考慮城市生態(tài)環(huán)境供水的灌區(qū)水資源配置

徐 丹，付 湘，謝亨旺，靳偉榮，萬小麗

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.江西省灌溉試驗(yàn)中心站，南昌 330201)

隨著城市化進(jìn)程的加快、人口密度的加大和氣候變化的影響，使得城市環(huán)境負(fù)荷加重，城市河湖水生態(tài)環(huán)境變得十分脆弱，水質(zhì)明顯變差，嚴(yán)重影響了城區(qū)人民的生活和城市的整體形象，逐漸成為制約城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸因素。因此，開展灌區(qū)向城市生態(tài)環(huán)境供水的灌區(qū)水資源配置研究，對(duì)于有效提高灌區(qū)水利用效率、改善城市水生態(tài)環(huán)境意義重大。

在當(dāng)前實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理、推進(jìn)城市水生態(tài)文明建設(shè)形勢(shì)下，灌區(qū)外城市生態(tài)環(huán)境的用水與灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活用水存在著很大的用水競爭性[1]。在競爭性用水情勢(shì)下, 對(duì)水資源進(jìn)行合理分配成為緩解水資源供需矛盾和提高使用效率的重要途徑[2,3]。水資源合理配置中建立經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的目標(biāo)，將水資源配置問題概化為多目標(biāo)決策問題，運(yùn)用最優(yōu)化理論和決策論獲得多目標(biāo)的優(yōu)化策略，為各用水戶科學(xué)分配水資源提供參考[4-6]。針對(duì)贛撫平原灌區(qū)，何振[7]詳細(xì)分析了贛撫平原灌區(qū)水資源現(xiàn)狀及存在的問題，提出了相應(yīng)的對(duì)策和措施。彭小斌等[8]分析了灌區(qū)農(nóng)業(yè)面源、工業(yè)和生活污染，結(jié)合灌區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)分析，有針對(duì)性地提出灌區(qū)水污染防治辦法和措施。張煜[9]根據(jù)贛撫平原灌區(qū)水資源利用現(xiàn)狀，闡明了該灌區(qū)水資源優(yōu)化配置原則，并提出強(qiáng)化水資源管理的措施。尹杰杰等[10]在自然條件、工程條件、用戶需求特性等各類限制性約束條件下，選取水資源綜合利用效益，人口數(shù)量，人均糧食產(chǎn)量，污水負(fù)荷量四個(gè)目標(biāo)，用matlab 軟件編程求解，得到不同水平年綜合目標(biāo)及相應(yīng)決策變量優(yōu)化結(jié)果。劉博等[11]建立基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃和粒子群算法的灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置模型，將有限的水量在不同作物和不同生育階段之間進(jìn)行最優(yōu)分配，計(jì)算了三種降水頻率、多種可供水條件下的農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置方案。針對(duì)以往灌區(qū)水資源配置中僅追求灌區(qū)內(nèi)綜合效益目標(biāo)的不足，本文以灌區(qū)各用水戶的缺水率最小為目標(biāo)，建立了灌區(qū)向城市生態(tài)環(huán)境供水的水資源優(yōu)化配置模型，制定出了不同降水年與用水高峰月份的參考水量分配方案，為指導(dǎo)江西省贛撫平原灌區(qū)水資源合理利用、保障城市水生態(tài)環(huán)境安全提供切實(shí)可行的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

贛撫平原灌區(qū)位于江西省贛中偏北部(東經(jīng)115°31′～116°10′及北緯28°00′～28°40′之間)，地處贛江和撫河下游三角洲地帶(見圖1)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，總面積約2 000 km2，耕地面積13.3萬hm2，設(shè)計(jì)灌溉面積8萬hm2。灌區(qū)供水分為東、西總干渠，均從撫河引水，其中西總干渠供水面積占了灌區(qū)的絕大部分，為此次水資源配置的主要研究對(duì)象。西總干渠取水于撫河焦石進(jìn)水閘，主要用于農(nóng)業(yè)灌溉用水、生活用水、工業(yè)用水以及灌區(qū)外的南昌市城市生態(tài)環(huán)境用水。

圖1 贛撫平原灌區(qū)位置示意圖Tab.1 Ganfu plain irrigation area location diagram

目前，灌區(qū)水資源供應(yīng)情況比較樂觀，但是由于工程老化失修、用水管理不到位等各種原因，大量水資源被浪費(fèi)，水資源綜合利用程度很低[11]。2011年，國務(wù)院發(fā)布中央1號(hào)文件強(qiáng)調(diào)“推進(jìn)最嚴(yán)格的水資源管理制度”后，江西省《江西省人民政府關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施意見》“贛府發(fā)【2012】29號(hào)”文件規(guī)定，撫河流域分配給贛撫平原灌區(qū)的地表水量為10.08 億m3(未計(jì)張王廟水電站發(fā)電用水量)，可用水量大幅度減小[12]。而隨著灌區(qū)的不斷發(fā)展，生活用水、工業(yè)生產(chǎn)用水、特別是城區(qū)生態(tài)環(huán)境用水將日益增多，用水競爭日趨激烈，進(jìn)行灌區(qū)水資源配置是非常有必要的。參考贛撫平原灌區(qū)現(xiàn)代化方案報(bào)告中的成果，得到灌區(qū)不同降水年的可供利用水量與各用水戶需水量，見表1(降雨頻率小于50%時(shí)，可供水量大于需水量，本次研究不予考慮)。根據(jù)年內(nèi)每月各用水戶的用水情況，得到不同月份的灌區(qū)各用水戶需水量，考慮灌區(qū)渠道的供水能力后，灌區(qū)僅有用水高峰期的8月份存在缺水情況，見表2。

表1 灌區(qū)不同降水年水量供需表 萬m3

表2 灌區(qū)不同降水年8月水量供需表 萬m3

2 模型建立

灌區(qū)用水分為灌區(qū)內(nèi)用水與灌區(qū)外用水。其中，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活用水為灌區(qū)內(nèi)用水，它是灌區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的保障；灌區(qū)外用水即為通過渠道供往南昌市的城市生態(tài)環(huán)境用水，用于保證城市生態(tài)環(huán)境不被破壞、為人們提供良好的生活環(huán)境，關(guān)系到城市生態(tài)環(huán)境與整體形象，如圖2所示。本次研究建立的灌區(qū)向城市生態(tài)環(huán)境供水的水資源優(yōu)化配置模型，以灌區(qū)各用水戶缺水率最小為配置目標(biāo)，采用權(quán)重法進(jìn)行求解。

圖2 贛撫平原灌區(qū)用水示意圖Fig.2 Schematic diagram of water consumption in Ganfu plain irrigation area

2.1 目標(biāo)函數(shù)

水量配置模型的目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)各用水戶缺水率最小，目標(biāo)函數(shù)形式表達(dá)如下：

(1)

式中：ωi為賦予用水戶i的權(quán)重；fi(xi)為各用水戶缺水率，i=1,2,3,4分別代表城市生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)、生活、工業(yè)；xi為分配給用水戶i的水量，為決策變量，x=[x1,x2,x3,x4]。

缺水率fi(xi)的表達(dá)式為：

(2)

式中：Di為用水戶i的需水量，萬m3。

則灌區(qū)各用水戶的最優(yōu)分配水量為：

(3)

2.2 約束條件

(1)可供分配水量約束：

(4)

式中：S為可供分配水量，萬m3。

(2)需水約束：

xi≤Di

(5)

(3)非負(fù)約束：

0≤S,0≤xi,0≤Di

(6)

2.3 求解方法

因?yàn)橛盟偭康南拗疲盟嬖诟偁?，各用戶的目?biāo)之間是矛盾的，分配某個(gè)用戶的水量增多，必然會(huì)導(dǎo)致其他用戶可用水量的減少，所以求解使灌區(qū)內(nèi)各用水戶缺水率最小的水量分配方案是一個(gè)多目標(biāo)問題。一般求解多目標(biāo)問題是通過一定的方法，將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題，常用的方法有約束法和權(quán)重法等。約束法求解多目標(biāo)問題的思想是在多個(gè)目標(biāo)中，選擇其中的一個(gè)目標(biāo)作為基本目標(biāo)，而將其余的目標(biāo)轉(zhuǎn)化為不等式約束，通過求解約束問題生成非劣解[12]。權(quán)重法的思想是通過賦予各個(gè)子目標(biāo)一定的權(quán)重，將其按照線性組合的方式將多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單個(gè)目標(biāo)然后進(jìn)行優(yōu)化求解，通過設(shè)置不同的權(quán)重能代表決策者不同的決策傾向。由于約束法適合于求解2個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化決策，當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)多于3個(gè)時(shí)，用約束法較為繁雜，由于本研究有4個(gè)目標(biāo)，因而選取權(quán)重法求解優(yōu)化模型。

3 計(jì)算及結(jié)果分析

灌區(qū)管理決策者在制定最終水量分配方案時(shí)更多是綜合考慮各用水戶的缺水情況，盡可能的兼顧各用水戶。將模型應(yīng)用于灌區(qū)并賦予各用水戶不同的權(quán)重后進(jìn)行計(jì)算，可得到不同的灌區(qū)水資源配置方案。決策者可根據(jù)決策傾向與實(shí)際情況賦予不同用水戶不同的權(quán)重，得到對(duì)應(yīng)適宜的水量分配方案。由于文章篇幅有限，僅列出在不同降水年份下，灌區(qū)各用水戶權(quán)重相等的、以年為尺度進(jìn)行配置的水量分配方案，見表3。

表3 年尺度下的水量分配方案 萬m3

由表3的年尺度灌區(qū)水資源配置方案可看出，灌區(qū)在降水少的年份可供水量小于需水量，存在資源性缺水問題。在等權(quán)重的水量分配方案下，生活、工業(yè)、城市生態(tài)環(huán)境的用水都能得到滿足，而灌區(qū)缺水集中于農(nóng)業(yè)，具體表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)缺水量從50%降雨頻率年的1 790 萬m3上升90%降雨頻率年的31 118 萬m3，隨降雨的減少缺水變得愈發(fā)嚴(yán)重。在灌區(qū)各用水戶權(quán)重相同的情況下，缺水都由農(nóng)業(yè)承擔(dān)，其根本原因是農(nóng)業(yè)需水量最大，并且占了灌區(qū)用水的絕大部分。灌區(qū)最根本的任務(wù)就是保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，所以在制定水量分配方案時(shí)，不能簡單為了滿足其他用水戶的需水而減少分配給農(nóng)業(yè)的水量。

由于農(nóng)業(yè)用水存在較大的季節(jié)性，因此針對(duì)用農(nóng)業(yè)水高峰期8月，考慮灌區(qū)渠道的供水能力，未考慮10.08 億m3的政策規(guī)定年用水總量限制，進(jìn)行水資源配置，配置結(jié)果見表4。灌區(qū)在降雨頻率為75%與90%的年份時(shí)，仍存在缺水情況，這表明灌區(qū)在用水高峰期還存在工程性缺水問題，對(duì)灌區(qū)渠系的整改提出了新的要求。

表4 8月水量分配方案 萬m3

4 結(jié) 語

本文考慮了灌區(qū)各用水戶的用水需求，通過建立的模型對(duì)贛撫平原灌區(qū)進(jìn)行了水資源配置，研究結(jié)果表明：灌區(qū)缺水情況受降水的影響較大，其中農(nóng)業(yè)受影響最為明顯；基于現(xiàn)狀的水資源配置方案仍存在較大的水量缺口，在各用水戶權(quán)重相等時(shí)，僅有農(nóng)業(yè)存在缺水情況；灌區(qū)同時(shí)存在資源型缺水問題與工程性缺水問題。

本次研究根據(jù)建立的模型對(duì)灌區(qū)水資源進(jìn)行配置，制定了不同降水年的水量分配方案，可為贛撫平原灌區(qū)的水資源管理決策提供參考。在實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度下，水資源總量是有限的，制定的水量分配方案只是基于現(xiàn)狀的一種解決方案，仍存在較大的不足。農(nóng)業(yè)用水量占灌區(qū)用水的大部分，用水效率仍有待提高，要從根本上解決灌區(qū)的用水緊張問題，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)的更好、更快發(fā)展，推行更先進(jìn)的節(jié)水灌溉模式、提高農(nóng)業(yè)用水效率迫在眉睫。