唐山市豐南區(qū)基于“三條紅線”的水資源優(yōu)化配置

段志豪1 溫海燕 曹中華

(1.三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002；2.河北省唐山水文水資源勘測局，河北 唐山 063000)

水資源是支持人類社會持續(xù)發(fā)展的重要基礎資源，是自然、經(jīng)濟、政治穩(wěn)定的重要因素，關系著人們的生活健康、生產(chǎn)發(fā)展和社會進步，但在一定時期和一定區(qū)域內(nèi)，水資源量是非常有限的。水資源系統(tǒng)是一個復雜開放的系統(tǒng)，與社會經(jīng)濟系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)以及政治因素密切相關，隨著地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和人口增長，水需求量的日益增加，以及區(qū)域水資源開發(fā)利用程度的日益提高，水資源供需矛盾正在加劇，過量利用水資源或不當?shù)乃Y源開發(fā)方式導致了環(huán)境危機的不斷加劇。因此，水資源規(guī)劃管理問題引起了人們的廣泛關注，如何優(yōu)化分配區(qū)域內(nèi)有限的水資源已受到國內(nèi)有關部門的高度重視。

2011年中央出臺了最嚴格水資源管理制度，水資源的優(yōu)化配置開始以“三條紅線”為約束條件，更加注重水資源的生態(tài)屬性和環(huán)境屬性[1]。王偉榮等[2]詳細梳理了水資源配置方案與“三條紅線”制度之間的關系，量化了“三條紅線”對水資源配置的約束邊界，并以南四湖流域為研究對象，比較了常規(guī)模式和紅線模式下的優(yōu)化水資源配置的結(jié)果。葛瑩瑩[3]針對不同缺水類型的區(qū)域，將“三條紅線”與約束條件對應起來，運用粒子群算法求解得到“三條紅線”約束下的安陽市水資源優(yōu)化配置結(jié)果。任興華[4]將“三條紅線”分別約束于可供水量預測、需水量預測、水功能區(qū)納污能力預測，運用人工魚群算法對多目標水資源優(yōu)化配置模型進行求解，再通過SE-DEA模型對求解得到的配置方案進行綜合評價，篩選得到最佳配置方案。趙喜富[5]將用水效率控制紅線與水功能區(qū)納污紅線考慮到優(yōu)化配置模型的約束條件中，提出針對不同季節(jié)(或地區(qū))的水資源總量按時段進行優(yōu)化配置，并分別優(yōu)化年內(nèi)調(diào)節(jié)和年際調(diào)節(jié)，得到了優(yōu)先考慮生活用水、生產(chǎn)用水、生態(tài)用水和統(tǒng)籌考慮等多個二次優(yōu)化配置方案。

目前用于水資源優(yōu)化配置的方法有運籌學的規(guī)劃論、大系統(tǒng)優(yōu)化理論、模擬技術、智能算法和多目標決策方法等。本文論述的水資源優(yōu)化配置采用多目標決策方法中的目標達到法，建立目標函數(shù)系列，確定其對應的目標值，通過加權(quán)系數(shù)向量控制目標函數(shù)的偏差，多目標問題可化成標準的優(yōu)化問題。

1 水資源優(yōu)化配置方法

根據(jù)水資源優(yōu)化配置的范圍、對象和規(guī)模的不同，可分為灌區(qū)、城市、流域和區(qū)域等類型。本文論述了面向城市的水資源優(yōu)化配置，以最嚴格水資源管理制度“三條紅線”為目標，運用系統(tǒng)分析理論與優(yōu)化技術，將城市內(nèi)有限的水資源在各用水部門間進行最優(yōu)分配，從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

“三條紅線”作為約束性指標被考慮到區(qū)域水資源配置時應作為最低目標，其次再考慮供水和需水指標。即配置區(qū)域水資源總量不能超過用水總量紅線約束指標，地下水用量不能超過地下水開采總量紅線約束指標，工業(yè)用水利用系數(shù)、農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)須達到用水效率控制紅線的約束指標，生態(tài)用水須達到使水功能區(qū)達標的水量約束指標。“三條紅線”與水資源優(yōu)化配置關系見圖1。

圖1 “三條紅線”與水資源優(yōu)化配置關系

2 水資源優(yōu)化配置模型

2.1 建立模型的原則

建立水資源優(yōu)化配置模型應遵循以下原則。

2.1.1 質(zhì)與量兼顧的原則

在水資源配置時，既要考慮水量，又要考慮水質(zhì)，做到優(yōu)水優(yōu)用、專水專用。如：地下水可以配置到各行業(yè)，再生水只能配置到農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生態(tài)環(huán)境，外調(diào)工業(yè)水只能用于工業(yè)區(qū)用水，河流引水只能配置到灌區(qū)用水。

2.1.2 按不同保證率配置水源

考慮農(nóng)業(yè)用水在不同保證率條件下需水變化較大，故配置時按不同保證率區(qū)別對待。

2.1.3 符合“三條紅線”控制指標要求

水資源配置總量不能超過用水總量控制指標，地下水用水量不能超過地下水開采量控制指標；工業(yè)用水、農(nóng)田灌溉水須達到用水效率控制紅線的約束指標；生態(tài)用水須滿足水功能區(qū)達標要求。

2.2 目標函數(shù)

根據(jù)水資源供需預測分析，得出基于可持續(xù)發(fā)展的水資源優(yōu)化配置模型目標函數(shù)，見下式：

F(x)=[f1(x),f2(x),f3(x),f4(x),f5(x)]

(1)

式中：f1(x)、f2(x)、f3(x)、f4(x)、f5(x)為子目標函數(shù)；k1、k2、k3、k4、k5分別為權(quán)重系數(shù)；g1、g2、g3、g4、g5為子目標用水量。

2.3 約束條件

約束條件主要有供(輸)水系統(tǒng)供水能力約束、用水系統(tǒng)供需變化約束、區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展約束、非負約束等。

a.子區(qū)各部門需水約束：

(2)

式中：j(j=1，2，3)為子區(qū)域的需水量，萬m3。

b.水源可供水量約束：

(3)

式中:i(i=1，2，3，4)為水源(地表水、灌區(qū)引水、工業(yè)區(qū)引水、再生水)的可供水量，萬m3。

c.決策變量非負約束：

xij≥0

(4)

2.4 模型求解方法

水資源的優(yōu)化配置具有多目標、多層次、多約束等特點，涉及區(qū)域社會經(jīng)濟與人口、行業(yè)布局、水資源質(zhì)和量等多方面因素。依據(jù)唐山市豐南區(qū)水資源分布特點與用水結(jié)構(gòu)分布，對比多目標傳統(tǒng)算法與多目標智能法的優(yōu)缺點，確定采用基于控制精英策略的多目標粒子群算法對模型進行求解。

粒子群優(yōu)化(PSO)算法是由Kennedy和Eberhart于1995年用計算機模仿鳥群尋食這一簡略的社會行動簡化之后而提出的方法。本文在率定水資源優(yōu)化配置時，設定種群規(guī)模n為42，自身學習因子c1和社會學習因子c2均為2，慣性權(quán)重w在區(qū)間[0.3，0.6]上采用線性遞減策略，如式(5)所示。

(5)

式中:wmax=0.6；wmin=0.3；T為總迭代次數(shù)。

圖2 粒子群算法流程圖

3 實例應用

3.1 背景介紹

2013年以來，為加強水資源及水環(huán)境管理，唐山市政府開始對所轄各縣(市、區(qū))進行最嚴格水資源管理制度考核，也稱為“三條紅線”考核。本文初步建立以“三條紅線”為目標，以需水量和供水量為約束條件的優(yōu)化配置模型，模擬了不同規(guī)劃水平年不同保證率在達到“三條紅線”考核目標要求下、在滿足不同目標條件下(生態(tài)最優(yōu)或經(jīng)濟最優(yōu))豐南區(qū)不同水資源配置時水資源缺水程度。從諸多模擬結(jié)果中選擇缺水量最小的結(jié)果，作為不同規(guī)劃水平年、不同保證率生態(tài)最優(yōu)及經(jīng)濟最優(yōu)目標下的配置方案。

本次水資源配置水量為豐南區(qū)在不同水平年、不同保證率時的可供水量，配置時主要分析不同供水條件下的水資源供需問題。考慮到豐南區(qū)的用水產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和污染物排放控制情況，對豐南區(qū)水資源按下面兩種方案進行優(yōu)化配置：即生態(tài)優(yōu)先的配置方案，經(jīng)濟優(yōu)先的配置方案。

豐南區(qū)的供水水源可分為地表水、地下水、再生水、陡河灌區(qū)引水以及工業(yè)區(qū)引水共5種水源。用水戶可分為生活、農(nóng)業(yè)、二產(chǎn)、三產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境共5個部門類。計算單元為北、中、南3個子區(qū)，以i種水源向j個用水部門提供的年供水量作為決策變量。決策變量設置見表1。

表1 決策變量設置

考慮到水資源配置時需符合最嚴格水資源管理制度“三條紅線”控制目標要求，將控制目標分解為5個子函數(shù)。

a.用水總量(對應用水總量控制紅線)，北、中、南3個子區(qū)，生活、農(nóng)業(yè)、二產(chǎn)、三產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境5個用水部門的用水總和為

f1(x)=x1+x2+x3+…+x42

(6)

b.地下水用量(對應用水總量控制紅線)，北、中、南3個子區(qū)，生活、農(nóng)業(yè)、二產(chǎn)、三產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境5個用水部門的地下水用水總和為

f2(x)=x7+x8+x9+…+x21

(7)

c.工業(yè)用水(對應用水效率控制紅線)，北、中、南3個子區(qū)工業(yè)用水總量為

f3(x)=x10+x11+x12+x22+x27+x28+x37+x38

(8)

d.生態(tài)用水(對應水功能區(qū)限制納污紅線)，北、中、南3個子區(qū)生態(tài)用水總量為

f4(x)=x4+x5+x6+x19+x20+x21+x24

+x34+x35+x36+x41+x42

(9)

e.農(nóng)業(yè)用水(對應用水效率控制紅線)，北、中、南3個子區(qū)農(nóng)業(yè)用水總量為

f5(x)=x1+x2+x3+x16+x17+x18+x23+x31

+x32+x33+x39+x40

(10)

根據(jù)唐山市實行最嚴格水資源管理制度紅線控制目標分解方案，將豐南區(qū)作為一個整體，采用目標達到法，為上面5個子函數(shù)確立5個子目標。

用水總量目標g1(對應用水總量控制紅線)：采用豐南區(qū)用水總量控制指標。

地下水用量目標g2(對應用水總量控制紅線)：根據(jù)地下水取水總量控制管理范圍，取礦化度不大于2g/L的淺層地下水和深層承壓水，采用豐南區(qū)地下水開采量控制指標。

工業(yè)用水量目標g3(對應用水效率控制紅線)：依據(jù)《唐山市實行最嚴格水資源管理制度紅線控制目標分解方案》(2016—2020年)確定豐南區(qū)2020年工業(yè)用水效率控制指標，再乘以“豐南區(qū)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展‘十三五’規(guī)劃”中2020年工業(yè)增加值，即得到豐南區(qū)2020年工業(yè)用水量控制指標。根據(jù)豐南區(qū)2016—2020年工業(yè)用水效率下降率確定2030年工業(yè)用水效率，再乘以2030年工業(yè)增加值(按“十二五”時期平均增長水平進行預測)，即得到豐南區(qū)2030年工業(yè)用水量控制指標。

生態(tài)用水量目標g4(對應水功能區(qū)限制納污紅線)：水功能區(qū)評價參數(shù)為COD、氨氮。豐南區(qū)涉及的水功能區(qū)有陡河唐山工業(yè)用水區(qū)和沙河唐山農(nóng)業(yè)用水區(qū)，水質(zhì)目標為Ⅳ類，現(xiàn)狀水質(zhì)為劣Ⅴ類。根據(jù)《唐山市最嚴格水資源管理制度紅線控制目標分解方案》(2016—2020年)，2020年陡河和沙河水質(zhì)較現(xiàn)狀有所提高，水質(zhì)為Ⅴ類；2030年陡河和沙河水質(zhì)均達到水功能區(qū)水質(zhì)要求，即水質(zhì)為Ⅳ類，COD、氨氮濃度分別為30mg/L、1.5mg/L。根據(jù)污染物濃度及污水規(guī)劃水平年排放量，將水功能區(qū)納污紅線指標換算為使水功能區(qū)達到目標要求的水量。計算公式如下：

g4=M/CS×106

(11)

式中：M為污水排放量,t;CS為水質(zhì)目標,mg/L。

農(nóng)業(yè)用水量目標g5(對應用水效率控制紅線)：即北、中、南3個子區(qū)農(nóng)業(yè)需水總量。

生態(tài)優(yōu)先的配置方案，因需盡量達到生態(tài)用水量目標，故生態(tài)目標權(quán)重系數(shù)取值為：k3=0.96，其他各用水目標權(quán)重系數(shù)取值為：k1=0.01，k2=0.01，k4=0.01，k5=0.01。

經(jīng)濟優(yōu)先的配置方案，因需盡量達到工業(yè)用水量目標，故取工業(yè)目標權(quán)重系數(shù)k4=0.96，其他各用水目標權(quán)重系數(shù)取k1=0.01，k2=0.01，k3=0.01，k5=0.01。

約束條件：

(12)

式中:A1、A2、A3分別為北區(qū)、中區(qū)、南區(qū)生活需水量；B1為地表水供水量；B2為陡河灌區(qū)引水量；B3為工業(yè)區(qū)引水量；B4為北區(qū)再生水量；B5為中區(qū)再生水量；B6為南區(qū)再生水量。

3.2 計算結(jié)果

唐山市豐南區(qū)2020年50%和75%保證率情況下預測缺水分別為1368萬m3和8280萬m3，2030年50%和75%保證率情況下預測缺水分別為284萬m3和7196萬m3。在“三條紅線”指標控制下，采用優(yōu)化配置模型計算結(jié)果見圖3。

圖3 各規(guī)劃年不同保證率情況下各方案缺水量

從圖3可以看出，唐山市豐南區(qū)不同規(guī)劃水平年、不同保證率生態(tài)最優(yōu)及經(jīng)濟最優(yōu)目標下的配置方案，在達到“三條紅線”目標的情況下，將有限的水資源進行合理的優(yōu)化配置，最后總?cè)彼颗c預測缺水量相差不大。子目標缺水情況如下(地下水用量均達標)：

a.在2020年50%保證率情況下的缺水預測，見圖4。

圖4 2020年50%保證率各方案目標達成度

生態(tài)優(yōu)先方案：滿足生態(tài)用水目標g4需求；不滿足工業(yè)用水目標g3，缺水584萬m3；不滿足農(nóng)業(yè)用水目標g5，缺水590萬m3。

經(jīng)濟優(yōu)先方案：滿足工業(yè)用水目標g3需求；不滿足生態(tài)用水目標g4，生態(tài)缺水589萬m3；不滿足農(nóng)業(yè)用水目標g5，缺水585萬m3。

b.在2020年75%保證率情況下的缺水預測，見圖5。

圖5 2020年75%保證率各方案目標達成度

生態(tài)優(yōu)先方案：滿足生態(tài)用水目標g4需求；不滿足工業(yè)用水目標g3，缺水3337萬m3；不滿足農(nóng)業(yè)用水目標g5，缺水3372萬m3。

經(jīng)濟優(yōu)先方案：滿足工業(yè)用水目標g3需求；不滿足生態(tài)用水目標g4，生態(tài)缺水1414萬m3；不滿足農(nóng)業(yè)用水目標g5，缺水4661萬m3。

c.在2030年50%保證率情況下的缺水預測，見圖6。

圖6 2030年50%保證率各方案目標達成度

生態(tài)優(yōu)先方案：滿足生態(tài)用水目標g4需求；不滿足工業(yè)用水目標g3，缺水143萬m3；不滿足農(nóng)業(yè)用水目標g5，缺水144萬m3。

經(jīng)濟優(yōu)先方案：滿足工業(yè)用水目標g3需求；不滿足生態(tài)用水目標g4，生態(tài)缺水118萬m3；不滿足農(nóng)業(yè)用水目標g5，缺水109萬m3。

d.在2030年75%保證率情況下的缺水預測，見圖7。

生態(tài)優(yōu)先方案：滿足生態(tài)用水目標g4需求；不滿足工業(yè)用水目標g3，缺水2882萬m3；不滿足農(nóng)業(yè)用水目標g5，缺水2913萬m3。

圖7 2030年75%保證率各方案目標達成度

經(jīng)濟優(yōu)先方案：滿足工業(yè)用水目標g3需求；不滿足生態(tài)用水目標g4，生態(tài)缺水1479萬m3；不滿足農(nóng)業(yè)用水目標g5，缺水3918萬m3。

4 結(jié) 語

通過對結(jié)果的分析，可以預測唐山市豐南區(qū)在各水平年不同保證率下的缺水形勢，得到最優(yōu)的生態(tài)優(yōu)先和經(jīng)濟優(yōu)先配置方案，使有限的水資源在滿足不同條件的情況下得到最有效的分配使用，可有效緩解唐山市豐南區(qū)的缺水形勢，同時可為其他地區(qū)的水資源優(yōu)化配置提供參考和借鑒。