膠東地區(qū)跨流域調(diào)水優(yōu)化配置研究

張鍇慧　王好芳　張澤玉

摘要：膠東地區(qū)是嚴(yán)重缺水地區(qū)，近年來隨著城市人口不斷增長，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，缺水問題越來越突出。以膠東地區(qū)缺水較為嚴(yán)重的濰坊、青島、煙臺、威海四個(gè)地市為研究區(qū)域，結(jié)合引黃濟(jì)青工程和南水北調(diào)東線工程實(shí)施跨流域調(diào)水，緩解供需矛盾，以2020年和2025年為規(guī)劃水平年，基于水量平衡分析，構(gòu)建以缺水量最小和調(diào)水工程效益最大為目標(biāo)的多水源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，確定調(diào)引不同水源（黃河水，黃河水和長江水）時(shí)的水資源優(yōu)化配置方案。配置結(jié)果表明：只調(diào)引黃河水，受水區(qū)不同規(guī)劃年的缺水量分別降低14%～83%、10%～31%；同時(shí)調(diào)引黃河水和長江水，受水區(qū)不同規(guī)劃年的缺水量分別降低28%～81%、19%～53%。可見優(yōu)化配置方案可以有效緩解膠東地區(qū)水資源緊缺狀況和供需水矛盾，為膠東地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：跨流域調(diào)水；供需平衡分析；保證率；多目標(biāo)；水資源優(yōu)化配置；受水區(qū)

中圖分類號：TV213；TV68文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

16721683（2018）02010008

Abstract：The shortage of water resources in Jiaodong area is becoming increasingly serious with the expansion of urban population and the rapid development of industrial and agricultural production and economy in recent years.The four cities with serious water shortage in Jiaodong area （Weifang，Qingdao，Yantai，and Weihai） were taken as the study areas.Interbasin water transfer was implemented based on the East Route of SouthtoNorth Water Transfer Project and the project of water diversion from Yellow River to Qingdao so as to alleviate the contradiction between supply and demand.The years of 2020 and 2025 were taken as the planning years.According to the water balance analysis，we built a multiwater source，multiobjective optimal allocation model that aimed for minimum water shortage and maximum benefits of the water transfer projects，and we determined the optimal allocation scheme for different water sources （Yellow River，Yellow River and Yangtze River）.Results showed that when water was transferred from Yellow River alone，the water shortage in the waterreceiving area would decrease by 14%83% and 10%31% respectively in different planning years；when water was transferred from both Yellow River and Yangtze River，the water shortage in the waterreceiving area would decrease by 28%81% and 19%53% respectively in different planning years.The optimal allocation scheme can effectively alleviate the contradiction between water supply and demand and alleviate the shortage of water resources in Jiaodong area，and thus lay the foundation for sustainable development in Jiaodong area.

Key words：interbasin transfer；balance analysis between water supply and demand；assurance rate；multiobjective；optimal allocation of water resources；waterreceiving area

水資源優(yōu)化配置是在特定流域或區(qū)域內(nèi)，以可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略為基本原則，對有限的、不同形式的水資源，在各受水區(qū)域之間及受水區(qū)域的各用水部門之間通過工程與非工程措施進(jìn)行的科學(xué)分配[12]。我國行政區(qū)劃30%以上地區(qū)區(qū)域發(fā)展與當(dāng)?shù)厮Y源量極不匹配，水資源已經(jīng)成為我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的嚴(yán)重制約因素，實(shí)施水資源優(yōu)化配置對解決水資源短缺及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用[3]。我國水資源優(yōu)化配置存在層次性的發(fā)展變化，由“以需定供”、“以供定需”到基于宏觀經(jīng)濟(jì)的水資源優(yōu)化配置、可持續(xù)發(fā)展的水資源優(yōu)化配置不斷優(yōu)化，為解決區(qū)域水資源緊缺問題提供了理論研究方法[46]。第16卷 總第95期·南水北調(diào)與水利科技·2018年4月

張鍇慧等·膠東地區(qū)跨流域調(diào)水優(yōu)化配置研究

膠東地區(qū)水資源緊缺，一方面，膠東地區(qū)水資源具有人均占有量少，時(shí)空分布不均勻等特點(diǎn)[7]；另一方面，隨著膠東地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，用水量急劇增長，水供需矛盾突出，使有限的水資源更趨緊張[8]。山東省膠東調(diào)水工程是一項(xiàng)跨流域、遠(yuǎn)距離的大型調(diào)水工程，具備了跨流域調(diào)水的條件，通過對長江水、黃河水、當(dāng)?shù)厮穆?lián)合優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)緩解膠東乃至山東省的水資源緊缺局面。因此，為了解決膠東地區(qū)水資源緊缺問題、提高水資源的有效利用率、保障社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展和促進(jìn)調(diào)水工程的整體效益和可持續(xù)發(fā)展能力，開展膠東跨流域調(diào)水優(yōu)化配置提供了有效途徑。該優(yōu)化配置涉及到部門和地區(qū)多個(gè)決策主體，近期與遠(yuǎn)期等多個(gè)決策時(shí)段，社會效益和工程效益多個(gè)決策目標(biāo)，是一個(gè)多階段、多目標(biāo)的決策問題。以膠東地區(qū)缺水尤為嚴(yán)重的四個(gè)地市濰坊、青島、煙臺、威海為研究對象，以2014年為基準(zhǔn)年，2020年、2025年為規(guī)劃年，以缺水量最小和工程效益最大為目標(biāo)建立多目標(biāo)、多水源的優(yōu)化配置模型并對其進(jìn)行優(yōu)化配置。

1研究區(qū)域概況

濰坊、青島、煙臺和威海四個(gè)地市分別位于山東省膠東半島的西部、南、中、和東部，煙臺東連威海，西接濰坊，西南與青島毗鄰。膠東調(diào)水工程是國家南水北調(diào)東線工程的重要組成部分，包括引黃濟(jì)青工程和膠東引黃調(diào)水工程[9]。從濱州市打漁張引黃閘引黃河水，輸送至威海米山水庫，涉及濱州、東營、濰坊、煙臺、威海、青島6個(gè)地市，與南水北調(diào)山東段其他工程共同形成南北貫通、東西互濟(jì)的“T”字型調(diào)水大動脈，使受水區(qū)具備跨流域調(diào)水的條件。

研究區(qū)多年平均降水量654.0 mm，年內(nèi)降水分配不均，主要集中于汛期7月-9月，約為全年降水量的60%～80%，汛期降水又多集中于幾場暴雨之內(nèi)，降水年際間變化較大。目前水資源緊缺，供需矛盾突出，使有限的水資源更趨緊張，2014年，研究區(qū)人均年供水量266.3m3，為資源型缺水地區(qū)。而且水資源利用率為55.4%，開發(fā)利用程度較高，繼續(xù)開發(fā)潛力有限，當(dāng)?shù)厮Y源難于支撐受水區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。因此，需要調(diào)水，緩解水資源供需矛盾。

2水資源供需平衡分析

山東省膠東調(diào)水工程的跨流域水資源優(yōu)化配置是涉及多個(gè)地市、多水源、多用水戶的調(diào)水優(yōu)化問題。研究區(qū)域選取膠東地區(qū)缺水較為嚴(yán)重的四個(gè)地市（濰坊市、青島市、煙臺市、威海市）；各受水區(qū)水源種類眾多，既有地表水、地下水、非常規(guī)水源（中水回用、雨水集蓄、海水淡化等），又有客水（黃河水和長江水）；用水戶包括生活、生產(chǎn)和生態(tài)等。因此，為了更好地實(shí)現(xiàn)調(diào)水工程四個(gè)受水區(qū)調(diào)水量的合理分配，需在不同規(guī)劃年對不同水源進(jìn)行水量平衡分析。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行多目標(biāo)水資源優(yōu)化配置。

2.1水量供需平衡分析

通過研究區(qū)域不同規(guī)劃年的可供水量和需水量預(yù)測并進(jìn)行水量平衡分析。可供水量分析包括地表水、地下水、非常規(guī)水源利用和客水調(diào)水分析，對于不同水源分別計(jì)算各保證率（50%、75%、95%）下的可供水量，求得總可供水量。需水量包括生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)公共和生態(tài)環(huán)境需水五部分，分別利用指標(biāo)分析法以2014年為基準(zhǔn)年對不同用水戶進(jìn)行2020年和2025年的需水量預(yù)測。

2.1.1供水分析

可供水量是指在可預(yù)見的時(shí)期內(nèi)，在統(tǒng)籌考慮生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境用水的基礎(chǔ)上，通過經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的措施可供河道外一次性利用的最大水量（不包括回歸水重復(fù)利用量）[10]。

根據(jù)山東省統(tǒng)計(jì)年鑒及統(tǒng)計(jì)網(wǎng)，地表水和地下水可供水量分析以1995-2014年長系列的地表水資源量和地下水資源量的資料為基礎(chǔ)，運(yùn)用皮爾遜Ⅲ型曲線，確定不同頻率下的水資源量，同時(shí)考慮受水區(qū)的水利工程情況和水資源利用率，進(jìn)一步確定可供水量[11]；非常規(guī)水源一方面考慮中水、雨水及海水的利用情況，另一方面考慮更新改造、續(xù)建配套現(xiàn)有水利工程及規(guī)劃的水利工程對中水、雨水及海水的利用情況進(jìn)行預(yù)測；客水可供水量根據(jù)山東省發(fā)展計(jì)劃委員會文件中各市調(diào)引客水的指標(biāo)確定[1213]。

在現(xiàn)狀年和規(guī)劃年不同水源組合情況下對各個(gè)保證率的可供水量進(jìn)行計(jì)算，其中只考慮當(dāng)?shù)厮春头浅Ｒ?guī)水源時(shí)可供水總量見表1。

2.1.2需水量分析

受水區(qū)需水量預(yù)測主要采用定量預(yù)測法，目前需水量定量預(yù)測方法可以分為兩大類，數(shù)學(xué)模型法和定額法，根據(jù)對數(shù)據(jù)處理方式的不同數(shù)學(xué)模型方法具體分類[1415]，根據(jù)國家《水資源供需預(yù)測分析技術(shù)規(guī)范（SL 429-2008）》，本文主要以定額法和趨勢法為主，結(jié)合其他方法綜合確定[1617]。根據(jù)山東省統(tǒng)計(jì)年鑒[18]及統(tǒng)計(jì)網(wǎng)1995-2014年長系列的需水情況對受水區(qū)分別需水預(yù)測。需水預(yù)測包括生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境需水預(yù)測三部分。生活用水分別按照城鎮(zhèn)及農(nóng)村的人口自然增長率預(yù)測規(guī)劃年的人口，從而采用定額法計(jì)算規(guī)劃年生活需水量；生產(chǎn)用水包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)公共用水，通過對規(guī)劃年工業(yè)產(chǎn)值及工業(yè)萬元產(chǎn)值取水量的預(yù)測值確定工業(yè)需水量，通過對農(nóng)業(yè)不同種類農(nóng)田實(shí)灌溉面積和灌溉定額的預(yù)測值進(jìn)行農(nóng)業(yè)需水預(yù)測；生態(tài)用水和城鎮(zhèn)公共用水采用趨勢分析法預(yù)測。總需水量預(yù)測值符合山東省不同水平年用水總量控制指標(biāo)，膠東地區(qū)受水區(qū)總需水量計(jì)算結(jié)果見表2。

2.1.3供需平衡分析

根據(jù)上述需水量和可供水量的預(yù)測結(jié)果，分別對四個(gè)地市的現(xiàn)狀年和規(guī)劃年的不同水源組合情況分別進(jìn)行供需水平衡分析，其中只考慮當(dāng)?shù)厮春头浅Ｒ?guī)水源時(shí)現(xiàn)狀年和規(guī)劃年的分析結(jié)果見表3。

從表3可以看出，2014年受水區(qū)缺水情況顯著。50%頻率下研究區(qū)域缺水率為191%，缺水量為10億m3，濰坊和青島缺水較為嚴(yán)重；75%頻率下研究區(qū)域缺水率為290%，缺水量為155億m3，四個(gè)地市缺水率均接近30%；95%頻率下研究區(qū)域缺水率為328%，缺水量達(dá)到175億m3，四個(gè)地市缺水率均在33%左右。

在2020年50%頻率下研究區(qū)域缺水率為353%，缺水量為1704億m3；75%頻率下研究區(qū)域缺水率為435%，缺水量達(dá)到2104億m3；95%頻率下研究區(qū)域缺水率為535%，缺水量達(dá)到2585億m3。2020年四個(gè)地市在各頻率下均缺水，50%頻率下青島市和濰坊市相對缺水嚴(yán)重，75%頻率下各地市存在不同程度的缺水，95%頻率下四個(gè)地市缺水嚴(yán)重，缺水率均超過45%。

在2025年50%頻率下研究區(qū)域缺水率為441%，缺水量為2529億m3；75%頻率下缺水率為510%，缺水量為2929億m3；95%頻率下缺水率為594%，缺水量達(dá)到3409億m3。同比2020年缺水量顯著增加，缺水率升高，當(dāng)?shù)厮头浅Ｒ?guī)水源明顯不能滿足受水區(qū)的需水需求。

3調(diào)水優(yōu)化配置模型

膠東調(diào)水工程是針對膠東地區(qū)水資源緊缺，緩解當(dāng)?shù)厮Y源供需矛盾而建設(shè)。首先考慮緩解當(dāng)?shù)氐乃Y源短缺問題和提高水資源的利用效率，同時(shí)又為提高跨流域調(diào)水工程的整體效益和可持續(xù)發(fā)展能力，實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行及設(shè)計(jì)功能，因此，調(diào)水優(yōu)化配置的首要目標(biāo)是受水區(qū)缺水量最小，以工程效益最大為次要目標(biāo)[19]；不同規(guī)劃年供水均按照現(xiàn)狀年的黃河水和長江水量分配的引水指標(biāo)約束，需水考慮不超過缺水量，同時(shí)要滿足基本生活用水需求，因此建立供水、需水約束條件和非負(fù)條件。

3.1參數(shù)確定

3.1.1供水上限

受水區(qū)調(diào)引客水水源為黃河水和長江水。受水區(qū)調(diào)引黃河水和長江水的分配指標(biāo)作為供水量上限。根據(jù)山東省發(fā)展計(jì)劃委員會文件[20]中各市調(diào)引客水的指標(biāo)見表4。

3.1.2需水上下限

由表3中受水區(qū)不同規(guī)劃年不同保證率下的缺水量Qi1（i=1，2，3，4）作為四地市對客水的需水量上限，考慮到優(yōu)先滿足居民生活用水需求，四個(gè)地市生活需水量Qi2（i=1，2，3，4）作為需水量下限值，若當(dāng)?shù)厮Y源能夠滿足生活需水時(shí)，Qi2（i=1，2，3，4）調(diào)整為0。需水量上下限見表5。

3.1.3水價(jià)與運(yùn)行費(fèi)

因各分水區(qū)水價(jià)不同，所以在構(gòu)建模型時(shí)通過考慮向四個(gè)地市的分水區(qū)調(diào)水建模，調(diào)引黃河水和長江水的各分水區(qū)的水價(jià)分別為Cij、Eij，調(diào)黃河水和長江水運(yùn)行費(fèi)用分別為Hij、Dij 。根據(jù)山東省物價(jià)局文件，受水區(qū)調(diào)引客水的水價(jià)與運(yùn)行費(fèi)見表6。

針對當(dāng)?shù)厮⒎浅Ｒ?guī)水和黃河水的水源組合構(gòu)建優(yōu)化配置模型（LUCY），針對當(dāng)?shù)厮⒎浅Ｒ?guī)水、黃河水和長江水的水源組合構(gòu)建優(yōu)化配置模型（LUCYY）。

3.2模型LUCY

3.2.1目標(biāo)函數(shù)

4優(yōu)化配置結(jié)果

利用LINGO求解多目標(biāo)函數(shù)模型，進(jìn)行不同水源在受水區(qū)之間的水資源優(yōu)化配置——山東省膠東受水區(qū)不同規(guī)劃年（2020年、2025年）不同水源不同保證率（50%、75%、95%）下的水資源優(yōu)化配置方案，求出最優(yōu)解，優(yōu)化配置結(jié)果見表7、表8。

5優(yōu)化配置結(jié)果分析

通過上述膠東調(diào)水優(yōu)化配置結(jié)果，在現(xiàn)有工程條件、不超過供水指標(biāo)的前提下調(diào)引黃河水和長江[CM（22]水使濰坊、青島、煙臺、威海缺水量減少，缺水率降[CM）]

低，同時(shí)實(shí)現(xiàn)工程效益最大化。也表明目前研究區(qū)域缺水量大于黃河和長江水分配的調(diào)水指標(biāo)，供水按照指標(biāo)調(diào)水明顯不能滿足當(dāng)?shù)氐娜彼Ｄz東調(diào)水優(yōu)化配置后，不同水源情況下各個(gè)規(guī)劃年不同保證率的缺水量見表9、表10。

通過表10和表3對比分析可知，同時(shí)調(diào)引黃河水和長江水后膠東受水區(qū)規(guī)劃年的缺水量均降低，在2020年，濰坊市在各保證率下缺水量分別降低近56%、47%、44%；青島市在各保證率下缺水量均降低49%；煙臺市在50%保證率下不缺水，75%和95%保證率下缺水量分別降低81%、42%；威海市在50%保證率下不缺水，75%和95%保證率下缺水量分別降低46%、28%。在2025年，濰坊市在各保證率下缺水量分別降低47%、40%、38%；青島市在各保證率下的缺水量均降低近37%；煙臺市在各保證率下的缺水量分別降低近53%、43%、29%；威海市在各保證率下的缺水量分別降低近46%、27%、19%。

6結(jié)語

6.1結(jié)論

結(jié)合膠東調(diào)水工程的實(shí)際情況，通過對調(diào)水系統(tǒng)的概化，基于受水區(qū)水資源供需平衡分析，以受水區(qū)缺水量最小、工程效益最大為目標(biāo)，構(gòu)建了膠東調(diào)水工程的水資源多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，并進(jìn)行跨流域水資源優(yōu)化配置，確定優(yōu)化配置方案。結(jié)論如下。

（1）供需平衡分析結(jié)果為：在考慮當(dāng)?shù)厮⒎浅Ｒ?guī)水源、黃河水和長江水不同組合情況下，四個(gè)地市在2014年、2020年與2025年分別存在不同程度的缺水。考慮當(dāng)?shù)厮春头浅Ｒ?guī)水源情況下，研究區(qū)域在50%、75%和95%不同保證率下，2014、2020和2025年缺水量分別為10億m3、155億m3、175億m3 和1704億m3、2104億m3、2585億m3與2529億m3、2929億m3、3409億m3。

（2）不考慮長江水時(shí)，通過優(yōu)化配置，50%、75%和95%不同保證率下，2020年與2025年濰坊市、青島市、煙臺市和威海市的缺水量分別降低42%～50%、32%、25%～77%、14%～83%與31%、24%、17%～31%、10%～23%。

（3）考慮長江水時(shí)，通過優(yōu)化配置，50%、75%和95%不同保證率下，2020年與2025年濰坊市、青島市、煙臺市和威海市的缺水量分別降低44%～56%、49%、42%～100%、28%～100%與38%～47%、37%、29%～53%、19%～46%。

由此可見，優(yōu)化配置方案有效緩解膠東地區(qū)水資源短缺狀況和供需矛盾，在現(xiàn)行工程條件、水質(zhì)滿足要求的前提下配置方案應(yīng)用于膠東調(diào)水工程，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

6.2展望

目前為了滿足膠東調(diào)水局的實(shí)際調(diào)水需要，規(guī)劃年只考慮了現(xiàn)行供水指標(biāo)進(jìn)行調(diào)水研究，未考慮不同來水情況供水指標(biāo)的調(diào)水。

（1）受水區(qū)缺水量較大，目前的調(diào)水指標(biāo)不能滿足規(guī)劃年的用水需求，為滿足規(guī)劃年的用水需求，需要擴(kuò)大調(diào)水工程規(guī)模、增加客水分配指標(biāo)。

（2）參考同比例豐增枯減原則對不同情況下的供水指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，深入開展調(diào)度研究。

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