一行業，供水結構存在一定問題，造成一種從結果看優先保證農業用水的情況出現。

建議：（1）新增加城市生活用水的水源，同時提倡人民節約用水，開源節流兩手抓，提高城鎮生活用水的供水保證率。（2）調整當地的供水結構，加強管網建設，堅持優水優用，以人為本，優先保證生活用水的供給。