生態需水對江蘇南水北調工程水資源配置影響分析

周 珺 高明鳴 陳 霞

一、研究意義

隨著我國水生態文明建設的加快推進，南水北調工程不僅承擔改善調水線路沿線工農業生活用水條件的任務，同時也保證維持河流合理流量和湖泊、水庫及地下水的合理水位、保障生態用水的需求。

本文通過研究南水北調工程水量配置模型目標函數，在原以梯級規模最優的單一目標基礎上，增加生態目標，并將生態目標作為模型第一目標，使南水北調水資源配置可實現改善水生態環境、保障水生態文明建設的基本要求。

二、南水北調工程水量配置模型

南水北調東線江蘇境內工程，主要包括洪澤湖、駱馬湖和南四湖下級湖3個調蓄湖泊，并由沿線9個梯級泵站群逐級調水北送及為沿線6個用水區供水，是一個涉及多個梯級泵站聯合運行、多個調蓄湖泊聯合調度的供、調水工程系統。

江蘇南水北調工程水資源配置模型將6個供水區間進行供、用水概化，通過梯級泵站進行連通，以3個湖泊進行調節，建立以各區間出入抽水規模與各區間缺水量最小為目標的供、調水模型。

1.目標函數

供、調水水資源配置模型是根據各區間供用水情況，優化配置各梯級泵站規劃，以各區間出入抽水規模與各區間缺水量最小為目標函數，建立供調水系統水資源配置模型，目標函數具體形式為：

式中：

T為總時段數；

Dit為受水區各區間用水總量；

Pit為受水區供水總量；

Qj為各梯級泵站規模。

2.約束條件

（1）水量平衡約束

南水北調供、調水系統利用三個湖泊調節徑流，湖泊的供用水水量平衡方程為：

Vt+1=Vt+SIt+PIt-DIt-POt-QOt

式中：

Vt為第t時段湖泊蓄水量；

SI為該區間在扣除蒸發滲漏損失后的來水量；

PI為該區間由泵站抽入水量；

DI為該區間用水量；

PO為該區間由泵站抽出水量；

QO為該區間自然泄出水量。

（2）湖泊蓄水條件約束

為優先保障當地用水權益，保證各區間現有用水權益不受破壞，規定各調蓄湖泊調水控制水位，低于此水位時停止湖泊內蓄水向外調水。

PO由目標函數采用優化算法確定。

（3）防洪調度控制原則約束

Vx為汛限控制水位所對應的庫容；

Vf為正常蓄水位所對應的庫容。

（4）供水保證率約束

供、調水系統各區間實際供水量需達到工程設計保證率要求，即生活、工業、城市生態環境及航運用水的供水保證率達到97%，農業用水保證率達到95%～75%。

三、生態保障目標

南水北調工程生態目標保障以河道外生態用水作為一級目標實現，確保受水區河道外生態用水量得到滿足。河道外生態用水量主要是指維持河道外植被群落穩定所需要的水量，主要是生態保護植被、綠洲防護林的需水量，為維持生態系統的質量平衡而通過水利工程直接或間接供水所消耗的徑流量；水土保持進行生物措施治理的需水量；調水區陸生動物生存所需水量。

河道外生態用水具有時間性、空間性、閾值性、水量特性和水質特性。針對南水北調工程特點，重點研究生態用水的閾值性，即水量，生態需水存在最大和最小需水量兩個閾值。當在閾值范圍內，生態系統能夠得以維持。

通過對受水區生態需水的分類、分區，確定流域各級生態分區的面積、需水類型和生態耗水的范圍和標準（定額），以此為單元進行降水平衡分析和水資源平衡分析，在此基礎上計算生態需水量。計算得到南水北調江蘇受水區2010年水平生態需水量1.88億m3，2030年水平生態需水量2.56億m3。

四、模型求解

增加生態目標作為第一目標的南水北調水量配置模型求解可采用分層序列法。具體算法為先將所有目標按重要程度排序，先求出第一重要目標的最優解，然后在確保前一目標最優解的前提下，求出下一個目標的最優解，直到求解出最后一個目標的最優解為止。

當模型有n個目標需要處理時，按目的重要性對各目標進行排序。設經排序后的重要序列為（x1，x2…xn），對應的目標序列為f1（x），f2（x）…fn（x）。

首先求得第一個目標的最優解，將所有其解的集合記為R0。然后在第一個最優解集合R0中求解第二個目標的最優解，并將得到的解集合記為R1。以此類推，直至找到第n個目標的最優解x*，具體模型為：

分層序列法將多目標問題轉化成單目標問題，簡化求解過程，是處理多目標模型的常用方法。該方法適用于有等級次序特征的優化模型求解。南水北調工程水量配置模型以為生態優先，再以最優供水配置為目標。采用分層序列法建立優先級為生態、供水的等級優化調度模型，對有限的水資源實現時間和空間的再分配，可獲得工程最大效益■