面向水資源安全的綠洲受水區水資源配置方案評價

彭亮+何英+穆振俠+梁川+高凡

摘要：水資源安全問題已成為制約克拉瑪依市經濟發展的重要因素。通過調查克拉瑪依市水資源開發利用情況，從空間配置、時間配置、用水配置、水源配置等方面入手，設計兩個步驟來解決：（1）選取12個用水指標構建水資源安全評價體系，應用層次分析法構造判斷矩陣，并確定各指標因子的權重；（2）擬定各類需水方案、供水方案組合疊加生成調度運行方案，形成水資源配置方案集，并設置各方案的水資源安全評價指標，再運用層次分析法優選WRMM模型配置結果，然后對克拉瑪依市2011年水資源安全狀況進行評價與分析。結果表明，基于水資源安全評價指標的最佳水資源配置方案8，供水保證率達到100%，水資源開發利用率為57%，灌溉水綜合利用系數為0.75，為提高克拉瑪依市水資源利用率、保障區域用水安全提供科學依據。

關鍵詞：水資源安全；指標體系；層次分析；水資源配置；克拉瑪依市

中圖分類號：TV213.9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）04-0026-08

Abstract：Water resource security problem has become one of the important factors which restrict the economic development of Karamay.Based on the investigation into the development and utilization of water resources in Karamay，an evaluation index system for water resource security was established.Considering the space，time，water use，and water sources，we took two steps：（1） We selected 12 indexes to build the water resource security evaluation system，and used the analytic hierarchy process （AHP）to build a judgment matrix so as to determine the weight of each factor.（2）We combined various types of water demand and water supply schemes to generate various dispatching schemes，and thus form a water resources allocation scheme set.At the same time，we set up water resource security indexes for each scheme，and used AHP to select the optimum results of the WRMM model.Then we evaluated and analyzed the water resource security situation of Karamay in 2011.According to the water resource security index system，the optimal water resources allocation scheme was Scheme 8，whose water supply guarantee rate was up to 100%，water resources exploitation rate was 57%，and irrigation water utilization coefficient was up to 0.75.This research has provided a scientific basis for utilization of water resources and management of water resource security in Karamay.

Key words：water resource security；index system；analytic hierarchy process；water resource allocation；Karamay city

水資源安全是城市水資源管理的核心內容與終極目標， 直接關系到群眾生活和經濟社會發展的需要。在一定歷史階段及社會條件下，為保障城市供水系統正常運行，水系統中擁有足夠的水量和安全的水質，能保證人類社會可持續發展。水資源配置是實現水資源在不同區域和用戶之間有效合理分配，促進水資源高效、合理利用的重要手段[1]。可持續發展理論被提出并廣泛接受后，只注重經濟利益而忽視水資源安全的水資源配置技術逐漸被兼顧社會經濟、生態環境和水資源可持續利用的水資源合理配置所取代[2-3]。國內外一些學者從水量、水質等方面探討了水資源配置問題 [4-10]。Rijisberman等把水資源承載力作為城市水資源安全保障的衡量標準[11]；曾暢云等人利用綜合指數法通過用層次分析法賦權，構建了安全度函數，從社會經濟安全、生態安全、水質安全、水量安全等角度，對北京市水環境安全進行了評價[12]。傳統的水資源配置以供需分析為核心，以缺水量來衡量區域水資源滿足不同用水戶的程度，但水資源安全的保證程度則缺少評判依據。

“石油城”克拉瑪依市地處準噶爾盆地西北邊緣，為典型的綠洲受水區，區域內除獨山子區以外基本不產流，基本上都是從周邊流域引入地表水。隨著周邊區域社會經濟發展對水資源需求逐漸增加，較大地影響到了流入克拉瑪依市的地表水資源量，尤其是枯水年份，直接影響著居民生活用水、工農業用水及艾里克湖生態用水等[13-15]。因此，需要對新形勢下克拉瑪依市水資源進行優化配置。

本文以水資源安全為目標，以水資源安全評價指標為依據，通過對比分析不同水資源配置方案的水資源安全評價指標，最終確定克拉瑪依水資源配置最佳方案，確保克拉瑪依市水資源及水環境安全。

1 研究區概況

克拉瑪依市位于準噶爾盆地西北緣，地處東經84°44′-86°01′，北緯44°07′-46°08′之間，總面積7 733.9 km2，地勢西高東低，向準噶爾盆地中心傾斜，地貌大部分為戈壁灘，海拔高度在250～500 m之間。克拉瑪依市多年平均氣溫7.6 ℃，最高氣溫達42.9 ℃，最低氣溫為-35.9 ℃；年均降水量為116 mm，多集中在5月-8月，年均蒸發量為2 958 mm，屬典型的溫帶大陸性氣候，夏季炎熱，冬季寒冷，晝夜溫差大，干旱少雨，蒸發量大。克拉瑪依地區基本不產流，從周邊進入的河流有白楊河、克拉蘇河、達爾布圖河。白楊河多年平均徑流量2.48億m3，克拉蘇河多年平均徑流量0.29億m3，達爾布圖河多年平均徑流量0.16億m3。河流補給源主要是冬季積雪和夏季降雨，冬季時間長，積雪較厚，次年春季氣溫回升，積雪消融形成洪水，河流水量主要集中在4月-6月。克拉瑪依市行政區劃見圖1。

截止2011年底，全市總人口（不含轄區內兵團人口）29.47萬人，其中農業人口0.27萬人，非農業人口29.20萬人；國民生產總值728.1億元，三產比例為0.5∶89.9∶9.6，規模以上工業企業累計完成總產值1 063.4億元（現價）。 克拉瑪依市2007-2011年供水量和用水量情況分別見表1、表2。克拉瑪依市區域之間水資源量相差較大，不同區域產業結構也不盡相同，亟需解決水資源安全問題和合理配置。

2 研究方法

2.1 水資源安全評價指標體系

根據克拉瑪依市水資源開發利用現狀和社會經濟統計數據，考慮用水指標選取的代表性、綜合性、定量化和可比較性原則，選取了12個用水指標，即缺水量、人均水資源量、供水保證率、水資源開發利用率、非農業人口比例、城鎮人均生活用水量、工業萬元GDP用水量、灌溉水綜合利用系數、工業用水重復利用率、地下水超采比例、廢污水排放總量、單位面積環境用水量[17]。根據12個用水指標的特征，將其分為4個評價方面，構建了水資源安全評價指標體系，見圖2。

2.2 層次分析法

層次分析法是根據系統分析和決策分析的基礎，將各個因子分為相互聯系的、有層次的系統，建立有聯系的層次模型，再構造判斷矩陣，利用求解特征值的方法，確定各因子權重[18]。本文應用層次分析法構造判斷矩陣，并確定各指標因子的權重，優選出水資源優化配置方案。

2.3 水資源配置模型

水資源合理配置是水資源安全評價的基礎。由于在設定目標函數時優化方法已經確定了最優方向，所得配置結果為反映當前目標下的最佳結果，再用水資源安全指標來評價優化配置模型結果，并將評價結果信息反饋到優化配置模型中重新調算，會造成優化配置模型的死循環。因此，本文選擇水資源管理模型WRMM對水資源進行配置。

2.3.1 水資源配置模型結構

水資源管理模型WRMM（簡稱WRMM模型）是加拿大阿爾伯特省環境署開發的地表水分配模擬模型，它將實際水資源系統及其內部聯系用系統節點圖來描述。模型以流域為基本研究單元，其計算方法以線性規劃理論為基礎，水分配的優先權由罰值系統和線性規劃技術以整個系統罰值最小來確定[19]。該模型在已知來水量、需水量與供水優先序的情況下，可較好地模擬水庫、天然河道、干渠、水電站、灌區和工業城市用水的水量分配情況，是實用性較強的地表水分配模型，已成功應用于塔里木河流域、烏魯木齊市等干旱內陸區的水資源綜合規劃[20-21]。WRMM模型由標準輸入過程（含兩個輸入文件SCF、HBDF）、WRMM模擬模塊和標準輸出過程（OUTSIM）組成，模型結構見圖3。

2.3.2 模型求解

WRMM模型將水資源系統概化為流網，流網中的每個水流成分的物理特征以數學關系來描述，地理特征以該成分與其他成分的關系來描述，并且用罰值分配的方法描述各個成分的重要程度[4]。流網分為外網和內網：（1）內網，程序根據外網而形成的計算網絡關系，見圖4； （2）外網，是用戶對水資源系統物理特征和地理關系的描述，即水資源系統網絡圖。然后，模擬計算程序按照每個成分的數學關系式、優先權平衡供水與需水。

模型中罰值是指單位水流從一點如i點到j點的虛擬成本。每條弧的費用是指每條弧上的流量與對應虛擬成本的乘積。流網總費用即每一條水流連接上弧費用的總和。每一個流網上都會有很多個流網總費用組合，取其最小費用的那個流量組合即為費用最小流量。

式中：A為水流網絡中所有的弧（如（i，j））的集合；N為水流網絡中所有節點（如i）的集合；（i，j）為從節點i到節點j的弧；Xi，j為弧（i，j）上通過的流量；Li，j為弧（i，j）上通過的最小流量；Ki，j為弧（i，j）上通過的最大流量；Ci，j為弧（i，j）上每單位流量的費用即罰值。

沿著內網如圖4所示弧，根據上述公式通過Out-of-Kilter（OKA）線性技術求得一個滿足總費用最小的流量即為最優結果。

3 面向水資源安全的水資源優化配置

3.1 水資源配置方案的生成

配置方案設置涉及需水預測、節約用水、供水預測和水資源保護等多個環節內容[22-23]。為有效考慮各方面因素，同時避免方案集設置過于復雜，將上述涉及的因素劃分為供水方案集和需水方案集，組合成水資源配置方案組合集。其中，供水方案包括各類開源措施的組合，如地表水工程建設方案、地下水開采利用方式、污水處理再利用等。需水方案為不同需水預測所確定的需水，節水方案則體現在不同的需水方案中。根據克拉瑪依市水資源及用水戶特點，概化水資源系統網絡見圖5。

各種組合形成的方案并非全部參與計算，而是篩選出可行且有參考意義的各類方案，通過方案-反饋-新方案-再反饋一系列過程完成方案設置，最后得到水資源配置模型計算的基本方案集。

3.1.1 需水方案

需水預測按經濟發展中速度與高速度預測需水量，分為中情景和高情景方案，在中情景下， 2020年、2030年總需水量預計將分別達到3.585 5億m3、3.554 2億m3；在高情景下， 2020年、2030年預計將分別達到4.107 4億m3、4.034 9億m3。2020年、2030年三條紅線指標分別為6.782億m3和7.646億m3，各水平年需水量均在最嚴格水資源管理制度用水總量指標控制范圍內。需水定額則采用基本節水與強化節水兩種指標，與不同的節水措施組合，形成了11個需水方案。需水方案1-方案8為中情景方案，各方案之間主要區別在于農業與林牧漁業灌溉定額和灌溉水利用系數，其次是工業用水與生活用水定額，它們體現了不同的節水面積與節水措施；需水方案9-方案11為高情景，需水方案9與需水方案5除綠化以外各業用水定額相同，需水方案10與需水方案6除綠化以外各業用水定額相同；需水方案11在需水方案9的基礎之上減去大農業Ⅱ期需水。

3.1.2 供水方案

供水方案1：在現狀供水方案0的基礎之上增加烏爾禾引水渠首、大農業輸水管道（Ⅱ期）、克拉瑪依區三坪凈化水廠Ⅱ期、獨山子四水源建設、獨山子三水源續建配套組成。

供水方案2：在供水方案1的基礎之上，增加污[HJ1.7mm]水處理回用工程等工程組成。

供水方案3：在供水方案1的基礎之上，增加白楊河流域城市綠化管網建設，建設城市第五水廠。

供水方案4：在供水方案3的基礎之上，實施調水Ⅱ期，擴建第五凈化水廠。

供水方案5：在供水方案3的基礎之上，擴建第五凈化水廠。

3.1.3 水資源配置方案集

由以上各類需水方案、供水方案組合疊加生成調度運行方案，形成水資源配置方案集。由于供水方案與需水方案相關，并非所有供水方案與需水方案組合都是可行，最終確定13個水資源配置方案如表4所示，方案0為現狀配置方案。

3.2 各方案的水資源安全評價指標

從WRMM模型模擬的13個資源配置方案中，選取如圖2所述的12個指[HJ3mm]標作為克拉瑪依市水資源配置方案的水資源安全評價指標，各方案評價結果見表5。

通過指標層Cj的排序可以得出，權重最高的指標層是水資源生態安全中廢污水排放總量指標和地下水超采比例指標，在方案擇優時優先考慮廢污水排放總量指標和地下水超采比例指標。當這兩個指標要求相同時，依次考慮缺水量指標、工業萬元GDP用水量指標、供水保證率指標、單位面積環境用水量指標、水資源開發利用率指標、人均水資源量指標、灌溉水綜合利用系數指標、城鎮人均生活用水量指標、工業用水重復利用率指標、非農業人口比例指標，最終選擇出符合克拉瑪依市的水資源配置方案。本次計算，基于水資源安全的克拉瑪依市水資源配置方案選取方案8為推薦方案，參考推選方案為方案2，方案4，方案6。

3.4 結果比較

通過對比推薦方案8與現狀方案（方案0）的評價指標可以看出：從水資源自身條件看，方案0的缺水量為2 633萬m3，遠大于方案8的292萬m3；方案8的供水保證率達到100%，高于方案0的供水保證率96%；從水資源社會安全指標可以看出，方案8的水資源開發利用率為57%，而方案0的水資源開發利用率為86%；從水資源經濟安全來看，方案8的灌溉水綜合利用系數為0.75，是所有配置方案中最高的，而方案0的灌溉水綜合利用系數為0.64。因此，從水資源安全角度考慮，應用層次分析法優選出的方案8，可以有效提高水資源利用率、保障區域用水安全。

4 結語

綠洲受水區城市水資源合理配置關系到城市社會經濟安全、水量安全、水質安全、水資源安全的紐帶，關系到社會經濟的可持續發展和生態環境的良性循環。本文從不同角度選取評價水資源安全的指標，計算了不同指標所占的權重，通過對比方案，應用層次分析法最終優選出方案8為克拉瑪依市水資源優化配置方案，方案8的供水保證率達到100%，水資源開發利用率為57%，灌溉水綜合利用系數為0.75，能更好為城市的規劃發展提供可靠的水資源保證。

（1）通過WRMM模型建立的克拉瑪依市水資源配置模型，可以模擬各方案的水資源配置過程，并得到各方案相應的評價指標，表明該模型能適用于克拉瑪依市水資源配置。

（2）本文提出的基于水資源安全的水資源配置方法，通過對12個水資源安全指標的評價分析，將水資源配置從傳統的以缺水量最小為核心，擴展到在滿足水資源安全前提下實現了各用水戶的有效供給，對于提高水資源利用率、保障區域用水安全具有重要意義。

（3）基于水資源安全的水資源配置理論與方法尚處于探索階段，對于水資源安全指標設置還有些欠考慮的因素，評價指標還需進一步改進。

參考文獻（References）：

[1] 王浩，游進軍.水資源合理配置研究歷程與進展[J].水利學報，2008，39（10）：1168-1175.（WANG Hao，YOU Jin-jun.Advancement and development course of research on water resources deployment[J].Journal of Hydraulic Engineering，2008，39（10）：1168-1175.（in Chinese））

[2] Bogardi J J.Dudgeon D，Lawford R，et al.Water security for a planet under pressure：interconnected challenges of a changing world call for sustainable solutions[J].Current Opinion in Environmental Sustainability，2012，4（1）：35-43.

[3] Manning S，Boons F，Von Hagen O，et al.National Contexts Matter：The Co-Evolution of Sustainability Standards in Global Value Chains[J].Ecological Economics，2012，83（5）：197-209.

[4] Davidsona B，Malanob H，Nawaratlmab B，et a1.The hydroloaical and economic impacts of changing water allocation in political regions within the peri-urban south creek catchment in western Sydney I：Model development[J].Journal of Hydrology，2013，499：339-348.

[5] Liu B，Mei X R，LI Y Z，et al.The connotation and extension of agricultural water resources security [J].Agricultural Sciences in China，2007，6（1）：11-16.

[6] 曾思棟，夏軍，黃會勇，等，分布式水資源配置模型DTVGM-WEAR的開發及應用[J].南水北調與水利科技，2016（3）：1-6.（ZENG Si-dong，XIA Jun，HUANG Hui-yong et al.Development and application of distributed water resource allocation model：DTVGM-WEAR[J].South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology，2016（3）：1-6.（in Chinese））

[7] 吳丹，王士東，馬超，基于需求導向的城市水資源優化配置模型[J].干旱區資源與環境，2016（2）：31-37.（WU Dan.WANG Shi-dong.MA Chao.Modeling of urban water resources optimal allocation[J].Journal of Arid Land Resources and Environment，2016（2）：31-37.（in Chinese））

[8] 劉靜，左其亭.環境變化對人水系統影響的關鍵問題探討[J].南水北調與水利科技，2015（6）：1-7.（LIU Jing，ZUO Qi-ting.Discussion of key issues for impacts of environmental change on human water system[J].South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology，2015（6）：1-7.（in Chinese））

[9] George B，Malano H，Davidson B，et al.An integrated hydro-economic modelling framework to evaluate water allocation strategies I：Model development[J].Agricultural Water Managemeut.2011.93（5）：733-746.

[10] Ahmadi.Azadeh.Integrated planning of land use and water allocation on a watershed scale considering social and water quality issues[J].Journal of Water Resources Planning & Management.2012.138（6）：671-681.

[11] Rijisberman，M A，Frans H M.Different approaches to assessment of design and management of sustainable urban water system[J].Environment in Pact assessment review，2000，129（3）：333-345.

[12] 曾暢云，李貴寶，傅樺.水環境安全及其指標體系研究-以北京市為例[J].南水北調與水利科技，2004，3（4）：31-35.

（ZENG Chang-yun，LI Gui-bao，FU Hua.Study on Water environment security and its evaluation index system-A case study of Beijing[J].South-to-North Water Tromsfersomd and Water Science & Technology，，2004，3（4）：31-35.（in Chinese））

[13] 杜勇，許力飛.石油城市經濟可持續發展問題研究——以克拉瑪依為例[J].理論月刊，2012（4）：126-129.（DU Yong，XU Li-fei.Research on sustainable development of petroleum city economy- Karamay Case[J].Theory Monthly，2012（4）：126-129.（in Chinese））

[14] 苑濤，何秉宇.干旱區水資源承載力分析及應用[J].水土保持研究，2007，14（3）：341-342.（YUAN Tao，HE Bing-yu.Research and application of water resources carrying capacity in arid area [J].Research of Soil and Water Conservation，Research of Soil and Water Conservation，2007，14（3）：341-342.（in Chinese））

[15] 潘峰，田長彥，邵峰，等.新疆克拉瑪依市生態敏感性研究[J].地理學報，2011，66（11）：1497-1507.（PAN Feng，TIAN Chang-yan，SHAO Feng，et al.Evaluation of ecological sensitivity in Karamay，Xinjiang，Northwest China [J].Acta Geographica Sinica，2011，66（11）：1497-1507.（in Chinese））

[16] 克拉瑪依市供水公司.克拉瑪依市供水年志[R].新疆，克拉瑪依，2007-2011.（Water Company of Karamay city.Water supply bulletin of Karamay city[R].Xinjiang，Karamay city，2007-2011.（in Chinese））

[17] 高媛媛，王紅瑞，許新宜，等.水資源安全評價模型構建與應用——以福建省泉州市為例[J].自然資源學報，2012，27（2）：204-212.（GAO Yuan-yuan，WANG Hong-rui，XU Xin-yi，et al，Assessment of water resources security case of Quanzhou City in Fujian Province[J].Journal of Natural Resources，2012，27（2）：204-212.（in Chinese））

[18] 游進軍，趙帆，等.針對水資源配置評價的定量指標改進層次分析法研究[J].水利水電技術，2010（3）：6-8，16.（YOU Jin-jun，ZHAO Fan，et al.Improved analytic hierarchy process for quantitative index of assessment on water resources allocation[J].Water Resources and Hydropower Engineering，2010（3）：6-8，16.（in Chinese））

[19] Alan，Alberta Environment Natural Resources Service Bow Region Water Administration Branch[M].Water Resources Management Model Computer Program Description.Canada，1999.

[20] 何英.干旱區典型流域水資源優化配置研究[D].烏魯木齊：新疆農業大學，2010.（HE Ying.Typical basin water resources optimal allocation of arid zone[D].Urumqi： Xinjiang Agricultural University，2010.（in Chinese））

[21] 布海力且木·阿布都卡地爾，姜卉芳.WRMM模型在烏魯木齊河流域水資源管中的應用[J].新疆農業大學學報，2005，28（1）：77-80.（BUHAILIQIEMU Abudukadir，JIANG Hui-fang.Application of WRMM model to Urumqi river water resource management [J].Journal of Xinjiang Agricultural University，2005，28（1）：77-80.（in Chinese））

[22] 金晶，唐德善，李曉英.基于AHP-模糊決策模型的水資源配置方案優選[J].水電能源科學，2013（7）：33-35.（JIN Jing，TANG De-shan，LI Xiao-ying.Scheme optimization of water resources allocation based on AHP-fuzzy decision model[J].Water Resources and Power，2013（7）：33-35.（in Chinese））

[23] 姬卿偉，孫建光.綠洲城市水資源配置模擬和優化[J].人民黃河，2014（7）：65-68，72.（JI Qin-wei，SUN Jian-guang.Simulation and optimization of water resources allocation in oasis city[J].Yellow River，2014（7）：65-68，72.（in Chinese））