基于多源多匯的水資源調(diào)度工程

王嘉志

摘要：在我國(guó)水資源空間分布嚴(yán)重不均的現(xiàn)狀下，為了滿(mǎn)足各地區(qū)用水量，建立基于多源多匯網(wǎng)絡(luò)流的水資源戰(zhàn)略模型。首先根據(jù)主要河流分布和人均水資源情況，將全國(guó)分為六個(gè)部分，依次利用logistic模型和灰色GM（1，1，）模型計(jì)算各區(qū)需水量，利用衛(wèi)星云圖得到各地區(qū)主要水庫(kù)間距后，結(jié)合實(shí)際情況建立多源多匯水資源戰(zhàn)略模型，在模型基礎(chǔ)上根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況提出興建水庫(kù)，海水淡化工程，建立污水處理廠三項(xiàng)措施來(lái)對(duì)水資源戰(zhàn)略進(jìn)行補(bǔ)充。

Abstract： Under the condition of serious uneven distribution of water resources in China， a water resource strategy model based on multi-source and multi sink network flow is established to meet the water consumption in different regions. Firstly， according to the distribution of main rivers and the water resources per capita， the country is divided into six parts. The water requirement of each region is calculated by using logistic model and grey GM（1，1） model in turn. After the main reservoir space of each region is obtained by satellite cloud map， a strategic model of multi source and multi water resources is established in combination with the actual situation， and the model is based on the model. According to the actual situation in China， three measures are proposed to build reservoir， seawater desalination project and sewage treatment plant to replenish water resources strategy.

關(guān)鍵詞：水資源戰(zhàn)略；多源多匯模型；南水北調(diào)

Key words： water resources strategy；multi-source and multi sink model；South to North Water Transfer Project

中圖分類(lèi)號(hào)：P641.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）25-0183-03

0 引言

淡水資源匱乏已經(jīng)成了當(dāng)前世界很多國(guó)家發(fā)展的瓶頸。雖然我國(guó)是水資源大國(guó)，但人均淡水資源只占世界人均淡水資源的四分之一，尤其存在水資源空間分布嚴(yán)重不均的現(xiàn)狀新中國(guó)成立后，進(jìn)行了大規(guī)模的水利建設(shè)，取得了興利除害的重大成就，我國(guó)以占全球約6%的可更新水資源、9%的耕地，支持了占全球22%人口的溫飽和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但是，在水資源開(kāi)發(fā)利用的進(jìn)程中，也出現(xiàn)了一些更為復(fù)雜的新情況和新問(wèn)題。面臨新世紀(jì)我國(guó)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，我們的水資源能否支持將來(lái)16億人口的食物供應(yīng)？能否支持社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展？如何解決我國(guó)的洪水、缺水和水質(zhì)污染[1]？基于這些問(wèn)題，確定一個(gè)高效的、實(shí)際可行的、高效率利用成本的合理的水資源戰(zhàn)略模型來(lái)滿(mǎn)足中國(guó)供水需求迫在眉睫。

1 水資源調(diào)度戰(zhàn)略現(xiàn)狀

自新中國(guó)成立后，水資源區(qū)域宏微觀規(guī)劃、水資源優(yōu)化調(diào)度和配置、水資源生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面有了顯著的進(jìn)步，同時(shí)，全社會(huì)性節(jié)水理念以及全面節(jié)水措施得到了逐步推廣[3]。

南水北調(diào)工程是我國(guó)優(yōu)化水資源配置、促進(jìn)各區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎(chǔ)性工程，是目前國(guó)家投資額最大、涉及面最廣的戰(zhàn)略性水資源工程。南水北調(diào)東線工程地處長(zhǎng)江、淮河、黃河、海河流域下游，涉及津、冀、魯、皖、蘇五省市，是一個(gè)多水源、多用戶(hù)、多階段的的大型跨流域調(diào)水工程，[5]有利于緩解我國(guó)南北地區(qū)間水資源分配不均的局面，促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。受水區(qū)水資源的增加，可以帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，增加當(dāng)?shù)鼐用竦氖杖耄部梢愿纳飘?dāng)?shù)鼐用竦木幼…h(huán)境，提高居民的生活質(zhì)量。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平提高、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化、制度及技術(shù)創(chuàng)新速度加快，中部地區(qū)的社會(huì)結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境都會(huì)實(shí)現(xiàn)良性發(fā)展。[6]

國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖然對(duì)跨流域調(diào)水模型開(kāi)展了大量研究，對(duì)跨流域調(diào)水工程水資源配置方案已定情況下，對(duì)站群運(yùn)行的系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題也進(jìn)行了不少探索，但針對(duì)南水北調(diào)東線江蘇境內(nèi)長(zhǎng)距離跨流域調(diào)水工程特點(diǎn)，即多個(gè)梯級(jí)水量站聯(lián)合調(diào)度，多個(gè)調(diào)蓄湖庫(kù)聯(lián)合運(yùn)行，多種水源聯(lián)合供水的“河湖梯級(jí)栗站”長(zhǎng)藤結(jié)瓜供水系統(tǒng)的復(fù)雜水資源優(yōu)化配置模型及方法研究，還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。[4]

2 水資源需求預(yù)測(cè)基于多源多匯網(wǎng)絡(luò)流的水資源調(diào)動(dòng)戰(zhàn)略

建立水資源調(diào)動(dòng)戰(zhàn)略的核心在于水資源分配的合理性。將地區(qū)水資源需求量粗略定義為當(dāng)?shù)厝丝跀?shù)量與人均水資源需求量的乘積。根據(jù)不同地區(qū)農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水情況的差異性和水資源儲(chǔ)蓄情況，將整個(gè)國(guó)家分為6部分，分別為華北地區(qū)，東北地區(qū)，華東地區(qū)，西南地區(qū)，西北地區(qū)，中南地區(qū)。對(duì)于各地區(qū)需水量的預(yù)測(cè)，建立灰色GM微分預(yù)測(cè)模型對(duì)當(dāng)?shù)毓┧堪l(fā)展規(guī)律作出模糊性的長(zhǎng)期描述，用Logistic模型描述對(duì)于當(dāng)?shù)厝丝跀?shù)量的預(yù)測(cè)。為達(dá)到節(jié)約水資源利用成本的目的，建立基于多源多匯網(wǎng)絡(luò)流模型的水資源戰(zhàn)略，給出水資源從源點(diǎn)到匯點(diǎn)的最小費(fèi)用最大流，進(jìn)行水資源戰(zhàn)略的配置。

水資源需求預(yù)測(cè)：

2.1 對(duì)數(shù)據(jù)的收集與處理

中國(guó)主要的河流分為黃河、長(zhǎng)江、珠江、東北諸河、西北諸河、西南諸河。按照國(guó)際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，人均水資源低于3000，為輕度缺水；人均水資源低于2000m為中度缺水：人均水資源低于1000為重度缺水：人均水資源低于500為極度缺水[2]。基于中國(guó)人口密度較大，人均地表水資源量較小的狀況，本文將人均地表水資源低于1000的省份確定為缺水省份，人均地表水資源為1000與3000之間的省份確定為水源自足省份，人均地表水資源高于3000的省份確定為水源充足省份。

為了有針對(duì)性的研究不同地區(qū)用水情況的差異性，將整個(gè)國(guó)家分為6部分，分別為華北地區(qū)，東北地區(qū)，華東地區(qū)，西南地區(qū)，西北地區(qū)，中南地區(qū)。他們的組成成分分別為：華北地區(qū)：北京市、天津市、河北省、山西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)；東北地區(qū)：遼寧省、吉林省、黑龍江省；華東地區(qū)：上海市、江蘇省、浙江省、安徽省、福建省、江西省、山東省；中南地區(qū)：河南省、湖北省、湖南省、廣東省、海南省、廣西壯族自治區(qū)；西南地區(qū)：重慶市、四川省、貴州省、云南省、西藏自治區(qū)；西北地區(qū)：陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)；可以看出，華南地區(qū)淡水資源供需平衡；東北地區(qū)淡水資源豐富：西北、西南、華中地區(qū)水資源缺乏，需從其它區(qū)域進(jìn)行調(diào)配：華東、華北臨海地區(qū)水資源缺乏，可以依靠海水淡化以及水資源調(diào)配。

2.2 建立Logistic模型，對(duì)未來(lái)2025年人口進(jìn)行預(yù)測(cè)

Logistic模型是1938年Verhulst-Pearl在修正非密度方程時(shí)提出的，適用于一定的環(huán)境條件中種群的增長(zhǎng)存在一個(gè)上限，當(dāng)種群的數(shù)量逐漸向著上限上升時(shí)實(shí)際增長(zhǎng)率就要逐漸地減少，種內(nèi)對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)，自然資源、環(huán)境條件等因素對(duì)人口的增長(zhǎng)起阻滯作用，且隨著人口的增加，阻滯作用越來(lái)越大，人口問(wèn)題是影響我國(guó)發(fā)展的重要因素，也是預(yù)測(cè)水資源需求量的關(guān)鍵因素，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出未來(lái)人口的發(fā)展趨勢(shì)與大致數(shù)目對(duì)當(dāng)?shù)匦杷康墓烙?jì)有重要的指導(dǎo)意義。

我們記時(shí)刻t的地區(qū)人口數(shù)量為x（t），并將地區(qū)人口數(shù)量x（t）看作連續(xù)、可微的函數(shù)，記初始時(shí)刻（t=0）的人口為x0。假設(shè)地區(qū)人口增長(zhǎng)率為常數(shù)r，考慮t到t+Δt時(shí)間內(nèi)人口的增量，令Δt→0，則得到x（t）滿(mǎn)足如下的微分方程： ； ，這里的r表示人口很少時(shí)（理論上設(shè)x=0）的增長(zhǎng)率，即人口不受環(huán)境和資源限制的固有增長(zhǎng)率。引入最大人口容量xm，即xm是當(dāng)?shù)氐貐^(qū)自然資源和環(huán)境條件所能容納的最大人口數(shù)量。 ；代入 ，得如下的Logistic模型： ）；通過(guò)Logistic模型預(yù)測(cè)的各地區(qū)人口情況預(yù)測(cè)結(jié)果，華北地區(qū)在2025年將達(dá)到30475.8萬(wàn)人，東北地區(qū)將達(dá)到11464.6萬(wàn)人，同理可得其他地區(qū)人口量。

2.3 建立灰色GM模型，對(duì)未來(lái)六個(gè)地區(qū)供水量進(jìn)行預(yù)測(cè)

在得到各地區(qū)人口數(shù)量增長(zhǎng)模型的情況下，以年份為自變量，以供水量為因變量，建立GM（1，1）灰色模型，用GM（1，1）灰色模型預(yù)測(cè)2025年6個(gè)地區(qū)的供水量情況，各地區(qū)人均需水量數(shù)據(jù)用人均需水量表示，華北地區(qū)人均需水量為314，東北地區(qū)人均需水量為534，華東地區(qū)人均需水量為496，中南地區(qū)人均需水量為478，西南地區(qū)人均需水量為465，西北地區(qū)人均需水量為981。通過(guò)灰色模型得到的各地區(qū)供水量情況，華北地區(qū)需水量為478.5，同理可得其他地區(qū)需水量。綜上所述，我們可以得到2025年的需水量和供水量情況，華北地區(qū)需水量為956.9，供水量為534.8，東北地區(qū)需水量為612.7，供水量為910.9。同理可得其他地區(qū)用水量和需水量。

3 多元多匯網(wǎng)絡(luò)流模型

以各地區(qū)主要水庫(kù)為研究對(duì)象，利用衛(wèi)星地圖得到各大水庫(kù)之間距離，將各大地區(qū)水庫(kù)水資源中心以核心點(diǎn)，結(jié)合各地水資源狀況進(jìn)行調(diào)度。

由中國(guó)各行政區(qū)域所處地理位置來(lái)看：西北、西南、華中地區(qū)深處大陸內(nèi)部，遠(yuǎn)離海洋，其淡水來(lái)源除了地表、地下水等，只能來(lái)源于來(lái)自其他區(qū)域淡水的調(diào)運(yùn)。東北、華北、華東、華南地區(qū)處于沿海地帶，海水資源豐富，在淡水資源短缺的情況下，其淡水來(lái)源不僅可以來(lái)自淡水的調(diào)運(yùn)，還可以來(lái)自海水的淡化。

東北地區(qū)包括吉林省、遼寧省和黑龍江三省，南部瀕臨黃海渤海，大多處于半濕潤(rùn)地區(qū)，水資源條件較好，作為資源的水，是指可資利用或可能被利用的水，在滿(mǎn)足自身用水充足的情況下，東北地區(qū)完全具有向外輸送水資源的能力。

綜上所述，優(yōu)化的水資源調(diào)度戰(zhàn)略方案主要分為三部分考慮：

①由東北地區(qū)向華東、西南、華中、西北、華南、華北六個(gè)地區(qū)輸送水源，即以東北地區(qū)為源點(diǎn)，其他地區(qū)為匯點(diǎn)，制定出6條最小費(fèi)用最大流；

②華東、華北、華南沿海地區(qū)可以借助海水淡化來(lái)自給水源，因此分別以華東、華北、華南地區(qū)為源點(diǎn)，其他地區(qū)（不包含東北）為匯點(diǎn)，制定出各地區(qū)的最小費(fèi)用最大流（共計(jì)15條最小費(fèi)用最大流）；

③將以上最小費(fèi)用最大流進(jìn)行拼接與選擇，形成最優(yōu)的水資源戰(zhàn)略方案。

在水資源戰(zhàn)略方案基礎(chǔ)上，主要考慮水資源的調(diào)動(dòng)成本以及海水淡化兩個(gè)因素，建立多源多匯網(wǎng)絡(luò)流模型，給出水資源從源點(diǎn)到匯點(diǎn)的最小費(fèi)用最大流。

制定一個(gè)最優(yōu)的水資源戰(zhàn)略方案，即求一個(gè)最大流使得該最大流的總運(yùn)輸費(fèi)用：

首先從一個(gè)可運(yùn)輸水資源路徑f出發(fā)，找到關(guān)于這個(gè)路徑相關(guān)的一條連通兩個(gè)未匹配頂點(diǎn)的路徑p，沿著p對(duì)進(jìn)行調(diào)整f；對(duì)新的p又試圖尋找它的p；如此反復(fù)直至不存在p為止。

現(xiàn)在要求尋找最小費(fèi)用最大流，當(dāng)沿著一條關(guān)于f的p，以改進(jìn)量α=1調(diào)整f；對(duì)新的可行流f（顯然f=f'+1），顯然，

若以東北地區(qū)為水源源點(diǎn)，西南地區(qū)為水源匯點(diǎn)，可得最大流為34.7millionRMB。同理可以得出其他的最大流。

4 水資源戰(zhàn)略的建立

在得到多元多匯網(wǎng)絡(luò)流間距離后，在此基礎(chǔ)上考慮建立的水資源戰(zhàn)略模型對(duì)于當(dāng)?shù)氐挠绊憽？傮w來(lái)說(shuō)，水資源的調(diào)動(dòng)會(huì)增加地表的流動(dòng)水，使地表流動(dòng)會(huì)改善沿程地區(qū)氣候環(huán)境，同時(shí)提供流動(dòng)水帶來(lái)的新生物類(lèi)型，有利于增強(qiáng)和維護(hù)水源調(diào)動(dòng)沿程地區(qū)物種多樣性和生態(tài)穩(wěn)定性。同時(shí)也將增加沿程中各水域的連通性和流動(dòng)性，有利于水環(huán)境自?xún)裟芰Φ奶岣摺Ｔ诳紤]經(jīng)濟(jì)方面、環(huán)境方面和社會(huì)方面的因素后，提出興建水庫(kù)，海水淡化工程，建立污水處理廠三項(xiàng)措施來(lái)對(duì)水資源戰(zhàn)略進(jìn)行補(bǔ)充。

通過(guò)興建水庫(kù)可以與水資源調(diào)動(dòng)相聯(lián)系，高申[6]對(duì)其進(jìn)行了研究，而且緩解了水資源在空間和時(shí)間上分布不均勻與供水和用水之間供需矛盾，為人類(lèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和資源開(kāi)發(fā)提供了良好的保障，帶動(dòng)了養(yǎng)殖、旅游等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為能源急速消耗急速消耗的當(dāng)代社會(huì)提供了電能。從工業(yè)方面考略，興建水庫(kù)有助于進(jìn)一步促進(jìn)生產(chǎn)并提供大量電能，為工業(yè)區(qū)的建立和工業(yè)的快速發(fā)展創(chuàng)造有利條件。從農(nóng)業(yè)方面考略，合理規(guī)劃配置水資源，有助于緩解我國(guó)水旱災(zāi)害頻發(fā)的造成的經(jīng)濟(jì)損失，提高農(nóng)業(yè)方面防洪抗旱能力，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展，減輕水污染，改善干旱地區(qū)缺水的現(xiàn)狀。

在海水淡化方面，電滲析濃縮海水制鹽是一項(xiàng)成熟的工業(yè)技術(shù)，在日本取代鹽田法已有30余年，并推廣到澳洲、南美和中東不少?lài)?guó)家應(yīng)用。[7]雖然海水淡化工程所需費(fèi)用相對(duì)較高，但在海水淡化的處理過(guò)程中不僅可以提供大量的淡水資源，同時(shí)也增加了副化學(xué)品生產(chǎn)，比如鹽和礦物質(zhì)等，形成新型循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，降低當(dāng)?shù)貪撛诃h(huán)境污染造成的水資源緊張，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

建立污水處理廠，可以提高城市環(huán)境質(zhì)量，緩解了工業(yè)企業(yè)污水處理的壓力，改善城市形象，通過(guò)污水廠處理充分利用好污水回用技術(shù)可使污水變廢為寶，這樣經(jīng)過(guò)處理后的城市污水，可供工業(yè)循環(huán)冷卻、市政園林、近郊農(nóng)田灌溉，以及建筑和非接觸性生活使用，大大改善了生態(tài)環(huán)境。

5 水資源調(diào)配

上述提供的水資源戰(zhàn)略?xún)?yōu)化方案是從供需平衡角度考慮，兼顧經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境因素，力求整個(gè)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境綜合效益的優(yōu)化，對(duì)中國(guó)水資源現(xiàn)狀的分析，保證了戰(zhàn)略的可行性；最小費(fèi)用最大流方案保證了戰(zhàn)略方案的低成本性。但由于水資源不僅是一種自然資源，也是一種短期內(nèi)不可再生的戰(zhàn)略資源，本文在進(jìn)行區(qū)域水資源協(xié)調(diào)研究時(shí)，沒(méi)有考慮到區(qū)域內(nèi)各層面、跨區(qū)域部門(mén)之間的競(jìng)爭(zhēng)與博弈，受限于數(shù)據(jù)獲取約束，[8]水資源戰(zhàn)略還存在改進(jìn)空間。提供的水資源戰(zhàn)略?xún)?yōu)化方案除了可以應(yīng)用與規(guī)劃不同時(shí)期水資源戰(zhàn)略外，還可以應(yīng)用于其他資源的預(yù)測(cè)及調(diào)配問(wèn)題，為各種資源未來(lái)可持續(xù)發(fā)展提供了可參考性方案。

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